Anforderungen und Entwicklungsziele für die Sensorik von morgen zeigt die Technologie-Roadmap Prozess-Sensoren 2015+

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Mettler-Toledo GmbH

Ahlborn Mess- und Regelungstechnik GmbH

Bundesanstalt für Material- forschung und -prüfung (BAM)

Räumliche Auflösung

Der Wunsch, Stoffeigenschaften inline zu messen, führt in letzter Konsequenz dazu, dass die räumliche Verteilung der verschiedenen Prozessgrößen abgebildet werden muss. Dazu ist es erforderlich, die heute eingesetzten punktuellen Messverfahren in Verfahren um zu wandeln, mit denen sich die räumliche Struktur eines Objektes ermitteln lässt. Hier werden volumetrische, tiefenaufgelöste Information nötig.

Sobald hier technologische Lösungen in greifbare Nähe rücken, werden diese gleichzeitig neue Fragen hinsichtlich der Systemintegration und Informationsverarbeitung aufwerfen, z. B. nach Entscheidungskriterien oder der Visualisierungart für den Anlagenfahrer (beispielsweise als Abweichung von einem definierten Referenzzustand). Hier ist weiterer Forschungs- und Entwicklungsbedarf abzusehen, der über die Entwicklung der Sensortechnologie selbst hinausgeht.

Neue Messgrößen

Besonders deutlich wurde bei der Überarbeitung der Roadmap, dass der Trend zu Bioprozessen (auch für bisher konventionell chemisch hergestellte Produkte) Sensoren verlangt, die heute noch nicht angeboten werden. Beispiele hierfür sind die prozesstaugliche Zielproteinanalyse und die Prozessanalytik mit Einweg-Sensoren im bioverfahrenstechnischen Umfeld: Um Reinigungszeiten von Bioprozessanlagen zu reduzieren, ist eine erhöhte Nachfrage nach so genannten „disposable Fermentern“ zu beobachten.

Ebenso wie die Fermenter müssen dann auch die integrierten Prozessssensoren als Einwegsysteme ausgelegt sein. Dies fordert entweder eine drastische Verbilligung der Prozesssensoren, die Austauschbarkeit der medienberührenden Sensorteile oder ganz neue, nichtinvasive Sensortechnologien.

Online-Spurenanalytik

Der wachsende Bedarf wird bei der Gasanalytik besonders deutlich, wo Gaskomponenten mit immer niedrigeren Erfassungsgrenzen überwacht werden. Die Messaufgabe stellt sich für Komponenten in der Raum- oder Betriebsluft oder wenn es darum geht, Sauerstoffspuren in Inertprozessen aufzuspüren. Spuren-analytik ist auch notwendig, um geringe Konzentrationen an Katalysatorgiften in Einsatzstoffen wie technischen Gasen (z.B. Biogasen, Gasen für Brennstoffzellen) zu ermitteln.

Daraus ergeben sich Forderungen nach Messbereichen bis in den niedrigen ppm- oder ppb-Bereich für einzelne Komponenten. Die heute marktüblichen Technologien wie elektrochemische Sensoren stoßen diesbezüglich an ihre Grenzen. Einige aktuelle Verfahren, z. B. Quantenkaskadenlaser für laserbasierte Analysatoren oder Miniaturisierungen, die es ermöglichen Laborspektrometer in Prozess-Spektrometer zu überführen, müssen weiter vorangebracht werden.

Zusammenfassung

Die Technologie-Roadmap zeigt das Innovationspotenzial der Prozesssensorik, die aus Sicht der chemisch-pharmazeutischen Industrie eine konsequente Weiterentwicklung und ständige Verbesserung benötigt, um den Anforderungen gerecht zu werden. Die Roadmap liefert zudem Perspektiven für Forschungs- und Entwicklungsförderung und gibt Ansätze für die Normungsarbeit. Damit sollte sie auch für Politik, Industrieverbände und Gremien interessant sein. Denn neben der Weiterentwicklung muss auch das Vertrauen in die komplexe Technologie gestärkt werden.

Literatur

[1] http://www.namur.de bzw. http://www.vdi.de/gma/prozess-sensoren2015.

[2] Maiwald, M., atp-edition 52, (2010)(1–2), 40–45

[3] Sanden, F. et al.: Anforderungen an Sensorsysteme zur Prozessführung, 66. NAMUR-Hauptsitzung, Lahnstein, 7.11.2002.

* Der Autor leitet die Fachgruppe Prozessanalytik der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung.

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