Siz bu blog makalesini okurken dünya çapında binlerce pH ölçümü yapılıyor. İş akışı olarak bu ölçümler genellikle aynı modele bağlı kalıyorlar: manuel numune alma ve ardından laboratuvar analizi; bu da artan zaman harcama gibi doğal dezavantajlar anlamına geliyor. Diğer yandan, üretim süreçleri ise proses optimizasyonu ve kontrolünde yüksek doğruluğa sahip doğru sonuçların elde edilebilmesi için genellikle karmaşık analitik teknikler ve ekipmanlar gerektirmektedir. Peki ya en yüksek kalitede bilgiyi elde etmek için prosesin tam bir anlık görüntüsüne ihtiyaç duyulursa? Analizin ölçeğini laboratuvardan prosese nasıl genişletirebiliriz? Proses koşulları altında nasıl analiz gerçekleştirebilir ve hala yüksek düzeyde doğru sonuçlara ve düşük ölçüm belirsizliğine nasıl ulaşabiliriz? Çözüm Proses Analitik Teknolojisinde (PAT),  yani örneğin yakından ve kesintisiz proses izleme ve kontrolünü mümkün kılan proses sensörlerinin kullanımında yatmaktadır.

pH ölçümü… proses içinde?

pH muhtemelen en yaygın kullanılan ölçüm parametrelerinden biri olup, kimya, ilaç, biyoteknoloji, yiyecek, içecek üretimi gibi birçok alanda merkezi bir rol oynamaktadır. Bu endüstrilerin tümü, üretimde olağanüstü bir rol oynayan uygun proses sensörlerinin kullanılmasını gerektirmektedir.

Temel uygulama olarak, pH'a duyarlı elektrotlarla gerilim ölçümü dünya çapındaki laboratuvarlarda günlük olarak kullanılan eski ama hala geçerli bir yöntemdir. Öte yandan,  hat içi pH ölçümü, yani pH değerinin doğrudan proseste belirlenmesi, proses optimizasyonu için büyük bir potansiyel barındırmakta ve önceden manuel numune almaya gerek kalmadan gerçek zamanlı proses izleme olanağı sağlamaktadır. Böylece ürün verimi ve kalitesi artırılırken, zamandan ve iş maliyetlerinden tasarruf sağlanmakta ve prosesin güvenliği de artırılmaktadır.

Birkaç yıldır trend giderek artan bir aciliyetle "laboratuvardan prosese" doğru kaymaktadır. Üretim proseslerini ve ilgili nitel ve nicel ölçümleri ölçeklendirme olanağı, daha yüksek verime, spesifikasyon dışı partilerin önlenmesine, analiz sonrası yerine gerçek zamanlı sürüm ve çok daha fazlasına olanak tanımaktadır. Şekil 1, üretimin prosese yakın bir yerde (atline), otomatik örnekleme (online) veya doğrudan proses akışının içinde (inline) nasıl izlenebileceğini ve kontrol edilebileceğini göstermektedir. Geçtiğimiz yıllarda laboratuvar analizleri (offline) giderek proses analizi yönünde gelişme göstermiştir.

Numuneler proses numune alma noktasından analiz için laboratuvara getirildiğinde, bu süre zarfında örneğin ortam sıcaklığı değişimi, çözeltideki atmosferden CO₂ emilimi, basınç farklılıkları veya akış (yokluğu) nedeniyle değişebilir. Inline ve online ölçüm teknolojisiyle, en güncel parametre değerleri doğrudan dağıtılmış kontrol sisteminde (DCS) görüntülenebilmektedir. Bu bağlantı, ilk etapta güvenilir proses kontrolünü mümkün kılmakta, örnekleme hatalarından ve ölçümdeki gecikmelerden kaynaklanan hatalı veriler büyük ölçüde ortadan kaldırılabilmektedir.

Önceki blog makalemizden proses otomasyonunun faydaları hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz.

Otomatikleştirmek mi, otomatikleştirmemek mi? PAT'ın Avantajları – Bölüm 1

Analizör üzerinde bir laboratuvar

Laboratuvar pH ölçümlerinin otomatikleştirilip proses dahilinde haritalanıp haritalanamayacağı (aynı zamanda nasıl gerçeleştirilebileceği) sorusu Merck KGaA Darmstadt için endişe verici bir konuydu. Buna cevap verebilmek için aşağıdaki gereksinimlerden bazılarının dikkate alınması gerekiyordu:

• Tam otomatik hassas pH kalibrasyonu ve ayar ölçüm sistemi talebi
• Veriler laboratuvar sonuçlarıyla mutlak doğrulukla tekrarlanabilir olmalıdır
• Elektrot testi ve değerlendirme olanakları
• Önceden tanımlanmış bir tamponda test ile çok noktalı kalibrasyon
• Sensör temizleme imkanı
• GMP gerekliliklerine uygunluk
• Otomatik sertifika oluşturma → laboratuvardakiyle aynı koşullar; laboratuvardan prosese!

