Projekt 25304/01

Zuverlässige optische Online-Prozessanalytik für nanoskalierbare Herstellungsprozesse unter Total Containment-Bedingungen in der Chemie-, Pharma-, Biopharma-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie

Projektdurchführung

J & M Analytik AG
Willy-Messerschmitt-Str. 8
73457 Essingen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines robusten, sich selbst reinigenden und kontaminationssicheren optischen Online-Prozessanalyseverfahrens für Herstellungsprozesse in der Chemie-, Pharma-, Biopharma-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie. Technologische Grundlage der Entwicklung ist eine zum Patent angemeldete Messsonde. Auf Basis deren universell einsetzbarer Mechanik soll ein Multifunktions-Prozessanalyse-Verfahren für mikro- und nanoskalige Partikel entwickelt werden. Die neue Technologie soll den gängigsten optischen Analysemethoden (NIR, UV, VIS, Fluoreszenz, Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung) Zugang zur Online-Prozessanalytik verschaffen. Die Entwicklung ermöglicht eine Online-Prozessanalyse-Technologie für hochtoxische Partikel in einem vollkommen in sich abgeschlossenen System (Total Containment). Anwendern soll die Verfahrensneuentwicklung zu Rohstoffeinsparung, Senkung des Energieverbrauchs, Qualitätsabsicherung bzw. Qualitätsverbesserung so-wie zu Produktivitätssteigerung verhelfen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wurden die theoretischen und experimentellen Grundlagen für die Weiterentwicklung einer neuartigen Sondentechnik für die Online-Prozessanalytik gelegt. Die patentierte Lighthouse Sonde, bei der eine In-process-Reinigung und -Validierung durchführbar ist, wurde bezüglich ihres inneren Aufbaus, weiterentwickelt. Schwerpunkt der Entwicklungen waren optische analytische Verfahren. Unter Berücksichtigung von Patentrechercheergebnissen und unter Zuhilfenahme von Simulationsrechnungen wurde ein neues optisches Design zur Online-Ramanmessung entwickelt und experimentell umgesetzt. In einer grundlagenorientierten Studie wurde die Eignung von LEDs zur Erfassung spektraler Charakteristiken von Analyten geprüft.
Weiterer Entwicklungsschwerpunkt war die Erarbeitung von bildgebenden Verfahren, bei denen ein mit 30.000 Einzelfasern ausgestatteter Lichtwellenleiter mit angeschlossener Kamera zum Einsatz kam. Lichtstreutechniken zur Bestimmung von Partikelgröße und Streukoeffizienten unter Zuhilfenahme winkelabhängiger spektraler Daten wurden für den Einsatz in der Online-Prozessanalytik optimiert. Diese Arbeiten beinhalteten auch Tests der hierfür einsetzbaren Auswertealgorithmen.


Ergebnisse und Diskussion

Die entwickelte Ramansonde wurde im Labormaßstab getestet. Proben beinhalteten Flüssigkeiten, Feststoffe und Suspensionen. Erfolgreich konnte die Lighthouse Ramansonde zur Überwachung einer Kristal-lisationsreaktion, zur Bestimmung der relativen Konzentrationen von Feststoffgemischen und Lösungsmittelgemischen eingesetzt werden. Auch die Bestimmung der relativen Anteile von Kristallisationsmodifikationen in einem Feststoff, hier Titandioxid, gelang. Bei den LEDs konnte ihre Eigenschaft, bei Temperaturänderung die Wellenlänge ihres emittierten Lichtes zu verändern, aufgezeigt werden. Aufgrund der bei gängigen LEDs nur geringen Wellenlängenänderung erfolgte noch kein Einsatz für die Spektroskopie. Streulichttechniken wurden eingesetzt, um verschiedene Charakteristika von Partikeln, wie Partikelgröße und Streukoeffizient, sowie ihre chemische Signatur anhand spektraler Daten zu erfassen. Die Detektionsverfahren konnten in die Lighthouse Sonde integriert werden. Anhand von optimierten Versuchsaufbauten und unter Zuhilfenahme von Auswerteverfahren mit Modellrechnungen konnten die Lage und Form der Absolutspektren, die relative Form der spektralen Kurven bei Messung in diffuser Transmission und Reflexion untersucht werden und damit Hinweise auf die chemische Signatur der Partikel, auf die Partikelgröße, die Partikelgrößenverteilung, sowie die polymorphe Struktur erhalten werden.
Die weitere Entwicklung konzentriert sich auf Tests der Detektionsverfahren im Technikumsmaßstab in Pilotanlagen. Alle Techniken werden dabei weiter optimiert und an die analytische Fragestellung ange-passt. Auch eine Kombination von Techniken in einer Sonde soll erfolgen. Die Projektpartner erwarten, dass die Lighthouse Sonde mit der hier entwickelten modularen Bauweise einen breiten industriellen Einsatz erfährt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Der neue PANOPOD-Prozess-Analyzer soll zunächst in der Pharmazie, später auch in den anderen erwähnten Bereichen, zum Einsatz kommen. Die globale Vermarktung der Technologie soll einerseits über die GEA-Gruppe, an die J&M ihre Systeme liefert, andererseits über J&M selbst im Direktvertrieb erfolgen. Vorgestellt wurde der neue Analyzer mit großer Resonanz auf der Analytica in München und auf den Konferenzen Europact und Interpact.


Fazit

Die Raman-Lighthouse-Sonde konnte mit guten Ergebnissen in den Testmessungen im Labormaßstab entwickelt werden. Optimierungsschritte ergeben sich, da noch eine hohe Intensität rückgestreuter Rayleighstrahlung vorhanden ist, die die sehr guten Empfindlichkeiten des Aufbaus bezüglich der Ramanintensität stört. Bei den bildgebenden Verfahren konnte ein Lichtwellenleiter mit Kamera entwickelt werden, der eine hohe Ortsauflösung der betrachteten Probenfläche garantiert. Weiterer Arbeitsbedarf besteht hier bezüglich der Beleuchtung zur Erhöhung des Kontrastes. LEDs können durch Temperierung prinzipiell zur Detektion spektraler Charakteristika genutzt werden. Weitere Arbeiten bedürfen aber eines Kontaktes zu LED-Herstellern, um LEDs mit einer in den heute gängigen Anwendungen unerwünschten, hier aber hoch einzustellenden Temperaturabhängigkeit ihrer emittierten Wellenlänge zu erhalten. Streulichtmessungen konnten erfolgreich zur Bestimmung von Charakteristika von Partikeln eingesetzt werden. Ihre Optimierung und Integration in die Lighthouse Sonde konnte durchgeführt werden. Dies beinhaltete auch die Unterstützung der Auswertung durch Modellrechnungen. Weitere Modellapplikationen müssen nun den Einsatzbereich der Lighthouse Sonde definieren, weitere Arbeiten bezüglich der Auswertung der Daten müssen noch erfolgen.

In einer zweiten Projektphase sollen die erarbeiteten Detektionsverfahren im Technikumsmaßstab erprobt werden. Hierzu sind Adaptionen an die analytische Fragestellung notwendig. Die Projektpartner erhoffen sich von Modellapplikationen in Prozessumgebung, dass die an die Online-Prozessanalytik gesetzten Erwartungen beim Einsatz der Lighthouse Sonde experimentell verifiziert werden können und so ihrem Einsatz bei Kunden zu einer hohen Akzeptanz verholfen werden kann.