【コラム】実験室を超えた自動化―最も精密な実験室pH測定を製造プロセスに統合する
2022/06/13
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本ブログをお読みいただいている間にも、世界中で数千件のpH測定が実施されています。これらはしばしば同じパターンに従っています:手動サンプリング、それに続く実験室分析―これは、時間コストの増加を含む固有の欠点を意味します。対照的に、製造プロセスでは通常、プロセスの最適化・制御に使用される高精度な結果を得るため、複雑な分析技術と装置が必要とされます。しかし、最高品質の情報を得るためにプロセスの正確なスナップショットが必要な場合、どうすればよいのでしょうか?実験室からプロセスへと分析を拡大しながら(すなわちプロセス条件下で分析を実施しながら)、それでもなお高精度な結果と低い測定不確かさを達成するには、どうすればよいのでしょうか?その鍵は、プロセス分析工学(PAT)にあり、例えば、緊密で継続的なプロセスモニタリング・制御を可能にするプロセスセンサーの使用にあります。
pH測定……プロセスにおいて?
pHは、おそらく最も広く使用されている測定パラメータの一つです。これは、化学、医薬品、バイオテクノロジー、食品・飲料など、あらゆる分野において中心的な役割を果たしています。これらすべての産業には、生産において並外れた役割を果たす適切なプロセスセンサーの使用が求められます。
実際には、pH感応電極による電圧の測定は、古くから存在しながらも今なお有効な原理であり、世界中の実験室で日常的に使用されています。しかしながら、インラインpH測定、すなわちpH値をプロセス内で直接決定することも、プロセス最適化にとって大きな可能性を秘めています。これにより、事前の手動サンプリングを必要とせず、リアルタイムのプロセスモニタリングが可能になります。これにより、製品の収量と品質が向上し、時間とコストが節約され、プロセスの安全性も高まります。
ここ数年、この傾向は「実験室からプロセスへ」と、ますます切迫した形で着実にシフトしてきました。製造プロセスおよび関連する定性的・定量的測定をスケールアップする可能性により、より高い収量、規格外バッチの回避、事後分析の代わりのリアルタイムリリースなど、多くのことが可能になります。図1は、プロセスに近い場所での(アトライン)、自動サンプリングによる(オンライン)、あるいはプロセス流自体において直接(インライン)の、生産のモニタリング・制御方法を示しています。過去数十年にわたり、実験室分析(オフライン)は、こうしてプロセス分析の方向へと徐々に進化してきました。
サンプルがプロセスのサンプリング地点から実験室へと分析のために運ばれる際、その間に、例えば周囲温度の変化、大気からの二酸化炭素の溶液への吸収、圧力差、あるいは(流動の)不在などにより、サンプルが変化する可能性があります。インライン・オンライン測定技術を用いれば、最新のパラメータ値が分散制御システム(DCS)において直接利用可能になります。この接続こそが、そもそも信頼性の高いプロセス制御を可能にしているものであり、サンプリング誤差や測定の遅延による誤ったデータの発生も大幅に排除することができます。
プロセス自動化の利点について詳しくは、過去のブログ記事をご覧ください。
サンプルが分析のため実験室に運ばれる際、その間にサンプルは変化する可能性があります。同時に、分析後に必要となるかもしれない是正措置も遅れをもって開始することしかできません。これらは、測定がプロセスに直接統合されるインライン・オンライン測定技術の利点がどこにあるかを明確にする、2つの側面です。
Christoph Herrmann,
Merck KGaA
アナライザー上のラボ
実験室でのpH決定を自動化し、プロセスにマッピングできるかどうか(またどのようにできるか)という問いは、メルクKGaAダルムシュタットにとって関心事の一つでした。この問いに答えるためには、以下のようないくつかの要件を考慮する必要がありました:
- 完全に自動化された精密なpH校正・調整測定システムへの要求
- データは実験室結果に対して絶対的な正確性を持ち再現可能であるべき
- 電極試験・評価の可能性
- 規定の緩衝液における試験を伴う多点校正
- センサー洗浄の可能性
- GMP要件への準拠
- 自動証明書生成 →実験室と同じ条件―実験室からプロセスへ!
