【コラム】石油化学および精製産業におけるNIR分光法:QCおよび製品スクリーニングのためのASTM準拠ツール―第5部
2022/01/24
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ASTM Internationalの歴史
米国試験材料協会(ASTM)は、現在12,500件を超える国際規格を提供している組織です。その起源は1898年に遡り、当時急速に成長していた鉄道産業に影響を及ぼしていた頻発するレール破損の問題に対処するため、科学者や技術者のグループによってASTMは設立されました。このグループは、レールの製造に使用される鋼材の規格を開発しました。
当初、この組織は「American Society for Testing Materials」(1902年)と呼ばれていましたが、1961年に「American Society for Testing and Materials」へと改称されました。2001年、ASTMは正式に「ASTM International」へと名称を変更し、「Standards Worldwide」というタグラインを追加しました。このタグラインは2014年、「Helping our world work better」へと修正されました。現在、ASTM Internationalは米国に加え、ベルギー、カナダ、中国、ペルーにも事務所を構えています。
ASTM Internationalは、工学プロジェクトに材料を使用する際に品質・規格要件が満たされることを確保することを目指しています。したがって、互換性を高めるため、技術者・エンジニア向けの単一の言語について合意する必要があり、最終的にはA~Gという文字による産業別のグループ分けシステムが開発されました。現在、約150か国で12,500件を超えるASTM規格が使用されています。これにより、消費者の信頼を醸成・強化することで、さまざまな市場における貿易が拡大してきました。
石油製品・液体燃料・潤滑油に関するASTM委員会D02
1904年に設立されたASTM委員会D02は、現在、年2回、5日間の技術会議を開催しており、(約2500人中)約1000人のメンバーが参加しています。D02は814件の規格を管轄しており、ASTM規格年鑑(第05.01巻から第05.06巻)に発表されている、石油製品や潤滑油の標準化に関するあらゆる側面において重要な役割を果たしています。
近赤外分光法―石油化学製品の品質評価のためのASTM準拠ツール
近赤外分光法(NIRS)は、30年以上にわたり、石油化学産業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、または代替技術としてNIRSを導入することへの一般的な躊躇のいずれかである可能性があります。
多くの企業は、従来法の代替としてNIR分光法を導入する方法について、現在多くのASTM規格が存在することに気づいていません。いくつかのNIRS関連ASTMガイドラインを図1に示します。
ASTM E1655(定量NIR分析の方法開発)およびASTM E1790(定性NIR分析の方法開発)は、あらゆる産業(例:ポリマー、化学品、石油化学など)に適用可能です。
ASTM D6122(方法バリデーション)、ASTM D8321(多変量解析の開発・バリデーション)、およびASTM D8340(性能適格性評価)は、石油化学産業向けの専用規格です。これら3つの規格は2020年に発表されたばかりであり、ASTM D8340は2021年末に改訂されました。
方法開発
ASTM E1655:赤外多変量定量分析のための標準指針
本指針は、材料の物理的または化学的特性を決定するために使用される赤外分光計の多変量校正に関するガイドを網羅しています。本指針は、近赤外(NIR)スペクトル領域(おおよそ780~2500 nm)で実施される分析に適用されます。
ASTM E1790:近赤外定性分析のための標準指針
本指針は、液体・固体の定性分析における近赤外(NIR)分光法の使用を網羅しています。本指針は、ほとんどのNIR定性分析が、この目的のために特別に設計され、コンピュータ化されたデータ処理アルゴリズムを備えた装置を用いて実施されるという前提のもとで作成されています。
方法バリデーション
ASTM D6122:多変量オンライン、アトライン、フィールド、および実験室赤外分光光度計、ならびにラマン分光計に基づくアナライザーシステムの性能バリデーションのための標準指針
本指針は、液体石油製品および燃料の物理的、化学的、または品質パラメータ(すなわち特性)の算出に使用される、実験室用、フィールド用、またはプロセス用(オンラインまたはアトライン)赤外(近赤外もしくは中赤外分析装置、またはその両方)、およびラマン分析装置による測定のバリデーションに関する要件を網羅しています。
これらの要件には、以下のトピックが含まれます:
- アナライザーの校正
- NIRSと実験室的方法との相関(処理済み・未処理サンプル)
- 試用期間中のバリデーション
- 一般バリデーションおよび継続的バリデーション
結果バリデーション
ASTM D8321:分光測定に基づく石油製品、液体燃料、および潤滑油の特性予測に使用される多変量解析の開発およびバリデーションのための標準指針
本指針は、石油製品、バイオ燃料を含む液体燃料、および潤滑油の物理的、化学的、および性能特性を決定するために使用される赤外(IR)分光光度計およびラマン分光計の多変量校正に関するガイドを網羅しています。本指針は、近赤外(NIR)スペクトル領域(おおよそ780 nm~2500 nm)で実施される分析に適用されます。
