Automatyzacja poza laboratorium – integracja wysoko precyzyjnych laboratoryjnych pomiarów pH z analizą procesową

W trakcie czytania tego bloga, na całym świecie wykonywane są tysiące pomiarów pH. Często sprowadza się to do tego samego schematu: ręczne pobieranie próbek, a następnie analiza laboratoryjna – wiążą się z tym pewnego rodzaju  wady, w tym zwiększone wydatki czasowe. Natomiast procesy produkcyjne zazwyczaj wymagają złożonych technik analitycznych i sprzętu analitycznego w celu uzyskania bardzo dokładnych wyników, które są wykorzystywane do optymalizacji i kontroli procesu. Ale co, jeśli potrzebna jest analiza procesowa w czasie rzeczywistym, aby uzyskać informacje procesowe najwyższej jakości? W jaki sposób przenieść analizę z laboratorium do analizy procesowej (tz. przeprowadzać analizę w warunkach procesowych), a jednocześnie osiągać bardzo dokładne wyniki i niską niepewność pomiaru? Kluczem jest technologia analizy procesowej (PAT) i zastosowanie np. czujników procesowych, które umożliwiają, ciągły monitoring oraz sterowanie procesem na miejscu. 

Pomiar pH... w analizie procesowej?

pH jest prawdopodobnie jednym z najczęściej mierzonych parametrów pomiarowych. Odgrywa kluczową rolę we wszystkich dziedzinach chemii, farmacji, biotechnologii, żywności i napojów oraz innych. Wszystkie te branże wymagają zastosowania odpowiednich elektrod pH oraz instrumentów laboratoryjnych bądź analizatorów procesowych.

W praktyce pomiar napięcia za pomocą elektrod wrażliwych na pH jest starą, ale nadal aktualną zasadą stosowaną codziennie w laboratoriach na całym świecie. Jednakże pomiar pH inline, tj. oznaczanie wartości pH bezpośrednio w procesie, ma bardzo duży potencjał optymalizacji procesowej. Umożliwia monitorowanie procesu w czasie rzeczywistym bez uprzedniego ręcznego pobierania próbki.

FPoprawia to wydajność i jakość produktu, oszczędza czas i koszty oraz zwiększa bezpieczeństwo procesu.

Od kilku lat widać trend, że zainteresowanie analizą procesową wzrasta. Możliwość łączenia procesów produkcyjnych i związanych z nimi pomiarów jakościowych i ilościowych pozwala na uzyskanie wyższych wydajności, wyeliminowanie produktów niezgodnych ze specyfikacją oraz zwolnienie produktu gotowego w czasie rzeczywistym nie czekając na otrzymanie wyników laboratoryjnych. Rysunek 1 pokazuje, w jaki sposób proces produkcyjny można  monitorować i kontrolować na miejscu przy linii produkcyjnej (atline), z automatycznym pobieraniem próbki (online) lub bezpośrednio w samym strumieniu procesu (inline). W ciągu ostatnich dziesięcioleci analiza laboratoryjna (offline) stopniowo ewoluowała w kierunku analizy procesowej.

Gdy próbki są dostarczane z punktu poboru do laboratorium w celu analizy, mogą się zmieniać w tym czasie z powodu, np. zmiany temperatury otoczenia, absorpcji CO₂ z atmosfery w roztworze, różnic ciśnień lub (braku) przepływu. Dzięki technologii pomiarowej inline i online aktualne wartości parametrów pprocesowych są bezpośrednio dostępne w rozproszonym systemie sterowania (DCS). To połączenie umożliwia przede wszystkim niezawodną kontrolę  nad procesem, a błędy „ludzkie” , które powodują opóźnienia w pomiarach można w znacznym stopniu wykluczyć.

Przeczytaj więcej o korzyściach płynących z automatyzacji procesowej w naszym poprzednim wpisie na blogu.

Automatyzować analizy chemiczne czy nie automatyzować? Zalety PAT – część 1

Laboratorium w analizatorze procesowym

Pytanie, czy (a także w jaki sposób) oznaczanie pH w laboratorium może być zautomatyzowane i zintegrowane w procesie, było przedmiotem troski Merck KGaA Darmstadt. Aby odpowiedzieć na to pytanie, konieczne było wzięcie pod uwagę niektórych z następujących wymagań:
 

• Zamówienie w pełni zautomatyzowanego, precyzyjnego systemu pomiarowego do wyznaczania pH i kalibracji systemu pomiarowego
• Dane powinny być porównywalne z  wynikami laboratoryjnymi, z absolutną dokładnością
• Możliwości testowania i oceny elektrod
• Wielopunktowa kalibracja z testowaniem w predefiniowanym buforze
• Możliwość czyszczenia czujnika
• Zgodność z wymaganiami GMP
• Automatyczne generowanie certyfikatów → takich samych warunkach jak w laboratorium – z laboratorium do analizy procesowej!

