עקרונות פעולה- והפעם- מכשור FTIR

במאמר זה נסקור את העקרונות הפיזקאלים עליהם מושתת עבודתם של אנליזרים למדידת ריכוזי גזים או נוזלים בתהליכי יצור בתעשיה. ביישומים מגוונים בתעשיה הישראלית מותקנים אנליזרים תעשייתיים המשמשים הן לשמירה ובקרה על רמות הפליטה של המפעלים היצרניים, והן על אבטחה ויעול של תהליכי היצור. לדוגמא- במפעלי פארמצבטיקה האנלייזר מסייע להחליט מהי הנקודה האידיאלית בייבוש החומר והאם התהליך הסתיים. שימוש באנלייזר ביישומים אלו מקצר את זמני מחזור הייצור, מעלה את התפוקה בכל מחזור ומפחית משמעותית את כמות העבודה ואת כמות חומר הגלם הנדרשים לייצור.

העיקרון הבסיסי שעליו מסתמך כל תהליך ספקטרוסקופי הוא מציאת הקשר בין קרינה לדגימה כפונקציה של אורך גל ואו תדירות. הלכה למעשה, הדגימה מוארת באור בתדירות או באורך גל ספציפי וכשהאור מוחזר מהדגימה הוא משתנה או שעוצמתו נחלשת וזאת בהתאם לסוג הדגימה שבה פגע וממנה הוחזר. השינוי בתכונות של האור החוזר היא זו שנותנת אינדיקציה לתכונות של הדגימה.

כל מולקולת חומר מורכבת מאטומים הקשורים ביניהם. המולקולות נעות בוויברציה בעלת תדר טבעי מסוים היות והאטומים עצמם רוטטים סביב הקשרים ביניהם. ככל שהמולקולה גדולה יותר ויש בה יותר קשרים כך התנועתיות שלה מורכבת יותר. סוג התנועה של המולקולות נקבע על-פי צורת המולקולה, האנרגיה הפוטנציאלית של המולקולה, מאסת המולקולה ותכונה נוספת מתחום הכימיה התיאורטית הנקראת “צימוד וויברציוני” שלמעשה מתארת שינוי אנרגטי של המבנה התת-אטומי במולקולה.

ספקטרוסקופית IR (IR – Infra Red) מנצלת את העובדה שהקשרים שבין האטומים של מולקולות לא סימטריות בולעים אור בטווח IR. טווח ה-IR עצמו מתחלק ל-3 חלקים הנקראים: Near-IR, Mid-IR, Far-IR שקיבלו את השם שלהם ע”פ קרבתם לטווח האור הנראה. כאשר מאירים את הדגימה באור בטווח IR הקשרים שבין האטומים שבמולקולה בולעים את האור וגורמים לאטומים לרטוט ולנוע מהר יותר. כיוון שלכל סוג קשר בין אטומי יש בליעה ייחודית (אורך גל ספציפי שנבלע מתוך הטווח), ניתן לאפיין את סוגי הקשרים על-פי כמות וסוג הבליעה ומתוך כך ניתן להסיק מהם האטומים הקשורים אחד לאחר ומתוך כך להסיק מהו מבנה המולקולה של הדגימה.

כדי למדוד את הבליעה של קשר ספציפי בין אטומים צריך להשתמש באורך גל ספציפי. לצורך כך ניתן להשתמש במונוכרומט שהוא מקור אור המייצר אור באורך גל מסוים וידוע מראש. המשמעות של השימוש במונוכרומט היא היכולת לזהות רק קשר מסוג מסוים. זהו גם החיסרון במונוכרומט, חוסר היכולת לזהות קשרים מסוגים אחרים שלא בולעים את האור באורך הגל המסוים.

