Endress+Hauser setzt seit geraumer Zeit einen strategischen Schwerpunkt auf Prozess- und Laboranalyse. Der Erfolg in Schlüsselmärkten bestätigt diesen Ansatz: Die Firmengruppe erzielt mittlerweile fast ein Viertel ihres Umsatzes mit Analysetechnik. Mit der laserbasierten Messtechnik komplettiert der Anbieter nun sein Portfolio um weitere moderne Analyseverfahren. Anwender in der Prozessindustrie können nun in Produkt- und Prozessentwicklung, in der Qualitätskontrolle und im Produktionsprozess auf die Technologien zurückgreifen.
Lösungen für die Prozessanalyse in Echtzeit
Laserbasierte Messtechnologien wie die Raman-Spektroskopie und Absorptionsspektroskopie mittels abstimmbarer Laserdioden (TDLAS) gewinnen gegenüber alternativen Methoden wie der Gaschromatographie oder der Massenspektrometrie immer mehr an Bedeutung. Ohne bewegende Teile und mit einer deutlich geringeren Zahl an erforderlichen Probenahmen sind die verwendeten Prozessanalysatoren einfacher zu handhaben. Zudem liefern sie hochgenaue Ergebnisse innerhalb von Sekunden. Die automatisierte Messung kritischer Parameter ermöglicht eine intelligentere Steuerung sich schnell ändernder Prozesse in Echtzeit, ohne dass das Bedienpersonal etwa gefährlichen Chemikalien ausgesetzt ist. Mit der TDLAS-Technik lassen sich auch geringe Konzentrationen von Gasen zuverlässig messen – eine Aufgabe, die beispielsweise der J22-Gas-Analysator als erster Vertreter der TDLAS-Geräteplattform von Endress+Hauser meistert. Zudem investiert der Hersteller laufend in die Weiterentwicklung der Raman-Spektroskopie für neue Anwendungen. Die Raman-Analysatoren untersuchen Flüssigkeiten, Gase und Feststoffe auf ihre Zusammensetzung und Materialeigenschaften und ermöglichen eine Messung der Produkteigenschaften in Echtzeit. Die Raman-Analysegeräte und -sonden kommen in der Life Sciences Industrie, der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, der Chemie sowie in der Öl- und Gasindustrie zum Einsatz. Die Geräte können dabei kundenspezifisch konfiguriert werden und bieten eine zuverlässige chemische Analyse in Labor- und Prozessumgebungen.
Antonella Colucci, Product Manager Sales Marketing, Endress+Hauser – Bild: Endress+Hauser (Deutschland) GmbH+Co. KG.
Komponenten des Systems
Ein Raman-System besteht aus vier Elementen: Analysegerät, Sonden, Software und Datenanalyse. Herzstück ist das das Analysegerät, das Laser, Spektrometer und eine integrierte Steuerung umfasst. Die Sonden sind sozusagen die ‚Fenster‘ zum Prozess. Die Software steuert die Datenerzeugung – die Rohdaten werden von der Datenanalysekomponente in aussagekräftige Informationen übersetzt. Die Analysesysteme der Rxn-Produktpalette sind in der Lage, Chemikalien und Zusammensetzungen mit hoher Genauigkeit zu analysieren. Die Analysen erfolgen in-situ und in Echtzeit, wie es der Prozess benötigt. Außerdem sind die Lösungen skalierbar und lassen sich an Produktionsumgebungen anpassen.
Anwendungsbeispiel Emulsionspolymerisation
Die Emulsionspolymerisation ist ein wichtiges Verfahren für die Herstellung von polymeren Werkstoffen wie Farben, Klebstoffe und synthetische Kautschuke. Die Reaktion wird in einer wässrigen Umgebung durchgeführt, in der die Monomere mit einem geeigneten Tensid oder Emulgator in einer Phase gehalten werden. Die Polymerisation verläuft als klassische Doppelbindungs-Additionsreaktion, die über einen radikalischen Mechanismus ausgelöst wird. Werden mehrere Monomere eingesetzt, ist es wichtig, die Verbrauchsrate der einzelne Monomere oder die relativen Verbrauchsrate der Copolymere verfolgen zu können. Sind mehrere Monomere vorhanden, muss zudem gewährleistet werden, dass die relativen Reaktionsgeschwindigkeiten mit der Entstehung des gewünschten Produkts zusammenpassen. Eine weitere Anforderung betrifft den Nachweis von Restmonomer über nicht reagierte Doppelbindungen. For allem zur Überwachung der Reaktion eignet sich die Raman-Spektroskopie, weil sie sensitiv genug für die Messung spezifischer Doppelbindungen ist und nicht durch die wässrige Phase beeinträchtigt wird. Bei Untersuchungen mit Reaktoren aus Glas kann die Reaktion außerdem von außen, d.h. durch die Reaktorwand hindurch, beobachtet werden.
Potential moderner Analyseverfahren
Durch die Bündelung der Kompetenzen auf dem Gebiet der laserbasierten Analysetechnik innerhalb der Gruppe will Endress+Hauser die Anforderungen der Anwender noch besser lösen. Ein weiteres Ziel ist es, die Raman-Spektroskopie und TDLAS mit anderen Technologien wie UV-VIS und NIR zu kombinieren. Somit steckt in den modernen Analyseverfahren noch viel Potential.
Die Raman-Technologie (benannt nach dem indischen Physiker und Nobelpreisträger Chandrasekhara Venkata Raman) ist ein optisches Messverfahren. Es misst chemische Zusammensetzungen durch Anregung einer Probe mit sichtbarem Licht oder Licht im nahen Infrarotbereich. Die angeregte Verbindung behält beim Übergang aus dem angeregten Zustand zurück in den Grundzustand eine kleine Menge der Energie des Photons zurück. Durch die Energieübertragung kommt es zu einer Verschiebung (Shift) einer geringen Menge des Lichts (Raman-Shift). Die rückgestreuten Lichtquanten werden mittels eines CCD-Detektors erfasst und durch Trennung des Raman-Lichts gefiltert. Die Darstellung dieser Übergänge in einem Spektraldiagramm macht es möglich, Änderungen in der Wellenlänge des gestreuten Lichts zu erkennen, die für die Molekülschwingungen der jeweiligen chemischen Verbindungen charakteristisch sind. Die Raman-Spektroskopie erzeugt also einen einzigartigen ‚molekularen Fingerabdruck‘, mit dem sich einzelne chemische Substanzen nachweisen, quantifizieren und überwachen lassen. Die Analysetechnik kann die Raman-Spektroskopie so zur Durchführung chemischer Echtzeitmessungen in jeder Umgebung nutzen, ohne dass die ursprüngliche Probe extrahiert, aufbereitet oder zerstört werden muss.
Raman-Technologie
