Udostępnij artykuł
Analizatory elektrochemiczne wykorzystują analizę woltamperometryczną (VA) do przeprowadzania specjacji śladowej jonów nieorganicznych w próbce w oparciu o zależność prąd-napięcie. Wraz z VA, cykliczne odpędzanie woltamperometryczne (CVS) i cykliczne pulsacyjne odpędzanie woltamperometryczne (CPVS) może pomóc w ilościowym oznaczaniu dodatków organicznych w celu zapewnienia ciągłego i wolnego od zakłóceń działania kąpieli galwanicznych. Analizatory te wykorzystują elektrodę wielomodową (MME) lub wirującą elektrodę dyskową (RDE) do wykonywania aplikacji VA lub CVS/CPVS.
W miarę wdrażania koncepcji Przemysłu 4.0 powstają „inteligentne fabryki”, które w dużym stopniu opierają się na danych, aby były bardziej wydajne i adaptacyjne. Petabajty danych zalewają sterownie inteligentnych fabryk. Jednak uzyskanie cennych danych, które mogą prowadzić do faktycznego usprawnienia procesu, może być trudne. Process Analytics 4.0 wprowadza nowe unowocześnienia, takie jak Process Analytical Technology (PAT), aby dostarczać wysokiej jakości dane i kierować krytycznymi decyzjami biznesowymi.
Przemysł 4.0 i analiza procesów 4.0
Przemysł 4.0 (czwarta rewolucja przemysłowa) to obecny ruch automatyzacji i gromadzenia danych w sektorze produkcyjnym. Serce Przemysłu 4.0 koncentruje się na koncepcjach łączność, automatyzacja, integracja systemu, I duże dane.
Wdrażając rozwiązania Przemysłu 4.0, producenci mogą zwiększyć swoją wydajność, produktywność i rentowność, zachowując jednocześnie konkurencyjność i poprawiając jakość obsługi klienta. W badaniu przeprowadzonym przez McKinsey & Company zauważono, że w różnych branżach można zaobserwować poprawę wydajności pracy o 15–30% i wzrost przepustowości o 10–30%, jeśli z powodzeniem wdrożone zostaną rozwiązania Przemysłu 4.0 [1].
Process Analytics 4.0 to termin analogiczny do Przemysłu 4.0, skupiający się na ewolucji analityki procesowej. Dhanuka P. Wasalathanthri jako pierwszy użył ten termin w czasopiśmie Postęp biotechnologii [2]. W artykule Wasalathanthri zdefiniował Process Analytics 4.0 jako obejmujący „użyteczność technologii analizy procesów (PAT), automatyzację testów, zarządzanie danymi, wizualizację, rzeczywistość rozszerzoną (AR) i IoT”.
W tym artykule opisano, jak pomyślnie wdrożyć rozwiązanie Process Analytics 4.0, w tym wybrać odpowiedni PAT, zapewnić odpowiednie wstępne przygotowanie próbki i pozyskać wiarygodne dane.
Kliknij poniżej, aby przejść bezpośrednio do tematu:
Wybór odpowiedniego PAT
Podczas oceny technologii analizy procesowej najważniejszym czynnikiem jest to, czy wybrane rozwiązanie jest odpowiednie do celu. Liczne rozwiązania analizatorów procesowych mogą rozwiązać jeden problem. Jednak zrozumienie, która technologia jest najlepiej dopasowana, dostarczy wyniki, które zapewnią, że wszystkie krytyczne atrybuty jakości (CQA) będą mogły być odpowiednio monitorowane i kontrolowane.
Czujnik ProTrode 250 firmy Metrohm Process Analytics
W porównaniu z innymi rozwiązaniami PAT omówionymi w tym artykule, czujniki pH są najłatwiejsze w instalacji, użytkowaniu i konserwacji. Procesowe czujniki pH zwykle zajmują niewiele miejsca i zapewniają dokładniejsze wyniki w porównaniu z pomiarami pH wykonywanymi w laboratorium, ponieważ pomiar odbywa się w temperatury procesu. Są to również czujniki PAT o niewielkich wymaganiach konserwacyjnych, a kalibracja jest podstawową czynnością konserwacyjną dla operatorów.
