Ruim vijf jaar geleden zette senior lab technician Richard Burger een verandertraject in gang om waterstof in plaats van helium te gebruiken als draaggas voor de GC’s in het QC-lab van Eastman Chemical in Middelburg. Door het in gebruik nemen van waterstofgeneratoren was niet alleen de beschikbaarheid van het GC-draaggas gegarandeerd, maar kon ook de analysetijd worden gehalveerd. Recentelijk is geïnvesteerd in een addditionele waterstofgenerator, zodat er ook voor piekvragen van meerdere GC’s tegelijk voldoende capaciteit is.
“Als het plakt, zit er iets van ons in”, zo vat Richard Burger de wijdverbreide toepassing samen van de grote verscheidenheid aan harsen die worden geproduceerd bij Eastman Chemical in Middelburg. Deze verlaten als halffabrikaten, veelal in pastillevorm, de plant en worden door klanten over de hele wereld gebruikt in talloze toepassingsspecifieke formuleringen. Zo zijn de harsen te vinden in verf, plakstrips van luiers, autobanden, wegmarkering, coatings, inkten, sluitstrips van verpakkingen tot verpakkingsfolies van snoepjes.
Senior lab technician/LIMS plant coördinator Richard Burger werkt al 34 jaar bij Eastman Chemical. Hij is met een collega verantwoordelijk voor het draaien van het lab en heeft ook de inkoop van apparatuur en andere labbenodigdheden onder zijn hoede.
Harsen
De basis van de kunstharsen voor non-food toepassingen ligt in de C5- en C9-fractie van het olieraffinageproces. De C5- en C9-gebaseerde grondstoffen worden ieder verwerkt in een aparte fabriek. De in de C9-reactor gevormde verbindingen worden verpompt naar een derde fabriek, de hydrogenatie plant. Hier worden, afhankelijk van het beoogde eindproduct, de verbindingen meer of minder gehydrogeneerd, waarbij de aromatische zijgroepen door waterstofatomen worden vervangen. Hoe verder je daar in gaat, des te lager is de aromaticiteit. De hydrogenatiegraad hangt samen met de plakeigenschappen. In combinatie met onder meer een variëteit aan smeltpunten (90 °C tot 140 °C), ketenlengte c.q. molecuulgewichten en cloudpoints levert dat een portfolio van zo’n 80 verschillende harsen.
Naast de kunstharsen produceert Eastman Chemical in Middelburg ook natuurlijke harsen, vooral voor foodgrade toepassingen. De grondstof voor die harsen is afkomstig van gomharsen die worden afgetapt van bepaalde dennenbomen in Azië. Daar worden de terpenen er vanaf gedestilleerd, waarna de hars naar Middelburg wordt getransporteerd. Deze zogeheten rosine wordt in vier kleinere fabrieken verwerkt tot meerdere variëteiten. De foodgrade harsen worden onder meer toegepast als halffabrikaat voor de kauwgumindustrie, in lijmformuleringen voor voedselverpakkingen, maar ook voor verf die wordt gebruikt voor houten kinderspeelgoed.
Continu vinger aan de pols
Op het complex in Middelburg wordt 365 dagen per jaar 24/7 geproduceerd. Het QC-laboratorium is ook 24 uur per dag in de lucht om alles in goede banen te leiden. De werkzaamheden op het QC-lab zijn zeer gevarieerd, van ingangscontrole van de grondstoffen tot procesanalyses en eindcontroles op een groot scala aan parameters. Ook worden er monsters gedraaid voor monitoring van het afvalwater. Het analysewerk in de ploegendienst is vooral gericht op procescontrole. Dat is geen sinecure voor een klein team, met enkele honderden monsterpunten op het fabriekscomplex en om de paar uur een monsterronde.
“In de regel zullen nooit al die monsterpunten tegelijk bemonsterd hoeven te worden, maar in de praktijk zijn de ploegenlaboranten zes van de acht uur echt monsters aan het stampen; die draaien een enorme productie!”, vertelt Richard. “Dat gaat volgens een strak gestructureerd procédé. Achter ➞ elke fabrieksunit zit een tijdklok. Als daar een proces loopt, geeft het LIMS, afhankelijk van het product dat er wordt gemaakt, aan op welke tijden er op welke monsterpunten een monster moet worden genomen voor welke analyses. Bijvoorbeeld: ieder twee uur een zuurgetal, een viscositeit en een kleur; elke vier uur een speciale kleurbepaling, een smeltpunt en een cloudpoint, enzovoorts. De analyseresultaten verschijnen ook in het aan het LIMS gekoppelde PIMS (het procesinformatiesysteem), op basis waarvan de operator het proces waar nodig kan bijsturen.” De medewerkers van de dagdienst houden zich ook bezig met speciale analyses, bijvoorbeeld voor R&D, of als er een vraag is in de fabriek of bij een klant. Van elk eindproduct wordt minimaal een jaar een steekmonster bewaard, zodat altijd op het niveau van batchnummer en productiedatum een heranalyse kan worden uitgevoerd.
