Automazione oltre il laboratorio – Integrazione delle misurazioni del pH di laboratorio più precise nei processi di produzione

Mentre leggi questo blog, migliaia di misurazioni del pH vengono eseguite in tutto il mondo. Spesso aderiscono allo stesso schema: campionamento manuale seguito da analisi di laboratorio, il che significa svantaggi intrinseci tra cui un maggiore dispendio di tempo. Al contrario, i processi di produzione richiedono in genere tecniche e apparecchiature analitiche complesse per ottenere risultati altamente accurati utilizzati per l'ottimizzazione e il controllo dei processi. Ma cosa succede se è necessaria un'istantanea esatta del processo per ottenere informazioni della massima qualità? In che modo è possibile aumentare l'analisi dal laboratorio al processo (ovvero eseguire l'analisi in condizioni di processo) e ottenere comunque risultati estremamente accurati e bassa incertezza di misura? La chiave sta nella tecnologia analitica di processo (PAT) e nell'uso, ad esempio, di sensori di processo che consentono il monitoraggio e il controllo del processo ravvicinati e continui. 

Misurazione del pH... in corso?

Il pH è probabilmente uno dei parametri di misura più utilizzati. Svolge un ruolo centrale in tutti i settori della chimica, dei prodotti farmaceutici, delle biotecnologie, degli alimenti e delle bevande e altro ancora. Tutti questi settori richiedono l'uso di sensori di processo adeguati che svolgono un ruolo straordinario nella produzione.

In pratica, la misura della tensione con elettrodi pH-sensibili è un principio antico ma ancora valido utilizzato quotidianamente nei laboratori di tutto il mondo. Ma la misurazione del pH in linea, cioè la determinazione del valore del pH direttamente nel processo, ha anche un grande potenziale per l'ottimizzazione dei processi. Permette il monitoraggio dei processi in tempo reale senza previo campionamento manuale. Ciò migliora la resa e la qualità del prodotto, fa risparmiare tempo e costi aziendali e aumenta la sicurezza del processo.

Da diversi anni la tendenza si sta spostando costantemente «dal laboratorio al processo» con crescente urgenza. La possibilità di aumentare i processi di produzione e le relative misurazioni qualitative e quantitative consente rese più elevate, evitamento di lotti fuori specifica, rilascio in tempo reale anziché post-analisi e molto altro. La Figura 1 mostra come la produzione può essere monitorata e controllata vicino al processo (atline), con campionamento automatizzato (online) o direttamente nel flusso di processo stesso (inline). Negli ultimi decenni, l'analisi di laboratorio (offline) si è quindi progressivamente evoluta nella direzione dell'analisi di processo.

Quando i campioni vengono portati dal punto di campionamento del processo al laboratorio per l'analisi, possono cambiare durante questo periodo a causa, ad esempio, di variazioni della temperatura ambiente, assorbimento di CO₂ dall'atmosfera nella soluzione, differenze di pressione o (assenza di) flusso. Con la tecnologia di misura in linea e online, i valori dei parametri più aggiornati sono direttamente disponibili nel sistema di controllo distribuito (DCS). Questa connessione è ciò che rende possibile in primo luogo un controllo di processo affidabile e si possono escludere in gran parte dati errati dovuti a errori di campionamento e ritardi nella misurazione.

Maggiori informazioni sui vantaggi dell'automazione dei processi nel nostro precedente post sul blog.

Automatizzare o non automatizzare? Vantaggi di PAT – Parte 1

Lab-on-an-analyzer

La questione se (e come) la determinazione del pH in laboratorio può essere automatizzata e mappata nel processo era motivo di preoccupazione per Merck KGaA Darmstadt. Alcuni dei seguenti requisiti dovevano essere considerati per rispondere a questo:
 

• Richiesta di un sistema di misurazione preciso di calibrazione e regolazione del pH completamente automatizzato
• I dati dovrebbero essere riproducibili ai risultati di laboratorio, con assoluta accuratezza
• Possibilità di test e valutazione degli elettrodi
• Calibrazione multipunto con test in un buffer predefinito
• Possibilità di pulizia del sensore
• Conformità ai requisiti GMP
• Generazione automatica del certificato → le stesse condizioni del laboratorio, dal laboratorio al processo!