Procesowe czujniki pH można instalować niemal w każdym zakładzie produkcyjnym — od obszarów ogólnego przeznaczenia po strefy przeciwwybuchowe. Chociaż czujniki pH mogą być pomocne, ich dane mogą być ograniczone, ponieważ oferują tylko jedną wartość pomiaru: pH.
2060 TI (po lewej) i 2060 IC (po prawej) firmy Metrohm Process Analytics
Mokre analizatory chemiczne wykorzystują techniki analityczne, takie jak miareczkowanie, dynamiczne dodawanie wzorców, fotometria (kolorymetria) i chromatografia jonowa do pomiaru analitów będących przedmiotem zainteresowania. Dzięki tym technikom, możliwe są automatyczne analizy wielu analitów przy użyciu różnych metod umożliwiając operatorom jednoczesne śledzenie różnych CQA za pomocą jednego analizatora procesowego.
Najważniejszą zaletą mokrych analizatorów chemicznych jest to, że można je zaprojektować tak, aby stosowały tę samą technikę, którą posługuje się laboratorium, co pozwala na: bezpośrednie porównanie wyników laboratoryjnych i procesowych, zapewniając w ten sposób spójną korelację z danymi historycznymi.
2060 Analizator NIR-Ex (po lewej) i PTRAm (po prawej) firmy Metrohm Process Analytics
Techniki spektroskopowe, takie jak spektroskopia bliskiej podczerwieni (NIR) i spektroskopia Ramana, dostarczają operatorom szybkich i dokładnych informacji o próbkach stałych, gazowych lub ciekłych bez konieczności przygotowania próbki lub odczynników chemicznych. Dzięki opcjom multipleksowania (MUX) analizatory te mogą mierzyć wiele punktów próbkowania — nawet analizując różne CQA w każdej lokalizacji próbki.
Opracowanie modelu chemometrycznego można przeprowadzić w podobnych systemach laboratoryjnych lub procesowych, a następnie łatwo przenieść do analizatora bez zakłócania pomiarów procesowych. Podczas gdy analizator zbiera dane, wewnętrzne standardy i zautomatyzowane funkcje diagnostyczne są używane do ciągłego monitorowania wydajności analizatora, zapewniając ciągłe gromadzenie danych.
Oprogramowanie IMPACT (Intelligent Metrohm Process Analytics Control Technology) firmy Metrohm Process Analytics
Ostatnią kwestią przy wyborze odpowiedniego PAT jest uwzględnienie możliwości oprogramowania zintegrowanego do sterowania analizatorem procesowym.
Oprogramowanie PAT musi zapewniać przetwarzanie danych, integralność i identyfikowalność, pozostając jednocześnie przyjaznym dla użytkownika. Oprogramowanie dla PAT również idzie poza typowym oprogramowaniem laboratoryjnym ponieważ musi być w stanie komunikować się z rozproszonym systemem sterowania (DCS) lub nadrzędnym systemem sterowania i akwizycji danych (SCADA). Integrując się z tymi systemami, analizator procesu może komunikować się bezpośrednio z dyspozytornią produkcji, dostarczając dane, które można od razu wykorzystać do utrzymania kontroli nad procesem.
Zapoznaj się z naszym seminarium internetowym na żądanie, postem na blogu i broszurą dotyczącą oprogramowania IMPACT poniżej, aby dowiedzieć się więcej o tych rozwiązaniach PAT. Wszystkie dokumenty sąw języku angielskim.
Webinar: Process Analytics 4.0: Tworzenie danych, których możesz użyć
Broszura: Inteligentne oprogramowanie Metrohm Process Analytics Control Technology «IMPACT»
Jednym z najczęstszych wyzwań związanych z wdrażaniem rozwiązań PAT, zwłaszcza w mokrej analizie chemicznej, jest konsekwentne dostarczanie reprezentatywnej próbki do analizatora procesowego. Szacuje się, że 80% powikłań PAT wynika z problemów z pobieraniem próbek [3]. Jednym ze sposobów złagodzenia tej przeszkody jest zaprojektowanie solidnego systemu przygotowania wstępnego, który jest oddzielony od reszty procesu.
