Loading...

FT-NIR MATRIX-F

Spektrometr FT-NIR

Spektrometr FT-NIR MATRIX-F

Wielokrotnie nagradzany spektrometr FT-NIR – MATRIX-F – umożliwia bezpośredni pomiar w reaktorach procesowych i rurociągach, pozwalając na lepsze zrozumienie i kontrolę procesu.

Ogólna charakterystyka spektrometru MATRIX-F

  • Dokładne wyniki pomiarów in-line w ciągu kilku sekund
  • Jednoczesny pomiar wielu komponentów
  • Nieniszcząca analiza
  • Opcjonalnie: wbudowany 6-portowy multiplekser
  • Bezpośredni transfer metod
  • Wytrzymała konstrukcja
  • Łączność Ethernet i standardowe przemysłowe protokoły komunikacyjne

Zalety analizy FT-NIR w czasie rzeczywistym zostały dobrze poznane. Jednakże, konwencjonalne spektrometry mogą być instalowane tylko w pobliżu procesu, który monitorują, co powoduje, że analizator narażony jest na działania wrogiego środowiska, takie jak drastyczne zmiany temperatury, kurz i brud. Ponadto, w tym wypadku spektrometr musi być umieszczony w trudno dostępnym i często chronionym obszarze.

Zastosowanie sond światłowodowych pozwala na prowadzenie analiz w trudno dostępnych punktach pomiarowych, podczas gdy MATRIX-F umieszczony jest np. w laboratorium. Bruker Optics oferuje kompletne rozwiązania do przeprowadzania różnorodnych analiz w trybie online.

MATRIX-F jest jedynym spektrometrem FT-NIR, który umożliwia pomiar próbek metodą kontaktową, jak i bezkontaktową przy użyciu tylko jednego urządzenia wykorzystującego technologię światłowodową.

  • Światłowody: Dostępne są sondy światłowodowe wykorzystujące technikę odbicia, transflektancji i transmisji o różnych długościach. Ponadto istnieje możliwość zastosowania procesowych sond przepływowych oraz do projektowania procesów technologicznych. Sondy mogą być wykonane z różnych materiałów takich jak stal nierdzewna lub Hastelloy.
  • Głowice do pomiarów bezkontaktowych: oświetlenie próbki w zakresie NIR jest realizowane poprzez światłowód. Rozproszone światło jest zbierane i kierowane przez przewód światłowodowy do spektrometru. W ten sposób, można wykonać zdalnie pomiar bezkontaktowy, otwierając całą gamę nowych aplikacji. Istnieje możliwość podłączenia, aż do sześciu głowic do jednego spektrometru MATRIX-F.

MATRIX-F jest dedykowanym spektrometrem procesowym FT-NIR, charakteryzujący się doskonałą odpornością na trudne warunki.

Przyrząd wykorzystuje najnowocześniejszą optykę, zapewniającą wyjątkową czułość i stabilność, umieszczoną w kompaktowym module. Innowacyjność spektrometru zapewnia stałą, wysoką jakość wyników, mniej przestojów, bezpośredni transfer metod oraz możliwość rozwoju nowych aplikacji, do czego niezdolne są mniej czułe i precyzyjne instrumenty. Pełna obsługa standardowych protokołów komunikacyjnych zapewnia łatwą integrację.

MATRIX-F może zostać zainstalowany w laboratorium, jako samodzielny system do opracowywania metod, które można następnie przenieść do określonego procesu. Spektrometr dostępny jest jako wolnostojąca jednostka z obudową NEMA 4 / IP66 (bryzgoszczelna), ale może być również zamontowany w standardowych, 19-calowych rackach w szafce z kontrolowaną temperaturą. MATRIX-F może być wyposażony w 6-portowy multiplekser światłowodowy.

MATRIX-F został zaprojektowany z myślą o niezawodności i łatwej konserwacji. Materiały eksploatacyjne mogą zostać wymienione przez użytkownika bez potrzeby kalibracji. Urządzenie może być szybko serwisowane w celu zminimalizowania czasu przestoju.

MATRIX-F wyposażony jest w zautomatyzowane koło filtrowe, w którym umieszczone są wzorce i filtry do testowania sprawności urządzenia. Program OVP (OPUS Validation Program) wykonuje serię testów, oceniając sprawność spektrometru i zapewniając działanie przyrządu w zakresie specyfikacji – warunek konieczny dla analiz w przemyśle farmaceutycznym.

