Spektroskopie Optische Spektroskopie verbessert den Prozess

Die Zukunft der Produktion in Deutschland wird maßgeblich durch eine intelligente Prozesstechnik bestimmt. Insbesondere die optische Molekülspektroskopie wird dabei eine zentrale Rolle spielen.

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Die Prozessanalytik hat innerhalb der letzten fünf Jahre enorme Beachtung in der Industrie gefunden. Durch die zeitnahe Analytik können Qualitätsschwankungen vor dem eigentlichen Prozessschritt erkannt und im Folgeprozess ausgeglichen werden. So kann bei einer gleichzeitigen Kostenersparnis eine Qualitätssteigerung erreicht werden. International erfolgreiche Plattformen wie die PAT-Initiative (Process Analytical Technology) der FDA (Food and Drug Administration) in den USA oder die Initiative der Europäischen Union „Manufuture“ über die Zukunft der Produktion in Europa verhelfen der Prozessanalytik durch ihr Engagement zu großer Popularität. Auch in Deutschland wurde von der GDCh und der Dechema ein neuer Arbeitskreis zu diesem Thema gebildet. Die derzeitige mehr auf „trial and error“ basierende Produktion und Produktentwicklung soll in Zukunft in eine eher wissensbasierte Produktion übergeleitet werden.

Eine der wichtigsten Technologien innerhalb der Prozessanalytik ist die optische Molekülspektroskopie. Messungen lassen sich hiermit berührungslos, schnell, empfindlich, selektiv und wirtschaftlich kostengünstig durchführen. Der weite spektrale Einsatzbereich und die Vielzahl an verschiedenen Spektrometertechnologien machen diese Technik so erfolgreich. Spektroskopie kann vom ultravioletten und sichtbaren Bereich (UV/VIS etwa 200 bis 700 nm) über das nahe Infrarot (NIR etwa 700 bis 3000 nm) und mittlere Infrarot (Mid-IR etwa 3000 bis 25 000 nm) bis hin zur Fluoreszenzspektroskopie und Ramanspektroskopie durchgeführt werden. Die Messungen können im Labor (offline), im Betriebslabor (at-line) oder direkt während der Produktion (online, inline oder in-situ) durchgeführt werden.

Es existieren für jeden Bereich unterschiedliche Ausführungsformen von Inline-Immersionssonden und Online-Durchflusssonden. Messungen lassen sich z.B. in Transmission, Transflexion, Reflexion, Fluoreszenz und Raman sowie bei stark absorbierenden Materialen auch mit ATR (Attenuated Total Reflectance) zeitnah durchführen. Je nach Wellenlängenbereich und Technik werden unterschiedliche Informationsgehalte aus verschiedenen Eindringtiefen erfasst. Es werden aber nicht nur chemische Stoffeigenschaften durch die Absorption oder Reflexion gemessen, sondern auch die wellenlängenabhängigen Streueigenschaften von Feststoffen, die Aussagen über deren morphologische Strukturen zulassen. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig und erstrecken sich von einfachen Konzentrations- und Farbmessungen im UV/VIS, Proteinbestimmungen bei Fermentationen mittels Fluoreszenz, Wassergehaltsbestimmungen von Dieselkraftstoffen im NIR, Identifizierung von Kunststoffen im IR, bis hin zur Verfolgung von emulsionsbasierten Polymerisationen mit Ramanspektroskopie.

Herausforderungen durch inhomogene Mischungen

Zukünftige Herausforderungen werden neben Online-Qualitätskontrollen von Rohstoffen und der Prozessüberwachung von chemischen Reaktionen in der gleichzeitigen Optimierung von Prozess und Produkt liegen, die im Idealfall auch Mehrzieloptimierungen erlauben. Auch das Wissen über die Homogenität von Proben spielt dabei eine wichtige Rolle. Die Aufnahme der Spektren erfolgt als integrale Messung im untersuchten Medium und bereitet bei Flüssigkeiten keine Probleme.

Werden jedoch inhomogene Mischungen von Feststoffen oder Flüssigkeiten, z.B. Emulsionen untersucht, so ist die räumliche Verteilung der spektralen Eigenschaften von Interesse. Gemessen werden überlagernde Informationen von Absorption und Streuung, die mithilfe von multivariaten Methoden aufbereitet, getrennt und visualisiert werden müssen. Die großen und multidimensionalen Datenmengen stellen dabei eine große Herausforderung dar. Weitere wichtige Aspekte sind die Verdichtung der großen Informationsmengen auf die wesentlichen Aussagen sowie der Ausschluss von überflüssigen Informationen. Mittlerweile sind zahlreiche kommerzielle Software-Pakete erhältlich.

