Übersicht und Praxisbeispiele: Prozessanalytische Technologien (PAT) im Recycling

Prozessanalysentechnik zur Prozessüberwachung in Echtzeit – Fünf Praxisbeispiele für nachhaltige Prozesse und Produktsicherheit

Auf dem Weg zur Kreislaufwirtschaft: Schließung von Material- und Kohlenstoffkreis- ­läufen, wie sie von Covestro angestrebt wird; öl- und gasbasierte Verarbeitungsschritte (grau), biobasierte Prozesse (grün) und Prozesse, die auf Abfallmanagement und Recycling basieren (orange) [14]

© Covestro

Vor etwa 15 Jahren beschloss die Chemische Industrie, sich auf den herausfordernden Weg zu machen, grün und nachhaltig zu werden.^[1] Gleichzeitig sah sich die analytische Chemie mit einer Endo- und einer Exo-Rolle konfrontiert: grün zu werden und die Chemische Industrie auf ihrem Transformationspfad zu unterstützen.^[2,3] In einer breiteren Perspektive liegt die vielversprechende Strategie zur Nachhaltigkeit in der Umwandlung unserer Wirtschaft in eine Kreislaufwirtschaft mit ressourcenschonenden und effizienten Prozessen. Alternative Rohstoffe, Plattformchemikalien, innovatives Recycling, Upcycling, CO₂-Bilanz und erneuerbare Energien bilden das Herzstück des neuen Wirtschaftsansatzes. Biotechnologische Prozesse werden oft als bevorzugt angesehen.­^[4] Biobasierte Rohstoffe und Substratströme aus dem Recycling sind oft mit einer höheren Variabilität in der Zusammensetzung als herkömmliche Prozesse verbunden. Die sich daraus ergebenden Änderungen bestehender und die Entwicklung neuer Verfahren werden in hohem Maße von prozessanalytischen Technologien (PAT) abhängen, aber auch einen großen Einfluss auf ihre Leistung, ihre Anwendung und ihre Entwicklung haben. Darüber hinaus muss PAT die höhere Variabilität monitoren, um nachgeschaltete Prozesse zu ermöglichen oder zumindest die Auswirkungen komplexer Zusammensetzungen auf diese zu verringern.

Grüne PAT – in beiden Rollen – entwickelt sich beschleunigt in Richtung schneller Monitoringmethoden, Multi-Informations-Datenströme, Datenanalyse mit künstlicher Intelligenz (AI) oder maschinellem Lernen (ML), Feed-Back- und Feed-Forward-Prozesskontrolle.^[5] Mit dem erwarteten Übergang zu kontinuierlichen Prozessen wird Echtzeitüberwachung noch wichtiger werden. Komplementäre Einweg-Batch-Reaktoren für biotechnologische Prozesse werden flexible und dennoch robuste PAT-Lösungen erfordern.^[6] Die Anzahl und Menge der Komponenten in zirkulär geführten Prozessen wird mit der Zeit zunehmen, sodass ein stets breiteres Spektrum an Informationen benötigt wird, um das Prozesswissen zu erwerben und zu besitzen, das für eine sofortige Steuerung ausreicht. Daher wird die spektroskopische Prozessmesstechnik an Bedeutung gewinnen, wobei der Wert des Beitrags von den aktuellen und langfristigen technologischen Fortschritten abhängen wird. Diese können für die verschiedenen Disziplinen sehr unterschiedlich ausfallen. Die aktuellen Trends wurden vor kurzem zusammengefasst ^[7]. Es wird jedoch erwartet, dass die Agglomeration, Anordnung oder Vernetzung von Sensoren in Verbindung mit KI eine wettbewerbsfähige Alternative zu Spektrometern darstellen wird, die manchmal mit kollektiver Intelligenz – oder Schwarmintelligenz – verglichen wird.^[8-10]

In diesem Artikel werden Beispiele für nachhaltige Verfahren aus dem Recycling von industriellem Prozesswasser, Lösungsmitteln und Kunststoffen, aus der biotechnologischen Produktion mit Einweg-Batch-Reaktoren und aus der Bestätigung der Produktsicherheit, die sich künftig in der pharmazeutischen Produktion und Freigabe einsetzen ließen, präsentiert. Die Prozesse repräsentieren kontinuierliches, zirkuläres und Batch-Management. Die angewandte PAT-Methodik umfasst integrale Methoden wie die Online-Festphasenextraktion mit Ionenchromatographie-Leitfähigkeitsbestimmung (solid phase extraction-ion chromatography conductivity determination, SPE-IC-CD), die Impedanzspektroskopie (IS) und spezifische Methoden wie die Mittelinfrarot- (MIR), die Nahinfrarot- (NIR) Spektroskopie und den Quantenkaskadenlaser-Schwingungszirkulardichroismus mit externem Resonator (External Cavity Quantum Cascade Laser Vibrational Circular Dichroism, EC-QCL-VCD).^[5,11-13] Anhand der besprochenen Beispiele wird ein Ausblick auf zukünftige PAT-Entwicklungen gewagt.