Reaksiyon Kalorimetreleri

Reaksiyon kalorimetresi, kimyasal ve ilaç geliştirme konularında çalışan bilim insanlarının, kimyasal veya fiziksel bir reaksiyon tarafından açığa çıkarılan veya emilen enerji miktarını ölçmek için kullandıkları bir araçtır.

Cihaz, genellikle, ilgili tüm kritik proses parametreleri ile birlikte reaksiyon kütlesinin sıcaklığının izlendiği ve hassas şekilde kontrol edildiği, çeşitli boyutlardaki karıştırmalı tip bir depo reaktöründen oluşur.

Reaksiyon kalorimetreleri, kimyasal proseslerin proses benzeri koşullar altında araştırılmasına olanak tanıyarak, prosesin ölçeklenebilirliği ve güvenliği konusunda eksiksiz bilgi sağlar.

Geliştirme çalışmasının geldiği aşamaya bağlı olarak, çeşitli ek bilgiler önemli olabilir. Bu nedenle, ek bilgiler (örneğin, IR, HPLC veya benzerlerinden gelen analitik veriler) toplanabilir ve ısı akışı verisi ile entegre edilebilir.

Reaksiyon kalorimetrisi, kimyasal bir reaksiyon veya fiziksel bir prosesten açığa çıkan ısıyı ölçer ve reaksiyonun kinetiği ve termokimyasıyla ilgili temel bilgileri sağlar.

Elde edilen bilgiler, kimyasal bir reaksiyonun açığa çıkardığı ısıyı zamana bağlı olarak tanımlamak ve reaksiyonu laboratuvar ortamından fabrika ortamına güvenli şekilde aktarmak için gereklidir.

Reaksiyon kalorimetrisi, beklenmedik davranışları ortaya çıkarır ve ölçeklenebilirlik sorunlarını görünür ve hesaplanabilir kılar. Ayrıca, ısı ve kütle transferi veya karıştırma ile ilgili sorunları belirlemeye yardımcı olur ve belirli bir reaksiyon veya prosesin doğru sıcaklık, karıştırma veya dozajlama profilinin belirlenmesine olanak tanır. Elde edilen bilgiler, daha sonra prosesin riskini, ölçeklenebilirliğini ve önem derecesini değerlendirmek için kullanılır.

Reaksiyon kalorimetrisi verileri; kontrollü, doğru ve tekrarlanabilir bir ortamda proses parametrelerini tanımlamak, optimize etmek ve anlamak; ardından da güvenli bir şekilde ölçek büyütmeyi ve üretime aktarmayı sağlamak için kullanılır.

Isı akışı kalorimetrisi, bir kimyasal reaksiyon veya fiziksel proses tarafından açığa çıkarılan ısıyı belirlemenin en kolay ve güçlü metodu olup tüm METTLER TOLEDO reaksiyon kalorimetrisi iş istasyonları tarafından desteklenir. Isı akışı kalorimetrisi pek çok koşul altında uygulanabilir, yüksek seviyede duyarlıdır ve mükemmel tekrarlanabilirlik sunar.

Isı akışı kalorimetrisi prensibi, reaktör duvarının iki yanındaki ısı farkının ölçülmesi ve ardından bu ölçümün kalibrasyon faktörü kullanılarak ısı akışına dönüştürülmesine dayanır.

Kalibrasyon faktörü, reaktör duvarının termal iletkenliğine ve kalınlığına, reaksiyon kütlesi filminin termal direncine, yağ filminin termal direncine ve ısı değişimi alanına bağlı olup elektrikli bir ısıtıcı tarafından belirlenir.

Isı akışı kalorimetrisi metodu, hem küçük hem de büyük ölçekte uygulanabilir ve tüm kimyasal proses geliştirme projelerinin, proses ölçek büyütme ve kimyasal proses güvenliği araştırmalarının temelini oluşturur.

EasyMax 102 HFCal, EasyMax 402 HFCal ve Optimax HFCal, sentez iş istasyonlarının ve reaksiyon kalorimetresinin faydalarını bir araya getiren, küçük ölçekli ısı akışı kalorimetreleridir. Bu küçük ölçekli reaksiyon kalorimetreleri, proses güvenliği araştırmaları ve ölçek büyütme için tasarlanmıştır. Geliştirme prosesinin başlangıç aşamalarında önemli reaksiyon bilgileri sağlarlar.

RC1mx reaksiyon kalorimetresi, proses benzeri koşullar altında ısı profillerini, kimyasal dönüşümü ve ısı transferini ölçmek için sektörün "Altın Standardı"dır. RC1mx, en önemli parçası olan yüksek performanslı termostatı ile modern bir çözüm sunar. RC1mx, kimya ve güvenlik mühendislerinin prosesleri güvenli koşullar altında optimize etmesine olanak tanırken, bir yandan da tüm kritik proses parametrelerinin belirlenmesini ve büyük ölçekte hata riskinin azaltılmasını sağlar.