Ruim vijf jaar geleden zette Richard Burger een verandertraject in gang om waterstof in plaats van helium te gebruiken als draaggas voor de GC’s in het QC-lab. Met de door Da Vinci Laboratory Systems geleverde waterstofgeneratoren van PEAK Scientific hoef je er alleen maar voor te zorgen dat er voldoende ultrapuur water in het reservoir zit.
Alle GC’s zijn uitgerust met een waterstofsensor van Da Vinci, die na bijvoorbeeld een kolombreuk direct de waterstof detecteren en via een not-ready signaal de GC afsluiten.
Goed uitgeruste labs
Het QC-laboratorium is onderverdeeld in een nat- en een instrumenteel lab. In het natlab worden fysisch-chemische analyses uitgevoerd, zoals smeltpunt, vlampunt, viscositeit, kleurmeting, aromaticiteit en kleurstabiliteit. Ook vinden er voor de analyse van het afvalwater bepalingen plaats als chemisch zuurstofverbruik (CZV) en pH. Een belangrijke specificatie voor de halffabrikaten, het cloudpoint, wordt ook bepaald in het natlab. Het cloudpoint staat voor de verdraagzaamheid van de hars in een olie of oplossing. Bij de bepaling los je onder verwarmen de hars op in een vloeistof totdat alles is opgelost. Dan ga je terugkoelen met bijvoorbeeld 10 °C per minuut. Op het moment dat de eerste troebeling verschijnt in je oplossing, heb je je cloudpoint bereikt.
“Als de hars veel aromaten bevat, dan vindt het cloudpoint eerder, bij een hogere temperatuur plaats. Hoe minder aromaten, hoe lager het cloudpoint. Omdat de klant zijn formuleringen binnen bepaalde temperatuurgebieden wil kunnen maken en toepassen, moet de hars daar wel aan kunnen voldoen.”
Instrumenteel lab
In het instrumentele lab vallen als eerste de vele GC’s op. Maar er zijn ook nog genoeg andere technieken in het lab te vinden, stelt Richard Burger. “We hebben GPC-systemen voor het bepalen van de moleculaire gewichtsverdeling, ook weer een belangrijke parameter in verband met de plakeigenschappen. De zwaarste hars die wij maken heeft een molecuulgewicht van ongeveer 10.000 Da. Onze harsen hebben vrij korte ketens. Daardoor zijn ze weliswaar breekbaar, maar smelten ze wel makkelijk en zijn ze makkelijk op te lossen. De HPLC gebruiken we voor een antioxidantbepaling en het bepalen van de esterverdeling. De ICP zetten we in voor metaalanalyses op ppm- en ppb-niveau van name de binnenkomende grondstoffen voor de foodgrade harsen. Die sporenelementen mogen natuurlijk niet in foodgrade materialen zitten. Met de XRF bepalen we zwavel en chloor op ppm-niveau. Zwavel is niet goed voor onze katalysatoren; het bindt er aan. Bij meer dan 10 ppm moeten we eerst destilleren. En als ik de GC/MS nog aan het rijtje van niet-GC’s mag toevoegen; die gebruiken we om ppb-gehaltes van onder meer benzeen en styreen te traceren in grondstoffen.”
