Les analyseurs électrochimiques intègrent l'analyse voltampérométrique (VA) pour effectuer la spéciation des traces d'ions inorganiques dans un échantillon sur la base d'une relation courant-tension. En plus de l'analyse voltampérométrique, le stripping voltampérométrique cyclique (CVS) et le stripping voltampérométrique à impulsion cyclique (CPVS) peuvent aider à quantifier les additifs organiques afin d'assurer un fonctionnement continu et sans interférence des bains de placage. Ces analyseurs utilisent une électrode multimode (MME) ou une électrode à disque rotatif (RDE) pour réaliser les applications VA ou CVS/CPVS.
Alors que les concepts de l'industrie 4.0 continuent d'être mis en œuvre, les "usines intelligentes" qui s'appuient fortement sur les données pour être plus efficaces et adaptatives se concrétisent. Des pétaoctets de données affluent dans les salles de contrôle des usines intelligentes. Cependant, il peut être difficile d'obtenir des données précieuses qui peuvent conduire à une amélioration réelle des processus. Process Analytics 4.0 introduit de nouvelles modernisations telles que la Process Analytical Technology (PAT) pour fournir des données de haute qualité et guider les décisions critiques de l'entreprise.
Industrie 4.0 et analyse des processus 4.0
Industry 4.0 (the Fourth Industrial Revolution) est le mouvement actuel d'automatisation et de collecte de données dans le secteur manufacturier. Le cœur de l'industrie 4.0 se concentre sur les concepts de connectivité, d'automatisation, d'intégration des systèmes et de big data, pour n'en citer que quelques-uns.
En mettant en œuvre les solutions de l'industrie 4.0, les fabricants peuvent accroître leur efficacité, leur productivité et leur rentabilité tout en restant compétitifs et en améliorant l'expérience client. Dans une étude réalisée par McKinsey & Company, il a été noté que dans l'ensemble des industries, une amélioration de 15 à 30 % de la productivité du travail et une augmentation de 10 à 30 % du débit pourraient être observées si les solutions de l'industrie 4.0 sont mises en œuvre avec succès [1].
Process Analytics 4.0 est un terme analogue à Industry 4.0, centré sur l'évolution de l'analyse des processus. Dhanuka P. Wasalathanthri a inventé ce terme pour la première fois dans la revue Biotechnology Progress. [2]. Dans ce document, Wasalathanthri définit l'analyse des processus 4.0 comme incluant "l'utilité de la technologie d'analyse des processus (PAT), l'automatisation des essais, la gestion des données, la visualisation, la réalité augmentée (AR) et l'IdO".
Cet article explique comment mettre en œuvre avec succès une solution Process Analytics 4.0, notamment en choisissant le bon PAT, en assurant un préconditionnement correct des échantillons et en acquérant des données fiables.
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Choisir le bon PAT
Lors de l'évaluation d'une technologie d'analyse de processus, le facteur le plus important est de savoir si la solution choisie est adaptée à l'objectif visé. De nombreuses solutions d'analyse de processus peuvent résoudre un même problème. Cependant, la compréhension de la technologie la mieux adaptée permettra d'obtenir des résultats qui garantiront que tous les attributs de qualité critiques (AQC) peuvent être surveillés et contrôlés correctement.
Consultez notre webinaire à la demande, notre article de blog et la brochure du logiciel IMPACT ci-dessous pour en savoir plus sur ces solutions PAT.
Webinaire : Process Analytics 4.0 : Créer des données exploitables
L'un des défis les plus courants de la mise en œuvre de solutions PAT, en particulier pour l'analyse chimique par voie humide, consiste à fournir systématiquement un échantillon représentatif à l'analyseur de processus. On estime que 80 % des complications liées au PAT sont dues à des problèmes d'échantillonnage. [3]. L'un des moyens d'atténuer cet obstacle consiste à concevoir un système de préconditionnement robuste, séparé du reste du processus.
L'objectif de tout système de préconditionnement d'échantillons est d'assurer une manipulation sûre et efficace des échantillons, de protéger l'instrumentation contre les dommages, d'augmenter le temps de fonctionnement et d'assurer une intégration transparente dans le processus. Les problèmes les plus courants qu'un système de préconditionnement d'échantillons doit résoudre sont la pression, les solides et la température. Dans la plupart des cas, les panneaux d'échantillonnage peuvent être construits pour gérer simultanément plusieurs paramètres. Les panneaux d'échantillonnage peuvent être conçus pour réduire la pression de l'échantillon, empêcher les grosses particules de pénétrer dans l'analyseur et réduire les pulsations provenant de l'équipement de l'usine qui peuvent entraîner un débit d'échantillon peu fiable. En éliminant ces problèmes courants, on peut fournir à l'analyseur de processus un échantillon constant 24 heures sur 24.
Supposons que plusieurs paramètres n'aient pas besoin d'être ajustés pour répondre à la spécification PAT. Dans ce cas, les systèmes de conditionnement d'échantillons à fonction unique peuvent constituer une excellente alternative aux panneaux d'échantillonnage conçus sur mesure. Ces systèmes de conditionnement d'échantillons à fonction unique comprennent des filtres à soufflage, des récipients à débordement ou de simples mécanismes de filtration en ligne.
