Makaleyi paylaş
Elektrokimyasal analizörler, bir akım-gerilim ilişkisine dayalı olarak bir numunede inorganik iyonların iz türlemesini gerçekleştirmek için voltammetrik analizi (VA) içermektedir. VA ile birlikte döngüsel voltammetrik sıyırma (CVS) ve döngüsel darbeli voltammetrik sıyırma (CPVS), kaplama banyolarının sürekli ve parazitsiz çalışmasını sağlamak için organik katkı maddelerinin miktarının belirlenmesine yardımcı olabilmektedir. Bu analizörler, VA veya CVS/CPVS uygulamalarını gerçekleştirmek için çok modlu bir elektrot (MME) veya dönen bir disk elektrot (RDE) kullanmaktadır.
Endüstri 4.0 konseptleri uygulanmaya devam ettikçe, daha verimli ve uyarlanabilir olmak için büyük ölçüde verilere dayanan «Akıllı Fabrikalar» gerçekleştirilmektedir. Petabaytlarca veri akıllı fabrikaların kontrol odalarına akmaktadır ancak, gerçek proses iyileştirmesine yol açabilecek değerli verileri elde etmek zor olabilir. Process Analitiği 4.0, yüksek kaliteli veriler sağlamak ve kritik iş kararlarına rehberlik etmek için Proses Analitik Teknolojisi (PAT) gibi yeni modernizasyonlar sunmaktadır.
Endüstri 4.0 ve Proses Analitiği 4.0
Endüstri 4.0 (Dördüncü Sanayi Devrimi) imalat sektöründeki mevcut otomasyon ve veri toplama hareketidir. Endüstri 4.0'ın kalbi bağlanabilirlik, otomasyon, sistem entegrasyonu ve büyük veri gibi kavramlara odaklanmaktadır.
Üreticiler, Endüstri 4.0 çözümlerini uygulayarak rekabet gücünü korurken ve müşteri deneyimini geliştirirken verimliliklerini, üretkenliklerini ve karlılıklarını artırabilmektedir. McKinsey & Company tarafından tamamlanan bir çalışmada, Endüstri 4.0 çözümlerinin başarılı bir şekilde uygulanması halinde endüstriler genelinde işgücü verimliliğinde %15-30'luk bir iyileşme ve iş hacminde %10-30'luk bir artışın gözlenebileceği kaydedilmiştir [1].
Proses Analitiği 4.0, Endüstri 4.0'a benzeyen ve proses analitiğinin gelişimine odaklanan bir terimdir. Dhanuka P. Wasalathanthri terimi ilk olarak Biotechnology Progress [2] dergisinde ortaya atmıştır. Makalede Wasalathanthri, Proses Analitiği 4.0'ı "proses analitik teknolojisi (PAT), tahlil otomasyonu, veri yönetimi, görselleştirme, artırılmış gerçeklik (AR) ve IoT'nin faydasını" içerecek şekilde tanımlamaktadır.
Bu makale, doğru PAT'yi seçme, uygun numune ön koşullandırmayı sağlama ve güvenilir veriler elde etme dahil olmak üzere bir Proses Analitiği 4.0 çözümünün nasıl başarılı bir şekilde uygulanacağını incelemektedir.
Doğrudan bir konuya atlamak için aşağıdaki menülere tıklayabilrisiniz:
Doğru PAT'yi seçmek
Proses Analitik Teknolojisi'ni değerlendirirken en önemli faktör, seçilen çözümün amaca uygun olup olmadığıdır. Çok sayıda proses analizörü çözümü tek bir sorunu çözebilmektedir. Bununla birlikte, hangi teknolojinin en iyi şekilde kullanıldığını anlamak, tüm kritik kalite özelliklerinin (CQAs) düzgün bir şekilde izlenebilmesini ve kontrol edilebilmesini güvence altına alacak sonuçlar sağlayacaktır.