FTIR (IR Fourier Transform) היא אחת מהשיטות הספקטרוסקופיות הידועות והמקובלות במדע ובתעשייה. במכשור FTIR נעשה שימוש במנגנון הנקרא “אינטרפרומטר מיכאלסון”. במנגנון זה, אור בטווח IR יוצא ממקור האור ומפוצל על-ידי מפצל. משם האור פוגע ב-2 מראות, אחת נייחת ושנייה ניידת. המראות מחזירות את האור לכיוון הדגימה ומשם האור ממשיך אל חיישן. דרך הדגימה עוברים שני גלי אור, הראשון שהוחזר מהמראה נייחת והשני מהמראה הניידת. מכיוון שהמראה השנייה ניידת, האור שמוחזר ממנה שונה בפאזה שלו מהאור שמוחזר מהמראה הנייחת. הפלט שמתקבל הוא חתימת IR (אינטרפרוגרף) שהוא פלט דיי מורכב שעל מנת לפענח אותו נדרשת פעולה מתמטית הנקראת טרנספורמצית פורייה. למעשה, טרנספורמצית פורייה מאפשרת לעבור מפונקציה המתארת את מיקום המראה הניידת לפונקציה המתארת את גל האור שהגיע לחיישן. המשמעות בפועל היא שבשיטת FTIR ניתן להאיר את הדגימה בטווח של גלי אור IR ולהבדיל ולהבחין בין סוגי הבליעה השונים ולמעשה לזהות בבת אחת את כל סוגי הקשרים במולקולה ובכך לקבוע את תכונות החומר.

לא רק שמכשור FTIR זול יותר ומהיר יותר מאשר מכשור המבוסס על מנגנונים מונוכרומטיים, מכיוון שכל האלמנטים האופטיים נמדדים באתו הזמן, יחס S/N בשיטה זו הוא טוב יותר מה שהופך את שיטת FTIR למתאימה במיוחד לדגימות בעלות רעש רקע גבוה. כמו כן, להבדיל ממכשור הפועל על עיקרון פיזור האור, במכשור FTIR אין פיזור ולכן אין אובדן של סיגנל בין חלקי המערכת מה שהופך את המערכת למדויקת יותר.

יתרון נוסף חשוב למכשור FTIR הוא היכולת “לפרק” חתימת IR מורכבת לכל אחד מהרכיבים, לדוגמא: באנליזה של תמיסה, ניתן “להסיר” את חתימת הממס ולקבל רק את חתימת המומס ולהפך. הדבר מאפשר לבצע אנליזה ברמת דיוק גבוהה לדגימות שמכילות מספר רב של חומרים שאין אפשרות לבצע הפרדה פיזית ביניהם לפני הבדיקה.

אומנם השימוש במכשור FTIR החל עוד בשנות ה-80 של המאה שעברה אך באותה תקופה משאבי המחשוב היו יקרים ומהירות העיבוד הייתה איטית. כיום, עם ההתפתחות האדירה בעולם המחשוב ניתן לקבל תוצאות מדויקות ומהירות רבה.

חברת ABB הינה אחת החלוצות בעולם בפיתוח וייצור ציוד אנליטי בשיטת FTIR. החברה פיתחה שני קוים עיקריים של מכשור בהתאם ליישומים שונים. סדרת FPTA2000 המיועדת לביצוע אנליזות FTIR בתהליכי ייצור וסדרת FTLA2000 המיועדת לביצוע אנליזות FTIR בתהליכים מעבדתיים.

בסדרה התעשייתית ניתן למצוא כמה דגמי מכשירים העונים על צרכים שונים של תעשיות שונות.

FTPA2000-HP40


אנלייזר שנועד לסייע למפעלים מהתחום הפארמצבטי לעמוד בתקני PAT בשלבי הייצור בהם מבוצע ייבוש. האנלייזר מסייע להחליט מהי הנקודה האידיאלית בייבוש והאם התהליך הסתיים. שימוש באנלייזר מסוג זה מקצר את זמני מחזור הייצור, מעלה את התפוקה בכל מחזור ומפחית משמעותית את כמות העבודה ואת כמות חומר הגלם הנדרשים לייצור. מספר יתרונות שמציע האנלייזר:


  • עומד בדרישות cGMP ו-CFR Ch11
  • פועל ללא מגע ישיר עם הדגימה
  • דיוק, יכולת חזרה ואמינות גבוהים מאוד יחד עם פשטות תצוגה והפעלה
  • יכולת גילוי של סולבנט אורגני 0.1% w/w
  • מדידה של עד 8 נקודות דגימה בו זמנית
  • זמן תגובה של פחות מדקה אחת
  • יכולת להציב את המכשור במיקום מרוחק מהבקרה
  • פרוטוקולי תקשורת נתמכים: ,ModBus ,CANbus OPC, Vista Net
  • יכולת לפתח “טביעת אצבע” ייחודית לכל תהליך ותמיכה מלאה במודלים על-ידי ABB
  • תוכנת הפעלה ייעודית מבית ABB המאפשרת קלות בהפעלה, יכולת אגירת נתונים ועוד.


