Boost efficiency in the QC laboratory: How NIRS helps reduce costs up to 90%

Význam tématu

Kvalitní kontrola (QC) a zajištění kvality (QA) jsou klíčové pro minimalizaci nákladů spojených s vnitřními i vnějšími selháními výrobků, která mohou představovat ztrátu obratu až 10–30 %. Tradiční metody často vyžadují časově náročné přípravné kroky a spotřebu chemikálií, což zvyšuje náklady a zpomaluje rozhodovací proces. Moderní přístupy, jako je blízká infračervená spektroskopie (NIRS), nabízejí alternativu pro rychlé, neinvazivní a cenově úsporné stanovení klíčových parametrů.

Cíle a přehled studie / článku

Tento dokument společnosti Metrohm představuje potenciál NIRS v oblasti QC laboratoří. Cílem je porovnat náklady a efektivitu konvenčních primárních analytických metod (titrací, viskozitmetrie aj.) s NIRS a demonstrovat úspory až 90 % provozních nákladů. Text dále přináší konkrétní příklady aplikací v chemickém, polymerním a petrochemickém průmyslu a ukazuje rychlý návrat investice (ROI) během méně než jednoho roku.

Použitá metodika a instrumentace

Princip NIRS spočívá v měření absorpce blízkého infračerveného světla (800–2500 nm) charakteristického pro funkční skupiny (-OH, -NH, -CH, -SH). Metoda je neinvazivní, měření probíhá bez přípravy vzorku do jedné minuty a vzorek zůstává nedotčen. Spektrální data vyhodnocuje specializovaný software pomocí multivariační kalibrace. Hlavním přístrojem uvedeným v příkladech je analyzátor Metrohm DS2500 NIRS.

Hlavní výsledky a diskuse

Porovnání ročních nákladů při 10 analýzách denně ukazuje: u primárních metod činí spotřeba chemikálií 35 100 USD a práce operátora 23 438 USD, celkem 58 538 USD. Pro NIRS jsou náklady na spotřební materiál zanedbatelné, práce operátora stojí 469 USD, celkem 469 USD. Investice 55 000 USD do spektrometru se vrátí během 11 měsíců, přičemž úspora provozních nákladů dosahuje až 90 %.

Konkrétní případové studie:

• Chemický průmysl – Polyoly: stanovení hydroxylové hodnoty (70–125 mg KOH/g, precize 0,7), kyselost (0,1–8 mg KOH/g, precize 0,4) a vlhkosti (75–400 mg/L, precize 52) za 30 s.
• Polymerový průmysl – PET granule: obsah diethylen glykolu (1,4–2,0 %, precize 0,066), isoftalové kyseliny (1,8–4,5 %, precize 0,143), intrinsická viskozita (0,5–0,9 dL/g, precize 0,024) a kyselost (1,2–6,0 mg KOH/g, precize 0,143).
• Petrochemický průmysl – Benzin: výzkumné oktanové číslo RON (85–94, precize 0,68), motorové oktanové číslo MON (81–100, precize 0,53), olefiny (1–25 %, precize 1,3), obsah kyslíku (0,2–2,0 %, precize 0,045), aromatické složky (20–45 %, precize 1,1) a hustota (0,7400–0,7600 g/cm3, precize 0,0024).

Přínosy a praktické využití metody

• Analýza proběhne během několika sekund bez přípravy vzorku.
• Eliminace nákladů na chemikálie a minimalizace odpadu.
• Jednoduchá a standardizovaná obsluha, nízké požadavky na proškolení operátorů.
• Možnost centralizovaného i decentralizovaného nasazení na vícero pracovištích.
• Vysoká opakovatelnost a robustnost výsledků díky multivariační kalibraci.
• Výrazné snížení interních i externích nákladů spojených s chybovostí.

Budoucí trendy a možnosti využití

Nasazení inline a online NIR analyzátorů přímo ve výrobních linkách pro okamžitou kontrolu kvality. Integrace do digitálních platforem a průmyslu 4.0 s využitím cloudové analýzy a strojového učení pro zlepšení prediktivních modelů. Vývoj přenosných přístrojů pro rychlé kontroly v terénu a rozšiřování rozsahu kalibrací pro nové materiály a parametry.

Závěr

Implementace NIRS do QC procesů přináší významné úspory nákladů až do 90 %, zkrácení doby analýzy na jednotky sekund a zjednodušení pracovních postupů. Investice do této technologie se obvykle vrátí během jednoho roku a přispívá ke spolehlivějšímu řízení kvality a vyšší provozní efektivitě.

Reference

• 1. Why Improving Quality Leads to Lower Manufacturing Costs, QualityInspection.org, přístup 30. října 2019.
• 2. Metrohm Application Note NIR-035 Hydroxyl number in liquid polyols using Vis-NIR spectroscopy.
• 3. Metrohm Application Note NIR-023 Diethylene glycol, isophthalic acid, intrinsic viscosity, and acid number in PET granulate by NIRS.