Calorimetri di reazione

I calorimetri di reazione sono strumenti usati dai ricercatori nell'ambito dello sviluppo di prodotti chimici e farmaceutici per misurare la quantità di energia emessa o assorbita da una reazione chimica o fisica.

In genere, sono costituiti da un reattore a serbatoio agitato di dimensioni variabili, nel quale la temperatura della massa di reazione è monitorata e regolata in modo accurato insieme a tutti i parametri critici di processo rilevanti per la reazione.

I calorimetri di reazione consentono l'indagine sui processi chimici in condizioni simili a quelle di processo e forniscono quindi informazioni complete per la scalabilità e la sicurezza dei processi stessi.

A seconda della fase di sviluppo, possono essere rilevanti diverse altre informazioni e, di conseguenza, dati complementari (ad esempio, i dati sul flusso termico possono essere integrati da dati analitici raccolti mediante IR, HPLC o simili).

La calorimetria di reazione misura il calore emesso da una reazione chimica o da un processo fisico e fornisce informazioni essenziali sulla termochimica e sulla cinetica della reazione.

Le informazioni così ottenute sono fondamentali per descrivere l'emissione termica di una reazione chimica nel tempo e per trasferire in modo sicuro la reazione dal laboratorio alla produzione.

La calorimetria di reazione svela comportamenti inaspettati e rende visibili e quantificabili gli eventuali problemi di scalabilità. Inoltre, contribuisce a identificare le problematiche associate al trasferimento di calore e massa o alla miscelazione, e consente di determinare il corretto profilo di temperatura, agitazione o dosaggio della reazione o del processo. In seguito, queste informazioni sono usate per valutare il rischio, la scalabilità e la criticità del processo.

I dati derivanti dalla calorimetria di reazione sono usati per caratterizzare, ottimizzare e comprendere i parametri di processo in un ambiente controllato, accurato e ripetibile; inoltre, consentono di effettuare in sicurezza lo scale-up e il trasferimento alla fase produttiva.

La calorimetria del flusso termico è il metodo più semplice e affidabile per determinare il calore emesso da una reazione chimica o da un processo fisico, ed è supportata da tutte le stazioni METTLER TOLEDO con funzionalità di calorimetria di reazione. La calorimetria del flusso termico è applicabile in moltissime condizioni, è altamente sensibile e offre eccellenti caratteristiche di ripetibilità.

Il principio su cui si fonda la calorimetria del flusso termico è la misura della differenza di temperatura sulla parete del reattore, che è quindi convertita in un flusso di calore mediante il fattore di taratura.

Il fattore di taratura è determinato mediante un riscaldatore elettrico e dipende dalla conducibilità termica e dallo spessore della parete del reattore, dalla resistenza termica della pellicola della massa di reazione, dalla resistenza termica della pellicola di olio e dalla superficie di scambio termico.

Il metodo della calorimetria del flusso termico è applicabile su piccola e grande scala, ed è la base per tutti i progetti di sviluppo dei processi chimici, per lo scale-up dei processi e per le indagini sulla sicurezza dei processi chimici.

EasyMax 102 HFCal,EasyMax 402 HFCal e Optimax HFCal sono calorimetri del flusso termico su piccola scala, che combinano i vantaggi e le funzionalità di stazioni di sintesi e calorimetri di reazione. Questi calorimetri di reazione su piccola scala sono progettati per le verifiche preventive della sicurezza e per lo scale-up dei processi, e forniscono importanti informazioni sulla reazione già nelle fasi iniziali del processo di sviluppo.

Il calorimetro di reazione RC1mx è il "gold standard" nel settore per la misura dei profili termici, della conversione chimica e dello scambio termico in condizioni simili a quelle del processo. RC1mx offre una soluzione moderna il cui fulcro è un termostato ad alte prestazioni. RC1mx consente ai tecnici e agli ingegneri chimici e agli incaricati della sicurezza di ottimizzare i processi in condizioni sicure, determinando al contempo tutti i parametri critici del processo e riducendo il rischio di insuccesso durante o dopo lo scale-up.