Oprogramowanie CMET oferuje standardowy interfejs przemysłowy (OPC), który umożliwia integrację OPUS w dowolnym środowisku sterowania procesami, przy użyciu szerokiej gamy standardowych interfejsów komunikacyjnych i protokołów:

  • 4-20 mA
  • Profibus DP
  • Modbus
  • Ethernet
  • OPC
  • DDE
  • RS485
  • RS232

MATRIX-F został zaprojektowany z myślą o niezawodności i łatwej konserwacji. Materiały eksploatacyjne mogą zostać wymienione przez użytkownika bez potrzeby kalibracji. Urządzenie może być szybko serwisowane w celu zminimalizowania czasu przestoju.

Obecnie wielu producentów stara się nie tylko wytwarzać produkt końcowy najwyższej jakości, ale także poprawić wydajność produkcji poprzez zastosowanie laboratoryjnej technologii analitycznej w swoich zakładach. Uzyskując większą kontrolę nad procesem produkcyjnym, można zoptymalizować wykorzystanie materiałów i zredukować lub wyeliminować produkcję materiałów niespełniających wymagań, unikając w ten sposób ponownego przetwarzania lub kosztów utylizacji.

Typowe aplikacje kontroli procesu obejmują bezpośrednie monitorowanie reakcji chemicznych oraz jakości produktów pośrednich i końcowych:

  • Bezpośredni pomiar w reaktorach procesowych lub rurociągach, nad wstęgami lub taśmami przenośnikowymi.
  • Zdalne pomiary na duże odległości.
  • Lepsze zrozumienie i kontrola procesu.
  • Idealne narzędzie do określania jednorodności podczas procesów mieszania, stężenia składników chemikaliów i stanu procesów polimeryzacji w różnych gałęziach przemysłu.

MATRIX-F jest również dostępny jako wersja ex-proof, zgodna z wymaganiami ATEX, spełniająca następujące normy:

  • II 2G Ex px II T6 Gb
  • II (1) G [Ex op to T4 Ga] II C

INFORMACJE APLIKACYJNE

Rolnictwo, żywność i pasze

W przemyśle rolno-spożywczym i paszowym doszło do szybkiej adaptacji spektroskopii w bliskiej podczerwieni do zastosowań laboratoryjnych, począwszy od pierwszych dostępnych na rynku analizatorów ziarna NIR na początku lat 70-tych do współczesnych spektrometrów FT-NIR. Jednakże, większość zakładów produkujących żywność nadal wykorzystuje pojedyncze czujniki, takie jak temperatura, natężenie przepływu, pH itp. w celu monitorowania procesu. Parametry te są jednak często nieistotne dla oceny jakości żywności.

Spektrometry FT-NIR są w stanie dostarczyć informacji o tożsamości, zgodności i ilościowym składzie chemicznym materiału na różnych etapach produkcji. Szczególnie główne składniki, takie jak tłuszcz, białko i wilgoć lub substancje stałe mogą być analizowane jednocześnie, co stanowi ogromną korzyść finansową w porównaniu z analizami konwencjonalnymi. Typowe obszary zastosowania dla analiz FT-NIR są następujące:

  • Pasze i dodatki do pasz
  • Nasiona oleiste i zboża
  • Oleje jadalne i tłuszcze smażalnicze
  • Produkcja mleczarska
  • Biopaliwa
  • Trzcina cukrowa i buraki cukrowe

Przykład: Produkcja mleka w proszku

Kluczowym procesem w produkcji mleka w proszku jest etap suszenia rozpyłowego, który charakteryzuje się wysokim zużyciem energii. Dzięki zainstalowaniu czujników FT-NIR, np. w zbiornikach magazynowych, zasilania liniowego suszarni rozpyłowej, jak również na wylocie proszku z suszarni fluidalnej, zawartość wilgoci może być monitorowana i stale monitorowana. Doprowadzi to do lepszej kontroli wydajności suszenia w odniesieniu do docelowej wartości wilgotności, zmniejszając nie tylko zużycie energii, ale również prowadząc do skrócenia czasu przestoju, zmniejszenia liczby partii poza specyfikacją oraz zwiększenia ogólnej wydajności procesu.