Per questo studio di fattibilità, un 2060 TI Process Analyzer di Metrohm Process Analytics è stato configurato per l'analisi atline per simulare le stesse misurazioni del pH eseguite nel loro laboratorio.
 

Scopri di più sugli analizzatori di processo 2060 di Metrohm Process Analytics qui.

Piattaforma 2060

Nello studio di fattibilità di Merck KGaA introdotto nella sezione precedente, l'analisi di laboratorio è stata inizialmente replicata con l'ausilio dell'analizzatore di processo 2060 utilizzando un sensore di pH ProTrode su scala sperimentale. In futuro, il sistema potrà essere integrato direttamente nel processo come mostrato nell'illustrazione seguente (Figura 3).

I sensori di pH in linea ProTrode trasmettono semplicemente i dati acquisiti all'analizzatore di processo 2060 tramite uscita analogica o protocolli Modbus. Il vantaggio è che collegandosi direttamente al sensore pH ProTrode stesso, non è più necessario trasmettitore esterno.

Esclusivo sistema di test degli elettrodi che consente di risparmiare tempo

Ogni misurazione è valida solo quanto il sensore utilizzato. Per garantire le misurazioni del pH più accurate nel processo con prestazioni al 100%, è essenziale un test del sensore. I test dei sensori consentono la qualificazione dell'elettrodo e possono essere eseguiti automaticamente con l'assistenza di analizzatori di processo. Di solito, tali test vengono eseguiti manualmente, lo svantaggio è che ciò richiede molto tempo e soggetto a errori.

I parametri fondamentali per la valutazione automatica degli elettrodi (vale a dire, la valutazione della membrana di vetro e del sistema di riferimento) sono integrati negli analizzatori di processo di Metrohm Process Analytics. Questi includono:

• verifica della pendenza e del potenziale di asimmetria
• controllo della risposta
• controllo del diaframma (potenziale di flusso)
• criteri di valutazione e valori limite liberamente configurabili
• potenziale di giunzione liquida / verifica del sistema di riferimento

Questo concetto è un metodo praticamente applicabile per migliorare l'accuratezza delle misurazioni del pH basate sulla ricerca di base sulla "giunzione liquida".

→ Dopo il test dell'elettrodo, viene eseguita una valutazione automatica delle condizioni degli elettrodi che è assolutamente unica!
 

Con gli analizzatori di processo online, le routine di calibrazione, regolazione e pulizia sono completamente automatiche. La condizione dell'elettrodo è continuamente monitorata dal sistema. Tra una misurazione e l'altra, l'elettrodo viene immerso in una soluzione di conservazione che preserva la membrana che ne impedisce l'essiccazione e contemporaneamente rigenera lo strato di rigonfiamento. L'elettrodo è quindi sempre pronto all'uso e non deve essere rimosso dal processo per attività di manutenzione.

Pulizia del sensore completamente automatica in un unico sistema

La durata dell'elettrodo utilizzato è limitata da diversi fattori. Frequentemente, i cambiamenti dovuti ai processi di invecchiamento o alla contaminazione del diaframma rimangono inosservati. Se le misurazioni vengono eseguite con analizzatori di processo online, il sensore viene pulito e risciacquato a intervalli di tempo liberamente determinati. Il liquido detergente e l'acqua vengono pompati automaticamente nella camera di calibrazione. Ciò elimina la necessità di rimuovere e pulire manualmente il sensore. L'uso di tali sistemi di pulizia automatizzati può prolungare significativamente la durata del sensore ed evita i tempi di fermo.
 

Un processo di scale-up riuscito con 2060 Process Analyzer e ProTrode

Per industrie come la produzione chimica e farmaceutica, lo sviluppo di prodotti e processi avviene ancora nei laboratori e negli impianti pilota. La sfida è che i risultati di questi studi sono difficilmente adatti per l'implementazione in un processo di produzione su vasta scala. Questo è un argomento importante per il futuro, soprattutto per i concetti di impianti modulari. Utilizzando il 2060 TI Process Analyzer, è stato possibile trasferire condizioni di misurazione quasi identiche dal laboratorio al processo.

