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Gli analizzatori elettrochimici incorporano l'analisi voltammetrica (VA) per eseguire la speciazione di tracce di ioni inorganici in un campione sulla base di una relazione corrente-tensione. Insieme a VA, lo stripping voltammetrico ciclico (CVS) e lo stripping voltammetrico a impulsi ciclici (CPVS) possono aiutare a quantificare gli additivi organici per fornire un funzionamento continuo e privo di interferenze dei bagni di placcatura. Questi analizzatori utilizzano un elettrodo multimodale (MME) o un elettrodo a disco rotante (RDE) per eseguire applicazioni VA o CVS/CPVS.
Costruire un'industria Smart implementando soluzioni di Process Analytics 4.0
20 mar 2023
Prodotto
Man mano che i concetti di Industria 4.0 continuano ad essere implementati, vengono realizzate «industrie smart» che fanno molto affidamento sui dati per essere più efficienti e adattive. I Petabyte dei dati si riversano nelle sale di controllo delle industrie smart. Tuttavia, ottenere dati preziosi che possono portare a un effettivo miglioramento del processo può essere difficile. Process Analytics 4.0 introduce nuove modernizzazioni come Process Analytical Technology (PAT) per fornire dati di alta qualità e guidare le decisioni aziendali critiche.
Industria 4.0 e Process Analytics 4.0
Industria 4.0 (la quarta rivoluzione industriale) è l'attuale movimento di automazione e raccolta dati nel settore manifatturiero. Il cuore dell'Industria 4.0 si concentra sui concetti di connettività, automazione, integrazione di sistema e big data, solo per citarne alcuni.
Implementando le soluzioni Industry 4.0, i produttori possono aumentare l'efficienza, la produttività e la redditività pur rimanendo competitivi e migliorando l'esperienza del cliente. In uno studio completato da McKinsey & Company, è stato osservato che in tutti i settori si potrebbe osservare un miglioramento del 15-30% della produttività del lavoro e un aumento del 10-30% della produttività se le soluzioni di Industria 4.0 fossero implementate con successo [1].
Process Analytics 4.0 è un termine analogo a Industry 4.0, incentrato sull'evoluzione dell'analisi di processo. Dhanuka P. Wasalathanthri ha coniato per primo il termine nella rivista Biotechnology Progress [2]. Nel documento, Wasalathanthri ha definito Process Analytics 4.0 come «l'utilità della tecnologia analitica di processo (PAT), l'automazione dei test, la gestione dei dati, la visualizzazione, la realtà aumentata (AR) e l'IoT».
Questo articolo spiega come implementare con successo una soluzione Process Analytics 4.0, inclusa la scelta del PAT giusto, la garanzia di un corretto precondizionamento del campione e l'acquisizione di dati affidabili.
Clicca di seguito per passare direttamente a un argomento:
Scegliere il PAT giusto
Quando si valuta il Process Analytical Technology, l fattore più cruciale è se la soluzione scelta è adatta allo scopo. Numerose soluzioni di analizzatori di processo possono risolvere un singolo problema. Tuttavia, capire quale tecnologia è meglio utilizzata fornirà risultati che garantiranno che tutti gli attributi critici di qualità (CQA) possano essere monitorati e controllati correttamente.
Sensore ProTrode 250 di Metrohm Process Analytics
Rispetto alle altre soluzioni PAT discusse in questo articolo, i sensori di pH sono i più semplici da installare, utilizzare e mantenere. I sensori di pH di processo in genere hanno un ingombro complessivo ridotto e forniscono risultati più accurati rispetto alle misurazioni di pH eseguite in laboratorio, poiché la misurazione avviene a temperature di processo. Sono anche sensori PAT a bassa manutenzione, con la calibrazione che rappresenta l'attività di manutenzione primaria per gli operatori.
I sensori di pH di processo possono essere installati in quasi tutti gli impianti di produzione, dalle aree per uso generico alle zone a prova di esplosione. Sebbene i sensori di pH possano essere utili, i loro dati possono essere limitati poiché offrono un solo valore di misurazione: il pH.
2060 TI (a sinistra) e 2060 IC (a destra) di Metrohm Process Analytics
Gli analizzatori chimici umidi utilizzano metodologie analitiche come titolazione, aggiunta standard dinamica, fotometria (colorimetria) e cromatografia ionica per misurare gli analiti di interesse. Con queste tecniche di analisi, la misurazione automatica di più analiti utilizzando metodi diversi consente agli operatori di tenere traccia di vari CQA contemporaneamente con un unico strumento.
