Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIRS): Die perfekte Lösung zur Überwachung der Reinheit von zurückgewonnenen Lösungsmitteln

08.08.2022

Artikel

Unter Lösungsmittelrückgewinnung versteht man die Extraktion von nützlichen Lösungsmitteln und Rohstoffen aus Abfall- oder Nebenproduktlösungsmitteln, die bei Herstellungsprozessen anfallen. Die dabei anfallenden Lösungsmittel werden häufig nicht entsorgt oder verbrannt, sondern zurückgewonnen und gereinigt, da dies erhebliche Kosten spart. Gebrauchte Lösungsmittel werden meist durch Destillation gereinigt. Verfahren zur Rückgewinnung von Lösungsmitteln sind sowohl in der chemischen als auch in der pharmazeutischen Industrie bei der Herstellung von Wirkstoffen (APIs) weit verbreitet.

Organische Lösungsmittel

Organische Lösungsmittel sind sehr lipophil - sie können Öle, Fette, Harze, Gummi und sogar Kunststoffe auflösen. Sie werden für zahlreiche Anwendungen wie Farben, Beschichtungen, Klebstoffe und Reinigungsmittel verwendet. Außerdem werden sie zur Herstellung von Kosmetika, agrochemischen Produkten, Polymeren und Kautschuk verwendet, um nur einige zu nennen. Trotz Umweltbedenken und potenzieller Gesundheitsgefahren werden organische Lösungsmittel (z. B. Kohlenwasserstoffe, chlorierte, sauerstoffhaltige sowie stickstoff- und schwefelhaltige) aufgrund ihrer unvergleichlichen Leistungsfähigkeit immer noch häufig verwendet.

Bei der Verwendung organischer Lösungsmittel ist die am häufigsten vorkommende Verunreinigung das häufigste Lösungsmittel - Wasser. Das Vorhandensein von Feuchtigkeit stört viele Reaktionen, weshalb die Bestimmung des Wassergehalts von entscheidender Bedeutung ist.

Große Vorteile der Rückgewinnung von Lösungsmitteln [1]

Geringe Betriebskosten:

Deutlich reduzierte Anschaffungen teurer Ersatzlösungsmittel
Geringere Kosten für die Entsorgung von Sondermüll
Geringere Lagerbedarf an teuren Lösungsmitteln

Verbesserte Umweltverträglichkeit:

Grüner Ansatz – Rückgewinnung und Recycling von Lösungsmitteln bedeutet die Erhaltung und Wiederherstellung wertvoller Ressourcen im Gegensatz zur Entsorgung und/oder Desintegration von Lösungsmittelgemischen.
Die Entfernung von Lösungsmitteln aus wässrigen Abfällen geht häufig mit den Zielen des Kunden einher und reinigt dabei das Abwasser.

Qualitätskontrolle:

Durch die Selbstrückgewinnung in speziell dafür vorgesehenen Geräten erhalten Sie spezifikationsgerechtes Material ohne Fremdstoffe.

Lieferkettensicherung und Betriebskontinuität:

Wenn Lösungsmittel nicht rechtzeitig geliefert werden oder aufgrund von Lieferengpässen, Streiks oder Lieferantenausfällen nicht verfügbar sind, kann das Pharmaunternehmen, das seine Lösungsmittel zurückgewinnt, die Produktherstellung ohne Unterbrechungen fortsetzen.

Nahinfrarotspektroskopie – das ideale Werkzeug zur Überwachung der Reinheit (und der Verunreinigungen in) zurückgewonnenen Lösungsmitteln

Die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) ist seit mehr als 30 Jahren eine etablierte Methode zur schnellen und zuverlässigen Qualitätskontrolle von Lösungsmittelrückgewinnungsverfahren. Dennoch ziehen viele Unternehmen den Einsatz von NIRS in ihren QA/QC-Labors noch immer nicht konsequent in Betracht. Die Gründe dafür sind entweder begrenzte Erfahrungen mit den Anwendungsmöglichkeiten oder ein generelles Zögern bei der Einführung neuer Methoden.

Der Einsatz von NIRS bietet mehrere Vorteile gegenüber anderen konventionellen Analysetechnologien. Zum einen ist NIRS in der Lage, mehrere Parameter in nur 30 Sekunden ohne jegliche Probenvorbereitung zu messen! Die von NIRS genutzte nicht-invasive Licht-Materie-Wechselwirkung, die sowohl von den physikalischen als auch von den chemischen Eigenschaften der Probe beeinflusst wird, macht sie zu einer hervorragenden Methode für die Bestimmung beider Eigenschaftstypen.

Im weiteren Verlauf dieses Beitrags wird eine verfügbare Lösung zur Überwachung der Reinheit des Lösungsmittels Methylenchlorid zusammen mit zwei Hauptverunreinigungen (Methanol und Wasser) beschrieben, die gemäß den NIRS-Implementierungsrichtlinien der ASTM E1655 entwickelt wurde.

Lesen Sie unsere Blogbeiträge, um mehr über NIRS als sekundäre Technik zu erfahren.