Celem każdego systemu wstępnego kondycjonowania próbek jest zapewnienie bezpiecznej i wydajnej obsługi próbek, ochrona oprzyrządowania przed uszkodzeniem, wydłużenie czasu sprawności i bezproblemowa integracja z procesem. Najczęstsze problemy, które musi rozwiązać przykładowy system przygotowania wstępnego, to: ciśnienie, ciała stałe, I temperatura. W większości przypadków przykładowe panele można konstruować tak, aby jednocześnie zarządzać wieloma parametrami. Panele próbek można zaprojektować tak, aby zmniejszały ciśnienie próbki, chroniły przed przedostawaniem się dużych cząstek do analizatora i zmniejszały pulsację z wyposażenia zakładu, która może powodować zawodny przepływ próbki. Wyeliminowanie tych typowych problemów może zapewnić analizatorowi procesowemu spójną próbkę przez całą dobę.
Załóżmy, że nie trzeba dostosowywać wielu parametrów, aby spełnić specyfikację PAT. W takim przypadku jednofunkcyjne systemy kondycjonowania próbek mogą być doskonałą alternatywą dla niestandardowych paneli próbek. Te jednofunkcyjne systemy kondycjonowania próbek obejmują filtry zwrotne, naczynia przelewowe lub proste mechanizmy filtracji liniowej.
Oprogramowanie PAT może być również używane w połączeniu z panelami próbek do obsługi zaworów, pomp lub innych urządzeń zewnętrznych względem analizatora procesowego. Oprogramowanie może również zbierać dane z przepływomierzy, urządzeń ciśnieniowych lub czujników temperatury w celu podejmowania dalszych decyzji kontrolnych lub diagnostycznych dotyczących procesu. Możliwe jest użycie urządzeń zewnętrznych w celu inteligentnego określenia przez analizator procesu kiedy pobierać próbki, kiedy zwiększyć częstotliwość próbkowania, lub nawet ostrzegać operatorów o problemach na górze analizatora procesowego. Możliwości te zapewniają kompletne rozwiązanie typu end-to-end dla rozwiązań PAT.
Aby dowiedzieć się więcej na temat wstępnego kondycjonowania próbek, obejrzyj poniższe seminarium internetowe na żądanie i zapoznaj się z różnymi opcjami oferowanymi na naszej stronie internetowej.
Webinar: Process Analytics 4.0: kompleksowe rozwiązanie do monitorowania procesów
Pozyskiwanie cennych i rzetelnych danych
Po wybraniu odpowiedniego rozwiązania PAT i zminimalizowaniu ryzyka wstępnego przygotowania próbki nadszedł czas na pozyskanie cennych i wiarygodnych danych w celu optymalizacji i utrzymania wszystkich CQA.
Jednym z przykładów udanej implementacji Process Analytics 4.0 jest monitorowanie wilgoci w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak tlenek propylenu (PO), za pomocą spektroskopii NIR. Jeśli poziom wilgoci w PO jest zbyt wysoki, aktywność katalizatorów stosowanych w etapie polimeryzacji jest znacznie zmniejszona, co prowadzi do zmniejszenia wydajności polipropylenu. Dlatego pomiar zawartości wilgoci w PO ma kluczowe znaczenie dla opłacalności.
Zazwyczaj zawartość wilgoci w dowolnym składniku jest mierzona za pomocą miareczkowania Karla Fischera (KFT) w laboratorium. Chociaż ta technika może dostarczyć wystarczających danych do monitorowania specyfikacji produktu, może mieć na nią wpływ wilgoć z otoczenia i błąd ludzki. Wykwalifikowani chemicy muszą wykonywać pomiary kilka razy dziennie, dostarczając wyniki, aby proces produkcyjny przebiegał płynnie. Dzięki wbudowanej spektroskopii NIR zawartość wilgoci w przychodzącym PO można zmierzyć w ciągu minuty, a problemy z bezpieczeństwem są zmniejszone dzięki rzadszemu pobieraniu próbek tego lotnego toksycznego związku.
