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Os analisadores eletroquímicos incorporam análise voltamétrica (VA) para realizar especiação de traços de íons inorgânicos em uma amostra com base em uma relação corrente-tensão. Junto com VA, a decapagem voltamétrica cíclica (CVS) e a decapagem voltamétrica de pulso cíclico (CPVS) podem auxiliar na quantificação de aditivos orgânicos para fornecer operação contínua e livre de interferências de banhos de galvanização. Esses analisadores usam um eletrodo multimodo (MME) ou um eletrodo de disco giratório (RDE) para realizar aplicações VA ou CVS/CPVS.
À medida que os conceitos da Indústria 4.0 continuam a ser implementados, são concretizadas «fábricas inteligentes» que dependem fortemente de dados para serem mais eficientes e adaptáveis. Petabytes de dados inundam as salas de controle das Fábricas Inteligentes. No entanto, obter dados valiosos que possam levar à melhoria real do processo pode ser um desafio. Process Analytics 4.0 introduz novas modernizações, como Process Analytical Technology (PAT), para fornecer dados de alta qualidade e orientar decisões críticas de negócios.
Indústria 4.0 e Process Analytics 4.0
Indústria 4.0 (a Quarta Revolução Industrial) é o atual movimento de automação e coleta de dados no setor manufatureiro. O coração da Indústria 4.0 concentra-se nos conceitos de conectividade, automação, integração de sistemas, e grandes dados, para citar apenas alguns.
Ao implementar soluções da Indústria 4.0, os fabricantes podem aumentar a sua eficiência, produtividade e rentabilidade, mantendo-se competitivos e melhorando a experiência do cliente. Num estudo concluído pela McKinsey & Company, observou-se que, em todos os setores, uma melhoria de 15 a 30% na produtividade do trabalho e um aumento de 10 a 30% no rendimento poderiam ser observados se as soluções da Indústria 4.0 fossem implementadas com sucesso [1].
Process Analytics 4.0 é um termo análogo à Indústria 4.0, centrado na evolução da análise de processos. Dhanuka P. Wasalathanthri cunhou o termo pela primeira vez na revista Progresso da Biotecnologia [2]. No artigo, Wasalathanthri definiu Process Analytics 4.0 como incluindo a “utilidade da tecnologia analítica de processos (PAT), automação de ensaios, gerenciamento de dados, visualização, realidade aumentada (AR) e IoT”.
Este artigo aborda como implementar com sucesso uma solução Process Analytics 4.0, incluindo a escolha do PAT certo, garantindo o pré-condicionamento adequado da amostra e a aquisição de dados confiáveis.
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Escolhendo o PAT certo
Ao avaliar a Tecnologia Analítica de Processos, o fator mais crucial é se a solução escolhida é adequada à finalidade. Inúmeras soluções de analisadores de processos podem resolver um único problema. No entanto, compreender qual tecnologia é melhor utilizada fornecerá resultados que garantirão que todos os atributos críticos de qualidade (CQAs) possam ser monitorados e controlados adequadamente.
Sensor ProTrode 250 da Metrohm Process Analytics
Em comparação com outras soluções PAT discutidas neste artigo, os sensores de pH são os mais simples de instalar, usar e manter. Sensores de pH de processo normalmente ocupam um espaço total pequeno e fornecem resultados mais precisos em comparação com medições de pH realizadas em laboratório, uma vez que a medição ocorre em temperaturas do processo. Eles também são sensores PAT de baixa manutenção, sendo a calibração a principal atividade de manutenção dos operadores.
Sensores de pH de processo podem ser instalados em quase todos os locais de fábrica – desde áreas de uso geral até zonas à prova de explosão. Embora os sensores de pH possam ser úteis, os seus dados podem ser limitados, uma vez que oferecem apenas um valor de medição: pH.
2060 TI (esquerda) e 2060 IC (direita) da Metrohm Process Analytics
Os analisadores químicos úmidos utilizam metodologias analíticas como titulação, adição dinâmica de padrões, fotometria (colorimetria) e cromatografia iônica para medir os analitos de interesse. Com essas técnicas de análise, a medição automática de vários analitos usando diferentes métodos permite que os operadores rastreiem vários CQAs simultaneamente com um único instrumento.
A vantagem mais significativa dos analisadores químicos úmidos é que eles podem ser projetados para usar o mesmo método que o laboratório, permitindo uma comparação direta entre resultados de laboratório e de processo, fornecendo assim uma correlação consistente com dados históricos.
