Поделиться статьей
Пока вы читаете эту статью, по всему миру проводятся тысячи измерений pH. И чаще всего работает одна и та же схема: ручной отбор образцов и последующий анализ. Но у подобной схемы есть свои недостатки, в том числе увеличение затрат по времени. Напротив, производственные процессы обычно требуют сложных аналитических методов и оборудования для получения высокоточных результатов для оптимизации и контроля процесса. Как перенести анализ из лаборатории прямо в производственную цепочку (т. е. провести анализ в условиях технологического процесса) и при этом получить высокоточные результаты и низкую погрешность измерения? Успех заключается в процессной аналитической технологии (ПАТ) и в использовании поточных датчиков для обеспечения тщательного и непрерывного мониторинга за процессом.
pH измерение… в процессе?
рН – один из самых широко используемых параметров измерения. Он играет главную роль в химии, фармацевтики, биотехнологии, анализе продуктов питания и напитков. Всем этим отраслям требуются подходящие поточные электроды, которые играют уникальную роль в производстве.
На практике измерение напряжения с помощью рН-чувствительных электродов — старый, но все еще действующий принцип, который ежедневно используется в лабораториях по всему миру. Но инлайн измерение pH, т. е. определение значения pH прямо в процессе, обладает еще большим потенциалом для оптимизации производства. Это позволяет мониторить процесс в режиме реального времени без предварительного ручного пробоотбора. Технология повышает объем выпуска и качество продукта, экономит время и эксплутационные затраты, а также повышает безопасность производства.
Уже несколько лет «лабораторный» тренд стабильно смещается в сторону «поточного» с нарастающей актуальностью. Возможность масштабирования производственных процессов и связанных с ними качественных и количественных измерений позволяет повысить объем выпускаемой продукции, избежать партий, не соответствующих спецификации, выпускать продукцию без последующего анализа. На Рисунке 1 показано, как можно отслеживать и контролировать производственный процесс (atline), с помощью автоматизированного отбора образцов (online) или в самом потоке (inline). За последние десятилетия лабораторный анализ (offline) постепенно «эволюционировал» в поточный анализ.
За время пока образец из точки отбора на линии будет ждать своего анализа в лаборатории, он может поменять свои свойства, например, из-за изменения температуры окружающей среды, поглощения СО2 из атмосферы, разницы давлений или (отсутствия) потока. С технологиями инлайн и онлайн измерений самые актуальные значения параметров доступны в автоматизированной системе управления (АСУ). Соединение обеспечивает надежность управления самим процессом, и в значительной степени исключает ошибочные результаты в случаях некорректности выборки и несвоевременности измерений.
Узнайте больше о преимуществах автоматизации процессов в нашей предыдущей статье.
To automate or not to automate? Advantages of PAT – Part 1
Собственная лаборатория в анализаторе
Вопрос о том, можно ли (а также как) автоматизировать анализ pH в лаборатории и преобразовать данные, заинтересовал Merck KGaA Darmstadt. Для ответа на этот вопрос, необходимо было учесть следующее:
- Запрос на полностью автоматизированную точную измерительную систему для калибровки и регулировки pH
- Данные должны быть воспроизводимы лабораторными результатами с абсолютной точностью
- Возможности тестирования и оценки электродов
- Многоточечная калибровка с проверкой в определенном буфере
- Возможность чистки датчика
- Соответствие требованиям GMP
- Автоматическое формирование сертификатов → те же условия, что и в лаборатории — из лаборатории в производство!
Промышленный анализатор 2060 TI Process Analyzer от компании Metrohm Process Analytics был разработан специально для atline анализа, чтобы воспроизводить те же измерения pH, которые выполняются в лаборатории.
Узнайте больше об анализаторах 2060 Process Analyzers по ссылке ниже.
Контрольная установка и требования
Точные измерения pH в потоке с электродами ProTrode
Компания Metrohm известна как лидер рынка высокоточных электродов. Десятилетиями мы использовали опыт наших лабораторий для разработки pH электрода, который отвечает сложным и строгим требованиям производственных процессов. Метром теперь предлагает инлайн (встроенные) электроды ProTrode pH (Рисунок 2), они идеальны для всех промышленных задач с запросом на надежность и точность инлайн измерений pH.
Электроды pH ProTrode обладают следующими преимуществами:
- уникальная пришлифованная диафрагма подходит для различных образцов, обеспечивает высокоточные и воспроизводимые измерения для промышленных задач
- доступны различные модели (120 мм, 225 мм, 325 мм, 360 мм, 425 мм) – подходят для ячеек, резервуаров, реакторов, труб
- специальная система сравнения – встроенный референс еще сильнее упростит измерения pH
Узнайте больше о семействе инлайн электродов pH ProTrode.
ProTrode pH sensors – Enhance your process insights with inline pH measurements
В разработке для Merck KGaA, о которой мы говорили в предыдущем абзаце, анализ изначально воспроизвели с помощью анализатора 2060 и электрода pH ProTrode в тестовом масштабе. В дальнейшем саму систему можно интегрировать непосредственно в процесс, как показано на иллюстрации ниже (Рисунок 3).
Инлайн электроды pH ProTrode передают полученные данные в анализатор через аналоговый выход или протоколы Modbus. Преимущество заключается в том, что при прямом подключении к электроду внешний трансмиттер больше не нужен.
