Calorímetros de Reação

O calorímetro de reação é uma ferramenta usada pelos cientistas no desenvolvimento químico e farmacêutico para medir a quantidade de energia liberada ou absorvida por uma reação química ou física.

Ele geralmente consiste em um reator de tanque agitado de tamanho variável no qual a temperatura da massa de reação é monitorada e controlada com precisão em conjunto com todos os parâmetros de processos críticos relevantes.

Os calorímetros de reação possibilitam a investigação de processos químicos sob condições semelhantes às do processo, fornecendo um conjunto de informações completo sobre a escalabilidade e a segurança do processo.

Dependendo da etapa do desenvolvimento, várias informações adicionais podem ser relevantes e, portanto, dados complementares (por ex., dados analíticos de IR, HPLC ou semelhantes podem ser coletados e integrados aos dados do fluxo de calor).

A calorimetria de reação mede o calor liberado de uma reação química ou processo físico e fornece os fundamentos da termoquímica e cinética de uma reação.

A informação obtida é essencial para descrever a liberação de calor de uma reação com o tempo e para transferi-la de forma segura do laboratório para a planta.

A calorimetria de reação revela comportamentos inesperados e torna quaisquer problemas de escalabilidade visíveis e quantificáveis. Ela também ajuda a identificar problemas relacionados à transferência de calor e massa e à mistura e permite a determinação do perfil correto de temperatura, agitação ou dosagem de uma dada reação ou dado processo. A informação obtida é subsequentemente utilizada para avaliar o risco, a escalabilidade e a criticalidade de um processo.

Os dados da calorimetria de reação são utilizados para caracterizar, otimizar e compreender os parâmetros de processo em um ambiente controlado, preciso e reprodutível e para possibilitar aumento de escala e transferência seguros para produção.

A calorimetria de fluxo de calor é o método mais simples e robusto para determinar o calor liberado por uma reação química ou processo físico e é compatível com todas as estações de trabalho de calorimetria de reação da METTLER TOLEDO. A calorimetria de fluxo de calor é aplicável na maioria das condições, é altamente sensível e oferece excelente repetibilidade.

O princípio da calorimetria de fluxo de calor é baseado na medição da diferença de temperatura pela parede do reator, que é então convertida em um fluxo de calor por meio do fator de calibração.

O fator de calibração depende da condutividade térmica e espessura da parede do reator, da resistência térmica da película da massa de reação, da resistência térmica do filme de óleo e da área de troca de calor, sendo determinado por meio de um aquecedor elétrico.

O método da calorimetria de fluxo de calor é aplicável tanto em grande quanto em pequena escala e é a base de todos os projetos de desenvolvimento de processos químicos, aumento de escala de processos e investigações de segurança de processos químicos.

O EasyMax 102 HFCal, oEasyMax 402 HFCal e o Optimax HFCal são calorímetros de fluxo de calor de pequena escala que combinam os benefícios de um reator automatizado para síntese e de um calorímetro de reação. Esses calorímetros de reação de pequena escala são projetados para triagem de segurança e aumento de escala dos processos e fornecem informações relevantes no começo do processo de desenvolvimento.

O calorímetro de reação RC1mx é o “Padrão Ouro” do setor para medição de perfis térmicos, conversão química e transferência de calor sob condições semelhantes às do processo. O RC1mx oferece uma solução moderna com um termostato de alto desempenho como a peça central. O RC1mx possibilita que engenheiros químicos e de segurança otimizem processos sob condições seguras, ao mesmo tempo determinando todos os parâmetros de processos críticos e reduzindo o risco de falha em larga escala.

Os calorímetros de reação possibilitam o desenvolvimento eficiente e seguro de processos em escala.

Conforme uma reação é dimensionada do laboratório para a planta, problemas de escalabilidade podem surgir subitamente por várias razões. No pior dos casos, riscos de uma reação não identificados podem levar a uma reação descontrolada seguida de explosão. As causas dos incidentes térmicos são frequentemente atribuídas a:

• Falta de compreensão da química ou da termoquímica do processo
• Incapacidade de remover o calor
• Comportamento de mistura ruim ou não bem compreendido
• Fatores humanos

Incidentes podem ser evitados determinando os dados relevantes em escala de laboratório. O trabalho de laboratório é realizado em condições semelhantes às de processo, usando calorímetros de reação, de modo que os resultados podem ser aplicados diretamente em operações em maior escala.