Przykład: Przetwarzanie nasion oleistych

W zależności od rodzaju oleju, nasiona/owoce są tłoczone na zimno lub poddawane obróbce cieplnej przed zastosowaniem ekstrakcji mechanicznej lub rozpuszczalnikowej. Monitorowanie wilgotności i poziomu oleju materiału przeznaczonego do ekstrakcji, jak również makuchów po wytłoczeniu za pomocą systemu FT-NIR on-line umożliwia szybkie i niezawodne określenie wydajności procesu. Otrzymany olej może być następnie bezpośrednio analizowany pod kątem parametrów takich jak wolne kwasy tłuszczowe, fosfolipidy lub woski w celu znalezienia optymalnych warunków dla następnego procesu rafinacji. Pozwoli to uniknąć kosztownej przeróbki niestandardowych partii produkcyjnych.

Przykład: Monitorowanie produkcji masła

Z ekonomicznego punktu widzenia istotne jest utrzymanie zawartości wody na poziomie jak najbardziej zbliżonym do ustawowego limitu 16 %, ponieważ woda jest oczywiście znacznie tańsza niż tłuszcz z masła. Aby monitorować wilgotność i zawartość soli za pomocą spektroskopii FT-NIR, w strumieniu masła można wbudować sondę refleksyjną lub głowicę czujnikową za pomocą standardowego kołnierza. Biorąc pod uwagę wysoką przepustowość i pracę w trybie 24/7, zwrot z inwestycji w technologię FT-NIR jest zwykle osiągany w ciągu kilku miesięcy.

INFORMACJE APLIKACYJNE

Chemikalia, polimery i farmaceutyki

Technologia analityczna procesu (PAT) ma na celu kontrolowanie procesu produkcyjnego, aby zapewnić niezawodną jakość produktu końcowego. Potrzeba przesunięcia kontroli jakości z produktu końcowego na produkcję została dostrzeżona zarówno przez przemysł chemiczny, petrochemiczny, jak i farmaceutyczny. Osiąga się to dzięki analizie w czasie rzeczywistym surowców, półproduktów i produktów końcowych za pomocą spektroskopii FT-NIR.

Przykład: Przemysł chemiczny

Technologia FT-NIR jest szeroko stosowana w różnych gałęziach przemysłu chemicznego. Wysoka zawartość informacji w widmach NIR, mierzona w zaledwie kilka sekund, pozwala na jednoczesną analizę wielu różnych komponentów i parametrów systemu z dużą precyzją. Typowymi przykładami są monitorowanie syntezy podstawowych substancji chemicznych, procesy destylacji i rektyfikacji oraz wyznaczanie punktu końcowego reakcji chemicznych.

Przykład: Przemysł polimerów

Typowymi parametrami mierzonymi w procesie produkcji polimerów są gęstość, wskaźnik płynięcia, numer OH lub zawartość wolnego monomeru. Za pomocą FT-NIR można monitorować produkcję polimerów, takich jak polietylen, na kluczowych etapach przetwarzania. Można określić aktualny stan polimeryzacji oraz jakość produktu przed i po wytłaczaniu. Innym typowym przykładem jest analiza on-line gumy pod kątem zawartości winylu i styrenu.

Przykład: Procesy rafinacji ropy naftowej

Rafinowanie benzyny z ropy naftowej jest kolejnym złożonym procesem, w którym można zastosować FT-NIR w celu optymalizacji i kontroli różnych etapów przetwarzania. Pierwszym kluczowym etapem jest frakcyjna destylacja ropy naftowej, w wyniku której otrzymuje się produkty lekkie i ciężkie benzyny i oleju napędowego, które są analizowane przez FT-NIR. Końcowa benzyna zawiera kilka dodatków zapewniających optymalną wydajność. Typowe parametry jakościowe monitorowane przez FT-NIR to liczba oktanowa silnika (RON i MON) i gęstość oraz analiza PIONA. Ponadto FT-NIR jest szeroko stosowany do monitorowania procesów mieszania benzyny i oleju napędowego.