2060 O analisador NIR-Ex (esquerda) e PTRam (direita) da Metrohm Process Analytics
Técnicas espectroscópicas, como espectroscopia de infravermelho próximo (NIR) e Raman, fornecem aos operadores informações rápidas e precisas sobre amostras sólidas, gasosas ou líquidas sem necessidade de preparação de amostras ou reagentes químicos. Com opções de multiplexação (MUX), esses analisadores podem medir vários pontos de amostra, analisando até mesmo diferentes CQAs em cada local de amostra.
O desenvolvimento do modelo quimiométrico pode ser realizado em laboratórios ou sistemas de processo semelhantes e depois facilmente transferido para o analisador sem perturbar as medições do processo. Enquanto o analisador coleta dados, padrões internos e funções de diagnóstico automatizadas são usados para monitorar continuamente o desempenho do analisador, garantindo que os dados possam ser coletados continuamente.
Software IMPACT (Intelligent Metrohm Process Analytics Control Technology) da Metrohm Process Analytics
A consideração final na escolha do PAT certo é levar em conta as capacidades do software integrado para controlar o analisador de processo.
O software PAT precisa fornecer processamento de dados, integridade e rastreabilidade, ao mesmo tempo que permanece fácil de usar. Software para PAT também vai além do típico software de laboratório porque precisa ser capaz de se comunicar com o sistema de controle distribuído (DCS) ou com o sistema de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA). Ao integrar-se a esses sistemas, o analisador de processo pode se comunicar diretamente com a sala de controle de fabricação, fornecendo dados que podem ser usados imediatamente para manter o controle do processo.
Confira nosso webinar sob demanda, postagem no blog e folheto do software IMPACT abaixo para saber mais sobre essas soluções PAT.
Seminário on-line: Process Analytics 4.0: Criando dados que você pode usar
Folheto: Tecnologia inteligente de controle de análise de processos Metrohm Software «IMPACT»
Um dos desafios mais comuns na implementação de soluções PAT, especialmente para análises químicas úmidas, é entregar consistentemente uma amostra representativa ao analisador de processo. Estima-se que 80% das complicações do TAP sejam devidas a problemas de amostragem [3]. Uma forma de mitigar este obstáculo é projetar um sistema de pré-condicionamento robusto e separado do resto do processo.
O objetivo de qualquer sistema de pré-condicionamento de amostras é fornecer manuseio seguro e eficiente de amostras, proteger a instrumentação contra danos, aumentar o tempo de atividade e fornecer integração perfeita ao processo. Os problemas mais comuns que um sistema de pré-condicionamento de amostras deve resolver são pressão, sólidos, e temperatura. Na maioria dos casos, painéis de amostra podem ser construídos para gerenciar simultaneamente vários parâmetros. Os painéis de amostra podem ser projetados para reduzir a pressão da amostra, proteger contra a entrada de partículas grandes no analisador e reduzir a pulsação do equipamento da planta que pode causar fluxo de amostra não confiável. A eliminação desses problemas comuns pode fornecer ao analisador de processos amostras consistentes 24 horas por dia.
Suponha que vários parâmetros não precisem ser ajustados para atender à especificação PAT. Nesse caso, os sistemas de condicionamento de amostras de função única podem ser uma ótima alternativa aos painéis de amostras personalizados. Esses sistemas de condicionamento de amostras de função única incluem filtros de retorno, vasos de transbordamento ou mecanismos simples de filtração em linha.
O software PAT também pode ser usado em conjunto com painéis de amostra para operar válvulas, bombas ou outros dispositivos externos ao analisador de processo. O software também pode coletar dados de medidores de vazão, dispositivos de pressão ou sensores de temperatura para tomar decisões adicionais de controle ou diagnóstico sobre o processo. É possível usar dispositivos externos para que o analisador de processo determine de forma inteligente quando provar, quando aumentar a frequência da amostra, ou mesmo alertar os operadores sobre problemas a montante do analisador de processo. Essas habilidades fornecem uma solução completa de ponta a ponta para soluções PAT.
Para saber mais sobre o pré-condicionamento de amostras, assista ao nosso webinar sob demanda abaixo e confira as diferentes opções oferecidas em nosso site.
Seminário on-line: Process Analytics 4.0: uma solução abrangente para monitoramento de processos
Adquirindo dados valiosos e confiáveis
Uma vez escolhida a solução PAT apropriada e minimizados quaisquer riscos de pré-condicionamento da amostra, é hora de adquirir dados valiosos e confiáveis para otimizar e manter todos os CQAs.
Um exemplo de implementação bem-sucedida do Process Analytics 4.0 é o monitoramento da umidade em solventes orgânicos, como óxido de propileno (PO), com espectroscopia NIR. Se o nível de umidade no PO for muito alto, a atividade dos catalisadores utilizados na etapa de polimerização é significativamente reduzida, levando a uma diminuição do rendimento do polipropileno. Portanto, a medição do teor de umidade no PO é crítica para a lucratividade.
