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Trendbericht Prozessanalytik: Der Weg zur wissensbasierten Produktion – Teil 2

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14.05.2012 In den vergangenen Jahren hat die Prozessanalytik besonders in der chemischen Industrie ein enormes Interesse auf sich gezogen. Hier lassen sich durch den Einsatz neuer oder verbesserter Analytiksysteme deutliche Einsparungen erzielen. Je informierter der Anlagenbetreiber über die Vorgänge im Prozess ist, desto gezielter kann er sie optimieren und die Produktqualität verbessern.

Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Die dominierenden Messgrößen der Prozessautomation in der chemischen Industrie sind Temperatur, Druck, Mengenströme, Drehzahlen, Leistungen und Wärmeentwicklungen.
  • Trends wie Einbindung in PLS, Feldbustechnik, Miniaturisierung, Portabilität, Ex-Schutz, neuerdings auch SIL halten ungebrochen an.
  • Zu Online-Methoden weiterentwickelte Laborverfahren finden Eingang in die technische Prozessanalytik.
  • Die Tendenz dahin, nicht nur die chemische Reaktion sondern auch vorgelagerte und nachfolgende Prozesse messtechnisch zu begleiten, wird sich durch den Einsatz von biobasierten, nachwachsenden Rohstoffen verstärken.
  • Techniken der repräsentativen Probenahme und adäquaten Probenvorbereitung müssen dringend weiterentwickelt werden.
  • Die Entwicklung modularer und flexibler Reaktoren im Kleinmaßstab erfordert eine miniaturisierte Messtechnik.

Die dominierenden Messgrößen der Prozessautomation und Feldtechnik in der chemischen Industrie sind physikalische Parameter wie Temperatur, Druck, Mengenströme (Flüsse/Dosierungen/Füllstände), Drehzahlen oder energetische Größen wie Leistungen und Wärmeentwicklungen. Die in den zurückliegenden Jahren zu beobachtenden Trends der industriel-­len Prozessanalytik (z. B. Einbindung in PLS, Feldbustechnik, Miniaturisierung, Portabilität, Ex-Schutz, neuerdings auch SIL (Safety Integrity Level, IEC 61508/61511)) halten ungebrochen an.

Ehemalige Exoten haben sich
längst behauptet

Zu Online-Methoden weiterentwickelte Laborverfahren finden nach und nach auch Eingang in die technische Prozess-analytik. Neben den bereits etablierten chromatographischen und spektroskopischen Techniken wie Gaschromatographie (GC) oder Nahinfrarot- (NIR) und UV/VIS-Spektroskopie betrifft dies zum Beispiel auch die Massenspektrometrie, Ultraschall-Techniken oder die Raman- und die Mikrowellen-Spektroskopie. Selbst einst als exotisch geltende Messverfahren wie die Ionenmobilitäts-Spektrometrie oder die Cavity Ring Down Spectroscopy behaupten sich heute online-installiert im Produktionsumfeld.
Besonders die NIR-Spektroskopie findet immer umfassendere Anwendung in der chemischen Industrie, beginnend mit der Wareneingangskontrolle über die eigentliche Produktionsverfolgung bis hin zur Ausgangskontrolle des Endproduktes. Allerdings ist die fehlende Standardisierung des Datenformates oder der komplizierte Kalibrationstransfer zwischen Instrumenten verschiedener Hersteller und auch zwischen unterschiedlichen Geräten desselben Herstellers immer noch ein Ärgernis, das bei der Anwendung viel Zeit und Geld kostet. Eine Übereinkunft der Gerätehersteller zu Standards im Datenformat und vor allem auch in der Ansteuerung der Geräte wäre wünschenswert.