Le logiciel PAT peut également être utilisé avec des panneaux d'échantillonnage pour actionner des vannes, des pompes ou d'autres dispositifs externes à l'analyseur de processus. Le logiciel peut également collecter des données à partir de débitmètres, de dispositifs de pression ou de capteurs de température afin de prendre d'autres décisions de contrôle ou de diagnostic concernant le processus. Il est possible d'utiliser des dispositifs externes pour que l'analyseur de processus détermine intelligemment quand échantillonner, quand augmenter la fréquence d'échantillonnage, ou même alerter les opérateurs sur des problèmes en amont de l'analyseur de processus. Ces capacités constituent une solution complète de bout en bout pour les solutions PAT.
Pour en savoir plus sur le préconditionnement des échantillons, regardez notre webinaire à la demande ci-dessous et consultez les différentes options proposées sur notre site web.
Webinaire : Process Analytics 4.0 : Une solution complète pour la surveillance des processus
Acquérir des données précieuses et fiables
Une fois que la solution PAT appropriée a été choisie et que les risques liés au préconditionnement des échantillons ont été minimisés, il est temps d'acquérir des données précieuses et fiables afin d'optimiser et de maintenir tous les AQC.
Un exemple de mise en œuvre réussie de Process Analytics 4.0 est la surveillance de l'humidité dans les solvants organiques, tels que l'oxyde de propylène (PO), à l'aide de la spectroscopie NIR. Si le niveau d'humidité dans l'OP est trop élevé, l'activité des catalyseurs utilisés dans la phase de polymérisation est considérablement réduite, ce qui entraîne une baisse du rendement du polypropylène. Par conséquent, la mesure de la teneur en humidité de l'oxyde de propylène est essentielle pour la rentabilité.
En règle générale, la teneur en humidité d'un composant est mesurée en laboratoire par titrage Karl Fischer (KFT). Bien que cette technique puisse fournir des données suffisantes pour contrôler les spécifications du produit, elle peut être influencée par l'humidité de l'environnement ambiant et par l'erreur humaine. Des chimistes qualifiés doivent effectuer les mesures plusieurs fois par jour et fournir les résultats nécessaires au bon déroulement du processus de fabrication. La spectroscopie NIR en ligne permet de mesurer la teneur en humidité d'un PO entrant en moins d'une minute et de réduire les problèmes de sécurité en diminuant la fréquence des prélèvements d'échantillons de ce composé toxique volatil.
La spectroscopie NIR quantitative dépend du développement d'un modèle de prédiction robuste. Pour développer un tel modèle NIR, des données de laboratoire sont collectées à l'aide de la KFT sur des échantillons couvrant la gamme d'analyse. Chaque résultat est corrélé à un spectre NIR du même échantillon.
Après avoir développé le modèle de prédiction, il a été possible de quantifier l'humidité dans les PO de 11 à 120 mg/L (ppm) en réduisant les coûts de déchets et en effectuant une analyse en temps réel 24 heures sur 24 par rapport à une analyse KFT effectuée toutes les heures. Pendant l'analyse de routine, le logiciel de l'analyseur de processus fournit un traitement immédiat des données pour une collecte rapide des résultats et des avertissements de non spécification, ce qui permet aux fabricants de prendre des décisions proactives en matière de processus et d'améliorer la qualité du produit final.
Pour en savoir plus sur cette étude de cas, consultez le webinaire à la demande ci-dessous.
Webinaire : Process Analytics 4.0 : Une solution clé en main pour l'analyse de l'humidité
Conclusion
La mise en œuvre d'une solution Process Analytics 4.0 peut parfois sembler une tâche ardue. Pourtant, le succès peut être facilement obtenu si l'on choisit la bonne solution PAT et le bon logiciel, et si l'on utilise une solide stratégie de gestion des échantillons. Grâce à ces solutions, les usines de fabrication peuvent mettre en place des procédures décisionnelles autonomes, surveiller les processus en temps réel et préserver la qualité des produits, instaurant ainsi une usine intelligente (Smart(er) Factory) avec Process Analytics 4.0.
Metrohm est l'un des fabricants d'instruments de haute précision pour l'analyse chimique les plus réputés au monde. Avec plus de 45 ans d'expérience, Metrohm Process Analytics utilise la même technologie de laboratoire Metrohm, en fournissant des solutions de processus personnalisées et en établissant des partenariats avec les fabricants pour les aider à améliorer leurs résultats.
References
[1] Gregolinska, E.; Khanam, R.; Lefort, F.; et al. Capturing the true value of Industry 4.0. Industry 4.0: Digital transformation in manufacturing | McKinsey. https://www.mckinsey.com/capabilities/operations/our-insights/capturing-the-true-value-of-industry-four-point-zero (accessed 2023-02-23).
[2] Wasalathanthri, D. P.; Shah, R.; Ding, J.; et al. Process Analytics 4.0: A Paradigm Shift in Rapid Analytics for Biologics Development. Biotechnology Progress 2021, 37 (4), e3177. DOI:10.1002/btpr.3177
[3] Phillips, S. 3 Rules for Analyzer Accuracy. Swagelok Fluid System Blog. https://www.swagelok.com/en/blog/sampling-system-issues-that-can-cost-you (accessed 2023-02-27).
Your knowledge take-aways
Brochure: 2060 TI Process Analyzer
Brochure: 2060 IC Process Analyzer
Brochure: 2060 The NIR Analyzer
Note d'application : Contrôle en ligne de la teneur en humidité de l'oxyde de propylène