Na potrzeby tego studium wykonalności analizator procesowy 2060 TI Process Analyzer firmy Metrohm Process Analytics został skonfigurowany do analizy atline, aby symulować te same pomiary pH, co te wykonywane w ich laboratorium.
 

Dowiedz się więcej o analizatorach procesowych 2060 Process Analyzers firmy Metrohm Process Analytics tutaj:

2060 Platform - platforma do analizy procesowej

W laboratorium badawczym fimy Merck KGaA przedstawionym w poprzedniej sekcji, analiza laboratoryjna została początkowo powtórzona za pomocą analizatora procesowego 2060 przy użyciu czujnika pH ProTrode. Obecnie system można  zintegrować bezpośrednio z procesem, jak pokazano na poniższej ilustracji  (Rysunek 3).

Czujniki pH Inline ProTrode przesyłają uzyskane dane do analizatora procesowego 2060 za pośrednictwem wyjścia analogowego lub protokołu Modbus. Zaletą jest to, że po podłączeniu bezpośrednio do samej elektrody pH ProTrode nie jest już potrzebny zewnętrzny przetwornik.

Unikalny i szybki system testowania elektrod

Każdy pomiar jest tak dobry, jak zastosowany czujnik. Aby zapewnić najdokładniejsze pomiary pH w procesie ze 100% wydajnością, niezbędne są testy czujnika. Wspomniane testy umożliwiają kwalifikację elektrody i mogą być wykonywane automatycznie przy pomocy analizatorów procesowych. Zazwyczaj takie testy są wykonywane ręcznie - wadą jest to, że jest to bardzo czasochłonne i podatne na błędy.

Kluczowe parametry automatycznej oceny elektrod (tj. ocena szklanej membrany i systemu referencyjnego) są zintegrowane z analizatorami procesowymi firmy Metrohm Process Analytics. Należą do nich:

• sprawdzenie nachylenia i asymetrii potencjału
• sprawdzanie czasu odpowiedzi
• kontrola membrany (potencjał przepływu)
• dowolnie konfigurowalne kryteria oceny i wartości dopuszczalne
• potencjał dyfuzyjny / sprawdzenie układu odniesienia

Koncepcja ta jest praktyczną metodą poprawy dokładności pomiarów pH w oparciu o podstawowe badania styku cieczy

→ Po teście elektrody przeprowadzana jest automatyczna ocena stanu elektrody, która jest absolutnie unikatowa!
 

Dzięki analizatorom procesowym online procedury kalibracji, regulacji i czyszczenia czujników są w pełni zautomatyzowane. Stan elektrody jest ciągle monitorowany przez system sterujący. Pomiędzy pomiarami elektroda jest zanurzona w roztworze konserwującym membranę, który zapobiega wysychaniu i jednocześnie regeneruje szklaną bańkę. Elektroda jest zatem zawsze gotowa do użycia i nie trzeba jej wyjmować z procesu w celu przeprowadzenia czynności konserwacyjnych.

W pełni automatyczne czyszczenie czujnika w jednym systemie

Żywotność zastosowanej elektrody jest ograniczona przez kilka czynników. Często zmiany spowodowane procesami starzenia lub zanieczyszczeniem diafragmy pozostają niewykryte. Jeśli pomiary są wykonywane za pomocą analizatorów procesowych online, czujnik jest czyszczony i płukany w dowolnie określonych odstępach czasu. Roztwór czyszczący i woda są automatycznie pompowane do komory kalibracyjnej. Eliminuje to konieczność wyjmowania i ręcznego czyszczenia czujnika. Zastosowanie takich zautomatyzowanych systemów czyszczenia może znacznie wydłużyć żywotność elektrody i uniknąć przestojów.
 

Udany proces zwiększenia skali dzięki analizatorowi procesowemu 2060 i czujnikom ProTrode

W branżach takich jak chemia i farmacja rozwój produktów nadal odbywa się w laboratoriach i zakładach pilotażowych. Wyzwanie polega na tym, że wyniki tych badań nie nadają się do wdrożenia w procesie produkcyjnym na pełną skalę. Jest to ważny temat na przyszłość, szczególnie w przypadku modułowych koncepcji instalacji. Dzięki zastosowaniu  analizatora procesowego 2060 TI Process Analyzer, można było przenieść niemal identyczne warunki pomiarowe z laboratorium do procesu.