Teil 1: Was ist NIR-Spektroskopie?

Teil 2: NIR vs. IR: Was ist der Unterschied?

Teil 3: Wie Sie die NIR-Spektroskopie in Ihren Arbeitsablauf im Labor integrieren

Teil 4: Vorkalibrierungen der NIR-Spektroskopie: Sofortige Ergebnisse

Überwachung der Reinheit (und der Verunreinigungen) eines zurückgewonnenen Lösungsmittels mit dem DS2500 Liquid Analyzer

In diesem Anwendungsbeispiel werden Proben von Methylenchlorid (oder Dichlormethan, CH₂Cl₂) aus dem Ausgang einer Destillationsanlage zur Lösungsmittelrückgewinnung gewonnen. Die Proben deckten eine Reihe von typischen Reinheitsgraden sowie Methanol- und Wasserverunreinigungen im destillierten Lösungsmittel ab. Die Proben wurden in 4-mm-Einweg-Glasfläschchen mit dem Metrohm DS2500 Liquid Analyzer untersucht (Abbildung 1).

Um die Referenzwerte zu erhalten, wurden die Proben unmittelbar nach dem Scannen mittels Gaschromatographie (GC) für Methanol und mittels Karl-Fischer-Titration für Wasser analysiert, um jegliche Veränderung der Proben im Laufe der Zeit zu vermeiden. Die Probentemperatur wurde nicht kontrolliert und hing bei allen NIRS-Messungen von den Umgebungsbedingungen im Labor ab. Die NIR-Analyse war dank einer Kombination aus stabilen NIR-Messungen mit dem DS2500 Liquid Analyzer und den PLS-Modellierungsfunktionen (Partial Least Squares) des Softwarepakets Vision Air Complete erfolgreich.

Erfahren Sie hier mehr über den Metrohm DS2500 Liquid Analyzer und die Vision Air Complete Software!

Metrohm DS2500 Liquid Analyzer

Vision Air 2.0 Complete

Die NIRS-Ergebnisse werden sehr schnell erzielt, da vor dem Scannen keine Probenvorbereitung erforderlich ist. Dies ermöglicht die Überwachung und Kontrolle des Prozesses, was bei der ausschließlichen Verwendung von Primärmethoden nicht möglich war. Die Messung mit NIRS erfordert keine hochqualifizierten Analytiker - für die Analyse werden lediglich Einweg-Glasfläschchen benötigt!

Parameter	Referenzmethode	NIRS-Application Note	NIRS-Vorteile
Verunreinigungen (Wasser und Methanol) Reinheit (CH₂Cl₂)	KF-Titration / GC	AN-NIR-021	Wasser, Methanol und CH₂Cl₂ werden gleichzeitig innerhalb einer Minute gemessen, ohne dass chemische Reagenzien oder Probenvorbereitung erforderlich sind.

Die Abbildungen 2-5 zeigen die Ergebnisse der in Tabelle 1 erwähnten Application Note. Die Korrelationsdiagramme für Wasser (Feuchtigkeit, Abbildung 3) und Methanol (MeOH, Abbildung 4) zeigen, dass beide Modelle robust sind. Darüber hinaus liegt der Korrelationskoeffizient (R²) für beide Modelle nahe bei 1 und der Standardfehler der Vorhersage (SEP) stimmt mit dem Standardfehler der Kalibrierung (SEC) überein.

Es wurde auch ein Kalibrierungsmodell für die Gesamtreinheit von CH₂Cl₂ entwickelt (Abbildung 5). In den Proben gab es neben Feuchtigkeit und Methanol mehrere andere Verunreinigungen, und alle verwendbaren Spektralbereiche wurden zur Modellierung der Lösungsmittelbanden sowie der Banden aller Verunreinigungen verwendet (Abbildung 2). Die Referenzwerte wurden aus den GC-Ergebnissen berechnet. Der SEP-Wert war dem SEC-Wert sehr ähnlich, was auf eine gute Vorhersagegenauigkeit hinweist, die mit der Genauigkeit der GC-Bestimmung vergleichbar ist.

Zusammenfassung

Die NIR-Spektroskopie eignet sich hervorragend für die Analyse verschiedener Verunreinigungen in Lösungsmitteln sowie der Reinheit von Lösungsmitteln selbst, wie das hier gezeigte Anwendungsbeispiel mit Methylenchlorid zeigt. Im Vergleich zu den primären Methoden (Gaschromatographie und Karl-Fischer-Titration) ist die Zeit bis zum Ergebnis ein großer Vorteil der NIRS - eine einzige Messung ist innerhalb einer Minute abgeschlossen, anstatt ein bis zwei Stunden mit GC oder KFT.

Der Einsatz der NIR-Spektroskopie als alternative Technologie bietet mehrere Vorteile, darunter die bereits erwähnte kurze Zeit bis zum Ergebnis. Außerdem werden keine Chemikalien oder andere teure Geräte benötigt, und NIRS ist so einfach zu bedienen, dass selbst Schichtarbeiter diese Analysen mit minimaler Schulung durchführen können.