È importante sottolineare che in futuro sarà sempre più importante che le tecnologie di laboratorio e di processo siano comparabili al fine di comprendere meglio l'effettiva chimica del processo.

«L'utilizzo della stessa tecnologia in laboratorio e nel processo è un fattore cruciale in questo.»
(«Gleiche Technologie in Labor und Prozess ist hier ein essenzieller Faktor.») [1]

Un analizzatore di processo che replica le condizioni di laboratorio

Quando si trasferisce qualsiasi metodo di analisi dal laboratorio al piano di processo, è necessaria una configurazione di misura fissa e definita per poter riprodurre integralmente le condizioni corrispondenti. In questo caso, la misurazione accurata del valore del pH è soggetta a diverse variabili chimiche, fisiche e meccaniche, che richiedono elevate prestazioni per l'analisi e la tecnologia dei sensori utilizzata.

Per questo progetto è stato utilizzato il 2060 TI Process Analyzer, che ha consentito di automatizzare la misura grazie al suo design modulare e flessibile e all'interfaccia software intelligente.

Scarica la nostra brochure gratuita qui sotto per scoprire maggiori informazioni sulla linea di 2060 Process Analyzers di Metrohm Process Analytics.

Brochure: 2060 Process Analyzer – Massima flessibilità per le sfide più difficili nell'analisi di processo

Il requisito finale per il setup sperimentale (mostrato in Figura 4) era di riprodurre le stesse condizioni che si trovano in laboratorio. Un sistema di riscaldamento delle tracce assicurava una temperatura del campione definita dal punto di campionamento al recipiente di misura. Inoltre, è stato utilizzato un recipiente di misurazione termostatico in modo che la temperatura del campione fosse identica alla temperatura di processo.

Nel setip sperimentale, l'analisi è stata trasferita in un recipiente di misura esterno con una velocità di agitazione predefinita. Anche la velocità di agitazione di 0–2 m/s dietro la punta del sensore ha mostrato deviazioni di ± 0,1 pH. Da un lato, questo illustra l'importanza di velocità di agitazione definite, come consentito dal 2060 Process Analyzer. D'altra parte, grazie al diaframma a manicotto, il sensore di pH ProTrode facilita misurazioni altamente precise anche con portate variabili per rispondere a condizioni difficili e variabili.

Una visione più approfondita del processo

L'eminente artista Henri Matisse una volta ha osservato che «l'accuratezza è ben lunga dall'essere verità». Misurazioni imprecise e conseguenti errori possono essere disastrosi per i processi di produzione industriale. La qualità del prodotto deve essere garantita in ogni momento entro limiti di tolleranza molto ristretti. Una qualità inferiore e lotti difettosi possono causare notevoli danni economici e tempi di fermo evitabili.

Insieme a Merck KGaA, siamo riusciti a trasferire condizioni quasi identiche dal laboratorio al processo in questo impressionante progetto. Soprattutto quando si tratta di applicazioni in ambienti di processo difficili, l'utilizzo di un analizzatore di processo per la misurazione del pH ad alta precisione offre i seguenti vantaggi e può contribuire chiaramente a tutti gli aspetti e le fasi di un processo di produzione economico e sicuro:

1. condizioni di misura predefinite con precisione (es. tempi di impostazione, comportamento alla deriva del sensore, temperatura, velocità di agitazione)
2. test del sensore integrato (perché la calibrazione da sola non è sufficiente per avere informazioni sullo stato del sensore)
3. calibrazione e regolazione individuale (È possibile la calibrazione a 5 punti secondo le specifiche FDA)
4. intervalli di pulizia programmabili (senza dover rimuovere l'elettrodo dal punto di misura)

Riferimenti

[1] User Association of Automation Technology in Process Industries (NAMUR), Roadmap tecnologica "Process Sensors 2027+", novembre 2021, p. 18 (in tedesco) https://www.namur.net/fileadmin/media_www/Dokumente/Roadmap_Prozesssensoren_2027.pdf

La tua conoscenza "take-aways"

Webinar on demand per l'analisi dei processi

Brochure: Sensori di pH ProTrode

Volantino: sensore ProTrode 250/350

Volantino: sensore ProTrode 200/300 farmaceutico