Normalmente, o teor de umidade de qualquer componente é medido usando titulação Karl Fischer (KFT) em laboratório. Embora esta técnica possa fornecer dados suficientes para monitorar as especificações do produto, ela pode ser influenciada pela umidade do ambiente e por erro humano. Químicos qualificados devem realizar a medição várias vezes ao dia, fornecendo resultados para manter o processo de fabricação funcionando perfeitamente. Com a espectroscopia NIR em linha, o teor de umidade do PO recebido pode ser medido em um minuto, e os problemas de segurança são reduzidos ao tornar a amostragem desse composto tóxico volátil uma tarefa menos frequente.
A espectroscopia quantitativa NIR depende do desenvolvimento de um modelo de previsão robusto. Para desenvolver esse modelo NIR, os dados laboratoriais são coletados usando KFT em amostras que cobrem a faixa de análise. Cada resultado está correlacionado com um espectro NIR da mesma amostra.
O desenvolvimento de modelos de previsão NIRS requer análise laboratorial (referência) das mesmas amostras.
Depois de desenvolver o modelo de previsão, a umidade no PO poderia ser quantificada de 11 a 120 mg/L (ppm) com custos reduzidos de desperdício e análise em tempo real 24 horas por dia versus análise KFT de hora em hora. Durante a análise de rotina, o software analisador de processo fornece processamento imediato de dados para coleta rápida de resultados e avisos fora das especificações, permitindo que os fabricantes tomem decisões de processo proativas e aumentem a qualidade do produto final.
A umidade pode ser quantificada em óxido de propileno (PO) com espectroscopia NIR de 11–120 mg/L, conforme mostrado aqui.
Para saber mais sobre este estudo de caso, confira o link do webinar sob demanda abaixo.
Seminário on-line: Process Analytics 4.0: uma solução pronta para uso para análise de umidade
Conclusão
Implementar uma solução Process Analytics 4.0 às vezes pode parecer uma tarefa difícil. Ainda assim, o sucesso pode ser facilmente obtido se a solução e o software PAT corretos forem escolhidos e se uma estratégia robusta de gerenciamento de amostras for usada. Com estas soluções, as fábricas podem permitir procedimentos de tomada de decisão autónomos, monitorizar processos em tempo real e salvaguardar a qualidade do produto, instituindo assim uma Fábrica Inteligente (mais) com Process Analytics 4.0.
A Metrohm é um dos fabricantes mais confiáveis do mundo de instrumentos de alta precisão para análise química. Com mais de 45 anos de experiência, a Metrohm Process Analytics utiliza a mesma tecnologia de laboratório da Metrohm, fornecendo soluções de processos personalizadas e dedicadas e fazendo parceria com fabricantes para ajudar a melhorar seus resultados financeiros.
Referências
[1] Gregolinska, E.; Khanam, R.; Lefort, F.; e outros. Capturando o verdadeiro valor da Indústria 4.0. Indústria 4.0: Transformação digital na manufatura | McKinsey. https://www.mckinsey.com/capabilities/Operations/our-insights/capturing-the-true-value-of-industry-four-point-zero (acessado em 23/02/2023).
[2] Wasalathanthri, D. P.; Xá, R.; Ding, J.; e outros. Process Analytics 4.0: Uma mudança de paradigma em análises rápidas para desenvolvimento biológico. Progresso da Biotecnologia 2021, 37 (4), e3177. DOI:10.1002/btpr.3177
[3] Philips, S. 3 regras para precisão do analisador. Blog do Sistema de Fluidos Swagelok. https://www.swagelok.com/en/blog/sampling-system-issues-that-can-cost-you (acessado em 27/02/2023).
Suas conclusões de conhecimento
Folheto: Sensores de pH ProTrode
Folheto: Analisador de Processo 2060 TI
Folheto: Analisador de Processo 2060 IC
Folheto: 2060 O Analisador NIR
Nota de aplicação: Monitoramento de processo em linha do teor de umidade no óxido de propileno
Analisadores de processo como soluções proativas para monitoramento on-line de corrosão
Este white paper fornece uma visão geral dos diferentes métodos para monitorar a corrosão, descreve os benefícios da escolha de análises químicas on-line ou em linha em vez de amostragem manual e métodos laboratoriais off-line para monitoramento de corrosão e apresenta diversas soluções de aplicação de processos on-line e em linha para prevenção de corrosão com notas de aplicação relacionadas. para mais informações.
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