A calorimetria de reação fornece um alto nível de compreensão do processo, de modo que os procedimentos necessários possam ser realizados rotineiramente, de forma robusta e com o padrão de qualidade exigido.

Dados de fluxo de calor exatos e precisos são essenciais para a transição do laboratório para a planta. Um sistema de aquecimento e resfriamento de alto desempenho combinado com um sistema sensível de medição e controle de temperatura são pré-requisitos para se obter informações de calor exatas e precisas de um processo químico. Isso inclui detalhes sobre o calor da reação, o balanço do fluxo de calor total, a transferência de massa e de calor e o calor específico da massa de reação.

O balanço do fluxo de calor total de um processo químico propriamente dito inclui uma variedade de efeitos térmicos, como acumulação de calor, troca de calor devido a adições de reagente ou solvente, calor devido a alteração de viscosidade, perda de calor etc.

Para reações que são executadas sob condições de alteração de temperatura, a acumulação de calor se torna um fator importante no cálculo do calor da reação (calor liberado em função do tempo).

Os calorímetros de reação da METTLER TOLEDO e o pacote de software iControl utilizam sofisticados algoritmos de cálculo. Eles levam em conta o comportamento dinâmico da parede do reator, as capacidades térmicas do recipiente e os insertos do reator – fornecendo dados calorimétricos de exatidão e precisão máximas.

O desenvolvimento e otimização dos processos químicos exige a determinação de uma variedade de diferentes tipos de informação para decisões corretas serem tomadas. É comum coletar dados analíticos, como IR, Raman, distribuição do tamanho de partículas ou concentração on-line e em tempo real. Coletar dados de liberação de calor on-line e em tempo real é certamente uma grande vantagem ao se investigar processos químicos.

Sistemas de reator que permitem a varredura de reações para verificar a liberação de calor em tempo real fornecem retorno imediato do progresso da reação e permitem que os usuários tomem medidas corretivas imediatamente. Dados de calor on-line em tempo real são frequentemente utilizados para controlar o processo ajustando-se parâmetros de processos críticos, como a taxa de adição de reagentes, controlando a pressão, a velocidade de agitação ou qualquer outro parâmetro de processo.

Com o reator RTCal, o pesquisador utiliza uma ferramenta da TAP (Tecnologia Analítica de Processo) que permite rastrear as reações on-line e em tempo real. Ela fornece informações de calor valiosas sobre o progresso da reação sem a necessidade de conhecimento especializado. A tecnologia RTCal usa sensores de fluxo de calor que são integrados ao reator, detectando o fluxo de calor pela parede do reator.

A medição dos dados de calor com RTCal independe das propriedades ou do comportamento da massa de reação. Portanto, nenhum procedimento de calibração precisa ser executado antes, durante ou depois da reação, o que reduz significativamente o tempo do experimento.

Sempre que um processo novo ou modificado precisa ser levado do laboratório para a planta, os diferentes aspectos que podem ser críticos ou afetar o desempenho ou o resultado do processo devem ser investigados. Em poucos casos, a rota escolhida é também não escalável devido a materiais de partida custosos ou escassos, condições difíceis de se controlar em recipientes grandes ou riscos de segurança potenciais e, portanto, deve ser modificada. Isso exige a investigação de variáveis dependentes de escala, como taxas de dosagem, mistura ou transferência de massa. Entretanto, uma das peças-chaves de informação para passar um processo para produção de forma segura é a compreensão do calor total liberado, da taxa de liberação de calor, da acumulação de reagente(s) ou energia, assim como da estabilidade da massa de reação e dos componentes individuais.

Os estudos de calorimetria de reação fornecem indícios dos parâmetros de processos críticos e seu impacto no processo, na produtibilidade, no rendimento e na qualidade do produto ou intermediário.

Dado que as reações químicas são influenciadas por vários parâmetros como concentração, taxa de adição, temperatura, solvente, catalisador e valor de pH, a integração perfeita de ferramentas de análise on-line ou de amostragem automatizada ao calorímetro de reação aumenta enormemente o valor do estudo.

Experimentos ricos em dados compostos tanto por informações calorimétricas quanto analíticas efetivamente dão suporte para as necessidades atuais de desenvolver processos robustos e seguros rapidamente e transferi-los do laboratório para a planta.