GC’s
De merendeels dual uitgevoerde GC’s zijn toegespitst op een bepaalde analyse en zijn uitgerust met een dedicated kolom en detector. Een voorbeeld hiervan is de bepaling van de hars/zuurverdeling in de natuurlijke gomharsen. “Hier komt een stukje monstervoorbewerking aan te pas. We lossen eerst de gomhars op en laten vervolgens de harszuren uit elkaar vallen met een pyridine-achtige C8-verbinding in afzonderlijke abietinezuren. Die worden op de GC geprikt. In het chromatogram kan je dan een bepaald zuur (communic acid) uit een bepaalde pinus (harsboom) vinden die zorgt voor een verhoging van het softening point. Op basis van die parameter bepalen we de smelttemperatuur van de hars. Door verschillende delen hars uit verschillende landen (dus ook van verschillende pinussoorten) te mengen kan je op de gewenste smelttemperatuur uitkomen. Deze bepaling doen we alleen in de nacht, want dan worden de tanks gevuld”, licht Richard toe. Andere GC-analyses zijn de hoeveelheid vrije styreen en AMS in eindproducten, hoeveelheid water (ppmniveau) in eindproducten, headspace analyse voor milieumonitoring en de MOSH/MOAH-analyse. De analyse op verzadigde koolwaterstoffen c.q. aromatische koolwaterstoffen in minerale olie is vooral ingegeven door stringente regelgeving rond de migratie van koolwaterstoffen van de verpakkingen naar de voedingsmiddelen. Omdat in die verpakkingen ook harsen zijn verwerkt, moeten ook de harsen daarop worden gecontroleerd, al wijst de praktijk uit dat de oorzaak vooral moet worden gezocht in drukinkten uit gerecycled papier en karton, dat voor het maken van het verpakkingsmateriaal is gebruikt.
Blik op het instrumentele lab.
Waterstof als draaggas
Tot voor ruim vijf jaar werd helium gebruikt als draaggas voor de GC’s. “Op een zeker moment ontstond er wereldwijd een tekort aan helium, waardoor onze gasleverancier de levering van voldoende gascilinders met helium niet meer kon garanderen. Ook de prijzen gingen omhoog. Ik ben toen op zoek gegaan naar alternatieven en kwam al snel uit bij waterstof. Dat staat bekend als uiterst explosief, dus is op het eerste oog zeker niet de beste combinatie met een ontstekingsbron, zoals een GC-oven.
Met de oplossing in de vorm van de door Da Vinci Laboratory Systems geleverde waterstofgeneratoren van PEAK Scientific is een zeer veilige oplossing gevonden. De generatoren hebben een voorraadcapaciteit van slechts 20 ml en de diffusiesnelheid van waterstof is zo groot , dat het bij lekkage in enkele seconden is verdund over de hele ruimte. De generator heeft een beveiliging om interne lekkage te detecteren. Als dat het geval is, gaat de generator direct uit. Bovendien hebben we alle GC’s uitgerust met een waterstofsensor van Da Vinci. Een kolombreuk in een GC komt weliswaar niet vaak voor, maar mocht het gebeuren, dan detecteren de gevoelige sensoren direct de waterstof en sluiten via een not-ready signaal de GC af, die vervolgens automatisch overschakelt op stikstof”, beschrijft Richard de veilige oplossing.
Sneller analyseren
Een bijkomend voordeel van de overstap naar waterstof was een halvering van de analysetijd. “Je kunt de opwarmsnelheid van je oven verdubbelen als je de flow verdubbelt. Dat werkt lekker door in je throughput en is ook gunstig voor de collega’s in de fabriek. Het kan nogal wat uitmaken of je na een uur of na een half uur de getalletjes krijgt over bepaalde proces- of productparameters!” Momenteel staan er enkele waterstofgeneratoren; een additionele is recent besteld. Afhankelijk van de capaciteit (er zijn modellen voor 250, 500 en 1200 ml/min) kunnen er maximaal drie GC’s aan één generator worden gekoppeld. “Je moet van tevoren goed nadenken over de piekvraag van je GC’s en daar de passende generatoren bij zoeken. Zo hebben sommige van onze GC’s split-flows van 200 ml/min; dan heb je in korte tijd best wel een flinke afname. Dan kan je voor één GC zeker toe met een generator van 500 ml/min. Zelfs drie zou kunnen, maar dan moeten ze niet alle drie tegelijk een piekvraag hebben. Om daar wat meer rek in te hebben, hebben we nu geïnvesteerd in een generator met 1,2 liter capaciteit. Hierdoor hebben we voor het reguliere werk overcapaciteit, maar als meerdere GC-systemen tegelijk zouden vragen kan je dit nu ook aan. En mocht er een generator uitvallen (op een zeker moment is de waterstofcel echt ‘op’), dan heb je een zekere backup.” De waterstofgeneratoren vergen verder weinig aandacht; je moet er alleen voor zorgen dat er voldoende ultrapuur water in het reservoir zit. “Heel wat anders dan dat gesjouw met die gasflessen met helium. Dat missen we echt niet!”