Bu fizibilite çalışması için Metrohm Process Analytics 2060 TI Process Analyzer sistemi, laboratuvarlarında gerçekleştirilen pH ölçümlerinin aynısını simüle edecek şekilde atline analiz için yapılandırıldı.

Metrohm Process Analytics 2060 Process Analyzer sistemleri hakkında daha fazla bilgiyi buradan edinebilirsiniz:

2060 Platformu

Önceki bölümde tanıtılan Merck KGaA fizibilite çalışmasında, laboratuvar analizi başlangıçta deneme ölçeğinde bir ProTrode pH sensörü kullanılarak 2060 Proses Analizörü yardımıyla tekrarlandı. Gelecekte sistem aşağıdaki çizimde gösterildiği gibi doğrudan prosese entegre edilebilecektir (Şekil 3).

ProTrode inline pH sensörleri, elde edilen verileri analog çıkış veya Modbus protokolleri aracılığıyla 2060 Proses Analizörüne iletebilmektedir. Bu durum sağladığı avantaj, doğrudan ProTrode pH sensörünün kendisine bağlanarak harici bir transmitter ünitesine gerek kalmamasıdır. 

Öte yandan, istendiğinde ProTrode inline sensörlerinin uyumlu bir transmitter ünitesi ile direkt olarak konvansiyonel inline ölçümler için de kullanılabilmesi de mümkündür.

Zaman kazandıran benzersiz elektrot test sistemi

Her ölçüm yalnızca kullanılan sensör kadar iyidir. Proseste %100 performansla en doğru pH ölçümlerini sağlamak için sensör testi şarttır. Sensör testleri elektrodun kalifikasyonunu sağlamakta ve proses analizörlerinin yardımıyla otomatik olarak gerçekleştirilebilmektedir. Genellikle bu tür testler manuel olarak yapılmakta ve en büyük dezavantajları ise bunun çok zaman alması ve hataya açık olmasıdır. 

Otomatik elektrot değerlendirmesi için en önemli parametreler (örn. cam membranın ve referans sisteminin değerlendirilmesi), Metrohm Process Analytics proses analizörlerine entegre edilmiştir. Bu parametreler şunları içermektedir:

• eğimi ve asimetri gerilimini kontrol etmek
• elektrot yanıtını kontrol etmek
• diyafram kontrolü (akış gerilimi)
• serbestçe yapılandırılabilen değerlendirme kriterleri ve sınır değerleri
• sıvı junction gerilimi / referans sisteminin kontrolü

Bu kavram, "sıvı junction" temel araştırmasına dayanan ve pH ölçümlerinin doğruluğunu artırmak için pratik olarak uygulanabilir bir yöntemdir.

        → Elektrot testinin ardından elektrot durumunun otomatik bir değerlendirmesi gerçekleştirilmektedir. Bu benzersiz bir özelliktir!

Online proses analizörleri ile kalibrasyon, ayarlama ve temizleme rutinleri tamamen otomatiktir. Elektrodun durumu sistem tarafından sürekli olarak izlenmektedir. Ölçümler arasında elektrot, membranın kurumasını önleyen ve aynı zamanda ıslak tabakanın yenilenmesini sağlayan membran koruyucu bir depolama çözeltisine daldırılmaktadır. Böylece elektrot her zaman kullanıma hazır olmakta ve bakım faaliyetleri için prosesten çıkarılmasına gerek kalmamaktadır.

Tek sistemde tam otomatik sensör temizliği

Kullanılan elektrodun servis ömrü çeşitli faktörlerden dolayı sınırlıdır. Çoğu zaman, yaşlanma süreçleri veya diyaframın kirlenmesi nedeniyle oluşan değişiklikler fark edilmeyebilmektedir. Ölçümler online proses analizörleri ile yapılıyorsa, sensör serbestçe belirlenen zaman aralıklarında temizlenmekte ve yıkanmaktadır. Temizleme sıvısı ve su otomatik olarak kalibrasyon hücresine pompalanmaktadır. Böylece sensörü çıkarmak ve manuel olarak temizlemek ihtiyacı ortadan kalkmaktadır. Bu tür otomatik temizleme sistemlerinin kullanılması sensörün hizmet ömrünü önemli ölçüde uzatabilmekte ve arıza sürelerini önleyebilmektedir.

2060 Proses Analizörü ve ProTrode ile başarılı bir ölçek büyütme süreci

Kimya ve ilaç üretimi gibi endüstriler için ürün ve proses geliştirmeleri hâlâ laboratuvarlarda ve pilot tesislerde gerçekleştirilmektedir. Buradaki zorluk, bu çalışmalardan elde edilen bulguların tam ölçekli bir üretim sürecinde uygulamaya pek uygun olmamasıdır. Bu durum, özellikle modüler tesis konseptleri açısından gelecek için önemli bir konudur. 2060 TI Process Analyzer kullanılarak neredeyse aynı ölçüm koşulları laboratuvardan prosese aktarılabilmektedir.

