Einblicke in chemische Prozesse mit Licht

Die optische Prozessanalytik misst chemische und physikalische Eigenschaften berührungslos und schnell, liefert eine hohe Informationsdichte, kommt ohne Probenahme aus, lässt sich enorm verkleinern und kann einfach in bestehende Prozesslinien integriert werden. Ein Konsortium unter der Leitung des Aachener Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Kooperation mit der BAM und der RWTH Aachen hat nun die Zukunftsperspektiven der optischen Prozessanalytik analysiert. Im Mittelpunkt der neuen Studie Inline-Prozessanalytik mit Licht – InLight stehen eine Technologie-Roadmap und ein detailliertes Whitepaper, das Anfang 2017 einer breiten Öffentlichkeit vorgestellt wird.

Eine wichtige Rolle bei chemisch-physikalischen und biotechnischen Produktionsverfahren spielt die exakte Erfassung der Messgrößen im laufenden Prozess. Das Instrumentarium dazu bietet die Prozessanalysentechnik (PAT), für die sich optische Messverfahren besonders eignen, so Dr. Reinhard Noll, Leiter des Kompetenzfeldes Messtechnik und EUV-Strahlquellen am Fraunhofer ILT.

Damit sich die optische PAT nicht nur für den Einsatz im Labor, sondern auch im rauen Industriealltag eignet, bedarf es robuster, prozesstauglicher und automatisierbarer Sensorik. Dazu untersuchte das Konsortium unter der Leitung des Fraunhofer ILT vier Themenfelder. Gute Entwicklungschancen ermittelte das Team für spektroskopische Methoden, die sich auch für Anwender ohne spezielles Fachwissen eignen. Gefragt seien flexible Geräte zum Messen in den Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig.

Optischer Zugang ohne Wartung

Im Mittelpunkt des Themenschwerpunkts optischer Zugang steht die Vision eines wartungsfreien optischen Zugangs. Auch hier gibt es einen hohen FuE-Bedarf, etwa bei den optischen Fenstern mit integrierten Funktionselementen, Stichwort: SmartWindow.

Sehr anspruchsvoll fielen auch die Anforderungen des Studienteams im dritten Themenfeld an die Laserstrahlquellen aus: Gefragt sind preiswerte Lichtquellen (Preis: < 1000 Euro) für einen breiten Anwendungsbereich (vom mittleren infraroten bis zum ultravioletten Spektralbereich) mit einer langen Betriebsdauer (> 100 000 Stunden) und einem erweiterten Temperaturbetriebsbereich.

Sensoren einfacher kalibrieren

Viel hängt mit Blick auf die Zukunft der optischen PAT-Systeme von den Fortschritten bei den Themen Kalibrierung, Soft Sensor und Sensor Fusion ab. Die Studie stellte eine Wunschliste auf, die von der stark vereinfachten Kalibrierung von Sensoren bis hin zur Übertragbarkeit von Kalibrierungen zwischen verschiedenen Geräten reicht. Um die mittel- und langfristigen Ziele zu erreichen, zeigt die Technologie Roadmap verschiedene Wege wie Sensorfusion, Selbstdiagnose und automatische Kalibrierung von Sensoren oder In-situ-Qualifizierung auf.

Studie im Detail: Inline-Prozessanalytik mit Licht – InLight

Unter der Leitung des Fraunhofer ILT hat ein Expertenteam von Oktober 2015 bis Oktober 2016 eine detaillierte Konsortialstudie zur Inline-Prozessanalytik mit Licht erarbeitet. An der Studie mitgewirkt haben die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) aus Berlin, die RWTH Aachen University und 14 Unternehmen aus Deutschland und Österreich.

Ab Anfang 2017 steht das Whitepaper Optische Prozessanalytik - Bedarfe der Wirtschaft, Zukunftsperspektiven und F&E-Themenfelder auf der Homepage des Fraunhofer ILT zum Download zur Verfügung:

http://www.ilt.fraunhofer.de/de/projekte/inlight