Polymerisationen gehören zu den durchsatzstärksten chemischen Prozessen überhaupt. Neben den klassischen Massenkunststoffen wie PE gibt es viele Spezialpolymere für besondere Einsatzbereiche. Die Herstellung in homogener Phase kann häufig mit Mittelinfrarot(MIR)-Spektroskopie verfolgt werden, weil sie vorwiegend bei funktionalisierten Monomeren (z.B. für Polyester, Polyamide, Polyurethane) vorkommt.

Die Raman-Spektroskopie eignet sich besonders gut für die Polymerisation von Olefinen und ähnlichen Monomeren. Sie erlaubt auch die Unterscheidung von geradkettigen und verzweigten Polymeren.

Die kontrollierte Herstellung von Partikeln in übersättigten Lösungen erfordert eine sehr genaue Kontrolle der Prozessparameter wie Temperatur, Rührgeschwindigkeit und ähnlichem. Daneben ist jedoch auch die Kontrolle der Partikelform und der Zusammensetzung der Mutterlauge erforderlich, um gezielt Partikeleigenschaften einzustellen.

Die Raman-Spektroskopie eignet sich abhängig von der gewählten Optik für die zeitgleiche Überwachung von Mutterlauge und Kristallwachstum.

Im Gegensatz dazu kann Mittelinfrarot(MIR)-Spektroskopie nach dem ATR-Prinzip (abgeschwächte Totalreflexion) ohne Störung durch die Partikel gezielt die Zusammensetzung der Mutterlauge verfolgen.

Aromaten gehören zu den wertvollsten Zwischenprodukten in der Chemie, treten aber gewöhnlich als Gemisch von (Regio-)Isomeren auf. Wegen der zwar ähnlichen funktionellen Gruppen, jedoch unterscheidbarer Strukturmuster können sie z.B. in Trennprozessen sehr gut mit Raman-Spektroskopie unterschieden werden.

Fermentation im industriellen Maßstab gehört zu den erfolgreichsten aufstrebenden Prozesstechnologien. Ist erst einmal ein viel versprechender Biokatalysator gefunden, dann wandelt er einfache Nährstoffe wie Zucker, Lignin oder Reststoffe direkt in hochwertige Produkte um. Meist sind diese Umwandlungen langsam, aber dafür sehr spezifisch, und schon im frühen Prozessstadium weisen bestimmte Stoffwechselprodukte auf Prozessstörungen hin.

Trotz des verbreiteten Einsatzes der Nahinfrarot(NIR)-Spektroskopie, die sehr umfangreiche Datensätze zur Kalibrierung erfordert, können Raman- und Mittelinfrarot(MIR)-Spektroskopie oft gewinnbringend eingesetzt werden, weil sie flexibler an Prozessänderungen angepasst werden können.

Für Destillationen, Extraktionen und andere thermische Trennverfahren sind praktisch alle inline-fähigen Methoden – Raman, Infrarot-, UV-Vis-Spektroskopie – klar im Vorteil gegenüber Methoden mit Probenahme. Durch den Verzicht auf Materialentnahme werden die relevanten Stoffgleichgewichte nicht beeinträchtigt. Die erforderlichen Temperaturgradienten bescheren der Spektroskopie eine zusätzliche Herausforderung, da die Spektren häufig temperaturabhängig sind. Intelligente Arten der Datenanalyse ersparen jedoch unnütze Kalibrierarbeit.

Viele Destillationen zu Aufreinigungszwecken lassen sich mit UV-Vis-Spektroskopie bedienen, Isomerentrennungen häufig mit Raman-, und viele andere auch mit Mittelinfrarot(MIR)-Spektroskopie.

Der Einsatz von Hochdrucktechnologie ist so alt wie die Prozesschemie selbst. Schon im frühen Entwicklungsstadium ist die Nähe zu realistischen Prozessbedingungen (Temperatur, Druck, etc.) von entscheidender Bedeutung für eine erfolgreiche Optimierung. Kleinskalige Hochdruckapparaturen profitieren ganz entscheidend von inline-Analysemethoden wie faseroptischer Spektroskopie, weil die aufwendige Ausschleusung von Probematerial entfällt.

Für viele Anwendungen, auch nicht-reaktive Prozesse wie die selektive Gasadsorption an porösen Festkörpern, sind Raman- und Mittelinfrarot(MIR)-Spektroskopie wertvolle Optionen.