Należy podkreślić, że w przyszłości coraz ważniejsze będzie, aby technologie zarówno z laboratorium, jak i procesu były porównywalne, aby lepiej zrozumieć rzeczywistą chemię procesu.

«Wykorzystanie tej samej technologii w laboratorium i w procesie jest kluczowym czynnikiem»
(«Ta sama technologia w laboratorium i procesie jest tutaj istotnym czynnikiem.») [1]

Analizator procesowy, który odtwarza warunki laboratoryjne

Podczas przenoszenia dowolnej metody analitycznej z laboratorium na halę technologiczną konieczne jest ustalenie i zdefiniowanie konfiguracji w jakiej będzie odbywał się pomiar. W tym przypadku dokładny pomiar wartości pH zależy od kilku zmiennych chemicznych, fizycznych i mechanicznych, co stawia wysokie wymagania dotyczące analizy i zastosowanej technologii czujników.

W trakcie badań wykorzystano analizator procesowy 2060 TI, który umożliwił automatyzację pomiaru dzięki modułowej i elastycznej konstrukcji oraz inteligentnemu interfejsowi oprogramowania sterującego.

Pobierz naszą bezpłatną broszurę poniżej, aby dowiedzieć się więcej o linii analizatorów procesowych 2060 firmy Metrohm Process Analyticss.

Brochure: 2060 TI Process Analyzer –Maksymalna elastyczność dla najtrudniejszych wyzwań w analizie procesowej

Ostatecznym wymogiem dla konfiguracji eksperymentalnej (pokazanej na Rysunku 4) było odtworzenie tych samych warunków, które obecne są w laboratorium. System grzewczy zapewniał określoną temperaturę próbki z od punktu poboru do naczynia pomiarowego. Ponadto zastosowano termostatyczne naczynie pomiarowe, aby temperatura próbki była identyczna z temperaturą występującą na linii procesowej.

W konfiguracji eksperymentalnej analizę przeniesiono do zewnętrznego naczynia pomiarowego z predefiniowaną prędkością mieszania. Nawet przy prędkości mieszania 0–2 m/s czujnik wykazywały odchylenia ± 0,1 pH. Z Obrazuje to jak ważne jest zdefiniowanie  prędkości mieszania, co można ustawić za pomocą analizatora procesowego 2060. Z drugiej strony, dzięki membranie typu ,,kołnierz”, czujnik pH ProTrode umożliwia bardzo precyzyjne pomiary nawet przy różnych natężeniach przepływu, aby reagować na trudne i zmienne warunki.

Dociekliwe spojrzenie na analizę procesową

Wybitny artysta Henri Matisse zauważył kiedyś, że "dokładność jest daleka od prawdy". Niedokładne pomiary i wynikające z nich błędy mogą być katastrofalne dla przemysłowych procesów produkcyjnych. Jakość produktu musi być zawsze zapewniona w bardzo wąskich granicach tolerancji. Gorsza jakość i wadliwe partie mogą powodować znaczne szkody ekonomiczne i możliwe do uniknięcia przestoje.

Wspólnie z Merck KGaA udało nam się przenieść niemal identyczne warunki z laboratorium do analizy procesowej w tym objecującym projekcie. Szczególnie w przypadku zastosowań w wymagających środowiskach procesowych stosowanie analizatora procesowego do precyzyjnego pomiaru pH ma wiele zalet i może wyraźnie przyczynić się do wielu aspektów sprawiających, że proces jest ekonomicnzy i bezpieczny.

1. Precyzyjnie zdefiniowane warunki pomiaru (np. pauza, zachowanie czujnika w zakresie dryftu, temperatura, prędkość mieszania)
2. Test elektrody (ponieważ sama kalibracja nie wystarczy, aby uzyskać informacje o stanie czujnika)
3. Indywidualna kalibracja i regulacja (możliwa jest 5-punktowa kalibracja zgodnie ze specyfikacjami FDA)
4. Programowalne interwały czyszczenia elektrody (bez konieczności wyjmowania elektrody z punktu pomiarowego)

Bibliografia

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

Dodatkowa wiedza

Seminaria internetowe dotyczące analizy procesowej

Broszura: Elektrody pH ProTrode

Ulotka: Czujnik ProTrode 250/350

Ulotka: ProTrode 200/300 - czujnik dla przemysłu farmaceutycznego