I calorimetri di reazione consentono lo sviluppo efficiente e sicuro dei processi su diversa scala.

Quando la reazione passa dal laboratorio alla produzione, è possibile che emergano improvvisamente problemi le cui cause sono diverse. Nel caso peggiore, i rischi non identificati possono portare a una reazione incontrollata seguita da esplosione. Gli incidenti legati al calore sono associati spesso alle seguenti cause:

• Mancata comprensione della chimica o della termochimica del processo
• Incapacità di eliminare il calore
• Scarsa comprensione del comportamento di miscelazione
• Fattori umani

Gli incidenti possono essere evitati determinando i dati rilevanti in scala di laboratorio. Il lavoro in laboratorio è condotto in condizioni simili a quelle di processo usando i calorimetri di reazione; in questo modo, i risultati possono essere applicati direttamente alle attività su scala maggiore.

La calorimetria di reazione offre un elevato livello di comprensione del processo, in modo che le procedure richieste possano essere eseguite in modo sistematico e affidabile e secondo gli standard di qualità previsti.

Per passare dal laboratorio alla produzione è indispensabile avere dati accurati e ripetibili sul flusso termico. Un sistema di riscaldamento e raffreddamento ad alte prestazioni e un sistema sensibile di misura e regolazione della temperatura sono i prerequisiti per ottenere informazioni termiche accurate e ripetibili sui processi chimici. Queste informazioni comprendono dettagli su calore di reazione, bilancio totale del flusso di calore, trasferimento di massa e calore e calore specifico della massa di reazione.

Il bilancio totale del flusso di calore di un processo chimico racchiude di per sé una serie di effetti termici, quali l'accumulo di calore, lo scambio termico dovuto alle aggiunte di reattante o solvente, il calore dovuto alle variazioni di viscosità, dispersione termica e così via.

Nelle reazioni condotte in condizioni di temperatura variabile, l'accumulo di calore diventa un fattore importante nel calcolo del calore di reazione (calore emesso in funzione del tempo).

I calorimetri di reazione METTLER TOLEDO e la suite software iControl impiegano algoritmi di calcolo sofisticati. Questi tengono conto del comportamento dinamico della parete del reattore, delle capacità termiche del contenitore e degli inserti del reattore, fornendo dati calorimetrici ai massimi livelli di accuratezza e ripetibilità.

Per garantire processi decisionali corretti, lo sviluppo e l'ottimizzazione dei processi chimici richiedono la determinazione di diverse informazioni. È pratica comune raccogliere dati analitici, quali IR, Raman, distribuzione granulometrica e concentrazione delle particelle, online e in tempo reale. La raccolta online e in tempo reale dei dati relativi all'emissione del calore è senza dubbio un grande vantaggio nello studio dei processi chimici.

I sistemi con reattore che consentono la scansione dell'emissione di calore in tempo reale forniscono un riscontro istantaneo sull'avanzamento della reazione e, in caso di necessità, permettono agli utenti di intraprendere immediatamente azioni correttive. I dati termici acquisiti online e in tempo reale sono spesso usati per controllare il processo mediante la regolazione di parametri critici, quali la velocità di aggiunta dei reattanti, la regolazione della pressione, la velocità di agitazione e molto altro ancora.

Con il reattore RTCal, il ricercatore usa uno strumento basato su tecnologie analitiche di processo (PAT) che consente di monitorare le reazioni online e in tempo reale. Il sistema offre informazioni termiche preziose circa l'avanzamento della reazione senza necessità di particolari conoscenze tecniche. La tecnologia RTCal utilizza appositi sensori incorporati nel reattore, che rilevano il flusso di calore sulla parete del reattore stesso.

La misura dei dati termici con RTCal è indipendente dalle proprietà e dal comportamento della massa di reazione. Di conseguenza, non è necessario eseguire alcuna procedura di taratura prima, durante o dopo la reazione, riducendo così in modo considerevole i tempi necessari a portare a termine l'esperimento.

