Calorímetros de reacción

Un calorímetro de reacción es una herramienta que usan los científicos en el desarrollo de productos químicos y farmacéuticos para medir la cantidad de energía liberada o absorbida por una reacción química o física.

Suele constar de un reactor con depósito agitado de tamaño variable en el que la temperatura de la masa de reacción se supervisa y controla con exactitud junto con todos los parámetros pertinentes fundamentales del proceso.

Los calorímetros de reacción permiten investigar los procesos químicos en condiciones similares a las de los procesos, lo que ofrece proporciona información completa sobre la escalabilidad y seguridad del proceso.

Dependiendo de la fase de desarrollo, la información adicional puede ser relevante y, por consiguiente, datos complementarios (por ejemplo, los datos analíticos de IR, HPLC o similares se pueden recopilar e integrar en los datos de flujo de calor).

La calorimetría de reacción mide el calor liberado en una reacción química o proceso físico, y proporciona los fundamentos de la termoquímica y la cinética de una reacción.

La información obtenida es esencial para describir la liberación de calor de una reacción química con el tiempo, así como para transferirlo de forma seguridad del laboratorio a la fábrica.

La calorimetría de reacción identifica el comportamiento inesperado y hace visible y cuantificable cualquier problema de escalabilidad. Asimismo, le ayuda a identificar los problemas relacionados con la transferencia o la mezcla de masa y calor. Asimismo, permite determinar la temperatura, la agitación o el perfil de dosificación correctos de una reacción o proceso determinados. Después, la información obtenida se usa para evaluar el riesgo, la escalabilidad y la criticidad de un proceso.

Los datos de calorimetría de reacción sirven para caracterizar, optimizar y entender los parámetros del proceso en un entorno controlado, exacto y reproducible, así como para permitir un escalado y una transferencia seguros a la fabricación.

La calorimetría de flujo de calor es el método más sencillo y resistente para determinar el calor liberado por una reacción química o por un proceso físico, y es compatible con todas las estaciones de trabajo de calorimetría de reacción de METTLER TOLEDO. La calorimetría de flujo de calor se aplica bajo la mayoría de las condiciones, es altamente sensible y ofrece una repetibilidad excelente.

El principio de la calorimetría de flujo de calor se basa en la medición de la diferencia de temperatura a lo largo de la pared del reactor, que luego se convierte en flujo de calor mediante el factor de calibración.

El factor de calibración depende de la conductividad térmica y del grosor de la pared del reactor, la resistencia térmica de la película de la masa de reacción, la resistencia térmica de la película de petróleo y la zona de intercambio de calor, y se determina mediante un calentador eléctrico.

El método de calorimetría de flujo de calor es aplicable tanto a pequeña como a gran escala, y es la base de todos los proyectos de desarrollo de procesos químicos, escalado de procesos e investigaciones sobre la seguridad del proceso químico.

EasyMax 102 HFCal,EasyMax 402 HFCal y Optimax HFCal son calorímetro de flujo de calor de pequeña escala que combinan las ventajas de las estaciones de trabajo de síntesis y de los calorímetros de reacción. Estos calorímetros de reacción de pequeña escala están diseñados para el escalado y el cribado de seguridad de procesos, y ofrecen información sobre las reacciones en fases tempranas del desarrollo.

El calorímetro de reacción RC1mx es la referencia de la industria para la medición de perfiles de calor, conversiones químicas y transferencia de calor en condiciones similares a las del proceso. El RC1mx ofrece una solución moderna con un termostato de alto rendimiento como la pieza clave. El RC1mx permite a los químicos y a los ingenieros de seguridad optimizar los procesos en condiciones seguras, al tiempo que determinan todos los parámetros críticos del proceso y reducen el riesgo de fallos a gran escala.

Los calorímetros de reacción permiten el desarrollo eficaz y seguro de los procesos a escala.

A medida que se escala una reacción del laboratorio a la fábrica, pueden surgir de improviso problemas de escalabilidad por distintos motivos. En el peor de los casos, los riesgos de reacción no identificados pueden provocar reacciones en cadena seguidas de una explosión. Las causas de los incidentes térmicos suelen atribuirse a:

• La falta de conocimiento de química y termoquímica de un proceso
• La incapacidad de eliminar el calor
• Un comportamiento de mezcla mal o no entendido
• Factores humanos

Los incidentes se pueden evitar determinando los datos relevantes en el laboratorio. El trabajo del laboratorio se lleva a cabo bajo condiciones similares a las de los procesos mediante calorímetros de reacción, de forma que los resultados se pueden aplicar directamente a operaciones a mayor escala.

La calorimetría de reacción ofrece un elevado nivel de comprensión de los procesos, de modo que es posible llevar a cabo los procedimientos necesarios de forma periódica, consistente y de acuerdo con la normativa obligatoria de calidad.

Los datos de flujo de calor exactos y precisos son fundamentales para la migración del laboratorio a la fábrica. Un sistema de calentamiento y enfriamiento de alto rendimiento combinado con una medición de temperatura sensible y un sistema de control son los requisitos previos para obtener información exacta y precisa sobre el calor de un proceso químico. Esto incluye detalles sobre el calor de la reacción, el balance total del flujo de calor, la transferencia de masa y calor, y el calor específico de la masa de reacción.

El balance total del flujo de calor de un proceso químico en sí incluye una variedad de efectos térmicos, como la acumulación de calor, el intercambio de calor debido a adiciones de reactivo o disolvente, calor debido al cambiar la viscosidad, pérdida de calor, etc.