Ilościowa spektroskopia NIR zależy od opracowania solidnego modelu predykcyjnego. Aby opracować taki model NIR, dane laboratoryjne są zbierane za pomocą KFT na próbkach obejmujących zakres analizy. Każdy wynik jest skorelowany z widmem NIR tej samej próbki.
Opracowanie modeli predykcyjnych NIRS wymaga analizy laboratoryjnej (referencyjnej) tych samych próbek.
Po opracowaniu modelu prognostycznego wilgotność PO można było określić ilościowo w zakresie od 11 do 120 mg/l (ppm) przy zmniejszonych kosztach odpadów i całodobowej analizie w czasie rzeczywistym w porównaniu z cogodzinną analizą KFT. Podczas rutynowej analizy oprogramowanie analizatora procesów zapewnia natychmiastowe przetwarzanie danych w celu szybkiego zebrania wyników i ostrzeżeń o niezgodności ze specyfikacją, umożliwiając producentom podejmowanie proaktywnych decyzji procesowych i podnoszenie jakości produktu końcowego.
Wilgoć można oznaczać ilościowo w tlenku propylenu (PO) za pomocą spektroskopii NIR od 11–120 mg/l, jak pokazano tutaj.
Aby dowiedzieć się więcej o tym studium przypadku, sprawdź link do webinaru na żądanie poniżej.
Webinar: Process Analytics 4.0: gotowe rozwiązanie do analizy wilgoci
Wniosek
Wdrożenie rozwiązania Process Analytics 4.0 może czasem wydawać się zniechęcającym zadaniem. Jednak sukces można łatwo osiągnąć, jeśli wybrane zostanie odpowiednie rozwiązanie i oprogramowanie PAT oraz zostanie zastosowana solidna strategia zarządzania próbkami. Dzięki tym rozwiązaniom zakłady produkcyjne mogą umożliwić autonomiczne procedury decyzyjne, monitorować procesy w czasie rzeczywistym i chronić jakość produktów, tworząc w ten sposób Smart(er) Factory z Process Analytics 4.0.
Metrohm jest jednym z najbardziej zaufanych na świecie producentów precyzyjnych przyrządów do analizy chemicznej. Dzięki ponad 45-letniemu doświadczeniu, Metrohm Process Analytics wykorzystuje tę samą technologię laboratoryjną Metrohm, dostarczając dedykowane niestandardowe rozwiązania procesowe i współpracując z producentami, aby poprawić ich wyniki finansowe.
Bibliografia
[1] Gregolińska, E.; Khanam, R.; Lefort, F.; i in. Uchwycenie prawdziwej wartości Przemysłu 4.0. Przemysł 4.0: Cyfrowa transformacja w produkcji | McKinseya. https://www.mckinsey.com/capabilities/operations/our-insights/capturing-the-true-value-of-industry-four-point-zero (dostęp 2023-02-23).
[2] Wasalathanthri, D. P.; Szach, R.; Ding, J.; i in. Process Analytics 4.0: Zmiana paradygmatu w szybkiej analizie dla rozwoju biologii. Postęp biotechnologii 2021, 37 (4), e3177. DOI:10.1002/btpr.3177
[3] Phillips, S. 3 zasady dotyczące dokładności analizatora. Blog systemu płynów Swagelok. https://www.swagelok.com/en/blog/sampling-system-issues-that-can-cost-you (dostęp 2023-02-27).
Dodatkowa wiedza
Broszura: Czujniki pH ProTrode
Broszura: Analizator procesów 2060 TI
Broszura: Analizator procesów 2060 IC
Broszura: 2060 The Analizator NIR
Nota aplikacyjna: Monitorowanie procesu inline zawartości wilgoci w tlenku propylenu
Analizatory procesowe jako proaktywne rozwiązania do monitorowania korozji online
Niniejsza biała księga zawiera przegląd różnych metod monitorowania korozji, przedstawia korzyści płynące z wyboru analizy chemicznej online lub inline w porównaniu z ręcznym pobieraniem próbek i metodami laboratoryjnymi offline do monitorowania korozji, a także przedstawia kilka rozwiązań aplikacyjnych online i inline do zapobiegania korozji wraz z odpowiednimi notami aplikacyjnymi w celu uzyskania dalszych informacji.
Autor