Alternative Methode: Online-Chemical-Imaging

In der pharmazeutischen Industrie wird die Konzentration des aktiven Wirkstoffes (API = Active Pharmaceutical Ingredient) in einer Tablette häufig noch offline (z.B. mit der HPLC) bestimmt. Die Wirksamkeit einer Tablette hängt jedoch neben der API-Konzentration von deren Partikelgröße und auch Verteilung ab. Die PAT-Initiative setzt dabei verstärkt auf spektrale Imaging-Techniken, die solche Mehrzieloptimierungen unterstützen. Von der Art der Bildaufzeichnung wird zwischen Whiskbroom-Imaging (Mapping), Staring-Imaging (2D-Wellenlängenscan) und Pushbroom-Imaging (Linienscan mit spektraler Zerlegung) unterschieden (s. Abb. 1).

Beim Whiskbroom-Imaging wird die Probe punktweise vermessen. An jedem Ort in x- und y-Richtung wird ein komplettes Spektrum im festgelegten Wellenlängenbereich erfasst. Grundsätzlich wird nur ein Einzeldetektor benötigt. Diese Systeme werden üblicherweise als Offline-Geräte in der Wissenschaft benutzt, da der Bildaufbau sequenziell durch Zusammenfügen vieler Messpunkte erfolgt und relativ langsam ist. Diese Arbeitsweise ist typisch für die Infrarot- und Ramanmikroskopie. Neben einer hohen spektralen Auflösung lässt sich je nach Beugungsbegrenzung eine detaillierte, ortsaufgelöste analytische Charakterisierung durchführen.

Marktführer setzen auf Staring-Imaging

Marktführer im pharmazeutischen Bereich setzen auf das Staring-Imaging, wobei die Tablette atline flächig beleuchtet wird und das Abbild mit einem Flächendetektor wie z.B. CCD in Reflexion oder Transmission wellenlängenabhängig bewertet wird. Die Wellenlängenselektion erfolgt sequenziell über Filterräder oder elektrisch durchstimmbare Filter wie AOTF (Acousto Optical Tunable Filter) oder LCTF (Liquid Crystal Tunable Filter). Vorteil dieser Methode sind die hohe laterale Auflösung und die einfache Implementierung. Nachteilig wirkt sich bei geforderter hoher spektraler Auflösung die große Datenmenge auf die Auswertezeit aus. Zudem darf sich die Tablette während der Messung nicht bewegen (Stop Motion).

Voll onlinefähig sind die so genannten Pushbroom-Imager, da sie über einen Spalt die x-Koordinate der Probe abbilden und über eine Optik („prismgrating-prism“) das Licht spektral aufgelöst auf die y-Achse eines CCD-Arrays abbilden. Abbildung 2 zeigt den schematischen Aufbau, sowie ein Beispiel für zwei Theophyllin-Modelltabletten mit unterschiedlichem Pressdruck und API-Konzentration. Der rote Strich symbolisiert den Eingangsspalt des Pushbroom-Imagers. Beide Tabletten weisen eine unterschiedliche spektrale Signatur auf, die zur Differenzierung herangezogen werden kann. Durch die Bewegung der Tablette auf einem Förderband kann so Linie für Linie ein ortsaufgelöstes spektrales Bild generiert werden, welches die gleichzeitige Charakterisierung von API-Konzentration, Partikelgröße und Verteilung zulässt.

Breites Feld industrieller Applikationen

Gerade diese Variante der bildgebenden optischen Spektroskopie ist für ein breites Feld von industriellen Applikationen geeignet. Online-Qualitätskontrollen von Holzparkett, Essiggurken oder Kunststoffidentifizierungen beim Recycling sind bereits Realität. Am Institut der Universität Reutlingen wurde ein Micro-Chemical-Imaging-System entwickelt, welches alle drei Techniken vereint. Es können Messungen in Transmission, diffuser und spekularer Reflexion mit allen Polarisations- und Kontrastmöglichkeiten der Lichtmikroskopie sowie 2D-Fluoreszenzspektroskopie durchgeführt werden. Das Gerät arbeitet in einem Wellenlängenbereich von 200 bis 2400 nm.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für den Pushbroom-Imager ist der Einsatz als Vielfachspektrometer. Wie in Abbildung 3 dargestellt, kann eine Vielzahl von Lichtleitfasern am Eingangsspalt angeflanscht werden, sodass gleichzeitig mehrere Messstellen mit verschiedenen Sondentechnologien simultan erfasst werden. Diese Multiplex-Eigenschaft kann auch für die Erfassung der Homogenität in einem Mischreaktor oder in der Mikroreaktortechnik genutzt werden. Durch die Vielzahl der Messstellen werden Kosten beim Einsatz der Prozessanalytik in der Industrie reduziert und damit eine breite Anwendung auch in klein- und mittelständischen Betrieben erst möglich gemacht.

Perspektive: Online-2D-Fluoreszenzspektroskopie

Damit Prozesse besser verstanden werden können, ist es wichtig, die Einflussgrößen auf den Prozess und somit auf die Qualität des Produktes zu kennen. Meist sind es jedoch eine Vielzahl von möglichen Prozessgrößen, die beobachtet werden müssten, um einen Ist-Zustand zu erfassen. In vielen Fällen sind dazu mehrere Sensoren notwendig, die jeweils nur eine Größe detektieren können.

