Die Bewältigung der Energiekrise durch maßgefertigte GC-Systeme
Shimadzu ermöglicht Forschung zu alternativen Energiequellen
Dr. Anna Cooper, Shimadzu UK
Trotz der Vielseitigkeit der handelsüblichen Systeme und Säulen für die Gaschromatographie (GC) ist die GC-Analyse von Permanentgasen nach wie vor ein Spezialgebiet, für das ein individuellerer Ansatz erforderlich ist. Wir sprechen dazu mit Peter Klawitter, seit fast 20 Jahren der interne Experte für diese maßgefertigten GC-Systeme bei Shimadzu UK. Er wird uns erzählen, was es mit der Entwicklung dieser Systeme auf sich hat und warum sich diese speziell angefertigten GC-Systeme auf dem schnell wachsenden Forschungsgebiet der „neuen Energien“ als so nützlich und beliebt erweisen.
Guten Tag, Peter! Könnten Sie zunächst beschreiben, womit Sie sich in der Gruppe für kundenspezifische GC-Systeme bei Shimadzu beschäftigen? Vielen Dank für die Einladung zu diesem Gespräch! In unserer Unternehmensgruppe entwickeln, bauen und verkaufen wir maßgefertigte Gaschromatographie-Systeme (GC-Systeme) für den britischen Markt. Diese dienen hauptsächlich der Analyse häufig vorkommender Permanentgase wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Methan, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid. Wir befassen uns jedoch auch mit einigen der selteneren Gase wie Ammoniak und Distickstoffoxid.
Seit ich 2003 bei Shimadzu angefangen habe, sind wir erheblich gewachsen. Mittlerweile haben wir etwa 70 Systeme in Großbritannien installiert. Viele davon befinden sich in Universitätslaboratorien – und genau dort liegt derzeit der Schwerpunkt unserer Bemühungen um die Entwicklung neuer Systeme.
Warum werden kundenspezifische GC-Systeme benötigt? Ist es nicht möglich, eine Standardlösung für die Gasanalyse zu entwickeln? Das ist ein guter Punkt. Im Gegensatz zu flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) und halbflüchtigen organischen Verbindungen (SVOCs), die mit herkömmlichen GC-Systemen analysiert werden, weisen Permanentgase eine weitaus größere Vielfalt an physikalischen und chemischen Eigenschaften auf. Diese erschweren sowohl die Trennung als auch den Nachweis und schränken die Arten von Säulen ein, die verwendet werden können.
So vergiftet CO2 beispielsweise die üblicherweise verwendeten Molekularsiebsäulen, während die FID-Detektion (Flammenionisationsdetektor) bei allen Stoffen ohne Kohlenwasserstoffbindung nicht funktioniert.
Ammoniak ist ebenfalls eine Herausforderung, da es recht aggressiv ist und daher in eine eigene Detektions- und Analyselinie aufgeteilt werden muss. In den schwierigsten Fällen, in denen es um Schwefelverbindungen geht, müssen wir das Innere des GC-Systems mit speziell behandelten Legierungen nachrüsten, damit die Proben nicht an den Oberflächen „kleben bleiben“!
Aus diesem Grund sind in der Regel mehrere Säulen und Detektoren für die Gasanalyse sowie Ventile zur Fraktionierung der Zielspezies und sorgfältig durchdachte Ventilflüsse und Zeitabläufe erforderlich, um eine optimale Leistung zu gewährleisten.
Im Wesentlichen bedeutet dies, dass wir für jeden neuen Anwendungsfall eines Kunden ein individuelles GC-System entwickeln müssen. Die Vielfalt chemischer Eigenschaften lässt eine Einheitslösung einfach nicht zu.
