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在线拉曼光谱分析技术在过程监控中的应用

如海光电
2021.10.14


01

过程分析技术

Process Analysis Technology (PAT)


 

过程分析技术 (PAT)起源于2001年7月的ACPS讨论。2004年,美国FDA发表了关于PAT的工业指南——《PAT——创新药物的研发,生产和质量保证的框架》,明确了PAT的地位与作用。


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FDA认为PAT是通过对有关原料、生产中物料及工艺的关键参数和性能指标进行实时(即在工艺过程中)检测的一个集设计、分析和生产控制为一体的系统,和传统质量保证手段相比,在确保最终产品的质量方面,具有非常明确的优势。



02
PAT的优势


实现数据连续采集

化学反应组分鉴别(反应物、中间体、产品、副产物等)

化学反应程度(起始、速率/动态、浓度变化、终点等)

化学反应动力学和机理研究

关键工艺过程参数控制(临界条件、安全条件)

工艺过程效率和无错率(质量、重复性、产率等)


在实际条件下分析

对O2、H2O敏感、不稳定的反应混合物

高毒性、危险性、爆炸性的反应混合物

低/高温、压力

无干扰、浸入、物料损失


实现生产工艺优化

及时采取行动

减少周期时间

提高效率、降低成本

降低不纯物产率,提高产品质量


在线拉曼光谱技术广泛应用于过程分析,在制药反应终点监控、杂质控制、工艺研究、提纯过程控制、制剂生产过程质量控制等方面有诸多应用。



03
在线拉曼技术在制药工程中的应用


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Raman在线监测阿司匹林合成过程
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临床上限制阿司匹林应用的是杂质成分-水杨酸,它是由于生产过程中乙酰化不完全的残留反应物,对人体有毒性,易产生水杨酸反应,轻者肠胃不适过敏,重者肾衰竭甚至死亡。因此在阿司匹林合成中对反应进程的监控是十分必要的。

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测试过程


1)使用PR785-7031-100X110-1200-25搭建监控阿司匹林合成过程的在线拉曼检测系统

激光器功率:400mW;

波长:785nm;

积分时间:2000ms。


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2)采集反应0-30min时的拉曼光谱,结合谱图预处理和向量夹角算法,获得夹角随时间的变化趋势图;

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不同时间下反应物和生成物的拉曼谱图及纯物质对照


3)以阿司匹林为例,随着反应的进行,夹角值逐渐减少,到15min时夹角值降到最低,且在15min以后,夹角值不在发生变化,说明反应进程已结束。

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阿司匹林合成体系四种组分的反应趋势图

通过在线拉曼技术可以实现对阿司匹林合成过程反应的过程跟踪,确认反应时间在15min左右,降低反应物(水杨酸)残留的几率,保证药物成品的质量。





04

在线拉曼技术在化工中的应用



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Raman在线监测对二甲苯(PX)分离纯度
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PX是一种重要的基本化工原料,主要给对苯二甲酸(PTA)提供原料;PTA是生产聚酯的原料,用途广泛。

从混合二甲苯中吸附分离PX是目前生产PX的主要方法,为保证PX纯度和收率,PX生产过程需要实时、准确知道物流的组分组成,以便为工艺操作提供指导。

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传统的气相色谱法检测速度慢,不能同步检测吸附塔循环线物流组分变化,在线拉曼光谱技术具有准确快速、操作简单、现场免维护、清洁环保等优点,尤其适用于芳烃同分异构体的快速分析。

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1. 采集纯物质拉曼光谱,建模谱段可选择680~880cm-1
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2. 采集混合组分光谱,由GC确定混合组分含量,采用统计回归建立定量模型。
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3. 模型验证:采集了1组循环液试样(24个),拉曼分析值和GC分析值比对。
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4. 实际应用:在15节塔板以上,可以获得纯度较高的PX。
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Raman在线调和甲醇汽油
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甲醇汽油是指国标汽油和甲醇及添加剂按一定的体积(质量)比例经过严格的流程调配而成的一种新型环保燃料,是汽车用燃料替代品,它是新能源的重要组成部分。

最常见的是甲醇含量为 15% 的甲醇汽油,简称M15 甲醇汽油。使用 M15 甲醇汽油无需改造汽车发动机,在国内部分地区已有推广使用,市场前景十分乐观。1780e7a9d14a097d0de5a49ab7bf238d.png

因此,对于甲醇汽油生产企业,在调制甲醇汽油的过程中,急需一种快速、准确、适合在线运行的检测仪表,以指导稳定生产,达到优化效益的目的。

由于操作室离现场较远,故采用了一组长度为200m、直径为100μm 的石英光纤连接工业现场的785探头与操作室的光谱仪主机。

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在线检测系统分析误差在± 1% 范围内


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甲醇含量的重复性偏差不超过 0.5%



05
在线拉曼技术在其他行业的应用



气体Raman用于在线检测煤制气中H2、CO、CO2含量。
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Raman在线监测生物反应器的培养基成分,如葡萄糖、乳酸、氨基酸等。
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食品加工、环境监测、材料化学……



06
如海应对之道


如海Portman系列制冷型拉曼光谱仪搭配RPB浸入式探头组成的在线拉曼监测系统,具有高灵敏度和低噪声水平,尤其适用于在线反应系统的拉曼信号检测;浸入式探头具有耐高温、耐压、耐腐蚀等特性,完成胜任极端反应条件下工作。


Portman系列便携式制冷型拉曼光谱仪

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产品特点:





采用制冷型检测器,噪声水平低,尤其适合微弱光信号的长积分时间检测;面阵检测器灵敏度高,提高信噪比;


高分辨率:最小可达2.5 cm-1


软件功能丰富:配置丰富光谱处理分析算法,可选择云端光谱数据管理;


采样配件齐全:可满足微区成像和在线反应监控等多种复杂场景;


便携快速,搭建简单:可以快速根据场景搭建适合应用的产品组合。

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检测器可根据客户要求定制非制冷型S11071、S11639及制冷型S10141线阵或面阵等其他可配置型号。


浸入式拉曼探头

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1
可耐受腐蚀性液体,耐酸碱性;
2
前端哈氏合金探棒和聚焦镜可更换;
3
尾纤可耐受50N以上拉力,不易损坏;
4
主体最高可耐受80℃高温,前端可耐受200℃高温;
5
可根据客户要求焊接不同规格法兰,支持DN15,DN25和DN32;
6

可根据客户要求配置防爆接头。












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关于我们

上海如海光电科技有限公司是一家专业从事光学仪器、光电类模组、光学部件等设计、研发与生产的研发型企业。
公司拥有专业的光纤光谱仪与半导体激光器制造技术,光学探头研发和光谱检测技术,是专业光学系统定制,光学仪器零部件设计、仪器及理化整体方案的供应商,已和国内多家主流科研、研究机构开展深度合作。




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