Metrohm Process Analytics ProTrode 250 sensorü
Bu makalede tartışılan diğer PAT çözümleriyle karşılaştırıldığında, pH sensörleri, kurulumu, kullanımı ve bakımı en basit olanıdır. Proses pH sensörleri tipik olarak küçük bir toplam ayak izine sahiptir ve ölçüm proses sıcaklıklarında gerçekleştiği için bir laboratuvarda gerçekleştirilen pH ölçümlerine kıyasla daha doğru sonuçlar sağlamaktadır. Ayrıca bunlar, operatörler için birincil bakım faaliyeti kalibrasyon olan az bakım gerektiren PAT sensörleridir.
Proses pH sensörleri, genel amaçlı alanlardan patlamaya dayanıklı bölgelere kadar hemen hemen her üretim tesisi konumuna kurulabilmektedir. pH sensörleri bu açıdan kolaylık sağlıyor olsa da, yalnızca tek bir ölçüm değeri (pH) sundukları için sağladıkları veri sınırlıdır.
Metrohm Process Analytics 2060 TI (solda) ve 2060 IC (sağda)
Islak kimya analizörleri, ilgilenilen analitleri ölçmek için titrasyon, dinamik standart ekleme, fotometri (kolorimetri) ve İyon Kromatografi gibi analitik metodolojileri kullanmaktadır. Bu analiz teknikleriyle, birden çok analitin farklı yöntemler kullanılarak otomatik olarak ölçülmesi, operatörlerin çeşitli CQA'ları aynı anda tek bir cihazla izlemesine olanak tanımaktadır.
Yaş kimyasal analiz cihazlarının en önemli avantajı, laboratuvarla aynı yöntemi kullanacak şekilde tasarlanabilmeleri, laboratuvar ve proses sonuçları arasında doğrudan bir karşılaştırmaya olanak tanıyarak geçmiş verilerle tutarlı bir korelasyon sağlamalarıdır.
Metrohm Process Analytics 2060 The NIR-Ex Analyzer (solda) ve PTRam (sağda)
Yakın kızılötesi (NIR) ve Raman spektroskopisi gibi spektroskopik teknikler, operatörlere numune hazırlama veya kimyasal reaktiflere ihtiyaç duymadan katı, gaz veya sıvı numuneler hakkında hızlı ve doğru bilgiler sağlamaktadır. Çoklama (MUX) seçenekleriyle, bu analizörler birden fazla numune noktasını ölçebilmekte, hatta her numune konumunda farklı CQA'ları analiz edebilmektedir.
Kemometrik model geliştirme, benzer laboratuvar veya proses sistemlerinde gerçekleştirilebilmekte ve daha sonra proses ölçümlerini bozmadan kolayca analizöre aktarılabilmektedir. Analiz cihazı veri toplarken, analiz cihazının performansını sürekli olarak izlemek için dahili standartlar ve otomatik tanılama işlevleri kullanılmakta ve bu da verilerin sürekli olarak toplanabilmesini sağlamaktadır.
Metrohm Process Analytics IMPACT (Akıllı Metrohm Proses Analitiği Kontrol Teknolojisi) yazılımı
Doğru PAT'yi seçmedeki son nokta, proses analizörünü kontrol etmek için entegre edilen yazılımın yeteneklerinin dikkate alınmasıdır.
PAT yazılımının kullanıcı dostu kalırken veri işleme, bütünlük ve izlenebilirlik sağlaması gerekmektedir. PAT yazılımı ayrıca, dağıtılmış kontrol sistemi (DCS) veya denetleyici kontrol ve veri toplama (SCADA) sistemi ile iletişim kurabilmesi gerektiğinden, tipik laboratuvar yazılımının ötesine geçmektedir. Proses analizörü, bu sistemlere entegre edilerek üretim kontrol odasıyla doğrudan iletişim kurabilmekte ve proses kontrolünü sürdürmek için hemen kullanılabilecek veriler sağlayabilmektedir.
Bu PAT çözümleri hakkında daha fazla bilgi edinmek için aşağıdaki isteğe bağlı webinarımıza, blog makalemize ve IMPACT yazılım broşürümüze göz atın.
