情報共有
正直なところ、プロセス分析というテクノロジーの世界は、しばらくの間、私にとって異質なものに思えた。プロセスの自動化について初めて耳にしたとき、私は現代のSF映画のような未来的なロボットが仕事をする姿を想像した。おそらく多くの人が同じような印象を持つかもしれない。
「プロセス分析を自動化します」という表現が実際に何を意味するのか、しばしば不明な点が多い。このコラムシリーズでは、プロセス分析技術（PAT：Process Analytical Technology）が想像しているほどに複雑ではなく、ユーザーにとっていくつかのメリットがあることを紹介したい。
プロセス分析技術 (PAT) とは何か？
以前、会話の中でこう言われたことがある：
この言葉には間違いなく真実があり、アプリケーションの可能性の広さを示しています。同時に、将来、プロセス分析技術のユーザーは、従来の測定技術（例えば、直接測定、TDLAS、GC）に投資するだけでなく、物質特性や材料組成の測定にもますます投資するようになることも考慮すべきです。
PATは、プロセスとその重要なパラメーターを分析し、最適化し、最終的に制御する役割を果たします。この制御は、メーカーにおける品質保証とプロセス全体の信頼性に大きく貢献します。有毒物質が放出され、人々や環境に甚大な被害をもたらした有名な化学災害（水俣、トゥールーズ、天津など）を思い起こせば、重要パラメータの定期的モニタリングの重要性がよくわかります。自治体や産業排水処理施設による排水の汚染から、医薬品、大気中のガスやエアロゾルに至るまで、モニタリングが可能であり、またモニタリングしなければならない化学物質は膨大な数に上ります。
Brochure: Applications for Process Analytics – Manual
45年にわたる世界的な導入実績に基づくアプリケーション集 (電子ブック) をダウンロードできます。
分析ラボからプロセスへ
製造業やその他の産業プロセスの歴史を考えると、安全対策と可能な限りのコストの最小化に留意しながら、より短い時間枠でスループットを向上させることが最終的な目標であることは明らかです。自動化による独立性と高速で信頼性の高いデータ転送は最優先事項です。
バリューチェーン全体を通じて経済的に実行可能なプロセスにするためには、得られる製品を最高の品質で、短時間に、最小限の原材料とエネルギー使用で製造する必要がある。特に24/7 (1日24 時間/週7日) のオペレーションでは、出発原料や中間生成物の組成に関する情報(純度や不純物の情報) を得ることが、最適なプロセス制御と信頼性のために不可欠となります。
信頼性の高いプロセス・モニタリングを24時間体制で確保するにはどうすればよいのでしょうか？ 実際に3交代制での自社分析ラボを持つ企業は少なく、サンプルは外部の契約分析ラボに送られることが多くあります。さらに、サンプリングの間隔が長くなることもあります。これには様々なリスクが伴うことになります。
一方で、サンプリングから分析結果を受け取るまでの時間が長いことが問題になります。目標濃度または制限値からの変動や逸脱に対しては、一定の時間内でのみ対応できます。
更に、作業条件や環境条件は同等ではなく、サンプルに変化をもたらす可能性があります。酸化、圧力、また温度の変化、水分の混入、その他多くの要因が、輸送中、待機期間中、ラボでの手動分析中に、サンプルの本来の性状を変化させる可能性があります。
メトロームのプロセス分析技術の歴史について詳しく知りたい方は、以前のコラムをご覧ください:
プロセスアナライザー： 24時間自動オペレーション
通常は手作業で行われる分析も、プロセス分析装置を使えば自動化できます。サンプルは生産工程の重要なサンプリングポイントから自動的に分取され、分析して濃度計算がされます。得られた情報は、直ちに工場の中央制御室のコントロールシステムに転送されるため、滞りなくプロセス制御に反映されます。サンプリングポイントでの自動分析により、データの精度と再現性が向上します。
実際には、サンプルは、対象のプロセスサンプリングポイントからバルブ、ポンプ、またはバイパスラインを用いてサンプリングララインを経由しプロセス分析装置へ供給されます。各サンプルは、性状変化のない、現在のプロセスに相関した状態でプロセス分析装置へ供給されます。プローブは、連続インライン測定のためにプロセスラインに直接組み込むこともできます。
分析は、ラボでよく知られている滴定法、分光法、イオンクロマトグラフィー法、または電気化学的測定法などの一般的な分析手法を用いて行われ、個々のアプリケーション要件に合わせてプロセス分析装置に最適に統合されています。これらの分析手法は、組み合わせて使用することができ、1 つのプロセス分析装置システムで複数の測定ポイントを並行してモニターすることができます。アプリケーションに合わせて特別に構成され、拡張可能なプロセス分析装置により、安定したプロセス制御のための最適な条件が得られます。
近年、分光法はプロセス分析と最適化の目的で特に確立されつつあります。従来の分析手法とは対照的に、近赤外分光法 (NIR) は、特に分析のスピードにおいて多くのメリットがあります。分析結果は数秒以内に得られ、中央制御システムに直接転送されるため、生産プロセスを迅速かつ確実に最適化することができます。化学薬品を使用することなく、非破壊でその場で分析されるため、プロセスの安全性がさらに高まります。
近年、分光法はプロセス分析と最適化の目的で特に定着しています。従来の分析方法とは対照的に、近赤外分光法 (NIR)には、特に分析速度の点で多くの利点があります。結果は数秒以内に取得され、化学制御システムに直接転送されるため、生産プロセスを迅速かつ確実に最適化できます。サンプルは、化学薬品をまったく使用せずに非破壊的にその場で分析されるため、プロセスの安全性にさらなる付加価値がもたらされます。
近赤外分光法 (NIR)についてご質問がありますか？ よくある質問シリーズをご覧ください。
Frequently asked questions in near-infrared spectroscopy analysis – Part 1
PATの多くのメリット
プロセス分析技術における自動化は、未来的なロボットとは関係があるわけではありません。むしろ、PATは企業に多くのメリットをもたらします：
- 完全自動で24時間365日プロセスをモニターできます。
- 分析結果をシステム制御にタイムリーかつ自動的にフィードバックし、プロセスを自動的に再調整します。
- 製品品質のばらつきの低減させます。
- プロセスの理解を深め、生産をより効率的に実行させます。
- 自社の分析ラボ（または契約の分析ラボ）に依存しなくなります。
- 分析結果の完全なデジタル・トレーサビリティが確保されます。
- サンプルの前処理、時間の節約、安全性の向上を含むトータルソリューションコンセプトです。
次は？
このシリーズの次回のコラムでは、”インダストリー4.0” に関するデジタルトランスフォーメーション (DX) においてプロセス分析技術が果たす役割をご紹介します。こちらをクリックしてください！