Ogni volta che si trasferisce dal laboratorio alla produzione un processo nuovo o modificato, è necessario indagare i vari aspetti che potrebbero essere critici o influire sulle prestazioni o l'esito del processo. In alcuni casi, la via prescelta deve essere modificata perché si dimostra non scalabile a causa del costo o della scarsità dei materiali di partenza, di condizioni difficili da controllare in contenitori di grandi dimensioni o di rischi potenziali per la sicurezza. Tutto ciò richiede lo studio di variabili dipendenti dalla scala, quali le velocità di dosaggio, la miscelazione o il trasferimento della massa. Comunque sia, tra le informazioni fondamentali per trasferire in sicurezza un processo alla fase di produzione figurano la comprensione del calore emesso totale, la velocità di emissione del calore, l'accumulo di reattanti o energia, nonché la stabilità della massa di reazione e dei singoli componenti.

Gli studi basati sulla calorimetria di reazione consentono di documentare i parametri critici di processo e il loro impatto sul processo stesso, la producibilità, la resa e la qualità dei prodotti finali o intermedi.

Le reazioni chimiche sono influenzate da diversi parametri, quali concentrazione, velocità di aggiunta dei componenti, temperatura, solvente, catalizzatore e valore di pH. Perciò, il valore dello studio aumenta enormemente se è possibile integrare nel calorimetro di reazione, senza difficoltà, strumenti online automatici per il campionamento e l'analisi.

La raccolta di grandi quantità di dati, comprendenti informazioni sia calorimetriche che analitiche, supporta in modo efficace le esigenze attuali per un rapido sviluppo di processi sicuri e affidabili e il loro successivo trasferimento dal laboratorio alla produzione.

Il successo dell'immissione sul mercato di nuovi prodotti chimici e farmaceutici dipende da idee innovative, ricercatori creativi e strumenti moderni, che supportino un workflow di sviluppo efficace.

Gli esperimenti devono essere condotti su piccola scala per via della mancanza di materiali, ma i dati ottenuti devono essere comunque accurati. È indispensabile applicare ai dati approcci statistici (ad esempio, mediante studi di progettazione degli esperimenti o DoE), ma anche gli esperimenti basati su procedure tradizionali si dimostrano affidabili, consentendo l'identificazione di potenziali problemi di scalabilità e sicurezza in una fase iniziale dello sviluppo. Ciò consente di aumentare la produttività nello sviluppo dei prodotti chimici e assicura al contempo che un processo possa essere eseguito in modo sicuro e conveniente su larga scala.

Le industrie chimiche e farmaceutiche spesso impiegano processi chimici complessi che possono rilasciare enormi quantità di energia. La conoscenza e la comprensione dei rischi potenziali sono un prerequisito fondamentale per la sicurezza nella fabbricazione di prodotti chimici e farmaceutici.  Ciò include la comprensione della termodinamica della reazione desiderata, ma anche di una eventuale reazione indesiderata.

Il calorimetro di reazione RC1mx fornisce dati affidabili per calcolare i parametri di sicurezza rilevanti della reazione principale con il massimo grado di sicurezza e affidabilità. iC Safety trasforma i dati sperimentali in informazioni sulla sicurezza, le combina con i dati della reazione indesiderata e presenta il rischio termico (accumulo termico, ΔT nelle trasformazioni adiabatiche, temperatura massima della reazione di sintesi e così via) in un formato sintetico e facilmente comprensibile (ad esempio tabella, grafico delle reazioni incontrollate e delle criticità). 

La sicurezza dei processi chimici e le applicazioni che impiegano calorimetri di reazione sono trattate in numerose pubblicazioni; eccone una selezione:

• Hua, M., Qi, M., Pan, X., Yu, W., Zhang, L., & 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). Reaction calorimetry as a tool for thermal risk assessment and improvement of safe scalable chemical processes. 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., & 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., & 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., & Goršek, A. (2015). Saponification reaction system: a detailed mass transfer coefficient determination. Acta Chimica Slovenica, 62(1). https://doi.org/10.17344/acsi.2014.1110
• Wang, J., Huang, Y., Wilhite, B. A., Papadaki, M., & 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., & 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