Reaksiyon kalorimetreleri, proseslerin belirli bir ölçekte etkin ve güvenli şekilde geliştirilmesini sağlar.

Reaksiyon laboratuvar ortamından fabrika ortamına aktarılırken, çeşitli sebeplerle ölçeklenebilirlik problemleri ortaya çıkabilir. En kötü durumda, tanımlanmamış reaksiyon riskleri, reaksiyonun kontrolden çıkmasına ve ardından bir patlamaya yol açabilir. Termal kazaların sebepleri genellikle şunlarla bağlantılıdır:

• Prosesin kimyasının ve termokimyasının tam olarak anlaşılmaması
• Isının uzaklaştırılamaması
• Kötü veya zor anlaşılan karışma davranışı
• Kullanıcı faktörleri

İlgili veriler laboratuvar ölçeğindeyken belirlendiği takdirde kazalardan kaçınılabilir. Laboratuvar çalışması, reaksiyon kalorimetreleri kullanılarak proses benzeri koşullar altında gerçekleştirilir. Böylece, sonuçlar doğrudan daha büyük ölçekli operasyonlara uygulanabilir.

Reaksiyon kalorimetrisi, prosese ilişkin yüksek seviyede kavrayış sağlar. Bu sayede, gerekli prosedürler rutin olarak, güçlü ve gereken kalite standartlarına uygun şekilde gerçekleştirilebilir.

Doğru ve hassas ısı akışı verisi, laboratuvardan fabrikaya geçiş için önemlidir. Yüksek performanslı bir ısıtma ve soğutma sistemiyle birleştirilen hassas bir sıcaklık ölçüm ve kontrol sistemi, kimyasal bir prosesin doğru ve hassas ısı bilgilerini elde etmenin ön koşuludur. Bu bilgilere reaksiyon ısısı hakkındaki bilgiler, toplam ısı akışı dengesi, kütle ve ısı transferi ile reaksiyon kütlesinin özgül ısısı dâhildir.

Bir kimyasal reaksiyonun toplam ısı akışı dengesi; ısı birikimi, eklenen reaktan ve çözücülere bağlı ısı değişimi, viskozitenin değişmesine bağlı ısı, ısı kaybı vb. çeşitli termal etkileri içerir.

Değişken sıcaklık koşulları altında yürütülen reaksiyonlar için ısı birikimi, reaksiyon ısısının (açığa çıkan ısının zamana bağlı fonksiyonu) hesaplanmasında önemli bir faktör haline gelir.

METTLER TOLEDO reaksiyon kalorimetreleri ve iControl yazılım paketi, gelişmiş hesaplama algoritmaları kullanır. Bu algoritmalar reaktör duvarının dinamik davranışını, kazan ve reaktör parçalarının ısı kapasitelerini hesaba katarak, maksimum doğruluk ve hassasiyette kalorimetrik veriler sağlar.

Kimyasal proseslerin geliştirilmesi ve optimizasyonu, doğru kararları vermek için farklı türlerdeki çeşitli bilgilerin belirlenmesini gerektirir. IR, Raman, parçacık boyutu dağılımı veya konsantrasyon gibi analitik verilerin online ve gerçek zamanlı olarak toplanması yaygın bir uygulamadır. Açığa çıkan ısı verilerinin online ve gerçek zamanlı olarak toplanması da kimyasal prosesler araştırılırken hiç şüphesiz büyük bir avantajdır.

Reaksiyonların ısı salımının gerçek zamanlı olarak taranmasına imkan tanıyan reaktör sistemleri, reaksiyonun gelişimine ilişkin anlık geri bildirim sağlar ve kullanıcıların hemen düzeltici adımlar atmasına olanak tanır. Gerçek zamanlı online ısı verileri, genellikle reaktanların eklenme hızı, basınç kontrolü, karıştırma hızı veya diğer proses parametreleri gibi kritik proses parametrelerinin ayarlanması yoluyla prosesin kontrol edilmesi için kullanılır.

RTCal reaktörü ile, araştırmacı reaksiyonların online ve gerçek zamanlı olarak izlenmesine olanak tanıyan bir PAT (Proses Analitik Teknolojisi) aracı kullanır. Cihaz, uzman bilgilere gerek duyulmadan reaksiyonun gelişimi hakkında yararlı ısı bilgileri sağlar. RTCal teknolojisi, reaktör duvarı boyunca ısı akışını algılayan, reaktöre entegre edilmiş ısı akışı sensörlerini kullanır.