Alternative Rohstoffe erfordern
ganzheitliche Betrachtung

Der Trend, nicht nur die chemische Reaktion selbst, sondern auch vorgelagerte und nachfolgende Prozesse messtechnisch zu begleiten, wird sich in den kommenden Jahren noch verstärken. Besonders befördert wird das durch den zunehmenden Einsatz von biobasierten, nachwachsenden Rohstoffen mit stärkeren natürlichen Qualitätsschwankungen. Immer mehr wird deshalb der chemische Prozess auch prozessanalytisch „ganzheitlich“ betrachtet.
Zudem müssen Techniken der repräsentativen Probenahme und adäquaten Probenvorbereitung für die Prozessanalytik dringend weiterentwickelt werden. Die Messdaten moderner prozessanalytischer Techniken kommen auch immer mehr unmittelbar für die Prozesssteuerung zum Einsatz.
Angesichts strengerer staatlicher Emissionsauflagen, eines umweltorientierten Selbstverständnisses der chemischen Industrie und immer weiter steigender Qualitätsansprüche an die Produkte sind Verbesserungen in der Spuren- und Ultraspurenanalytik nötig. Während Laborverfahren bereits gut etabliert sind und auch ständig verbessert werden, ist deren Prozessfähigkeit meist noch rudimentär.
Die weitere Entwicklung modularer Reaktoren und flexibler Reaktoren im Kleinmaßstab erfordert eine entsprechende miniaturisierte Messtechnik. Fortschritte der Sensortechnik sowohl im biotechnologischen Bereich als auch in der Umweltanalytik oder aus der Medizintechnik können hier Einzug in die chemische Industrie halten.
Im traditionell eher synthetisch und verfahrenstechnisch dominierten Umfeld der chemischen Produktion setzen sich mehr und mehr chemometrische Verfahren der Datenanalyse durch. Soft-Sensoren kommen zum Einsatz, um online den Verlauf einer aktuellen Reaktion mit historischen Daten zu vergleichen, die Endeigenschaften des Reaktionsproduktes vorherzusagen und einzelne anwendungstechnische Eigenschaften abzuschätzen.

Zukunft der Produktion: Forschung und Weiterbildung als Garant
Im Rahmen der Agenda Photonik 2020 des Bundesministeriums für Forschung und Technologie wurden Visionen entwickelt, wie in Zukunft photonische Verfahren in die Produktionsautomatisierung integriert werden können. Ein großes Hemmnis besteht darin, dass Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet auf der einen Seite stark technologiegetrieben und anderseits mit hochkomplexen Fragestellungen verbunden sind. Dementsprechend müssen Rahmenbedingungen geschaffen werden, die einen Paradigmenwechsel von dem bestehenden Technology-Push hin zu einem Application-Pull ermöglichen und zu einer konsequenten Einbindung der Anwender führen. Dazu müssen Grenzen zwischen den Disziplinen aufgebrochen werden.
Aufgabe der Prozessanalytik ist, diese unterschiedlichen Kulturen miteinander zu verknüpfen. Die besondere Schwierigkeit bei der Umsetzung besteht jedoch darin, dass ausgebildetes Personal nicht zur Verfügung steht. Es gibt zwar an einigen Hochschulen und Ausbildungsstätten in Deutschland und Europa Insellösungen, sie sind aber nicht in der Lage, die notwendige Breite für die Querschnittstechnologien in der Prozessanalytik darzustellen. Das anhaltende Wachstum der deutschen Chemieindustrie kann nach Einschätzung der Unternehmensberatung A.T. Kearney schon sehr bald durch den Fachkräftemangel ausgebremst werden. Trotz sinkenden Arbeitsplatzbedarfs könnten bis 2030 bis zu 30.000 Stellen in der deutschen Chemieindustrie nicht wieder besetzt werden, heißt es in der Studie der Unternehmensberatung. Wachstum und Innovationsfähigkeit seien deshalb in Gefahr.
Aus diesem Grund ist es unumgänglich, ein neues Konzept der Fort- und Weiterbildung für die Industrie zu entwickeln und gleichzeitig die Zusammenarbeit zwischen Hochschulen, Universitäten und der Industrie zu stärken. Wichtig ist dabei, den Trialog zwischen Hochschulen, Geräteherstellern und Endnutzern zu fördern und dieses Wissen in alle Bereiche des betrieblichen Alltags zu integrieren.

Teil 1 des Beitrags ist in der CHEMIE TECHNIK 04/2012 erschienen. Er gibt einen Einblick in die aktuellen Entwicklungen der Technologie und informiert über die Akzeptanz und Wünsche auf Anwenderseite.

Heftausgabe: Mai 2012

Über den Autor

Prof. Dr. Rudolf Kessler, Hochschule Reutlingen; Dr. habil. Wolf-Dieter Hergeth, Wacker Chemie; Dr.
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