Il vantaggio più significativo degli analizzatori chimici a umido è che possono essere progettati per utilizzare lo stesso metodo del laboratorio, consentendo un confronto diretto tra i risultati di laboratorio e di processo, fornendo così una correlazione coerente con i dati storici.
2060 The NIR-Ex Analyzer (sinistra) e PTRam (destra) di Metrohm Process Analytics
Le tecniche spettroscopiche, come la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR) e Raman, forniscono agli operatori informazioni rapide e accurate su campioni solidi, gassosi o liquidi senza bisogno di preparazione del campione o reagenti chimici. Con le opzioni multiplexing (MUX), questi analizzatori possono misurare più punti di campionamento, anche analizzando diversi CQA in ciascuna posizione del campione.
Lo sviluppo del modello chemiometrico può essere realizzato su sistemi di laboratorio o di processo simili e quindi facilmente trasferito all'analizzatore senza disturbare le misurazioni del processo. Mentre l'analizzatore raccoglie i dati, gli standard interni e le funzioni diagnostiche automatizzate vengono utilizzati per monitorare continuamente le prestazioni dell'analizzatore, assicurando che i dati possano essere raccolti continuamente.
Software IMPACT (Intelligent Metrohm Process Analytics Control Technology) di Metrohm Process Analytics
La considerazione finale nella scelta del PAT giusto è tenere conto delle capacità del software integrato per controllare l'analizzatore di processo.
Il software PAT deve fornire elaborazione dei dati, integrità e tracciabilità pur rimanendo di facile utilizzo. Il software per PAT va anche oltre il tipico software di laboratorio perché deve essere in grado di comunicare con il sistema di controllo distribuito (DCS) o con il sistema di controllo di supervisione e acquisizione dati (SCADA). Integrandosi in questi sistemi, l'analizzatore di processo può comunicare direttamente con la sala di controllo della produzione, fornendo dati che possono essere immediatamente utilizzati per mantenere il controllo del processo.
Dai un'occhiata al nostro webinar on-demand, al blog post e alla brochure del software IMPACT di seguito per saperne di più su queste soluzioni PAT.
Webinar: Process Analytics 4.0: creazione di dati utilizzabili
Brochure: Software Intelligent Metrohm Process Analytics Control Technology «IMPACT»
Una delle sfide più comuni con l'implementazione di soluzioni PAT, in particolare per l'analisi chimica umida, è fornire costantemente un campione rappresentativo all'analizzatore di processo. Si stima che l'80% delle complicanze della PAT sia dovuto a problemi di campionamento [3]. Un modo per mitigare questo ostacolo è progettare un robusto sistema di precondizionamento separato dal resto del processo.
Lo scopo di qualsiasi sistema di precondizionamento del campione è fornire una manipolazione sicura ed efficiente del campione, proteggere la strumentazione da eventuali danni, aumentare i tempi di attività e fornire una perfetta integrazione nel processo. I problemi più comuni che un sistema di precondizionamento del campione deve affrontare sono la pressione, i solidi e la temperatura. Nella maggior parte dei casi, i pannelli campione possono essere costruiti per gestire contemporaneamente più parametri. I pannelli di campionamento possono essere progettati per ridurre la pressione del campione, proteggersi dall'ingresso di particelle di grandi dimensioni nell'analizzatore e ridurre le pulsazioni dalle apparecchiature dell'impianto che potrebbero causare un flusso di campione inaffidabile. L'eliminazione di questi problemi comuni può fornire all'analizzatore di processo un campione costante 24 ore su 24.
Supponiamo che non sia necessario regolare più parametri per soddisfare la specifica PAT. In tal caso, i sistemi di condizionamento del campione a funzione singola possono essere un'ottima alternativa ai pannelli di campionamento progettati su misura. Questi sistemi di condizionamento del campione a funzione singola includono filtri di ritorno, recipienti di troppopieno o semplici meccanismi di filtrazione in linea.
Il software PAT può essere utilizzato anche in combinazione con i pannelli di campionamento per azionare valvole, pompe o altri dispositivi esterni all'analizzatore di processo. Il software può anche raccogliere dati da misuratori di portata, dispositivi di pressione o sensori di temperatura per prendere ulteriori decisioni diagnostiche o di controllo sul processo. È possibile utilizzare dispositivi esterni per fare in modo che l'analizzatore di processo determini in modo intelligente quando campionare, quando aumentare la frequenza del campionamento, o anche avvisare gli operatori di problemi a monte dell'analizzatore di processo. Queste capacità forniscono una soluzione end-to-end completa per le soluzioni PAT.