Die Fluoreszenzspektroskopie bietet die Möglichkeit, auch kleinste Veränderungen in der molekularen Umgebung zu detektieren. Es nehmen aber auch viele Faktoren Einfluss auf das Emissionsspektrum eines Chromophores, z.B. Änderungen von pH-Wert, Temperatur, CO2-Sättigung oder Polarität des Lösungsmittels. Um dennoch verschiedene Spezies und Einflussgrößen voneinander unterscheiden zu können, wird nicht nur bei einer Anregungswellenlänge das Emissionsspektrum detektiert, sondern bei vielen verschiedenen Wellenlängen. Diese mehrdimensionale Information der Probe kann über eine mulitvariate Datenanalyse wie „Parallel Factor Analysis“ (Parafac) oder „Multivariate Curve Resolution“ (MCR) zerlegt werden. Dabei können verschiedene Spezies voneinander unterschieden und deren Konzentration und Kinetik online bestimmt werden.

Spektren im Millisekundentakt

Kommerzielle 2D-Fluoreszenzspektrometer verwenden oft eine Filterradtechnik, mit der nur wenige Anregungsfrequenzen ausgewählt werden können. Dadurch sind nur langsame Aufnahmen mit einer spektralen Auflösung von etwa 20 nm möglich. Unser Spektrometersystem bedient sich der Vorteile des Chemical-Imagings und bietet damit die Möglichkeit, im Millisekundentakt Fluoreszenzspektren mit einer Auflösung von 2 nm in einem Anregungsbereich von über 100 nm zu detektieren.

Das Prinzip beruht auf der Pushbroom-Technik. Damit ist es möglich, eine Durchflussküvette spektral auf einem CCD abzubilden. Um örtlich verschiedene Anregungswellenlängen in der Küvette zu bekommen, wird das Licht einer XBO-Lampe über einem Gittermonochromator spektral aufgetrennt und über ein Spiegelsystem auf die Küvette abgebildet. Der Anregungsbereich kann über ein drehbares Gitter flexibel eingestellt werden. Die höheren Ordnungen des Gitters werden über ein Filtersystem ausgeblendet. Der prinzipielle Aufbau des Systems ist in Abbildung 4 links aufgezeigt. Die Datenmatrix der Kamera wird mit einer speziell programmierten Software ausgelesen, mit einer zuvor erstellten Kalibrierung verrechnet und graphisch dargestellt. Die x-Achse entspricht der unterschiedlichen Anregungsfrequenz und die y-Achse der spektralen Emission. In Abbildung 4 rechts ist ein Beispielspektrum von Anthrazen abgebildet, welches die hohe spektrale Auflösung zeigt, die trotz großer Schnelligkeit erreicht wird.

Fermentationen online verfolgen

Mit der 2D-Fluoreszenzspektroskopie und anschließender multivariater Datenanalyse können biologische Prozesse wie Fermentation, Zellkultivierung oder Brauprozesse online verfolgt werden. Über die intrinsischen Fluorophore wie Tryptophan, NADH, Flavine, FAD oder Pyridoxin bekommt man Zugang zu wichtigen Prozessinformationen wie Konzentrationsänderungen, Zellteilungsgeschwindigkeit, Biomasse oder Abbauprodukte. Es ist jedoch oftmals schwierig, die gefundenen Hauptkomponenten mit entsprechenden Chromophoren zu vergleichen, denn das Modell wird nur nach rein mathematischen Gesichtspunkten erstellt. Aber es ist dennoch möglich, über ein solches Verfahren den Prozess zu optimieren oder den weiteren Verlauf des Prozesses zu prognostizieren.

Im vergangenen Jahrzehnt hat die Industrie in den Hochlohnländern eine beispiellose Kraftanstrengung unternommen, einerseits die Produktivität zu erhöhen und zum anderen die Fertigungskosten zu reduzieren. Oftmals wurde zudem auch die Qualität des Produktes erheblich verbessert. Dennoch konnte nur selten ein höherer Gewinn realisiert werden. Ein Ausweg aus diesem Dilemma wäre eine weitere Rationalisierung der Produktion bei gleichzeitiger Vergrößerung der Kapazitäten. Da jedoch einer rein auf Expansion ausgerichteten Strategie enge Grenzen gesetzt sind, wird intensiv nach neuen Wegen gesucht, einer Verringerung der Erträge entgegen zu wirken und gleichzeitig die Produktqualität weiter zu steigern. Prozessanalytische Methoden bieten dafür einen geeigneten Zugang, denn sie können von Wettbewerbern nicht rasch kopiert werden und bieten somit länger anhaltenden Wettbewerbsvorteil.

K. Rebner und T. Merz sind wissenschaftliche Mitarbeiter, Prof. Dr. R. Kessler ist Leiter Prozessanalytik am Institut für Angewandte Forschung der Fachhochschule Reutlingen.

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