Przykład: Produkcja tabletek farmaceutycznych

Produkcja tabletek w przemyśle farmaceutycznym obejmuje mieszanie, granulację, suszenie, prasowanie i powlekanie. Te różne etapy przetwarzania mogą być monitorowane on-line za pomocą spektrometru MATRIX-F w połączeniu z sondą odbiciową lub głowicą czujnika w celu zapewnienia bezpieczeństwa produktu i zminimalizowania ryzyka wadliwych partii. Ponadto Bruker oferuje rozwiązania do zautomatyzowanej analizy on-line tabletek pod kątem jednorodności zawartości.

SONDY POMIAROWE

Sondy zanurzeniowe są najczęściej stosowane do pomiarów FT-NIR w kontroli procesu. Firma Bruker pomoże dobrać odpowiednią sondę z wykorzystaniem najlepszych materiałów odpowiadających warunkom procesu. W wielu przypadkach zakład lub reaktor będzie już wyposażony w standardowe porty przyłączeniowe dla sond zanurzeniowych.

Sondy zanurzeniowe można podzielić na trzy grupy oparte na zasadzie pomiaru:

  • Sondy transmisyjne do cieczy bezbarwnych
  • Sondy refleksyjne do materiałów stałych
  • Sondy transrefleksyjne do zawiesin lub emulsji

Dostępne są różne rodzaje kabli światłowodowych. Standardowe sondy transmisyjne wykorzystują światłowody mono, natomiast sondy transfleksyjne i sondy refleksyjne zazwyczaj wykorzystują wiązki włókien światłowodowych do prowadzenia światła ze spektrometru i do spektrometru.

Sondy światłowodowe są produkowane z najwyższą dokładnością pod względem powtarzalnego transferu światła i dokładnej długości światłowodu. Modele kalibracyjne zbudowane na określonym typie sondy mogą być przenoszone bez konieczności manipulowania danymi do systemów wykorzystujących sondy tego samego typu.

Oprócz sond zanurzeniowych, sondy przepływowe są szeroko stosowane w kontroli procesu. Mogą być stosowane bezpośrednio w rurze lub obejściu, umożliwiając przepływ próbki przez celę pomiarową. Sondy różnią się wielkością i mogą być stosowane do różnych średnic rur. Pomiar NIR jest podobny do analizy przy użyciu sondy zanurzeniowej; światłowód przekazuje wiązkę światła ze źródła do próbki. Światło przenika przez próbkę, jest zbierane przez drugie włókno światłowodowe i przenoszone z powrotem do detektora.

Światłowody są zazwyczaj mocowane w stałej pozycji za pomocą uchwytów. Dzięki temu możliwe jest ponowne zamontowanie sondy z dużą precyzją, po wymianie lub oczyszczeniu elementów optycznych, co umożliwia przeniesienie kalibracji z jednego punktu pomiarowego do drugiego.

Bruker Optics oferuje różne sondy przepływowe dostosowane do potrzeb klienta.

Głowice bezkontaktowe sond NIR zostały zaprojektowane przez firmę Bruker do bezdotykowych pomiarów ruchomych materiałów stałych w trybie odbicia rozproszonego. W porównaniu z konwencjonalnymi sondami refleksyjnymi głowica czujnika oferuje kilka unikalnych zalet:

  • Dwa źródła światła NIR oświetlają miejsce próbkowania o średnicy ok. 10 mm – 20 razy większej niż konwencjonalne sondy do odbicia rozproszonego.
  • Włókna monofibrowe są wykorzystywane do przekazywania światła z powrotem do spektrometru, w porównaniu z drogimi wiązkami włókien dla konwencjonalnych sond refleksyjnych.
  • Zintegrowany wzorzec odniesienia umożliwia automatyczne pomiary tła bez konieczności demontażu czujnika podczas procesu, w przeciwieństwie do większości sond stałych.

Duży obszar próbkowania zmniejsza wpływ zmiennych rozmiarów cząstek, co czyni go idealnym do pomiaru materiałów niejednorodnych, takich jak żywność i składniki pasz, granulki polimerowe lub zawiesiny.

Głowica może być przymocowana do dowolnego okienka w rurociągach lub reaktorach, a także może być zamontowana nad przenośnikami taśmowymi w celu pomiaru materiałów ruchomych.

Dzięki wewnętrznemu multiplekserowi optycznemu MATRIX-F może sterować nawet 6 głowicami sond za pomocą jednego spektrometru. Zmniejsza to drastycznie nakłady inwestycyjne w przeliczeniu na pozycję pomiarową.