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Prozessanalysentechnik Warum Sie endlich Prozessanalysentechnik nutzen sollten

Autor Anke Geipel-Kern

Vom smarten Sensor zur Prozessintelligenz – Unter diesem Motto kam das 11. Kolloquium Prozessanalytik im historischen Kuppelsaal der TU Wien zusammen. Die fast 200 Teilnehmer waren sich einig: Die Prozessanalytik muss raus aus dem Elfenbeinturm und endlich den Ruch der Komplexität ablegen. Doch wie soll das funktionieren? Wie bekommt der vielbeschworene Trialog zwischen Geräteherstellern, Wissenschaft und Industrieanwendern endlich den letzten Schliff?

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Wer befreit PAT aus dem akademischen Silo?
Wer befreit PAT aus dem akademischen Silo?
( © buhanovskiy - Fotolia)

Ob Petro-, Polymerchemie, Biotechnologie oder klassische Syntheseverfahren – Prozessanalysentechnik kann Verfahren optimieren, Ausbeuten erhöhen und Kosten senken. Das ist Konsens bei allen Beteiligten, und ginge es allein um den Nutzen, wären Methoden wie Raman-, MIR-, NIR- oder UV/VIS-Spektroskopie längst flächendeckend eingeführt.

Doch PAT steckt fest. Trotz einer lebhaften, überaus diskussionsfreudigen Community, die viele Ansätze und Möglichkeiten verfolgt, folgt der Praxisschock, sowie man in die Chemiebetriebe schaut. Der Löwenanteil aller im Feld installierten Messstellen ist klassische Prozessmesstechnik, also Druck, Temperatur, Durchfluss und Füllstand.

Die Anzahl der PAT-­Messstellen in den Betrieben steigt nur langsam. Über 80 PAT-­taugliche Analysemethoden gibt es, darunter Gasmess- und Gaswarntechnik, Refraktometrie, Dichte-, Viskositäts- und Feuchtemess­technik, paramagnetische Sauerstoffmessung und Photometrie bis hin zu Chromatographie und Spektroskopie.

Doch von den komplexeren Methoden werden allein die spektroskopischen in größerem Maßstab eingesetzt. Und ein kritischer Blick in die Szene zeigt ein deutliches universitäres Übergewicht, was die Methodenentwicklung angeht. Ein Umstand, den auch PAT-Experten bedenklich finden.

PAT verständlich machen

Der Wertbeitrag von PAT werde gerade bei den komplexeren Analysemethoden und Sensorsystemen häufig nicht klar gesehen, weil er zu akademisch transportiert werde, betont etwa Dr. Thomas Steckenreiter, Leiter Support und Services bei Bayer Technology Services, immer wieder gerne. Einfacher dürfte das in Zukunft auch nicht werden, denn die Verknüpfung von PAT mit Industrie 4.0 verlangt eher noch komplexere Argumentationsketten, und auch die Möglichkeiten, die smarte Sensortechnik eröffnen, sind nicht mit drei einfachen Sätzen erklärt. Guter Rat ist also teuer.

Wie vermittelt man den Nutzen der PAT?

Wie kommt PAT raus aus dem akademischen Silo? Und wie vermittelt man den Nutzen von Systemen, deren R&I-Schema mindestens genauso so kompliziert ist, wie das einer Teilanlage? Diese Fragen treibt das Organisationsteam seit Bestehen des von Dechema und GdCH betriebenen Arbeitskreises Prozessanalytik um, und war deshalb Kernthema der Veranstaltung in Wien.

Per Powerpoint-Päsentation ausgetragene wissenschaftliche Folienschlachten, die Spektren aneinander reihen, deren Inhalt sich nur Analysenexperten erschließt, sind jedenfalls nicht des Pudels Kern, sondern eher ein Grund, warum die PAT tatsächlich keiner versteht. Das haben die Organisatoren erkannt und dieses Mal vorgebeugt.

Ein wichtiger Schritt sind an der Praxis orientierte Beiträge, wie der von Dr. Ulrich Schünemann, der in der Engineeringabteilung der BASF mit der Implementierung von Prozessanalysentechnik betraut ist und für den der „Nahkampf auf der Baustelle“ mit zum täglichen Geschäft gehört. „Prozessanalysentechnik spielt in der Technologiestrategie der BASF eine wichtige Rolle“, betont er.

Doch trotz dieses Ansatzes ist auch in Ludwigshafen noch längst nicht alles Gold was glänzt. Für Dr. Michael Kloska, der als Leiter des Fachzentrums Prozessanalysentechnik der BASF an vorderster Front steht, wenn es gilt PAT in bereits bestehende Betriebe einzuführen, geht es in erster Linie darum, den Betriebsleiter zu überzeugen. Kontiprozesse seien in der Regel gut instrumentiert, betont er. Bei Batchprozessen seien oft die Installationskosten für die Messstelle ein Grund, sich gegen Prozessanalysentechnik zu entscheiden.

Wann kommen Miniformate?

Vielleicht ist ja Miniaturisierung ein Ansatz, die Komplexität der PAT-Systeme zurecht zu stutzen. Denn im Feld wird PAT oft im Analysenhaus installiert, und das braucht nicht nur Infrastruktur, sondern auch Manpower für Instandhaltungskapazitäten, wenn z.B. der Probennehmer den Geist aufgibt. Besonders bei der Massenspektrometrie wird die Probenzuführung schnell zur Achillesferse. Auch Messverzögerungen erschweren die Implementierung einer adaptiven Prozessregelung.