Welche anderen Überlegungen außer den Analyteneigenschaften sind bei der Entwicklung eines neuen Systems zu berücksichtigen? Ein wichtiger Faktor ist die Konzentration des zu untersuchenden Analyten. Wenn der Kunde beispielsweise nur Konzentrationen ab 0,1 % nachweisen möchte, dann ist ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor (TCD) in der Regel ausreichend. Aber selbst dann müssen wir uns unter Umständen Gedanken über das Trägergas machen, denn TCDs können nicht zwischen Wasserstoff und Helium unterscheiden. Außerdem müssen wir natürlich berücksichtigen, ob der Detektor durch reichlich vorhandene Verbindungen überlastet werden könnte, sodass der Fluss aufgeteilt werden muss. Andererseits benötigen wir einen empfindlicheren Detektor, wenn der Kunde niedrige Nachweisgrenzen wünscht, was derzeit vor allem bei unseren Kunden im akademischen Bereich häufig der Fall ist.
Aber letztendlich konzipieren wir unsere Systeme so einfach wie möglich und bewältigen die notwendige Komplexität weitestgehend durch die Methode. So bieten wir unseren Kunden die beste Systemstabilität, Leistung und Flexibilität.
Wenn Sie kundenspezifische GC-Systeme entwickeln, nehmen Sie dann ein herkömmliches GC-System als Ausgangspunkt? Ja, das Grundgerüst der meisten unserer Geräte ist der Shimadzu Nexis GC-2030. Seine Bauweise ermöglicht die Montage all unserer zusätzlichen Ventile oben auf dem Gerät. Dadurch bleibt die linke Seite des GC-Systems für eine Kopplung mit einem Massenspektrometer (MS-Detektor) verfügbar, was bei Anwendungen mit Isotopen äußerst praktisch ist.
Was die Detektion betrifft, habe ich bereits den TCD erwähnt, aber es gibt auch den FID für Kohlenwasserstoffe und den Elektroneneinfangdetektor (ECD) für Distickstoffoxid. Außerdem haben wir unseren eigenen patentierten „Barrier Ionization Detector“ (BID), der 2014 auf den Markt gebracht wurde und wesentlich niedrigere Nachweisgrenzen für Permanentgase bietet.
Abb. 2: Nahaufnahme der oben auf einem kundenspezifischen GC-System angebrachten Ventile und Durchflusswege. Nach Bedarf kann ein MS-Detektor ergänzt werden.
Das klingt nach einer wirklich nützlichen Entwicklung für maßgefertigte GC-Systeme. Könnten Sie die Funktionsweise erläutern? Ja, für uns war es ein echter Wendepunkt. Das Herzstück des BID ist eine dielektrische Quarzkammer, die ein Heliumplasma erzeugt, das so ziemlich alles ionisiert, was aus dem GC-System eluiert wird. Der BID unterscheidet sich von bisherigen Heliumionisationsdetektoren dadurch, dass die Elektroden mit einer dielektrischen Beschichtung versehen sind, die verhindert, dass das Plasma sie zerfrisst, und die dem Detektor eine viel höhere Präzision und ausgezeichnete Langzeitstabilität verleiht.
Der Hauptvorteil für den Analytiker liegt jedoch in den niedrigeren Nachweisgrenzen: Der BID ist 100- bis 200-mal empfindlicher als der TCD! Wenn ich Systeme für Kunden konzipiere, rechne ich bei den meisten Permanentgasen in der Regel mit Werten von bis zu 30 ppm, aber durch Optimierung der Methode lässt sich dieser Wert nach Inbetriebnahme des Systems relativ leicht noch weiter senken. Wir können den Nexis GC-2030 außerdem mit zwei BID-Detektoren ausstatten, um noch mehr aus jeder Analyse herauszuholen.
Weitere Informationen zum BID finden Sie unter: www.shimadzu.eu/gc/nexis_technologies/bid
Wo kommen kundenspezifische GC-Systeme hauptsächlich zum Einsatz? Die Anwendungsbereiche haben sich im Laufe der Jahre stark verändert. Anfangs konzentrierten wir uns auf die Analyse von Raffineriegasen, und ich glaube, bei unserem allerersten Auftrag ging es um Flüssigerdgas. Dieses Anwendungsgebiet wurde sogar so populär, dass wir das System nicht mehr als Sonderanfertigung, sondern als Fertigprodukt von der Stange verkauften.