Gerçek proses kimyasını daha iyi anlamak için gelecekte hem laboratuvar hem de proses teknolojilerinin karşılaştırılabilir olmasının giderek daha önemli kazanacağını vurgulamak önemlidir.

«Laboratuvarda ve proseste aynı teknolojinin kullanılması bunda önemli bir faktördür.»
(«Gleiche Technologie in Labor und Prozess ist hier ein essenzieller Faktor.») [1]

Laboratuvar koşullarını taklit edebilen bir proses analizörü

Herhangi bir analiz yöntemini laboratuvardan proses ortamına aktarırken, ilgili koşulları tam olarak yeniden oluşturabilmek için sabit ve iyi tanımlanmış bir ölçüm altyapısı gereklidir. Bu durumda, pH değerinin doğru ölçümü çeşitli kimyasal, fiziksel ve mekanik değişkenlere tabidir; bu da analiz ve kullanılan sensör teknolojisi üzerinde yüksek talepler meydana getirmektedir.

Bu projede, modüler ve esnek tasarımı ve akıllı yazılım arayüzü sayesinde ölçümün otomatikleştirilmesine olanak tanıyan 2060 TI Process Analyzer platformu kullanılmıştır.

Metrohm Process Analytics 2060 TI Process Analyzer serisi hakkında daha fazla bilgi edinmek için aşağıdaki ücretsiz broşürümüzü indirin.

Broşür: 2060 TI Process Analyzer – Proses analizindeki zorluklar için maksimum esneklik

Deney kurulumunun (Şekil 4'te gösterilen) nihai gereksinimi, laboratuvarda bulunanlarla aynı koşulları yeniden oluşturmaktı. Bir iz ısıtma sistemi, numune alma noktasından ölçüm kabına kadar tanımlanmış bir numune sıcaklığı sağladı. Ayrıca numune sıcaklığının proses sıcaklığıyla aynı olması için termostatik bir ölçüm kabı kullanıldı.

Deney düzeneğinde analiz, önceden tanımlanmış bir karıştırma hızına sahip harici bir ölçüm kabına aktarılmıştır. Sensör ucunun arkasında 0–2 m/s'lik karıştırma hızlarında bile ± 0,1 pH'lık sapmalar sergilenmiştir. Bu durum bir yandan 2060 Process Analyzer tarafından etkinleştirilen tanımlanmış karıştırma hızlarının önemini ortaya koymakta, öte yandan ise yaka diyafram sayesinde ProTrode pH sensörünün zorlu ve değişken koşullara yanıt vermek için farklı akış hızlarında bile son derece hassas ölçümler yapabildiğini göstermektedir.

Prosese daha derin bir bakış

Seçkin sanatçı Henri Matisse bir keresinde "doğruluk gerçek olmaktan uzaktır" demiştir. Yanlış ölçümler ve bunun sonucunda ortaya çıkan hatalar, endüstriyel üretim süreçleri için felakete yol açabilmektedir. Ürün kalitesinin her zaman çok dar tolerans sınırları içinde sağlanması gerekmektedir. Düşük kalite ve hatalı partiler önemli ekonomik zararlara ve önlenebilir arıza sürelerine neden olabilmektedir.

Merck KGaA ile birlikte bu etkileyici projede neredeyse aynı koşulları laboratuvardan prosese aktarmayı başardık. Özellikle zorlu proses ortamlarındaki uygulamalar söz konusu olduğunda, yüksek hassasiyetli pH ölçümü için proses analizörünün kullanılması aşağıdaki avantajları sunmakta ve ekonomik ve güvenli bir üretim prosesinin tüm yönlerine ve aşamalarına açıkça katkıda bulunabilmektedir:

1. kesin olarak önceden tanımlanmış ölçüm koşulları (örn. ayar süreleri, sensörün sapma davranışı, sıcaklık, karıştırma hızı)
2. entegre sensör testi (çünkü sensörün durumu hakkında bilgi almak için kalibrasyon tek başına yeterli değildir)
3. ayrı kalibrasyon ve ayarlama (FDA spesifikasyonlarına göre 5 noktalı kalibrasyon mümkündür)
4. programlanabilir temizleme aralıkları (elektrodu ölçüm noktasından çıkarmaya gerek kalmadan)

Referans

[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

Bilgi birikiminiz

Proses analizi ile ilgili isteğe bağlı webinarlar

Broşür: ProTrode pH sensörleri

Flyer: ProTrode 250/350 sensörler

Flyer: ProTrode 200/300 sensörler pharma