突出实验室分析−将精确的实验室 pH测量转移到生产过程中
2022年6月13日
文章
在你在阅读这篇博文的同时,世界各正在进行着数以千计的pH值测量。这些测量通常千篇一律:手动采样后将样品送到实验室测量——这种方法缺点明显且消耗时间。与此对应,一般生产过程需要用复杂的分析技术和仪器获取高精确的分析数据来优化和控制生产过程。在面对生产过程需要快速准确获取高质量测量数据时您该怎么办呢? 您如何将分析从实验室扩展到过程中 (即在线实时进行分析),同时保证高精确和低不确定性的结果? 这些问题的关键在于过程分析技术(PAT),例如,可直接和连续监测生产过程的过程传感器技术。
pH 测量… 过程中分析?
pH值在化学、制药、生物技术、食品和饮料等领域中扮演着重要的角色,它是非常广泛使用的测量参数之一,这些行业在生产中都需要合适的过程传感器发挥关键作用。
pH敏感电极测量溶液的毫伏电势作为一个经典且有效的方法,每天都在世界各地的实验室中应用。但在线pH测量,即直接在生产过程中测定pH值,对优化生产具有更巨大的应用潜力。它可以实时过程监控,无需人工采样。这提高了产量和质量,节省了时间和成本,增加了过程的安全性。
近几年来,“从实验室到过程”监测的趋势已在悄然稳步推进并呈现越来越加速之势,规模化生产辅以定性和定量测量来提高产量,规避批次间产品不稳定,实时纠错而不是事后分析…成为可能。图1说明过程分析是如何利用生产线边(线傍),生产线回路取样(线上)或直接在样品流内(在线)技术来监测和控制生产的。在过去的几十年里,实验室分析(线下)方式正在逐渐向过程分析方式方向发展。
样品从采样点采样到实验室进行分析这段时间内,由于温度、压差的变化或样品滞流,吸收大气中二氧化碳都会造成样品发生变化。采用线上或在线测量技术,样品分析数据直接被送到中央控制系统(DCS),实现可靠的过程控制,在很大程度上避免采样误差和测量延迟造成的数据偏差。
更多关于过程自动化的益处,请参阅我们之前的博文。
当样品被送往实验室进行分析时,样品可能会在这段时间内发生变化。同时,分析后可能需要采取的纠正措施也只能延迟启动。这两个方面清楚地表明了在线测量技术的优势所在,即测量直接集成到工艺流程中。
Christoph Herrmann
Christoph Herrmann,
在 默克集团
从实验室到在线分析
实验室pH值测定如何融入自动化过程控制系统中,是德国默克Merck KGaA Darmstadt公司一直在思考和关注的问题。要解答这个问题,必须思考下列要点:
- 满足全自动pH值校准和精确测量系统的要求
- 数据与实验室结果比对可重复,具有非常好的准确性
- 具备自动电极性能测试和评估功能
- 多点校准
- 传感器可方便清洗
- 符合GMP要求
- 自动生成测试证书→在实验室相同的条件-从实验室分析到过程分析!ss!
For this feasibility study, a 2060 TI Process Analyzer from Metrohm Process 针对可行性方案,我们按照默克实验室pH值测量相同精度的要求,配置了Metrohm Process Analytics的2060 TI过程分析仪实现线上分析。
了解更多关于Metrohm Process Analytics 2060过程分析仪的信息。
实验设置和相关要求
使用ProTrode传感器实现过程精确测量pH值
瑞士万通众所周知是一家研发高精度电极,特别是实验室电极而名气大的市场带领者。瑞士万通凭借数十年化学专业经验的积累,成功开发了满足复杂和苛刻过程要求的pH在线传感器。Metrohm Process Analytics在线ProTrode pH传感器(图2),适用于在各行业可靠和准确的在线pH测量应用要求。
TProTrode pH传感器的特点:
- 特别的套筒参比隔膜设计,适用在流动有变化的样品-满足工业对高精度和重复性的测量要求
- 传感器长度可选择(120毫米,225毫米,325毫米,360毫米,425毫米)-适用于各种工况(例如,容器,罐,反应堆,管道) 应用
- 特殊的参比系统 - 整体化参比使pH测量更容易 r
了解更多在线ProTrode pH传感器系列。
前面介绍的针对默克KGaA公司的在线PH 测量的可行性方案,是在2060过程分析仪搭载ProTrode pH传感器,模拟实验室PH分析规范搭建的实验方案。将来,这套系统会直接集成在生产工艺流程中,如下图所示(图3)。
通过2060过程分析仪,电极测试数据传输到DCS简单方便。
特别高效的电极性能自测系统
传感器的特性决定每一次测量的好坏。为了保证传感器一直在非常浩的性能下准确测量pH,对传感器性能的监测是不可少的。瑞士万通传感器性能测试是在过程分析仪上自动完成的。但通常,像这样的测试一般是用手工操作来完成的 — 其缺点是非常耗时且容易出错。
Metrohm Process Analytics过程分析仪集成自动电极性能评估的体系(即对电极玻璃膜和参比系统的评估)。这些包括:
- 自动检查斜率和不对称电位
- 自动检查电极响应时间
- 自动检查隔膜(电极电解液流量)
- 自定评价标准和限值
- 自动检查液接电位/参比系统
这是一种基于“液接”基础研究的提高pH测量精度的实用方法。
→ 电极性能测试,自动评估电极性能,瑞士万通卓绝专有技术!