Para las reacciones que se llevan a cabo en condiciones de temperatura cambiantes, la acumulación de calor se convierte en un factor importante en el cálculo del calor de reacción (calor liberado como función de tiempo).

Los calorímetros de reacción y la suite de software iControl de METTLER TOLEDO usan sofisticados algoritmos de cálculo. Además, tienen en cuenta el comportamiento dinámico de la pared del reactor, las capacidades caloríficas del recipiente y piezas del reactor, lo que proporciona datos calorimétricos de máxima exactitud y precisión.

El desarrollo y la optimización de los procesos químicos requiere la determinación de una variedad de tipos diferentes de información para tomar las decisiones correctas. Es habitual recopilar datos analíticos, como IR, Raman, la distribución del tamaño de las partículas o la concentración en línea y en tiempo real. La recopilación de datos de liberación de calor en línea y en tiempo real es, sin duda, una gran ventaja a la hora de investigar los procesos químicos.

Los sistemas de reactores que permiten cribar reacciones para la liberación de calor en tiempo real ofrecen feedback instantáneo del progreso de la reacción y permiten a los usuarios tomar acciones correctoras inmediatamente. A menudo, se usan datos de calor en línea en tiempo real para controlar el proceso ajustando los parámetros de parámetros fundamentales del proceso, como la tasa de adición de reactivos, lo que controla la presión, la velocidad de agitación o cualquier otro parámetro.

Con el reactor RTCal, el investigador usa una herramienta de PAT (tecnología analítica de procesos) que permite realizar un seguimiento de las reacciones en línea y en tiempo real. Además, ofrece información de calor valiosa sobre el progreso de la reacción sin necesidad de conocimiento de expertos. La tecnología del RTCal usa sensores de flujo de calor que están incorporados en el reactor, lo que detecta el flujo de calor a lo largo de la pared del reactor.

La medición de los datos de calor con RTCal es independiente de las propiedades o comportamiento de la masa de reacción. Por lo tanto, no hace falta llevar a cabo procedimientos de calibración antes, durante o después de la reacción, lo que reduce la duración del experimento notablemente.

Independientemente de si se debe llevar un proceso nuevo o modificado del laboratorio a la fábrica, se deben investigar los distintos aspectos que pueden resultar críticos o afectar al rendimiento o al resultado del proceso. En algunos casos, la ruta escogida tampoco es escalable debido a las costosas o escasas materias primas, condiciones difíciles de controlar en recipientes grandes o posibles peligros para la seguridad y, por consiguiente, se debe modificar. Para ello, hace falta investigar variables dependientes de la escala, como las velocidades de dosificación, el mezclado o la transferencia de masa. Sin embargo, uno de los datos clave para transferir un proceso a la fabricación de forma segura es el conocimiento del total de calor liberado, la tasa de liberación de calor, la acumulación de reactivo(s) o energía, así como la estabilidad de la masa de reacción y los componentes individuales.

Los estudios sobre calorimetría de reacción proporcionan evidencias de los parámetros fundamentales del proceso y su impacto en el proceso, la capacidad de fabricación, el rendimiento y la calidad del producto o producto intermedio.

Dado que las reacciones químicas están influidas por varios parámetros como la concentración, la tasa de adición, la temperatura, el disolvente, el catalizador y el valor de pH, la perfecta integración de las herramientas de muestreo automatizadas o de análisis en línea en el calorímetro de reacción aumenta considerablemente el valor del estudio.

Los experimentos con datos abundantes que incluyen información calorimétrica y analítica satisfacen eficazmente las necesidades actuales para desarrollar procesos seguros y resistentes rápidamente y transferirlos del laboratorio a la fábrica con eficacia.

La correcta introducción de nuevas entidades químicas o farmacéuticas al mercado requiere ideas innovadoras, investigadores creativos y modernas herramientas que admitan un eficaz flujo de trabajo de desarrollo.

Los experimentos deben llevarse a cabo a pequeña escala debido a la falta de materiales, mientras que los datos obtenidos deben ser precisos. Resulta imprescindible que los datos se apliquen a los enfoques estadísticos (por ejemplo, estudios sobre el diseño de experimentos o DoE), pero también que los experimentos basados en procedimientos tradicionales sean fiables, de modo que permitan identificar los potenciales problemas de seguridad y escalabilidad en una fase temprana del desarrollo. De esta forma, aumenta la productividad en el desarrollo químico y se permite llevar a cabo el proceso de forma segura y económica a gran escala.

Las industrias química y farmacéutica suelen usar procesos químicos complejos en los que se pueden liberar grandes cantidades de energía. Conocer y comprender los riesgos potenciales resulta fundamental y constituye un requisito previo para la fabricación segura de los procesos químicos y farmacéuticos.  Esto incluye la comprensión de la termodinámica de la reacción deseada, así como la de una posible reacción no deseada.

El calorímetro de reacción RC1mx ofrece datos fiables para calcular parámetros de seguridad relevantes de la reacción principal con el mayor grado de confianza. iC Safety convierte los datos experimentales en información sobre seguridad, la combina con datos de la reacción no deseada y presenta el riesgo térmico (por ejemplo, acumulación térmica, temperatura adiabática, MTSR, etc.) en un formato conciso y fácil de entender (por ejemplo, tabla, gráfico de seguridad fuera de control y gráfico de criticidad). 

En numerosas publicaciones se hace referencia a la seguridad del proceso químico y las aplicaciones relacionadas que usan calorímetros de reacción, como:

• 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