A introdução de novas entidades químicas ou farmacêuticas no mercado com sucesso exige ideias inovadoras, pesquisadores criativos e ferramentas modernas que suportem um fluxo de trabalho de desenvolvimento eficaz.

Os experimentos devem ser realizados em pequena escala devido à falta de material, enquanto os dados obtidos precisam ser precisos. É imperativo que os dados sejam aplicados a abordagens estatísticas (por ex., estudos de Design de Experimentos (DoE)), mas também experimentos baseados em procedimentos tradicionais são confiáveis, permitindo identificar escalabilidade e possíveis problemas de segurança em um estágio inicial de desenvolvimento. Isso possibilita o aumento da produtividade no desenvolvimento químico e garante que um processo possa ser realizado de forma segura e econômica em larga escala.

As indústrias químicas e farmacêuticas frequentemente usam processos químicos complexos nos quais grandes quantidades de energia podem ser liberadas. Conhecer e compreender os riscos potenciais é fundamental e um pré-requisito para a fabricação segura de produtos químicos e farmacêuticos.  Isso inclui a compreensão da termodinâmica da reação desejada, bem como a de uma possível reação indesejada.

O calorímetro de reação RC1mx fornece dados confiáveis para calcular os parâmetros de segurança relevantes da reação principal com o mais alto grau de confiança. O iC Safety transforma dados experimentais em informações de segurança, combina-os com dados da reação indesejada e apresenta o risco térmico (por ex., acumulação térmica, ΔT adiabática, MTSR) em um formato conciso e fácil de entender (por ex., gráfico de tabela, descontrole e criticidade). 

A segurança de processos químicos e aplicações relacionadas utilizando calorímetros de reação são mencionadas em várias publicações, incluindo:

• Hua, M., Qi, M., Pan, X., Yu, W., Zhang, L. e Jiang, J. (2017). Inherently safer design for synthesis of 3-methylpyridine-N-oxide. Process Safety Progress, 37(3), 355–361. https://doi.org/10.1002/prs.11952
• Jyotsna, G. K., Srikanth, S., Ratnaparkhi, V., Rakeshwar, B. (2017). Calorimetria de reação como uma ferramenta para avaliação de risco térmico e melhoria de processos químicos escaláveis seguros. Inorg Chem Ind J.,12(1),110.
• Lakshminarasimhan, T. (2014). Predicting 24 and 8 h Adiabatic Decomposition Temperature for Low Temperature Reactions by Kinetic Fitting of Nonisothermal Heat Data from Reaction Calorimeter (RC1e). Organic Process Research & Development, 18(2), 315–320. https://doi.org/10.1021/op400301f
• Mitchell, C. W., Strawser, J. D., Gottlieb, A., Millonig, M. H., Hicks, F. A., e Papageorgiou, C. D. (2014). Development of a Modeling-Based Strategy for the Safe and Effective Scale-up of Highly Energetic Hydrogenation Reactions. Organic Process Research & Development, 18(12), 1828–1835. https://doi.org/10.1021/op500207r
• Monteiro, A. M. e Flanagan, R. C. (2017). Process Safety Considerations for the Use of 1 M Borane Tetrahydrofuran Complex Under General Purpose Plant Conditions. Organic Process Research & Development, 21(2), 241–246. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00407
• Pečar, D. e Goršek, A. (2015). Sistema de reação de saponificação: uma determinação detalhada do coeficiente de transferência de massa. Acta Chimica Slovenica, 62(1). https://doi.org/10.17344/acsi.2014.1110
• Wang, J., Huang, Y., Wilhite, B. A., Papadaki, M. e Mannan, M. S. (2018). Toward the Identification of Intensified Reaction Conditions Using Response Surface Methodology: A Case Study on 3-Methylpyridine N-Oxide Synthesis. Industrial & Engineering Chemistry Research, 58(15), 6093–6104. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b03773
• Yang, Q., Canturk, B., Gray, K., McCusker, E., Sheng, M. e Li, F. (2018). Evaluation of Potential Safety Hazards Associated with the Suzuki–Miyaura Cross-Coupling of Aryl Bromides with Vinylboron Species. Organic Process Research & Development, 22(3), 351–359. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.8b00001