Isı verisinin RTCal ile ölçümü, reaksiyon kütlesinin özelliklerinden veya davranışından bağımsızdır. Bu sayede, reaksiyon sırasında, öncesinde ve sonrasında herhangi bir kalibrasyon prosedürü uygulanması gerekmez. Bu da, deney süresini önemli ölçüde azaltır.

Yeni veya değiştirilmiş bir prosesin laboratuvardan fabrikaya taşınması gerektiğinde, önemli olabilecek veya prosesin performansını ya da sonucunu etkileyebilecek farklı hususların araştırılması gerekir. Nadir karşılaşılan bazı durumlarda; pahalı veya sınırlı miktardaki başlangıç malzemeleri, büyük kazanlarda kontrol edilmesi güç olan koşullar veya muhtemel güvenlik tehlikeleri nedeniyle seçilen yöntem de ölçeklenemez ve değiştirilmesi gerekir. Bu; dozajlama oranları, karıştırma veya kütle transferi gibi ölçekten bağımsız değişkenlerin araştırılmasını gerektirir. Bununla birlikte, prosesi üretime güvenle taşıma konusunda önemli bilgilerden biri, açığa çıkan toplam ısının, ısı salımı hızının, reaktanların veya enerjinin birikmesinin yanı sıra reaksiyon kütlesinin ve ayrı ayrı bileşenlerin kararlılığının anlaşılmasıdır.

Reaksiyon kalorimetrisi çalışmaları, kritik proses parametreleri ile bunların proses, üretilebilirlik, verim ve ürün ya da ara ürün kalitesi üzerindeki etkilerine ilişkin kanıt sağlar.

Kimyasal reaksiyonlar konsantrasyon, ekleme hızı, sıcaklık, çözücü, katalizör ve pH değeri gibi çeşitli parametrelerden etkilendiğinden, online analitik veya otomatik numuneleme araçlarının reaksiyon kalorimetresine sorunsuz biçimde entegrasyonu, çalışmanın değerini inanılmaz ölçüde artırır.

Kalorimetri ve analitik bilgilerden oluşan zengin verileri sağlayan deneyler, güvenli ve güçlü proseslerin hızla geliştirilmesi ve laboratuvardan fabrikaya etkin bir şekilde aktarılmasına yönelik günümüz ihtiyaçlarını etkili bir şekilde destekler.

Yeni kimya veya ilaç varlıklarının başarıyla piyasaya sürülmesi, etkin bir geliştirme iş akışına destek veren yenilikçi fikirleri, yaratıcı araştırmacıları ve modern araçları gerektirir.

Malzeme eksikliği nedeniyle deneyler küçük ölçekte gerçekleştirilirken, elde edilen verilerin kesin olması gerekir. Verinin istatistiksel yaklaşımlara uygulanması (örneğin Deney Tasarımı (DoE) Çalışmaları) zorunludur ancak, geleneksel prosedürlere dayanan deneyler de güvenilir olup, ölçeklenebilirlik ve muhtemel güvenlik sorunlarının geliştirmenin başlangıç aşamalarında belirlenmesine olanak tanır. Bu, kimyasal geliştirmede daha fazla verimliliğe imkan tanır ve aynı zamanda prosesin büyük ölçekte güvenli ve ekonomik şekilde yürütülebilmesini de garanti altına alır.

Kimya ve ilaç sektörleri, sık sık, büyük miktarlarda enerjinin ortaya çıkabildiği karmaşık kimyasal prosesler kullanır. Potansiyel risklerin bilinmesi ve anlaşılması hem önemlidir hem de kimya ve ilaç ürünlerinin güvenli üretimi için ön koşuldur.Buna, istenilen reaksiyonun termodinamiğinin anlaşılmasının yanı sıra muhtemel bir istenmeyen reaksiyonun bilgilerinin anlaşılması da dâhildir.

RC1mx reaksiyon kalorimetresi, ana reaksiyonun önemli güvenlik parametrelerini hesaplamak için güvenilir verileri en yüksek güvence seviyesinde sağlar. iC Safety, deneysel veriyi güvenlik bilgisine dönüştürür, istenmeyen reaksiyonun verisi ile birleştirir ve termal riski (örneğin; termal birikme, ΔTadiabatic, MTSR) kısa ve kolay anlaşılır bir biçimde (örneğin; tablo, kontrolden çıkma ve kritiklik grafiği) sunar. 

Kimyasal proses güvenliği ve reaksiyon kalorimetreleri kullanılan ilgili uygulamalara, aşağıdakilerde dâhil olmak üzere birçok yayında atıfta bulunulmuştur:

• 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