Desenvolvimento de Processos Químicos e Aumento de Escala

O desenvolvimento de processo químico e aumento de escala do laboratório para a escala comercial apresenta desafios, que incluem engenharia, segurança e economia. Embora a experiência pessoal e dados empíricos possam ser usados até certo ponto, a investigação requer o envolvimento de disciplinas diferentes, como a caracterização do equipamento, exploração da termodinâmica do processo, estudos de mistura e transferência de massa, assim como a pesquisa de cinética das reações e riscos potenciais.  O aumento de escala do processo também é controlado pela transferência de calor e remoção de calor. A calorimetria da reação combinada ao monitoramento sequencial de TAP acelera o aumento de escala de um processo químico.

No centro do aumento de escala no desenvolvimento do processo químico está a compreensão fundamental do processo de mistura.  As propriedades físicas do material sendo misturado, o design do agitador e do reator, o regime de mistura, a posição do tubo de alimentação e as condições operacionais influenciam a eficácia da mistura. As reações químicas em um reator de tanque agitado podem incluir reagentes com mais de uma fase e/ou estado (sólido, líquido ou gasoso).  Essas reações precisam de contato interfacial intenso para facilitar a transferência ideal de massa. A mistura inadequada ou de baixa qualidade pode resultar em uma baixa taxa de reação, baixo rendimento, baixa seletividade ou concentração maior de impurezas, o que aumenta significativamente os custos de fabricação.

A dissipação do calor em um reator de tanque agitado é decisiva para o aumento de escala e a operação segura de um processo químico. Reatores de batelada ou semibatelada ainda são os tipos de reator mais aplicados nas indústrias química e farmacêutica. As variações de Transferência de calor podem afetar o aumento de escala de um processo químico, o design do tanque da planta, o sistema de resfriamento e potenciais considerações de segurança.

Quanto antes as condições não escaláveis forem reconhecidas, mais fácil é modificar um processo com melhorias na segurança. Um webinar apresentado pela Lubrizol tem foco em como melhorar o desenvolvimento e aumento de escala do processo melhorando a calorimetria e a análise de processo in situ. A Lubrizol redefiniu o desenvolvimento de processos tradicional para reduzir o tempo e a complexidade do aumento/diminuição de escala.

Uma reação química é afetada por diversos parâmetros, como concentração, taxa de adição, temperatura, solvente, catalisador e pH.  Além disso, as reações podem também ser afetadas pelo tipo ou velocidade do agitador, o que afeta a transferência de massa e influencia o resultado do experimento. Ao invés de adotar uma abordagem de "tentativa e erro", onde cada parâmetro é examinado individualmente e as interações entre eles são difíceis de detectar, os cientistas aplicam a metodologia DoE no laboratório de química orgânica sintética.

Estudos de caso da Zurich University of Applied Sciences (ZHAW) e da Lonza SA aplicam a metodologia de Projetos de Experimentos (DoE) para:

• Identificar o Impacto dos Parâmetros da Reação
• Reduzir a Variabilidade do Processo
• Diminuir os Ciclos de Desenvolvimento Químico
• Suportar a Abordagem Quality-by-Design (QbD)

No desenvolvimento de processos químicos, o tempo do programa geralmente dita a tomada de decisões informadas com entendimento limitado do processo, especialmente no espaço inicial de fornecimento clínico. Para melhorar isso, o Laboratório de Intensificação do Desenvolvimento de Processos Farmacêuticos da Merck & Co apresenta como adquirir um entendimento mais profundo e fundamental do processo com economia de recursos. 

• Cinética da Reação Química
• Perfis de Impureza de Reações Químicas
• Química de Fluxo Contínuo
• Transferência de Calor e Aumento de Escala
• Transferência de Massa e Taxa da Reação
• Introdução à Cristalização e à Precipitação

O desenvolvimento de processos e as estações de trabalho para aumento de escala, como OptiMax HFCal, RC1e com HFCal e RTCal, fornecem aos cientistas dados termodinâmicos em tempo real.  Combinados com aEspectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier in situ para medições de cinética em tempo real, permitem aos cientistas e engenheiros entender e modelar reações químicas permitindo o aumento de escala rápido de um processo do laboratório para a planta.