• 我国工业在线近红外光谱技术发展的关键问题分析
  • 仪器信息网 2019/8/23 9:51:23 加载中...
导读在在线NIR领域我们明显落后于西方国家,我国在线NIR技术的应用远未到达其应有的程度和水平,尤其是在工业生产领域,与中国目前引领世界经济发展的地位非常不相称。
  •   过程分析技术(PAT)是通过对原材料和处于加工中材料的关键质量品质和性能特征进行及时测量,来设计、分析和控制生产加工过程的一项技术。PAT有助于实时掌握各种物料的状态、含量、性质,深刻理解工业过程各个工序的工作实况和本质,更有利于生产过程的实际控制。因此,PAT对于减少生产时间、提高产品质量、提高自动化程度等具有重要作用。在线监测是PAT的重要内容,近红外光谱(NIR)是目前工业PAT中最重要的在线监测技术之一。

      近红外光谱分析技术操作简单、使用方便、测量快速,而且能提供丰富的分子信息,是非常理想的在线监测技术。同时近红外光谱仪器种类多、测量附件全、性价比高等优点也是选择NIR技术实现在线监测的重要理由,因此近几十年来近红外光谱技术在PAT中的应用越来越广泛和普及,代表性的应用领域包括制药、石油化工、基础有机化工、食品生产和加工、酿酒等。

      整体上看,我国近红外光谱技术的发展和应用,包括仪器研发、算法研究、应用开发等,较欧美及日本等西方国家相比并不落后。虽然某些方面还差强人意,但也有一些研究取得了令人惊喜的成果,也成功地拓展了一些我国特有的应用领域。但与此形成鲜明对比的是,在在线NIR领域我们却明显落后于西方国家,我国在线NIR技术的应用远未到达其应有的程度和水平,尤其是在工业生产领域,与中国目前引领世界经济发展的地位非常不相称。本文将着眼于工业领域,探讨在线NIR技术发展的重点或难点,分析制约我国在线NIR发展的关键问题,以期为中国在线NIR的快速发展奉献微薄之力。

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    华东理工大学 杜一平教授 

      1、重视开发工业在线专用近红外光谱仪器及其配套设备

      在线NIR技术的硬件主要包括近红外光谱仪器和配套的测样装置。虽然工业过程的光谱测量一般具有抗震、耐温、防腐、防爆等要求,但经适当的设计和安装,常用的近红外光谱仪器,包括傅里叶变换、光栅扫描、声光可调滤光器型,以及多种分光原理的小型光纤近红外光谱仪器都可以用于工业在线监测中。大型高性能光谱仪在在线NIR中的应用是比较成熟的,在石油化工、制药、烟草等领域已经有了一些比较成功的应用。值得关注的是,近年来小型光纤光谱仪器的发展为在线NIR展现出美好的前景。除了仪器小巧、价格低廉这些必然的优点以外,光纤光谱仪还具有安装容易、灵活,使用方便等优势。虽然在性能上不如大型光谱仪,但对于某些对分辨率和准确度要求并不是很高的应用对象,小型光纤光谱仪更具有吸引力。整体上看,各类近红外光谱仪器为在线NIR提供了非常广阔而灵活的选择空间,NIR仪器并不是在线NIR技术推广的难点。但毕竟工业在线监测具有特殊的要求,针对这些要求开发专用的在线NIR仪器还是非常必要的。

      在线NIR可用于很多生产工序,如反应、蒸馏、混合、分离、烘干、溶解、结晶等,不同生产工艺对在线监测的要求也是五花八门,而且监测点的环境一般也远较实验室恶劣,比如温度、湿度、腐蚀性、振动等条件都会对光谱仪造成影响。因此,在线NIR监测对检测探头和监测条件有很多具体的要求。通常使用光纤将监测点与光谱仪连接起来,这样可以避免很多环境因素的影响和限制。监测点一般采用光纤探头或流通池实现光谱的采集。对于光纤探头,入射光和返回光路设计在一个探头内,使用时只要将探头插入被监测的物料内即可,因此使用方便、灵活。透射光纤探头用于对液体样品的测量,漫反射光纤探头用来测定固体样品。流通池适用于液体样品的在线测量,将流通池固定在监测点的管路上,连接于流通池上的入射光和返回光通过两路光纤进行光传输,并与光谱仪相连。实际生产过程往往很复杂,对在线监测会产生很多的制约,常见的要求包括检测探头必须耐温、耐压、耐腐蚀、耐磨等,还要考虑解决可能存在的探头堵塞、产生气泡等问题。鉴于工业在线NIR对光纤探头或流通池的特殊要求,比较合理的解决方案是根据具体工业过程的特点,开发系列检测探头用于不同需求的应用。这样做有利于检测探头的标准化、规范化,对于提高在线NIR技术的开发效率,推广在线NIR具有重要意义。

      2、提高应用技术人员近红外光谱分析模型的开发能力

      对于从事近红外光谱技术应用的技术人员来说,建模是难点问题之一,因为它需要化学计量学知识作为支撑。

      建立高质量的模型(不妨称为最优模型)确实是一件不容易的事情,但是如果简化建模过程,建立一个比较优的合理的模型就不一定很难了。所建模型是最优还是比较优,一般体现在预测误差是最小还是比较小,而在近红外光谱分析的实践中,不同模型的预测误差常常相差不大(在合理建模的前提之下),或者用户对模型预测能力要求不高,这种情况下,完全可以用比较简单的建模过程和方法建立比较优的模型。另外,在线分析关注的是监测指标值的变化趋势,因此相对于监测结果的绝对准确度,其更注重结果的稳定性。如果采用上述的策略,建模就不太难了。