Per saperne di più sul precondizionamento dei campioni, guarda il nostro webinar on-demand di seguito e dai un'occhiata alle diverse opzioni offerte sul nostro sito web.
Webinar: Process Analytics 4.0: Una soluzione completa per il monitoraggio dei processi
Acquisizione di dati preziosi e affidabili
Una volta che la soluzione PAT appropriata è stata scelta e tutti i rischi di precondizionamento del campione sono stati ridotti al minimo, è il momento di acquisire dati preziosi e affidabili per ottimizzare e mantenere tutti i CQA.
Un esempio di implementazione riuscita di Process Analytics 4.0 è il monitoraggio dell'umidità nei solventi organici, come l'ossido di propilene (PO), con la spettroscopia NIR. Se il livello di umidità nel PO è troppo elevato, l'attività dei catalizzatori utilizzati nella fase di polimerizzazione viene significativamente ridotta, determinando una diminuzione della resa del polipropilene. Pertanto, la misurazione del contenuto di umidità nel PO è fondamentale per la redditività.
In genere, il contenuto di umidità di qualsiasi componente viene misurato utilizzando la titolazione Karl Fischer (KFT) in laboratorio. Sebbene questa tecnica possa fornire dati sufficienti per monitorare le specifiche del prodotto, può essere influenzata dall'umidità dell'ambiente e dall'errore umano. Chimici esperti devono eseguire la misurazione più volte al giorno, fornendo risultati per mantenere il processo di produzione senza intoppi. Con la spettroscopia NIR in linea, il contenuto di umidità del PO in ingresso può essere misurato in un minuto e i problemi di sicurezza vengono ridotti rendendo il campionamento a mano libera di questo composto tossico volatile un compito meno frequente.
La spettroscopia NIR quantitativa dipende dallo sviluppo di un robusto modello di previsione. Per sviluppare un tale modello NIR, i dati di laboratorio vengono raccolti utilizzando KFT su campioni che coprono l'intervallo di analisi. Ogni risultato è correlato a uno spettro NIR dello stesso campione.
Lo sviluppo di modelli di previsione NIRS richiede l'analisi di laboratorio (di riferimento) degli stessi campioni.
Dopo aver sviluppato il modello di previsione, è stato possibile quantificare l'umidità nel PO da 11 a 120 mg/L (ppm) con costi di smaltimento ridotti e analisi in tempo reale 24 ore su 24 rispetto all'analisi KFT oraria. Durante l'analisi di routine, il software dell'analizzatore di processo fornisce un'elaborazione immediata dei dati per una rapida raccolta dei risultati e avvisi di fuori specifica, consentendo ai produttori di prendere decisioni proattive sul processo e aumentare la qualità del prodotto finale.
L'umidità può essere quantificata in ossido di propilene (PO) con spettroscopia NIR da 11 a 120 mg/L come mostrato qui.
Per saperne di più su questo caso di studio, guarda il webinar on-demand di seguito.
Webinar: Process Analytics 4.0: una soluzione chiavi in mano per l'analisi dell'umidità
Conclusione
L'implementazione di una soluzione Process Analytics 4.0 a volte può sembrare un compito arduo. Tuttavia, il successo può essere facilmente ottenuto se si scelgono la soluzione e il software PAT giusti e si utilizza una solida strategia di gestione dei campioni. Con queste soluzioni, gli stabilimenti di produzione possono abilitare procedure decisionali autonome, monitorare i processi in tempo reale e salvaguardare la qualità del prodotto, istituendo così una industria Smart con Process Analytics 4.0.
Metrohm è uno dei produttori più affidabili al mondo di strumenti ad alta precisione per l'analisi chimica. Con oltre 45 anni di esperienza, Metrohm Process Analytics utilizza la stessa tecnologia di laboratorio Metrohm, fornendo soluzioni di processo personalizzate dedicate e collaborando con i produttori per contribuire a migliorare i profitti.
Riferimenti
[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).
La tua conoscenza "take-aways"
Brochure: 2060 TI Process Analyzer
Brochure: 2060 IC Process Analyzer
Brochure: 2060 The NIR Analyzer
Application Note: Monitoraggio del processo in linea del contenuto di umidità nel propylene oxide
Analizzatori di processo come soluzioni proattive per il monitoraggio online della corrosione
Questo White Paper offre una panoramica dei diversi metodi per monitorare la corrosione, delinea i vantaggi della scelta dell'analisi chimica online o in linea rispetto al campionamento manuale e ai metodi di laboratorio offline per il monitoraggio della corrosione e presenta diverse soluzioni applicative di processo online e in linea per la prevenzione della corrosione con le relative Application Notes per maggiori informazioni.
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