Mittlerweile sind etwa 80 % unserer verkauften Systeme für Anwendungen im Bereich der „neuen Energien“ bestimmt, wobei unsere wichtigsten Auftraggeber aus dem akademischen Bereich stammen. Beispielsweise entwickeln wir Systeme zur Analyse von Methan und anderen Gasen, die bei der katalytischen oder lichtvermittelten Reduktion von CO2 entstehen, oder zur Erzeugung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen für den Einsatz in Brennstoffzellen. Im Mittelpunkt der Forschung steht also die Diversifizierung unserer Energiequellen und eine weniger kohlenstoffintensive Energiegewinnung.
Angesichts der gegenwärtigen Besorgnis über Energieversorgung und Nachhaltigkeit ist dies offensichtlich ein brandaktuelles Thema. Seit wann besteht das Interesse an der Verwendung maßgefertigter GC-Systeme in diesem Bereich? Hier in Großbritannien fing es vor etwa sieben Jahren mit ein oder zwei Gruppen an, aber die Zahl der Gruppen wuchs schnell auf heute etwa zwölf an. Ein Hauptgrund dafür sind die großzügigen Fördermittel, die für solche Forschungsprojekte zur Verfügung stehen, was natürlich viele Gruppen angeregt hat, sich damit zu befassen.
Im Hinblick auf die Instrumente ist der Grad der „gegenseitigen Befruchtung“ zwischen den Forschern interessant. Eine der ersten akademischen Gruppen, an die wir ein maßgeschneidertes GC-System verkauften, war die Reisner-Gruppe an der Cambridge University, dicht gefolgt vom University College London und dem Imperial College London. Sie veröffentlichten Arbeiten, in denen sie auf die Verwendung unseres GC-Systems mit dem BID-Detektor eingingen, woraufhin sich weitere Gruppen bei uns meldeten, die ein ähnliches System für ihre Forschungsarbeiten in Auftrag geben wollten.
Weitere Informationen zu diesen Veröffentlichungen erhalten Sie von unserem Team bei Shimadzu per E-Mail an gc@shimadzu.eu
Worin bestehen die größten Herausforderungen bei solchen Anwendungen? Ein roter Faden, der sich durch die Forschung auf dem Gebiet der „neuen Energien“ zieht, ist die Quantifizierung von Gasen in einer Probe in einem weiten Konzentrationsbereich. Neben großen Mengen des Gases, das Sie synthetisieren, suchen Sie nach Spuren von Verunreinigungen. Die Bestimmung dieser Werte ist von entscheidender Bedeutung, um einen Prozess zu optimieren und das Endprodukt so rein wie möglich zu machen – was natürlich entscheidend ist, wenn es in industriellem Maßstab verwendet werden soll.
Ein ähnlicher Anwendungsbereich mit der gleichen Herausforderung ist die Analyse von Treibhausgasen wie CO2, Methan und Distickstoffoxid. Auch hier müssen Werte von wenigen Prozent bis hinunter zu Teilen pro Milliarde bestimmt werden, und das in einer einzigen Analyse. Der BID-Detektor hat uns diese Anwendungsbereiche eröffnet, denn er ermöglicht es uns, die von den Forschern benötigten sehr niedrigen Werte zu ermitteln.
Abb. 4: Beispiel für eine Analyse, die mit einem kundenspezifischen GC-System mit drei Probenschleifen durchgeführt wurde. Alle Einzelheiten finden Sie im Anwendungsdatenblatt Nr. 126
Wie verhält sich dies im Vergleich zu anderen Systemen auf dem Markt? Nun, es spielt in einer ganz anderen Liga, wie man so schön sagt. Viele verwenden zum Beispiel immer noch gepackte Säulen für die Gasanalyse, die sich für manche Zwecke gut eignen, aber wir sind inzwischen weitgehend zu Kapillarsäulen übergegangen. Die offensichtlichen Vorteile liegen in der besseren Trennung bei schnelleren Durchläufen, aber sie funktionieren auch bei kleineren Proben, was natürlich perfekt für die Forschung im Labormaßstab ist. Wenn Kunden bereits Erfahrungen mit gepackten Säulen für die Gasanalyse gemacht haben, sind sie in der Regel ziemlich beeindruckt von dem, was mit Kapillarsystemen erreicht werden kann, insbesondere in Verbindung mit dem BID-Detektor.
