【コラム】近赤外分光法(NIRS):回収溶媒の純度をモニタリングする完璧なソリューション
2022/08/08
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溶媒回収とは、製造プロセス中に生じる廃棄物や副生成物中の溶媒から、有用な溶媒や原材料を抽出するプロセスです。こうした状況で使用される溶媒は、多くの場合廃棄・焼却されるのではなく、回収・精製されます。これによりかなりのコストが節約されるためです。使用済み溶媒は主に蒸留によって精製されます。溶媒回収プロセスは、化学産業だけでなく、原薬(API)の製造中における医薬品産業でも非常に一般的です。
有機溶媒
有機溶媒は高い親油性を持ち―油脂、樹脂、ゴム、さらにはプラスチックさえも溶解することができます。塗料、コーティング、接着剤、洗剤など、多くの用途に使用されています。さらに、化粧品、農薬製品、ポリマー、ゴムなどの製造にも使用されています。環境への懸念や健康への潜在的な有害性にもかかわらず、有機溶媒(例:炭化水素系、塩素系、酸素系、そして窒素・硫黄含有系)は、その比類ない性能のため今なお広く使用されています。
有機溶媒を使用する際、最も頻繁に見られる不純物は、実は最も一般的な溶媒である水です。水分の存在は多くの反応を妨げるため、水分含有量の決定は極めて重要です。
溶媒回収による主な利点
運用コストの削減:
- 高価な代替溶媒の購入を大幅に削減
- 有害廃棄物処理コストの削減
- 高価な溶媒の在庫要件の削減
環境への影響の改善:
- グリーンなアプローチ―溶媒の回収・リサイクルは、溶媒混合物の廃棄・分解ではなく、貴重な資源の保全と回復を意味します。
- 水系廃棄物からの溶媒除去は、しばしば顧客の目的に沿うものであり、このプロセスにおいて廃水を浄化することにもつながります。
品質保証:
- 専用装置による自社回収により、異物のない規格内材料であることが保証されます。
サプライチェーンの確保と業務の継続性:
- 溶媒が予定通りに配送されない場合や、供給不足、ストライキ、供給業者の稼働停止により入手できない場合であっても、自社で溶媒を回収している製薬会社は、中断なく製品の製造を継続することができます。
近赤外分光法―回収溶媒の純度(および不純物)をモニタリングするための理想的なツール
近赤外分光法(NIRS)は、30年以上にわたり、溶媒回収プロセスにおける迅速かつ信頼性の高い品質管理の確立された方法です。しかしながら、多くの企業は依然として、自社のQA/QC実験室におけるNIRSの導入を一貫して検討していません。その理由は、応用可能性に関する経験の不足、または新しい方法の導入に対する一般的な躊躇のいずれかである可能性があります。
NIRSを他の従来型分析技術と比較して使用することには、いくつかの利点があります。第一に、NIRSはサンプル前処理なしで、わずか30秒で複数のパラメータを測定することができます!物理的および化学的なサンプル特性の両方の影響を受ける、NIRSが使用する非侵襲的な光と物質の相互作用は、両方のタイプの特性を決定するための優れた方法となっています。
本記事の残りの部分では、ASTM E1655のNIRS導入ガイドラインに従って開発された、塩化メチレン溶媒の純度と2つの主要な不純物(メタノールと水)をモニタリングするための利用可能なソリューションについて概説します。
NIRSを二次的技術として使用することについて詳しく知るには、これまでのブログ記事をお読みください。
DS2500 Liquid Analyzerによる回収溶媒の純度(および不純物)のモニタリング
本応用例では、塩化メチレン(またはジクロロメタン、CH2Cl2)溶媒のサンプルが、溶媒回収蒸留装置の出力から採取されました。これらのサンプルは、蒸留された溶媒における典型的な純度水準、そしてメタノールおよび水分不純物の範囲をカバーしていました。サンプルは、Metrohm DS2500 Liquid Analyzerを用いて、4 mmの使い捨てガラスバイアルでスキャンされました(図1)。
参照値を得るため、サンプルは経時的な変化を避けるためスキャン直後に、メタノールについてはガスクロマトグラフィー(GC)、水分についてはカールフィッシャー滴定によって分析されました。サンプル温度は制御されておらず、すべてのNIRS測定において実験室内の周囲条件に応じて変動しました。NIR分析が成功したのは、DS2500 Liquid Analyzerによる安定したNIR測定と、Vision Air Completeソフトウェアパッケージにおける部分最小二乗法(PLS)モデリング能力の組み合わせによるものです。
Metrohm DS2500 Liquid AnalyzerとVision Air Completeソフトウェアについて詳しくはこちらをご覧ください!
Metrohm DS2500 Liquid Analyzer
NIRSの結果は非常に迅速に得られ、スキャン前にサンプル前処理は一切必要ありません。これにより、一次的方法のみを使用していた場合には実現できなかった、プロセスのモニタリングと制御が可能になります。NIRSによる測定は、高度に訓練された分析者を必要とせず、分析には使い捨てのガラス製バイアルのみが必要です!
表1. NIR分光法による溶媒回収・純度分析についてのさらなる情報。
| パラメータ | 参照法 | NIRSアプリケーションノート | NIRSの利点 |
|---|---|---|---|
不純物(水・メタノール) 純度(CH2Cl2) | KF滴定/GC | AN-NIR-021 | 水、メタノール、CH2Cl2は、化学試薬やサンプル前処理を必要とせず、1分以内に同時に測定される。 |
図2~5は、表1で言及したアプリケーションノートの結果を示しています。水(水分、図3)とメタノール(MeOH、図4)の相関図は、両モデルとも堅牢であることを示しています。さらに、相関係数(R²)は両モデルとも1に近く、予測標準誤差(SEP)は校正標準誤差(SEC)と一致しています。
CH2Cl2全体の純度についても、校正モデルが開発されました(図5)。サンプル中には、水分やメタノール以外にも他のいくつかの不純物が存在しており、溶媒バンドおよびすべての不純物のバンドをモデル化するため、利用可能なすべてのスペクトル領域が使用されました(図2)。参照値はGC結果から算出されました。SEP値はSEC値と非常に近く、GCによる決定の精度に匹敵する良好な予測精度を示しています。
まとめ
NIR分光法は、ここで示した塩化メチレンのアプリケーション例に基づき、溶媒中のさまざまな不純物および溶媒自体の純度の分析に非常に適しています。一次法（ガスクロマトグラフィーおよびカールフィッシャー滴定法）と比較して、結果が得られるまでの時間はNIRSを使用する大きな利点です。単一測定は、GCやKFTでは1～2時間かかるのに対し、1分以内で完了します。
前述の短い結果取得時間を含め、代替技術としてNIR分光法を利用することにはいくつかの利点があります。さらに、化学薬品やその他の高価な装置は不要であり、NIRSは非常に使いやすいため、シフト勤務者であっても最小限のトレーニングでこれらの分析を実施できます。
参考資料
[1] Schafer, T. The Often-Overlooked Benefits Of Recovering And Recycling Your Own Solvents. Pharmaceutical Processing World. https://www.pharmaceuticalprocessingworld.com/the-often-overlooked-benefits-of-recovering-and-recycling-your-own-solvents/ (accessed 2021-08-12).