本規格の主な目的は、校正中における試験結果の妥当性を確立することです。
ASTM D8340:分光アナライザーシステムの性能に基づく適格性評価のための標準指針
本指針は、ある材料を一次試験法(PTM)で試験した場合に得られるであろう試験結果を予測するために使用することを目的とした振動分光アナライザーシステムの、性能に基づく適格性評価を確立するための要件を網羅しています。
さらに、本規格には、多重線形回帰(MLR)、部分最小二乗法(PLS)、主成分回帰(PCR)、クロスバリデーション、外れ値統計を含む多変量モデルに関する規定要件、そして装置に関する考慮事項も含まれています。
NIRS法に求められる正確性については、期待される一致度およびユーザー要件として、NIRS値の予測標準誤差が実験室的方法の再現性以下であるべきとされています。
NIRS DS2500 Petro AnalyzerおよびVision AirによるASTM D8340準拠
温度安定性、セクション5.4:
この規格には、NIRSアナライザーの温度安定性に関する規定要件が含まれています。セクション5.4は、アナライザーシステムのハードウェアにおいてサンプル温度を慎重に制御すること、あるいは温度変化の影響がモデリングやソフトウェアにおいて補正されることを求めています。NIRS DS2500 Petro Analyzerにおけるこの問題へのMetrohmのソリューションを、図2に示します。
Metrohm NIRS DS2500 Petro Analyzerによる石油化学分析の可能性について、下記のパンフレットで詳しくご覧いただけます。
アナライザーの波長精度・確度、セクション6.3:
セクション6.3は、アナライザーが供給業者の仕様範囲内で稼働していることを実証する手段を備えるべきであると求めています。したがって、アナライザーには、過去の予想限界内で稼働していることを実証するための装置性能試験が組み込まれている必要があります。さらに、アナライザーには波長/周波数の精度・確度を検証する手段が備わっている必要があります。また、波長精度は、ユーザーの仕様を満たす、あるいは上回る多変量モデルの作成にスペクトルを収集・使用できるだけの十分なものである必要があります。校正に使用されるアナライザーの波長精度、そしてアナライザー間の波長確度・再現性は、プラクティスD6122によってアナライザーがバリデーションできるだけの十分なものである必要があります。この点についてのMetrohmのソリューションが、図3に示すVision Airソフトウェアです。
供給業者作成のグローバル多変量モデル、セクション8.2.2:
多変量モデルは、標準化された試験法によるもの、ユーザー/供給業者作成のグローバル多変量モデルによるもの、あるいはユーザー作成のサイト固有の多変量モデルによるものが考えられます。グローバル多変量モデルとは、複数の施設や場所で製造された材料を代表しうるサンプルやデータを用いて開発されたモデルです。場所によっては、グローバルモデルから始めて、そこにサイト固有のサンプルを追加する場合もあります。Metrohmは、NIRS DS2500 Petro Analyzer向けにいくつかの事前校正を提供しており、図4に一覧されています。
石油化学産業向けの利用可能なNIRS事前校正ラインアップについて、下記のパンフレットでご覧いただけます。
パンフレット:燃料の品質管理―NIR事前校正による迅速な結果
外れ値統計、セクション9.3、9.4、9.5:
これらのセクションでは、外れ値の取り扱いに関する要件が説明されています。外れ値の識別と処理は、この性能ベースのプラクティスを成功裏に満たすために重要です。外れ値の識別・処理は、スペクトルから予測を生成するために使用されるものと同一、または別個のソフトウェアによって実施することが認められています。特性値決定を目的としたサンプル分析においては、ソフトウェアは、ユーザーが設定した基準に基づき、スペクトルが外れ値として識別されるかどうかを示す必要があります。サンプル分析は、外れ値として識別されたサンプルについて、期待される性能に達していないことを示す場合があります。
Vision Airは、Vis-NIR分光法向けのメトロームの汎用ソフトウェアです。Vision Airは、各種装置ユーザーの固有のニーズに対応しています。最も一般的な作業に最適化された特定のインターフェースを提供し、日常測定の簡素化、方法開発、外れ値処理、そしてデータ・装置管理の両方を実現します。Vision Airは、Unscramblerのようなサードパーティ製ソフトウェアとも互換性があります(図5)。
まとめ
石油化学産業において、経営層からの典型的な要求は、通常品質管理は迅速であるべきで、運用コストは低く、フィードバックは速く、そして操作は安全であるべきというものです。
ユーザーからの典型的な要求は、分析は正確かつ精密であるべきで、装置は使いやすく、迅速、そして安全であるべきというものです。
NIR分光法は、これらすべての要件に準拠しており、本ブログシリーズで示した通り、この技術は方法開発、方法バリデーション、結果バリデーションに関するいくつかのASTMガイドラインによって裏付けられています。
石油化学産業においてNIRSを活用することにより、製造業者は、石油化学製品のスクリーニングと品質管理の効率を向上させるだけでなく、国際的に認められた規格に完全に準拠することができます。
本シリーズの他の記事
本ブログ記事は、ASTM規格というトピック、そして石油化学/精製産業にとって理想的なQCツールとしてNIR分光法をどのように使用できるかに焦点を当てたものです。他の記事は、以下のトピックに焦点を当てています:
