Monitoring the production of stearic acid and its salts with NIR spectroscopy

Význam tématu

Kontrola kvality během výroby stearové kyseliny a jejích stearátů je pro průmyslové dodržování norem a konzistenci produktů kritická. Rychlá a nedestruktivní analýza parametrů jako číslo kyselosti, jodové číslo, vlhkost, obsah popela, bod tání a granulometrie umožňuje okamžité rozhodování v technologickém procesu, snižuje čas nutný pro laboratorní stanovení a zlepšuje celkovou efektivitu výroby. Spektroskopie v blízké infračervené oblasti (NIR) představuje optimální volbu díky rychlosti měření, možnosti analýzy pevných i kapalných vzorků a schopnosti operativního nasazení v provozu.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem Application Note AN-NIR-150 bylo demonstrovat použití OMNIS NIR Analyzer Liquid/Solid pro kvantitativní monitorování parametrů během výroby stearové kyseliny a jejích solí (Mg, Ca, Zn). Studie pokrývá více výrobních fází: předvstupní kontrola surovin, hydrogenaci, štěpení (cleavage) a kontrolu hotových stearátů. Provedeno bylo vytvoření a ověření multivariačních (kalibračních) modelů pro několik analytických parametrů a vyhodnocení jejich figure of merit (FOM) vůči referenčním metodám používaným v laboratoři.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• Spektrální měření kapalin v transmisním režimu v 8 mm jednorázových kyvetách při 75 °C (vessel temperature control).
• Spektrální měření pevných vzorků (flakes, powder, pellets) v reflektančním režimu v 28 mm jednorázových nádobkách.
• Sbírka dat pro různé výrobní kroků: 44/40 vzorků pro předvstupní acid number/iodine value, 17 pro hydrogenaci (acid number), 99 pro cleavage (acid number) a 69 pro Mg/Ca/Zn stearates (ash, granulometry, melting point, moisture).
• Vývoj kvantifikačních modelů v OMNIS Software s využitím OMNIS Model Developer (OMD).

Použitá instrumentace:

• OMNIS NIR Analyzer Liquid/Solid (2.1072.0010)
• Disposable vials, 28 mm, reflection (6.7402.140)
• Flexible holder OMNIS NIR (6.07402.300)
• Disposable vial, 8 mm, transmission (6.7402.240)
• Holder OMNIS NIR, vial, 8 mm (6.07401.070)
• OMNIS Stand‑Alone license (6.06003.010)
• Software license Quant Development (6.06008.002)

Poznámky k měřením:

• Možnost sekvenčního měření kapalných i pevných vzorků bez mechanické konverze přístroje.
• Teplotní kontrola kapalných vzorků až do 80 °C zajišťuje rozpustnost a homogenní měření u vyšších bodů tání.

Hlavní výsledky a diskuse

Vyvinuté NIR modely pro většinu analyzovaných parametrů vykázaly dobrou až vynikající shodu s referenčními laboratorními hodnotami. Klíčové metriky modelů (R2, SEC/SECV/SEP) byly následující:

• Acid number (předvstupní vzorky): R2 = 0,994; SEC ≈ 0,16 mg KOH/g; SECV ≈ 0,21 mg KOH/g; SEP ≈ 0,12 mg KOH/g. Velmi dobrá přesnost pro kontrolu vstupních surovin.
• Iodine value (předvstupní vzorky): R2 = 0,962; SEC ≈ 0,40 g I2/100 g; SECV ≈ 0,46 g I2/100 g; SEP ≈ 0,52 g I2/100 g. Dobrý model pro monitorování stupně nasycenosti mastných kyselin.
• Acid number (hydrogenace): R2 = 0,921; SEC ≈ 0,11 mg KOH/g; SECV ≈ 0,40 mg KOH/g; SEP ≈ 0,17 mg KOH/g. Přijatelná korelace, u procesu hydrogenace vyšší variabilita náročná na reprezentativní kalibrační data.
• Ash (Mg/Ca/Zn stearates): R2 = 0,971; SEC ≈ 0,29%; SECV ≈ 0,33%; SEP ≈ 0,36%. Silná predikce minerálního obsahu v konečných produktech.
• Moisture (stearáty): R2 = 0,992; SEC ≈ 0,14%; SECV ≈ 0,14%; SEP ≈ 0,15%. Výborná citlivost NIR na obsah vody ve směsích.
• Melting point (stearáty): R2 = 0,996; SEC ≈ 1,05 °C; SECV ≈ 1,40 °C; SEP ≈ 1,25 °C. Velmi dobré rozlišení bodu tání, přičemž teplotní kontrola vzorku přispěla k reprodukovatelnosti.
• Granulometrie (stearáty): R2 = 0,862; SEC ≈ 0,09 mm; SECV ≈ 0,12 mm; SEP ≈ 0,15 mm. Nižší výkonnost v porovnání s ostatními parametry – granulometrie je méně přímočaře propojena s NIR signálem a více závisí na vzorkové heterogenitě.

Diskuse:
Modely ukazují, že vybrané NIR spektrální pásmo obsahuje dostatečnou informaci pro kvantifikaci většiny sledovaných parametrů během výrobního procesu. Nejvyšší spolehlivost vykázala měření vlhkosti, bodu tání a acid number ve vstupních vzorcích; nejméně robustní byl model pro granulometrii a mírně horší výsledky byly u acid number při hydrogenaci (pravděpodobně kvůli procesní variabilitě a omezené velikosti kalibrační množiny). Teplotní řízení vzorku a automatizované multi‑position měření u pevných vzorků zlepšují reprodukovatelnost výsledků.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní přínosy zavedení NIR řešení v produkci stearátů:

• Rychlá a nedestruktivní kontrola během výroby (měření <10 s).
• Snížení závislosti na časově náročných mokrých chemických stanoveních pro rutinní kontrolu.
• Možnost at‑line nebo laboratory‑near evaluace zásilek surovin a průběžných částech procesu (pre‑entry, hydrogenace, cleavage, hotové stearáty).
• Zvýšení provozní efektivity díky sekvenčnímu měření kapalin a pevných vzorků bez fyzické rekonstrukce přístroje.
• Přímé využití výsledků pro procesní řízení, uvolňování šarží a zkrácení doby odezvy v QC.

Budoucí trendy a možnosti využití

Směry dalšího rozvoje a integrace NIR v produkci stearátů:

• Integrace OMNIS NIR do automatizovaných linek a spojení s dalšími analytickými technologiemi (např. titrace, GC) pro komplexnější kontrolu kvality.
• Přechod na inline/at‑line měření pro kontinuální monitorování kritických parametrů a rychlé zásahy v procesu.
• Vylepšení kalibračních strategií: větší a reprezentativnější datové sady, transfer kalibrací mezi zařízeními a použití moderních strojově‑učených metod (robustnější modely, adaptivní učení).
• Miniaturizace a rozvoj přenosných NIR řešení pro skladové nebo mobilní kontroly.
• Regulační akceptace NIR metod pro uvolňování šarží a validace metod v souladu s požadavky GMP/GLP.

Závěr

Application Note demonstrovala, že OMNIS NIR Analyzer Liquid/Solid je efektivní nástroj pro kvantitativní kontrolu klíčových parametrů při výrobě stearové kyseliny a jejích solí. Vyvinuté modely poskytují dobré až vynikající korelace s referenčními metodami pro většinu sledovaných parametrů, což umožňuje rychlé rozhodování v průmyslovém provozu a snižuje laboratorní zátěž. Některé parametry (granulometrie, procesní kroky s vysokou variabilitou) vyžadují pozornost při tvorbě kalibrací a pravidelnou údržbu modelů.

Reference

• Application Note AN‑NIR‑150, Metrohm: Monitoring the production of stearic acid and its salts with NIR spectroscopy.
• Dokumentace OMNIS NIR Analyzer Liquid/Solid a příslušenství, Metrohm.