Уникальная система тестирования электродов экономит время
Качество любого анализа зависит от используемого электрода. Для обеспечения самых точных измерений pH при 100%-ной производительности необходимость поверки электрода критично важна. В системе промышленного анализатора подобные оценки могут выполняться автоматически, поскольку в обычных лабораториях ручные тесты занимают очень много времени и чреваты ошибками.
Важнейшие параметры для автоматической поверки электродов (например, стеклянной мембраны и системы сравнения) уже интегрированы в поточные анализаторы. Они включают:
- проверка наклона и потенциала асимметрии
- проверка отклика
- проверка диафрагмы (потока)
- свободно настраиваемые оценочные критерии и предельные значения
- потенциал жидкостного перехода / проверка системы сравнения
Эта концепция представляет собой практически применимый метод повышения точности измерений pH, основанный на фундаментальных исследованиях «жидкостной границы».
→ После поверки электрода выполняется автоматическая оценка его состояния, это совершенно уникально!
Калибровка, настройка и очистка анализаторов выполняются полностью автоматически. Состояние электрода постоянно отслеживается системой. Между измерениями электрод погружают в специальный раствор хранения для защиты мембраны от высыхания и для регенерации. Таким образом, электрод всегда готов к использованию, его не нужно отрывать от работы для проведения технического обслуживания.
Полностью автоматическая очистка электрода в одной системе
Срок службы любых используемых электродов ограничиваются несколькими факторами. Часто изменения, вызванные процессами старения или загрязнения диафрагмы, остаются незамеченными. Если измерения выполняются на поточных анализаторах, электрод очищается и промывается через временные интервалы, которые вы установите по своему усмотрению. Очищающий раствор и вода автоматически закачиваются в калибровочную камеру. Это исключает необходимость снимать электрод и очищать его вручную. Использование таких автоматизированных систем очистки позволяет значительно продлить срок службы электродов и избежать простоев.
Успешные истории внедрения системы 2060 PA и ProTrode
Для химического и фармацевтического производств разработка продуктов и процессов по-прежнему ведется в лабораториях и на пилотных установках. Проблема в том, что результаты этих исследований вряд ли подходят для внедрения в полномасштабный производственный процесс. Это важная тема для будущего, особенно для концепций модульных установок. С помощью промышленного анализатора 2060 TI Process Analyzer можно перенести почти идентичные условия измерения из лаборатории в технологический процесс.
Важно подчеркнуть, что для обозримого будущего становится все более значимой сопоставимость технологий как в лаборатории, так и в процессе производства для понимания реальной химии процесса.
«Using the same technology in the laboratory and in the process is a crucial factor in this.»
(«Gleiche Technologie in Labor und Prozess ist hier ein essenzieller Faktor.») [1]
Промышленный анализатор и его воспроизводимость лабораторных условий
При переносе любого метода из лаборатории в производственный цех необходима определенная фиксированная установка для полноценного воспроизведения аналогичных условий. В этом случае точное измерение pH зависит от нескольких химических, физических и механических переменных, и следовательно, нам нужно соответствовать высоким требованиям к анализу и используемой технологии.
В данном проекте использовался анализатор TI 2060, который позволил автоматизировать измерения благодаря своей концепции модульности и гибкости в комбинации с умным программным интерфейсом.
Скачайте бесплатную брошюру ниже, чтобы узнать больше о линейке анализаторов 2060 от Metrohm Process Analytics.
Конечным требованием к экспериментальной установке (показанной на Рисунке 4) стало воспроизведение тех же условий, что и в лаборатории. Система электронагрева обеспечивала заданную температуру образца от точки отбора до измерительной ячейки. Также использовалась термостатическая измерительная ячейка для поддержания температуры образца.
В данной системе анализ переместился во внешнюю измерительную ячейку с заданной скоростью перемешивания. Даже при скорости перемешивания 0–2 м/с отклонения pH составляли ± 0,1. С одной стороны, это говорит нам о важности определенных скоростей перемешивания, которую поддерживает анализатор. С другой стороны, благодаря пришлифованной диафрагме электрод pH ProTrode обеспечивает высокоточные измерения и при различных скоростях потока. Это позволяет нам реагировать на неординарные и изменяющиеся условия.
Погружаемся в процесс еще глубже
Выдающийся художник Анри Матисс (Henri Matisse) однажды отметил, что «точность далека от истины». Ошибочные измерения и результаты возникающие из-за ошибок могут иметь катастрофические последствия для промышленности. Качество продукции всегда должно соответствовать очень узким допускаемым пределам. Низкое качество и бракованные партии приведут к ощутимым потерям средств и простоям, которых вы могли бы избежать.
В этом впечатляющем проекте вместе с Merck KGaA нам удалось передать почти идентичные условия лаборатории в поток производства. Когда речь идет о задачах в сложных технологических условиях, использование анализатора для высокоточного измерения pH обладает множеством преимуществ. В том числе и на этапах экономичности и безопасности:
- точные условия измерения (например, время, дрейф электрода, температура, скорость перемешивания)
- комплексное тестирование датчика (поскольку одной калибровки недостаточно для получения информации о состоянии датчика)
- индивидуальная калибровка и настройка (возможна 5-точечная калибровка в соответствии со спецификациями FDA)
- программируемые интервалы очистки (без необходимости снятия электрода с точки измерения)
Reference
[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