    FTPA2000-SC10

    אנלייזר Wet Process Analysis שנועד לסייע למפעלים מתחום ההי-טק לנטר את ההרכב של תמיסות המשמשות באמבטיות ניקוי, Etching ו-Stripping. מאפשר קיצור זמני מחזור העבודה ושימוש ארוך ומדויק יותר בתמיסות ובכך מפחית את עומס העבודה ומקטין את ההוצאות הנובעות מהכנה של תמיסות וטיפול בהן בגמר השימוש. מספר יתרונות שמציע האנלייזר:

    • מספק מידע בזמן אמת על הרכב ותכונות התמיסות.
    • פועל ללא מגע ישיר עם הדגימה
    • קיים דגם קומפקטי שיכול להתאים בקלות לתוך ארון מכשור סטנדרטי שכבר עומד בחדר הייצור
    • מדידה בו-זמנית של עד 8 זרמים ו-4 חומרים (32 פרמטרים)
    • זמן תגובה של פחות מדקה אחת
    • יכולת להציב את המכשור במיקום מרוחק מהבקרה
    • פרוטוקולי תקשורת נתמכים: ,ModBus ,CANbus OPC, Vista Net
    • תמיכה מלאה במודלים על-ידי ABB
    • תוכנת הפעלה ייעודית מבית ABB המאפשרת קלות בהפעלה, יכולת אגירת נתונים ועוד.


    FTPA2000-HP50; FTPA2000-460; FTPA2000-360

    קבוצת מכשירים זו נותנת מענה לצרכים של תעשיות פטרוכימיות בתהליך המורכב ובשלבים השונים של זיקוק הנפט. כיוון שתהליך הזיקוק עצמו מורכב ממספר רב של תהליכים ושיטות, פותחו מכשירים שונים המבצעים את עבודת הניטור בתאם לסוג התהליך וסוג החומר המנוטר. מספר יתרונות שמציעה קבוצת האנלייזרים:

    • דיוק, יכולת חזרה ואמינות גבוהים מאוד יחד עם פשטות תצוגה והפעלה
    • זמן תגובה קצר
    • עמידה בתקן עמידות NEMA ו-ATEX
    • אפשרות לשימוש בטווחים שונים של IR בהתאם לאפליקציה
    • מעמדים יעודיים המאפשרים להציב את המכשור בתוך חדר מכשור קיים
    • פרוטוקולי תקשורת נתמכים: ,ModBus ,CANbus OPC, Vista Net
    • תמיכה מלאה במודלים על-ידי ABB
    • יכולת להציב את המכשור במיקום מרוחק מהבקרה
    • תוכנת הפעלה ייעודית מבית ABB המאפשרת קלות בהפעלה, יכולת אגירת נתונים ועוד

      כיום, חברת ABB התקינה בהצלחה יותר מאלף אנלייזרים שונים בטכנולוגית FTIR בתעשיות שונות ובאתרים שונים בעולם. אחת ההתקנות המעניינות היא עבור קבוצת “ארה” האיטלקית אשר רכשה מספר אנלייזרים המוצבים במפעלים להשבת אנרגיה מפסולת ביניהם במודנה, עיר הולדתו של אנזו פרארי. קונטאל, הנציג הרשמי של ABB בכל הקשור למכשור אנליטי בישראל, לקחה חלק ברשימת ההתקנות כאשר אנלייזרים כבר פועלים בהצלחה רבה מפעל נשר לייצור מלט ובמפעל מכתשים תעשיות כימיות ומוצרי הדברה.

      כללי