Die Analyse einer Oberfläche, deren Zusammensetzung, Struktur oder andere Eigenschaften sich ändern, erfordert stets die sorgfältige Auswahl eines repräsentativen Messflecks. Entweder wird dann der gewählte Ausschnitt über den Prozessverlauf verfolgt (z.B. in einem Festbett-Katalysator), oder aber das feste Material wird durch das Messfeld bewegt, z.B. in einem Coater, Extruder oder Slurry. Dank des gut definierten Anregungsfokus der Sondenoptiken ist Raman-Spektroskopie zur Verfolgung von Oberflächenprozessen gut etabliert.

Olefine sind die Grundlage unserer chemischen Wertschöpfung und entstammen überwiegend dem Steamcracken von Erdölfraktionen. Während die Abtrennung und der Nachweis von Ethylen und Propylen in den Produktgemischen relativ leicht gelingen, ist die Unterscheidung höherer Olefinisomere oft eine Herausforderung. Dennoch ist Raman-Spektroskopie in der Lage, diese Unterscheidung zu erreichen und daher ein wertvolles online-Werkzeug für flüssige wie für gasförmige Olefingemische.

Hydrierungen komplexer Substrate wie Wirkstoffvorstufen oder Spezialchemikalien bringen meist deutliche Wertsteigerungen mit sich. Die oft hohen Anforderungen an Chemo-, Regio- oder Stereoselektivität erhöhen noch den Bedarf an zuverlässiger online-Überwachung zur Prozesskontrolle.

Die Mittelinfrarot(MIR)-Spektroskopie wird bevorzugt bei der Hydrierung von Ketonen, Aldehyden, NOx oder SOx eingesetzt. Raman-Spektroskopie ist im Vorteil bei der Hydrierung von Kohlenwasserstoffen (z.B. Olefinen) – und unter bestimmten Voraussetzungen lässt sich sogar der gelöste Wasserstoff vermessen!

Feststoffe können zum Teil in unterschiedlichen Kristallgitterstrukturen vorkommen. Speziell in der Pharmaproduktion ist jedoch nur eines dieser Polymorphe erwünscht oder erlaubt, da die übrigen beim Patienten schwächere, keine oder schädigende Wirkung hervorrufen. Daher ist oft die Raman-Spektroskopie ein wertvolles Werkzeug zur Unterscheidung der Polymorphe, das sich auch zur Prozesskontrolle eignet.

Neue Prozesstechnologien wie die kleinskaligen Durchflussreaktoren stellen hohe Anforderungen an die Prozessanalytik. Anders als z.B. einige auf dem Markt erhältliche Lösungen für die Mittelinfrarot(MIR)-Spektroskopie vermeiden wir jedoch immer eine Anpassung des Prozesses an die Analytik, sondern nutzen maßgeschneiderte Analytik, um den Prozess nicht zu beeinträchtigen!

Mit einer miniaturisierten faseroptischen MIR-Sonde, die in eine geometrieoptimierte Flusszelle montiert ist, lassen sich z.B. Prozessverfolgung und Verweilzeitmessungen zur Anlagencharakterisierung sehr zuverlässig realisieren.

Wässrige Medien werden typischerweise mit Raman-Spektroskopie analysiert, weil Wasser praktisch Raman-inaktiv ist. Mögliche Fluoreszenz muss in biogenen wässrigen Medien überprüft werden.

Trotz des weit verbreiteten Vorurteils, dass sie in Wasser grundsätzlich scheitern, haben auch die Infrarot-Methoden (Nah- und Mittelinfrarot) ein hohes Potential. Natürlich sind hohe Konzentrationen von Vorteil, aber mit geschickter Spektrenanalyse lassen sich auch Konzentrationen unter 1 % noch zuverlässig nachweisen.

Die Farbe ist ein häufig verwendeter Parameter zur Erkennung von Prozessfortschritt oder Produktqualität. Meist werden Farbzahlen offline mit einfachen Testsystemen und –streifen bestimmt, oder aber online-Photometer mit Messungen einzelnen Wellenlängen eingesetzt. Vollständige Informationen liefern jedoch UV-Vis-Spektrometer mit Transmissions- oder ATR-Messzellen/-sonden.