Alles Gründe, weshalb sich Messtechnikspezialist Krohne für sein jüngstes Forschungsprojekt die Massenspektrometrie vor- genommen hat, um sie einer Schrumpfkur zu unterziehen. „Die Miniaturisierung von Sensoren ermöglicht perspektivisch die Realisierung von komplexen Analyse-Feldgeräten zur online- bzw. atline-Anwendung“, sagt Winfred Kuipers von Krohne Messtechnik in Wien.

Noch klemmt es bei der Probennahme, aber mit den Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) gibt es bei Krohne Erfahrungen, die man jetzt nutzt, um MEMS-Chips und Sensortechnik zu verheiraten. Der Proof-of-Concept hat bereits geklappt, und es ist dem Team um Kuipers gelungen, die Baugröße des Gesamtsystems auf ein 19"-Gehäuse zu reduzieren, wobei das MS selbst nur die Größe einer halben 1-Cent-Münze hat. Fernziel sei es, irgendwann die Größe eines Schuhkartons zu erreichen, sagt Kuipers.

Weg vom Analysenhaus will auch das Technologieunternehmen Tec 5, das auf „embedded“ setzt und mit Tec Saas eine neue Plattform für Embedded Spektrometer-Systeme entwickelt hat, welche die Akquisition der Spek­traldaten, die Datenverarbeitung, und die Kommunikation mit der Prozessschnittstelle autonom durchführt.

Ausgelegt für einzelne Messstellen, bei welchen auch ein zweiter Messkanal zur online-Referenz eingesetzt werden kann, ist diese Plattform nicht an Sensortypen oder Spektralbereiche gebunden. Eine modulare Software (Firmware), vergleichbar mit der Prozesssoftware Multispec Pro II, erlaubt das Parametrieren der einzelnen Schritte der Messdatenaufnahme und Verarbeitung bis hin zur Auswertung auf Basis der am PC erstellten Chemometriemodelle.

Eine klassische Programmierung sei in der Regel nicht erforderlich, betont Dr. Hanns Simon Eckhardt von Tec 5. Einziger Wermuts­tropfen der cleveren Idee: Trotz der Möglichkeiten, die das Embedded System auch für die Chemie bietet, scheinen sich die Vorteile hier noch nicht herumgesprochen zu haben. Das präsentierte Anwendungsbeispiel stammt nämlich aus der Agrartechnik.

Spannende Spektroskopie

Auch die exotischen Bereiche der Spektroskopie boomen. Das zeigt das Anwendungsbeispiel des Wiener Instituts für Chemische Technologie und Analytik. Gemeinsam mit der OMV-Raffinerie in Schwechat entwickeln die Forscher einen Gassensor auf Basis eines Quantenkaskadenlasers, der bereits in einer Forschungszwecken dienenden Pilothydrierung eingesetzt wird.

Interessant ist die Technik, weil man Konzentrationen damit nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ messen kann, was momentan noch nicht so einfach ist. In diesem Einsatzfall geht es um die Messung der Schwefelwasserstoffkozentration im Prozessgasstrom einer Hydrierungsanlage – und zwar im Sub-ppm-Bereich, wie Harald Moser von der TU Wien betont.

Den Beweis, dass die Sensorsensivität ausreichend mit der Konzentration korreliert, hat das Team bereits geführt. Jetzt steht noch eine Risikoanalyse aus. Der nächste Schritt ist dann der Test in der Raffinerie unter Atex-Bedingungen.

Wie viel Nutzen es dem Betreiber bringt, bisher im Labor ausgeführte Analysearbeiten direkt an die Linie zu verlagern, zeigen zwei sehr unterschiedliche Beispiele: die kontinuierliche Polymerproduktion und die Prozessführung bei der Hefefermentation einer Brauerei.

Die PAT-Instrumentierung von Kontiprozessen ist jedenfalls noch lange nicht ausgereizt, meint Peter Mayo, der sich bei Borealis Olefine mit der Einbindung der Time Domaine Low Resolution NMR in den Prozessstrom beschäftigt. Geht es darum, Qualitätsparameter von Polyolefinpulvern und Pelletströmen zu ermitteln, sei die Technik in den Qualitätssicherungs- und Entwicklungslaboren Standard.

Doch in der Polyolefinproduktion ist Zeit Geld. Eine typische Polypropylenanlage produziere 30 bis 45 Tonnen pro Stunde, rechnet Mayo vor. Leicht vorstellbar, wie viel Geld dem Kunststoffproduzenten verloren geht, wenn das Laborergebnis eine off-spec-Analyse erbringt.

Wartezeiten von sechs Stunden für einen Labortest auf Xylen-Löslichkeit oder gar 24 Stunden, bis der Laborant die mechanischen Eigenschaften des Blends ermittelt hat, sollten mit der adaptierten TD NMR bald der Vergangenheit angehören. Ein ähnlich hohes Potenzial steckt übrigens auch in der Optimierung von Brauprozessen, die wegen der langen Prozesszeiten eine hohe Kapital­bindung aufweisen.

Ein weiteres Beispiel des Kolloquiums, das zeigt: Werte, die man mit PAT heben kann, gibt es mehr als genug. Nun müssen die Verantwortlichen Gas geben bei der Vermittlung der Vorteile.

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