Und warum bleiben Ihnen Ihre Kunden in Bezug auf den Service, den Sie anbieten, treu? Ich denke, das liegt an unserem individuellen Service und unserer Expertise – so etwas bekommt man nicht bei jedem Anbieter. Seit fast 20 Jahren entwickeln wir bei Shimadzu kundenspezifische GC-Systeme. Wir haben also eine Menge Wissen darüber angesammelt, wie wir Systeme für so ziemlich jede Situation konzipieren können, und unsere Kunden wissen das sehr zu schätzen. Es gibt jedoch immer neue Herausforderungen. Toll an vielen unserer Kunden ist, dass sie immer versuchen, die Grenzen des Möglichen zu erweitern, und das hält uns auf Trab!
Mit Blick auf die Zukunft haben wir hier ein großartiges Team aufgebaut, mit einigen Spezialisten, die ich geschult habe, sodass sie sich mit den kundenspezifischen GC-Systemen und den Anwendungen bestens auskennen. Genau wie ich sind sie im Grunde Ingenieure mit einem Hintergrund in analytischer Chemie. Sie verstehen also die Anforderungen unserer Kunden, weshalb sie die Systeme optimal konzipieren und in unserem Demolabor testen. Außerdem definieren wir die Methoden für unsere Kunden im Voraus, sodass sie gleich nach der Installation des Systems und der Einweisung in die Software mit der Arbeit beginnen können.
Zum Abschluss: Was gefällt Ihnen am meisten an Ihrer Arbeit bei Shimadzu? Das ist eine gute Frage! Ich denke, es ist vor allem die Tatsache, dass ich anderen Menschen helfen kann und dass es mich glücklich macht, wenn ich ein anspruchsvolles Projekt erfolgreich abschließen kann. Ich löse leidenschaftlich gerne Probleme und liebe es, mich in neue Herausforderungen zu stürzen und sie vollständig zu bewältigen.
Ein Beispiel: Ein Projekt, an dem wir kürzlich gearbeitet haben, war besonders knifflig, weil der Kunde niedrige ppm-Werte von Permanentgasen nachweisen wollte, die von einer sehr kleinen Reaktionszelle produziert werden. Es hat eine Weile gedauert, das System zu entwickeln und zu optimieren, aber jetzt ist der Kunde sehr zufrieden. Das ist an sich schon lohnenswert, aber noch besser ist es natürlich, weil wir wissen, dass wir letztlich zur Erforschung von Technologien beitragen, die eine umweltfreundlichere und sicherere Energieversorgung für künftige Generationen ermöglichen werden.
Vielen Dank für Ihre Zeit, Peter, und dafür, dass Sie uns die Funktionsweise Ihrer kundenspezifischen GC-Systeme erklärt haben. Es war sehr interessant. Sehr gerne, es war mir ein Vergnügen, mit Ihnen zu sprechen!
Sie möchten mit dem Team für kundenspezifische GC-Systeme über Ihre Anwendungsanforderungen sprechen? Nehmen Sie Kontakt auf unter gc@shimadzu.eu!
Peter Klawitter absolvierte zunächst eine Ausbildung zum analytischen Chemiker und arbeitete dann einige Zeit im Pharma- und Servicelaborbereich. Anschließend wurde er Serviceingenieur bei Spectra Physics Analytical (später von Thermo Electron übernommen). 2003 wechselte er zu Shimadzu, wo er zunächst als LC-Ingenieur tätig war, sich aber bald auf die Entwicklung und Konstruktion kundenspezifischer GC-Systeme konzentrierte – eine Rolle, die er seither innehat.
