プロセス・アナリティクス4.0ソリューションの実装によるスマート・ファクトリーの構築

インダストリー4.0のコンセプトの導入が進むにつれて、より効率的で適応性を高めるために、データに大きく依存する「スマート・ファクトリー」が実現します。スマート・ファクトリーの制御室にはペタバイト級のデータが流れ込みます。しかし、実際のプロセス改善につながる貴重なデータを得ることは困難な場合があります。プロセス・アナリティクス4.0は、プロセス分析技術（PAT）のような新しい技術を導入し、高品質のデータを提供することにより、重要なビジネス上の意思決定を導きます。

インダストリー4.0とプロセスアナリティクス4.0

インダストリー 4.0 (第 4 次産業革命) の核心は、製造業における自動化とデータ収集の動きであり、接続性(connectivity)、自動化(automation)、システム統合(system integration)、ビッグ データ(big data)などのコンセプトに焦点を当てていることです。

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• 適切なプロセス分析技術 (PAT) の選択
  
• 適切なサンプルの前処理
• 貴重かつ信頼性の高いデータの取得
  

適切なプロセス分析技術 (PAT) の選択

プロセス分析技術を評価する際、最も重要な要素は、選択したソリューションが目的に適合しているかどうかです。数多くのプロセス分析装置によるソリューションは、単一の課題を解決することはできますが、どのテクノロジーが最も効果的に活用されているかを理解することで、すべての重要品質特性（CQAs）を確実にモニターし、適切にコントロールできる結果を得ることができます。

これらのプロセス分析技術 (PAT)ソリューションの詳細については、以下のオンデマンド・ウェビナー、ブログ記事、IMPACTソフトウェアのパンフレットをご覧ください。

Webinar: Process Analytics 4.0: Creating Data You Can Use

Blog: Automation beyond the lab – Integrating the most precise lab pH measurements into production processes

Brochure: Intelligent Metrohm Process Analytics Control Technology «IMPACT» Software

適切なサンプルの前処理

プロセス分析技術 (PAT)ソフトウェアは、サンプルパネルと組み合わせて、プロセス分析装置の外部にあるバルブ、ポンプ、その他の装置を操作するために使用することもできます。また、流量計、圧力装置、温度センサーからデータを収集し、プロセスの制御や診断を行うこともできます。外部機器を使用して、プロセス分析装置にサンプリングのタイミングやサンプリングの頻度を上げるタイミングをインテリジェントに決定させたり、プロセス分析装置の上流に問題があることをオペレーターに警告することも可能です。これらの能力は、プロセス分析技術 (PAT)ソリューションのための完全なエンド・ツー・エンドのソリューションを提供します。

サンプルの前処理の詳細については、以下のオンデマンド ウェビナーをご覧になり、当社の Web サイトで提供されているさまざまなオプションをご確認ください。

Webinar: Process Analytics 4.0: A Comprehensive Solution for Process Monitoring

Sample Conditioning Systems

貴重かつ信頼性の高いデータの取得

適切なプロセス分析技術 (PAT)ソリューションが選択され、サンプルの前処理リスクが最小化されたら、すべての重要品質特性 (CQAs) を最適化し維持するために、価値ある信頼できるデータを取得する時となります。

プロセス・アナリティクス4.0 の実装の成功例の 1 つは、NIR 分光法を用いてプロピレンオキシド (PO) などの有機溶媒の水分をモニターすることです。PO の水分レベルが高すぎると、重合段階で使用される触媒の活性が大幅に低下し、ポリプロピレンの収率が低下します。したがって、PO の水分含有量の測定は生産収益性にとって重要な指標となります。

通常、あらゆる成分の含水率は、ラボでカールフィッシャー水分測定法を用いて測定されます。この技術は製品仕様をモニターするのに十分なデータを提供できますが、周囲環境からの水分や人為的ミスの影響を受ける可能性があります。熟練した分析技術者が、毎日何度も測定を行い、製造プロセスが円滑に進むように測定結果を出さなければなりません。インラインNIRスペクトロスコピーを用いれば、入荷したPOの水分含有量を1分以内に測定することができ、この揮発性有毒化合物の手動サンプリング作業の頻度を減らすことで、安全上の問題を軽減することができます。

濃度測定のためのNIR分光法は、堅牢な予測モデルの開発に依存しています。このようなNIRモデルを開発するために、分析範囲をカバーするサンプルについてカールフィッシャー水分測定法を用いてラボデータを収集します。それぞれの測定結果は同じサンプルのNIRスペクトルと相関を持ちます。

予測モデルの開発後、PO中の水分は11～120 mg/L (ppm)の範囲で測定できるようになり、廃棄物コストの削減と、24時間リアルタイム分析が可能になりました。プロセス分析装置によるルーチン分析中、ソフトウェアは、迅速な測定結果の収集と管理値外警告のための即時データ処理を行うため、お客様は先を見越したプロセス決定を行い、最終製品の品質を向上させることができます。

このケーススタディの詳細については、以下のオンデマンド・ウェビナーのリンクをご覧ください。

Webinar: Process Analytics 4.0: A Turnkey Solution for Moisture Analysis

結論

プロセス・アナリティクス4.0ソリューションの導入は、時に困難な作業に思えるかもしれません。しかし、適切なプロセス分析技術 (PAT)ソリューションとソフトウェアを選択し、適切なサンプルリング機構を用いれば、成功は容易に得られます。これらのソリューションにより、製造工場は、自律的な意思決定手順を可能にし、リアルタイムでプロセスをモニターし、製品品質を守ることができ、プロセス・アナリティクス4.0によるスマート・ファクトリーを確立することができます。

メトロームは、世界で最も信頼されている化学分析機器メーカーの１つです。45年以上の経験を持つメトローム・プロセス・アナリティクスは、同じメトロームのラボ技術を活用し、専用のカスタムプロセスソリューションを提供することにより、お客様の収益向上に貢献しています。

参考文献

[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).

参考資料

Brochure: ProTrode pH Sensors

Brochure: 2060 TI Process Analyzer

Brochure: 2060 IC Process Analyzer

Brochure: 2060 The NIR Analyzer

Application Note: Inline process monitoring of the moisture content in propylene oxide