Le moderne filosofie di gestione del prodotto, come la “Gestione Totale della Qualità” o “L’Operazione Zero Difetti” condividono lo stesso obiettivo: produrre la massima qualità in tempi brevi ottimizzando l’utilizzo delle materie prime e degli impianti.
Come è noto, uno dei pilastri di una produzione smart è la capacità di poter intervenire in tempo reale sui processi in modo da poter intervenire immediatamente in caso di necessità. Per intervenire però occorrono delle informazioni, che tradotte in termini pratici significa avere sensori in grado di monitorare quanto più rapidamente e automaticamente gli attributi critici di un processo. È la base della cosiddetta Process Analytical Technology o PAT, un ombrello sotto cui ricadono altre iniziative, come il “Quality by design” il “Real-Time Release” o la “Continuous Manufacturing”.
L’industria chimica, farmaceutica e dei polimeri hanno una lunga tradizione di controlli analitici e di collaudi, ma nella maggior parte dei casi i controlli vengono effettuati a campione a fine produzione o, nei casi migliori, su semilavorati critici utilizzando tecniche analitiche che spesso sono troppo lente per le necessità della produzione.
La spettroscopia FT-NIR ha un netto vantaggio rispetto ad altre tecnologie: fornisce analisi in pochi secondi senza nessuna preparativa del campione.
Ma che cosa è la spettroscopia nel vicino Infrarosso a trasformata di Fourier (FT-NIR)? La tecnica si basa sulla misura dell’interazione tra la radiazione nel vicino infrarosso (800-2.500 nm – 12800-4000cm-1) e la materia. In questo intervallo assorbono la radiazione i composti contenenti gruppi C-H, N-H, O-H. Ogni specie chimica presenta dunque una cosiddetta “impronta spettrale” caratteristica ed unica. L’intensità della radiazione assorbita è poi correlabile alla quantità e dunque alla concentrazione di una sostanza. Gli spettri possono essere acquisiti su materiali in qualunque forma fisica; nel caso di liquidi e gas si opera generalmente in trasmissione, mentre i solidi vengono letti in riflessione (Vd. Fig. 1)
Il risultato dell’interazione è rappresentato in un grafico chiamato spettro di Assorbanza. Lo spettro riporta sull’asse delle ascisse le lunghezze d’onda mentre sull’asse delle ordinate l’intensità dell’assorbimento. Vediamo ad esempio nella fig.2 gli spettri caratteristici di due campioni di poliuretano con contenuto NCO variabile tra 10 % e il 34% circa.
Lo spettro, tramite una opportuna calibrazione, è correlabile al contenuto di NCO. Per poter costruire la calibrazione occorre far leggere all’analizzatore campioni a NCO noto (es. determinandone il valore tramite titolazione). Applicando algoritmi di calibrazione multivariata (il più comune è il metodo PLS: Partial Least Squares) viene creato un modello di calibrazione in grado di determinare l’NCO nei campioni incogniti con una accuratezza paragonabile a quella del metodo di riferimento ed una precisione molto elevata in quanto il campione non richiede preparazione riducendo quasi a zero l’errore di preparazione del campione.
Vediamo qui di seguito un esempio di rappresentazione della accuratezza di predizione di un metodo di calibrazione che fornisce un R2 in validazione >99.9%, uno scarto quadratico medio di ±0.18% NCO e una riproducibilità di lettura di 0.011% NCO. Espressi come errore percentuale parliamo di una accuratezza migliore dell’1% ed una deviazione standard sulle ripetizioni dello 0.05% per valori di NCO del 22.0% (al centro del modello di calibrazione).
Le misure a cui si riferisce l’esempio sono state effettuate in laboratorio tramite l’utilizzo di analizzatori da banco come il modello MPA II in grado di analizzare sia solidi che liquidi oppure con l’analizzatore Tango-R o T, dedicati rispettivamente ai campioni solidi o liquidi.
In maniera analoga all’applicazione presentata, sono possibili altre applicazioni nel settore chimico, farmaceutico e dei polimeri, come ad esempio:
- Monitoraggio di reazioni
- Monitoraggio di essiccazioni
- Miscelazioni di solventi
- Distillazioni, scambio solventi
- Determinazione del contenuto di principio attivo in compresse, granulati, sciroppi etc.
- Determinazione del numero acido e di ossidrile nei poliesteri e nei polioli (nel caso dei polioli, esiste anche una norma specifica: la ISO 15063 / ASTM D6342)
- Determinazione del numero di ammina, NCO, umidità e PTMG nei poliuretani
- Contenuto di gomma ed etilbenzene nel polistirene
- Contenuto di espandente nei granuli di polistirene
- Identificazione di prodotti per il loro corretto riciclo
Oltre alle proprietà chimiche/composizionali, la tecnica è in grado di determinare anche alcune proprietà fisiche quando queste sono connesse alla composizione chimica del prodotto, come ad esempio la viscosità o il Melt Flow Index dei polimeri.
Misure in linea:
La tecnica rende possibili misure in situ direttamente nei processi tramite l’inserimento di apposite sonde o di interi analizzatori direttamente in linea.
Le posizioni di installazione delle sonde possono essere molteplici, direttamente nei reattori o su bypass, in-line oppure on-line, come schematizzato in fig. 5.
In funzione del tipo di campione e delle condizioni fisiche di lavoro possono essere utilizzate:
- sonde in trasmissione di acciaio inossidabile o Hastelloy, titanio, teflon etc. con finestre in quarzo o zaffiro, che sono adatte alla maggior parte dei prodotti liquidi traslucidi
- Sonde da estrusore per l’analisi di polimeri fusi. In grado di reggere le condizioni più severe, es: 300°C, 300 bar
- Sonde o analizzatori in riflessione per polveri o granulati
Per le applicazioni da processo Bruker propone l’analizzatore FT-NIR da processo multicanale Matrix-F II o l’analizzatore FT-NIR a singolo punto BEAM.
Gli analizzatori da processo sono controllati dal nostro software di processo CMET che esegue analisi in continuo e trasmette i risultati tramite i più diffusi protocolli di automazione come 4-20mA, Modbus, Profibus DP, Profinet, OPC al sistema di automazione dell’impianto.
Per maggiori informazioni e scaricare le application note potete consultare il sito: https://www.spectroscopy-in-process.com/
o richiedere un contatto diretto compilando il form: https://www.bruker.com/it/meta/forms/bopt-form-pages/bopt-contact-form.html