Webinar: Process Analtiği 4.0: Kullanabileceğiniz Verileri Oluşturmak
Broşür: Akıllı Metrohm Proses Analitiği Kontrol Teknolojisi «IMPACT» Yazılımı
Özellikle ıslak kimyasal analiz için PAT çözümlerinin uygulanmasındaki en yaygın zorluklardan biri, proses analiz cihazına sürekli olarak temsili bir numune vermektir. PAT komplikasyonlarının %80'inin örnekleme sorunlarından kaynaklandığı tahmin edilmektedir [3]. Bu engeli azaltmanın bir yolu, prosesin geri kalanından ayrı, sağlam bir ön koşullandırma sistemi tasarlamaktır.
Herhangi bir numune ön koşullandırma sisteminin amacı, güvenli ve verimli numune işleme sağlamak, enstrümantasyonu hasardan korumak, çalışma süresini artırmak ve prosese sorunsuz entegrasyon sağlamaktır. Bir numune ön koşullandırma sisteminin ele alması gereken en yaygın sorunlar basınç, katılar ve sıcaklıktır. Çoğu durumda, birden çok parametreyi aynı anda yönetmek için numune panelleri oluşturulabilmektedir. Numune panelleri, numune basıncını azaltmak, analiz cihazına giren büyük partiküllere karşı koruma sağlamak ve güvenilir olmayan numune akışına neden olabilecek tesis ekipmanından gelen titreşimi azaltmak için tasarlanabilmektedir. Bu yaygın sorunların ortadan kaldırılması, proses analizörüne günün her saati tutarlı numune sağlayabilmektedir.
PAT spesifikasyonunu karşılamak için birden fazla parametrenin ayarlanması gerekmediğini varsayalım. Bu durumda, tek fonksiyonlu numune koşullandırma sistemleri, özel olarak tasarlanmış numune panellerine harika bir alternatif olabilir. Bu tek işlevli numune koşullandırma sistemleri, geri tepme filtreleri, taşma kapları veya basit hat içi filtreleme mekanizmalarını içermektedir.
PAT yazılımı, proses analizörü dışındaki vanaları, pompaları veya diğer cihazları çalıştırmak için numune panelleriyle birlikte de kullanılabilmektedir. Yazılım ayrıca proses ile ilgili daha fazla kontrol veya diagnostik kararı vermek için akış ölçerlerden, basınç cihazlarından veya sıcaklık sensörlerinden veri toplayabilmektedir. Proses analizörünün ne zaman numune alacağını, numune sıklığını ne zaman artıracağını akıllı bir şekilde belirlemesi ve hatta operatörleri proses analizörünün yukarı akışındaki sorunlara karşı uyarması için harici cihazlar kullanmak mümkündür. Bu yetenekler, PAT çözümleri için eksiksiz bir uçtan uca çözüm sağlamaktadır.
Örnek ön koşullandırma hakkında daha fazla bilgi edinmek için aşağıdaki isteğe bağlı webinarımızı izleyin ve internet sitemizde sunulan farklı seçeneklere göz atın.
Webinar: Process Analitiği 4.0: Proses İzleme için Kapsamlı Bir Çözüm
Değerli ve güvenilir verilerin elde edilmesi
Uygun PAT çözümü seçildikten ve numune ön koşullandırma riskleri en aza indirildikten sonra, tüm CQA'ları optimize etmek ve sürdürmek için değerli ve güvenilir veriler elde etmenin zamanı gelmiştir.
Başarılı bir Proses Analitiği 4.0 uygulamasının bir örneği, NIR spektroskopisi ile propilen oksit (PO) gibi organik çözücülerdeki nemin izlenmesidir. PO'daki nem seviyesi çok yüksekse, polimerizasyon aşamasında kullanılan katalizörlerin aktivitesi önemli ölçüde azalmakta ve bu da polipropilen veriminin düşmesine neden olmaktadır. Bu nedenle, PO'daki nem içeriğinin ölçümü kârlılık için kritik öneme sahiptir.