この実現可能性調査のため、Metrohm Process Analytics製の2060 TI Process Analyzerが、彼らの実験室で実施されているのと同じpH測定をシミュレートするため、アトライン分析用に構成されました。
Metrohm Process Analytics製の2060 Process Analyzerについて詳しくはこちらをご覧ください。
試験セットアップと要件
ProTrodeセンサーによるプロセス内での正確なpH測定
メトロームは、特に実験室向けの高精度電極を供給する市場リーダーとしてよく知られています。何十年にもわたる実験室での専門知識は、プロセスからの複雑で厳しい要件も満たすpHセンサーの開発にも活かされています。メトローム Process Analyticsは現在、堅牢かつ正確なインラインpH測定が求められるすべての工業応用に適した、インラインProTrode pHセンサー(図2)を提供しています。
ProTrode pHセンサーには、多くの利点があります:
- 変動するサンプル流量に適した独自のスリーブ型隔膜―工業用途にとって非常に精密で再現性のある測定を可能にする
- さまざまな長さのオプション(120 mm、225 mm、325 mm、360 mm、425 mm)―あらゆる状況(例:容器、タンク、反応器、配管)に適応
- 特殊な参照系―統合型参照電極によりpH測定がさらに容易に
インラインProTrode pHセンサーファミリーについて詳しくはこちらをご覧ください。
前のセクションでご紹介したメルクKGaAの実現可能性調査では、実験室分析は当初、ProTrode pHセンサーを用いた2060 Process Analyzerの助けを借りて、試験規模で再現されました。将来的には、このシステムは、以下の図(図3)に示すように、プロセスに直接統合することができます。
ProTrodeインラインpHセンサーは、アナログ出力またはModbusプロトコルを介して、取得したデータを2060 Process Analyzerに単純に送信します。この利点は、ProTrode pHセンサー自体に直接接続することで、外部トランスミッターがもはや不要になることです。
時間を節約する独自の電極試験システム
すべての測定は、使用されるセンサーの性能次第です。プロセスにおいて100%の性能で最も正確なpH測定を確保するには、センサー試験が不可欠です。センサー試験により電極の適格性評価が可能になり、プロセスアナライザーの助けを借りて自動的に実施することができます。通常、こうした試験は手動で実施されます―その欠点は、非常に時間がかかりミスが生じやすいことです。
自動電極評価(すなわちガラス膜と参照系の評価)にとって重要なパラメータは、Metrohm Process Analytics製プロセスアナライザーに統合されています。これらには以下が含まれます:
- 勾配および非対称電位の確認
- 応答性の確認
- 隔膜の確認(流動電位)
- 自由に構成可能な評価基準と限界値
- 液絡電位/参照系の確認
このコンセプトは、「液絡」の基礎研究に基づき、pH測定の正確性を向上させるための実用的な方法です。
→電極試験に続いて、電極状態の自動評価が実施されます。これは全く独自のものです!
オンラインプロセスアナライザーを用いれば、校正、調整、洗浄のルーチンは完全に自動化されます。電極の状態は、システムによって継続的に監視されます。測定の合間、電極は膜を保護する保管溶液に浸されており、これにより乾燥が防止されると同時に、膨潤層が再生されます。したがって、電極は常に使用可能な状態にあり、メンテナンス作業のためにプロセスから取り外す必要がありません。
単一システムでの完全自動センサー洗浄
使用される電極の耐用期間は、いくつかの要因によって制限されます。しばしば、経年劣化プロセスや隔膜の汚染による変化は、検出されないままとなります。オンラインプロセスアナライザーを用いて測定を実施する場合、センサーは自由に設定された時間間隔で洗浄・すすぎされます。洗浄液と水は自動的に校正チャンバーへポンプで送り込まれます。これにより、センサーを取り外して手動で洗浄する必要が一切なくなります。このような自動洗浄システムの使用により、センサーの耐用期間を大幅に延ばし、ダウンタイムを回避することができます。
2060 Process AnalyzerとProTrodeによる、成功裏のスケールアップ・プロセス
2060 Process Analyzerにより、実験室での分析をプロセスへと移行させ、目標とする精度でプロセスを自動的に制御できることを実証することができました。2060 Process Analyzerによる測定結果は、実験室での結果と非常によく比較可能です!