在线过程分析仪的标定,校准和清洗程序是全自动的,系统对电极性能进行连续监测。在非测量时段,电极浸泡在专用存储溶液中,使玻璃半透膜复生,防止干燥。因此,电极随时可以使用,并且不需要从系统中取下进行维护和活化。
传感器在系统内全自动清洗
电极的使用寿命受到许多因素的影响,常见原因是电极老化或电极隔膜污染而未被发现造成的。如果测量采用在线过程分析仪,在规定的时间间隔内会自动清洗传感器。电极清洗液和水自动泵入测量杯,不需要拆卸和手动清洗传感器。这种自动化清洗系统可以显著延长传感器的使用寿命,避免停机。
2060过程分析仪结合ProTrode实现规模生产
通过使用2060过程分析仪,我们证明了将实验室技术转移到生产过程中是可行的,从而能够以所需的精度自动控制生产过程。2060过程分析仪的测量结果与实验室结果高度一致!
Christoph Herrmann
Christoph Herrmann,
在 默克公司
在化学和制药行业,产品开发阶段通常是在实验室或试验厂进行的。实现从可行性实验研发放大到规模化生产,是要面对的高难度的挑战。在未来,特别是对于模块化概念工厂来说这更是一个关键的问题。使用2060 TI过程分析仪,容易实现把实验室相同的测量方法条件转移到生产过程中。
要强调的是,在未来,为了更好把控真实的化学过程,实验室分析方法与过程分析方法具有可比性将变得越来越重要。
《实验室和过程分析采用相同分析技术至关重要》
(«Gleiche Technologie in Labor und Prozess ist hier ein essenzieller Faktor.») [1]
重现实验室分析方法的过程分析仪
要将分析方法从实验室转移到工艺过程中时,必须有一个能够完全重现方法条件的可靠的测量装置。在工艺过程中,pH值的测量受到各种化学、物理和机械变量的影响,这对分析和传感器技术都提出了很高的要求。
该项目使用了2060 TI过程分析仪,由于其模块化灵活的设计和智能软件界面,使得自动化测量设想成真。
下载万通专题小册子,从Metrohm Process Analytics获取2060 Process analyzer系列的更多信息。
专题手册::2060过程分析仪-灵活的模块化设计——敢于直面过程分析的重重挑战
在线分析装置 (如图4所示) 的基本要求是再现与实验室分析的相同的条件。进样管加热系统确保了从采样点到测量杯的样品温度恒定。此外,恒温测量杯使测量样品温度与工艺温度相同。
在实验装置中,分析是在一个外部并预先设定搅拌速度的测量容器中进行,在测量杯传感器周围,样品以0-2米/秒恒定速度搅拌,这会引起±0.1 ph值的偏差。这说明选用能够调节样品搅拌速度的2060过程分析仪的重要性。另一方面也说明万通ProTrode pH传感器的套筒隔膜参比系统,能应对挑战,在样品变化流速条件下完成高精度的测量。
更深入理解过程分析
有名的艺术家亨利·马蒂斯曾经说过,“准确远非只是真实”。不准确的测量和由此产生的误差对工业生产过程可能是灾难性的。任何时候都必须确保产品质量在非常小的公差范围内。出现劣质和有问题批次都会导致重大的经济损失和工厂停车。
与默克KGaA一起,我们成功地将与实验室分析相同的条件转移到过程分析仪上,这是一个令人印象深刻的项目。特别是在具有挑战性的工艺环境中,使用过程分析仪进行高精度pH值测量具有以下优点,也凸显它在经济和安全生产方面的贡献:
- 精准预设测量条件(例如,设置分析时间,传感器的漂移范围,温度,搅拌速度等)
- 内置传感器评估(因为取出传感器,手动校准不足以获得完整性能信息)
- 独立标定和校准(根据FDA规范5点校准)
- 电极清洗间隔时间可编程(无需取下电极)
参考
[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