Tipik olarak, herhangi bir bileşenin nem içeriği laboratuvarda Karl Fischer titrasyonu (KFT) kullanılarak ölçülmektedir. Bu teknik, ürün spesifikasyonlarını izlemek için yeterli veri sağlayabilirken, ortamdaki nemden ve insan hatasından etkilenebilmektedir. Nitelikli kimyagerler, üretim sürecinin sorunsuz çalışmasını güvence altına almak için sonuçları sağlayarak, ölçümü günde birkaç kez gerçekleştirmelidir. Inline NIR spektroskopisi ile, gelen PO'nun nem içeriği bir dakika içinde ölçülebilmekte ve bu uçucu toksik bileşiğin toplu örneklemesini daha seyrek bir görev haline getirerek güvenlik sorunları azaltılmaktadır.
Kantitatif NIR spektroskopisi, sağlam bir tahmin modelinin geliştirilmesine bağlıdır. Böyle bir NIR modeli geliştirmek için, analiz aralığını kapsayan numuneler üzerinde KFT kullanılarak laboratuvar verileri toplanmakta, her sonuç aynı numunenin bir NIR spektrumu ile ilişkilendirilmektedir.
NIRS tahmin modellerinin geliştirilmesi, aynı numunelerin laboratuvar (referans) analizini gerektirmektedir.
Tahmin modelini geliştirdikten sonra, PO'daki nem, azaltılmış atık maliyetleri ve saatlik KFT analizine karşı günün her saati gerçek zamanlı analiz ile 11–120 mg/L (ppm) arasında ölçülebilmektedir. Rutin analizler sırasında proses analizörü yazılımı, hızlı sonuç toplama ve spesifikasyon dışı uyarılar için anında veri işleme sağlayarak üreticilerin proaktif süreç kararları almasına ve nihai ürün kalitesini artırmasına olanak tanımaktadır.
Propilen oksitte (PO) nem, burada gösterildiği gibi NIR spektroskopisi ile 11–120 mg/L arasında ölçülebilmektedir.
Bu vaka çalışması hakkında daha fazla bilgi edinmek için aşağıdaki isteğe bağlı webinar bağlantısını inceleyin.
Webinar: Process Analitiği 4.0: Nem Analizi için Anahtar Teslim Çözüm
Özet
Bir Proses Analitiği 4.0 çözümünü uygulamak bazen göz korkutucu bir görev gibi görünebilir. Yine de, doğru PAT çözümü ve yazılımı seçilirse ve sağlam bir numune yönetimi stratejisi kullanılırsa başarı kolayca elde edilebilmektedir. Bu çözümlerle üretim tesisleri, özerk karar verme prosedürlerine olanak sağlayabilmekte, süreçleri gerçek zamanlı olarak izleyebilmekte, ürün kalitesini koruyabilmekte ve böylece Proses Analitiği 4.0 ile bir Akıllı Fabrika kurabilmektedir.
Metrohm, kimyasal analizler için yüksek hassasiyetli cihazlar konusunda dünyanın en güvenilir üreticilerinden biridir. 45 yılı aşkın tecrübesiyle Metrohm Process Analytics, aynı Metrohm laboratuvar teknolojisini kullanarak özel özel proses çözümleri sunmakta ve kârlılıklarını iyileştirmeye yardımcı olmak için üreticilerle ortaklık kurmaktadır.
Referanslar
[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).
Bilgi birikiminiz
Broşür: 2060 TI Process Analyzer
Broşür: 2060 IC Process Analyzer
Uygulama Notu: Propilen oksitte nem içeriğinin inline proses izlemesi
Online korozyon izleme için proaktif çözümler olarak proses analizörleri
Bu White Paper yayını, korozyonu izlemek için farklı yöntemlere genel bir bakış sunmakta, korozyon izleme için manuel numune alma ve offline laboratuvar yöntemleri yerine online veya inline kimyasal analiz seçmenin faydalarını özetlemekte ve ilgili uygulama notlarıyla birlikte korozyon önleme için çeşitli online ve inline proses uygulama çözümleri sunmaktadır.