Christoph Herrmann,
Merck KGaA
化学・医薬品製造のような産業にとって、製品・プロセス開発は依然として実験室やパイロットプラントで行われています。課題は、これらの研究から得られた知見が、フルスケールの製造プロセスへの導入にはほとんど適していないことです。これは、特にモジュール式プラントのコンセプトにとって、将来における重要なトピックです。2060 TI Process Analyzerを使用することで、実験室からプロセスへとほぼ同一の測定条件を移行させることができました。
将来的には、実際のプロセス化学をより深く理解するため、実験室とプロセス両方の技術が比較可能であることがますます重要になることを強調しておくことが重要です。
「これにおいて、実験室とプロセスで同じ技術を使用することが決定的な要因です。」
実験室の条件を再現するプロセスアナライザー
あらゆる分析方法を実験室からプロセス現場へと移行させる際、対応する条件を完全に再現できるようにするためには、固定された明確な測定セットアップが必要です。この場合、pH値の正確な測定はいくつかの化学的、物理的、機械的な変数の影響を受けるため、分析および使用されるセンサー技術に高い要求が課されます。
本プロジェクトには2060 TI Process Analyzerが使用され、そのモジュール式で柔軟な設計とインテリジェントなソフトウェアインターフェースのおかげで、測定を自動化することが可能になりました。
Metrohm Process Analytics製2060 Process Analyzerシリーズについての詳細情報は、下記のパンフレットをご覧ください。
パンフレット:2060 TI Process Analyzer―プロセス分析における最も困難な課題への最大限の柔軟性
実験セットアップ(図4に示す)の最終的な要件は、実験室で見られるのと同じ条件を再現することでした。トレースヒーティングシステムにより、サンプリング地点から測定容器まで、規定されたサンプル温度が確保されました。さらに、サンプル温度がプロセス温度と同一になるよう、恒温測定容器が使用されました。
この実験セットアップでは、規定の撹拌速度を用いて外部測定容器へと分析が移行されました。センサー先端の背後における0~2 m/sの撹拌速度でさえ、±0.1 pHの偏差を示しました。これは一方で、2060 Process Analyzerによって実現される規定された撹拌速度の重要性を示しています。他方、スリーブ型隔膜のおかげで、ProTrode pHセンサーは、困難で変動する条件に対応するため、変動する流量下であっても非常に精密な測定を可能にします。
プロセスへのより深い洞察
著名な芸術家アンリ・マティスはかつて「正確さは真実からほど遠い」と語りました。不正確な測定とそれに伴う誤差は、工業生産プロセスにとって壊滅的な結果をもたらしかねません。製品品質は、非常に狭い許容限界内で常に確保される必要があります。低品質や不良バッチは、重大な経済的損害や回避可能だったダウンタイムをもたらす可能性があります。
メルクKGaAとともに、私たちはこの印象的なプロジェクトにおいて、実験室からプロセスへとほぼ同一の条件を移行させることに成功しました。特に困難なプロセス環境における用途に関して、高精度pH測定にプロセスアナライザーを使用することには以下の利点があり、経済的で安全な生産プロセスのあらゆる側面・段階に明確に貢献することができます:
- 精密に規定された測定条件(例:静定時間、センサーのドリフト挙動、温度、撹拌速度)
- 統合されたセンサー試験(校正だけでは、センサーの状態についての情報を得るのに十分ではないため)
- 個別の校正と調整(FDA仕様に準拠した5点校正が可能)
- プログラム可能な洗浄間隔(電極を測定点から取り外す必要がない)
参考資料
[1] User Association of Automation Technology in Process Industries (NAMUR), Technology Roadmap “Process Sensors 2027+”, November 2021, p. 18 (in German) https://www.namur.net/fileadmin/media_www/Dokumente/Roadmap_Prozesssensoren_2027.pdf