      本课题组在与企业合作开发近红外光谱模型时,所采取的方法就是:我们为用户开发实用的近红外光谱模型的同时,对用户的技术骨干进行建模培训,使其除了掌握模型使用和简单维护的技能以外,还要具备基本的建模能力。如果有必要,我们还提供简易的建模软件。该软件能够使不甚专业(基本的化学计量学知识还是需要掌握的)的使用者,能够用简单的若干个套路“半自动化地”完成建立模型的任务。这样做不但有利于用户更好地理解和使用模型,还可以自主开发新的模型(虽然不一定是最优的,但能保证是较优的),同时也为社会培养了更多的“化学计量学人”。这种做法效果很显著,我们为某化工厂研发了一套在线近红外光谱监测装置,并建立了模型。后来该企业自主开发了第二套监测装置,而且在我们的帮助下,实现了一台在线NIR仪器顺序监测六个监测点的在线监测。再后来他们又独立开发了第三套监测系统,独立完成了建模工作。

      梁逸曾教授曾经多次指出:只要掌握好的学习方法,化学计量学并不难学。我体会到,要普及技术人员建立近红外光谱分析模型的能力,培训是必需的环节,而培训的手段和方法可能更是至关重要的。仪器信息网和近红外光谱分会每年都举办近红外光谱技术和化学计量学的培训活动,这对于普及近红外,推动近红外的发展意义重大。

      另外,本人认为:智能建模,或自动建模是解决建模难这一瓶颈问题的有效途径,这种建模方法的研发是非常有意义,且有重要需求的研究课题,理应引起化学计量学研究者,或NIR模型开发人员的重点关注。

      3、做好产、学、研、用、政环节切实推动我国工业在线近红外光谱技术的应用和普及

      在国产分析仪器的发展过程中,人们逐渐将“产、学、研”的传统提法,又添加了“用”和“政”两个内容。“用”是指用户,意为仪器的研发离不开用户的参与或用户的要求,这层含义用在近红外光谱领域(包括在线近红外)更是贴切。下面我想重点谈谈“政”的作用。

      “政”即政府,更广义地理解就是“领导”。在很多场合,南开大学邵学广教授都提到:发展我国近红外光谱技术,我们不但要培训科技人员,还要培训领导。这句话很深刻地道出了“政”的重要性。

      首先,政府重视是发展我国近红外光谱技术的重要条件,这是毋庸置疑的。

      第二,发展我国在线近红外光谱技术另外一个重要因素就是用户企业领导的重视。在推广在线NIR时,企业领导经常担心的问题是这些技术能否影响其正常的生产,或者说,企业已经具备了正常的生产,有没有必要担一定的风险上在线NIR技术。从商业角度看,领导的担心是有道理的,但这却影响了在线NIR技术的普及和推广,实际上也影响了企业未来的竞争力(安于现状能够保证企业今天的现状,但不一定能满足未来发展的要求)。这种问题最好的解决方案就是“培训领导”,改变其对近红外光谱技术的保守看法。另一个思路就是,在线NIR技术在单一企业应用成功后,在同行业中进行推广,使其具有示范作用。即,“一点红带到一片红”。

      第三,发挥“政”的作用还体现在发展标准方法上。在国民经济生产中,标准方法扮演着重要的角色。在生产企业,原材料检测、生产中间产物检测和质量控制,以及最终产品的质量检测,往往都依赖标准分析方法。可惜的是,在标准方法中很少看到近红外光谱的影子。推广在线NIR技术时,非标准方法往往也是企业拒绝该技术的原因。解决这种问题的根本策略就是积极推动近红外光谱技术进入标准方法的进程。在很多近红外人的不懈努力下,近年来这方面工作取得了很大成就,发展了很多使用近红外光谱的国家标准和行业或地方标准,但其覆盖面还远远不足,在在线NIR领域更是如此。另外,进一步推动将NIR技术引入企业标准也是不容忽视的工作。在推广在线NIR技术时,要充分考虑企业在标准化方面的需求,使近红外光谱技术完全满足要求。我们课题组在为一家中药生产企业开发近红外光谱分析技术时,应企业要求,在软件中增加了账户管理系统、历史操作日志的记录与查看、用户权限分级管理系统等模块,就是为了要达到GMP的要求。

      4、提高在线NIR从业人员的综合技术能力

      与实验室NIR技术完全不同,在线NIR技术是一种集机械、光学、电子、自控,以及应用领域的多学科体系。在为用户开发在线NIR技术时必然会遇到与用户现有生产过程分析技术(PAT)和过程控制技术(PCT)的融合问题。为了更好地服务于生产企业,从事NIR开发的技术人员,或者技术团队必须要拓展自己的专业知识,完美的、专业的技术服务才容易为客户接受。


      在经济飞速发展的中国,在线近红外光谱技术具有重大的需求,但其发展却受到了很多因素的限制和制约,导致推广和普及在线近红外光谱技术出现了很多问题。解决这些问题的重担责无旁贷地落在我国近红外人的肩上。在中国近红外光谱分会这杆大旗下,团结着各行各业、各种专业背景的技术人员,让我们怀着开放的胸怀,通力合作、取长补短、积极进取,为推动我国工业在线近红外光谱分析技术的发展做出我们应该做的努力。

    (杜一平 华东理工大学上海市功能性材料化学重点实验室,化学与分子工程学院,上海,200237)

  • 编辑:叶建
  • [来源:仪器信息网]
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            最新评论
            • Ins_ba933bae
            • 2019/8/27 13:45:19
            • 学习了!!
            • zal
            • 2019/8/27 13:38:55
            • 看看
            • Insm_961b420f
            • 2019/8/27 13:27:00
            • 了解一下
            • v2980992
            • 2019/8/26 23:24:59
            • 好好学习学习
            • dahua1981
            • 2019/8/26 18:16:31
            • 了解一下
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