Reacción química que se ejecuta en un flujo continuo
En la química de flujo , también llamada ingeniería de reactores , una reacción química se lleva a cabo en una corriente que fluye continuamente en lugar de en una producción por lotes . En otras palabras, las bombas mueven el fluido hacia un reactor y, donde los tubos se unen entre sí, los fluidos entran en contacto entre sí. Si estos fluidos son reactivos, se produce una reacción. La química de flujo es una técnica bien establecida para su uso a gran escala cuando se fabrican grandes cantidades de un material determinado. Sin embargo, el término solo ha sido acuñado recientemente para su aplicación a escala de laboratorio por los químicos y describe pequeñas plantas piloto y plantas continuas a escala de laboratorio. [1] A menudo, se utilizan microrreactores . [2]
Lote vs. flujo
Comparación de las definiciones de parámetros en lotes y flujo
Tiempo de residencia: en la producción por lotes, esto se determina por el tiempo que se mantiene un recipiente a una temperatura determinada. En la producción por flujo, el tiempo de residencia volumétrico se da por la relación entre el volumen del reactor y el caudal total, ya que, con mayor frecuencia, se utilizan reactores de flujo pistón .
Reacciones de flujo en ejecución
Elegir ejecutar una reacción química utilizando química de flujo, ya sea en un microrreactor u otro dispositivo de mezcla, ofrece una variedad de ventajas y desventajas.
Ventajas
La temperatura de reacción puede elevarse por encima del punto de ebullición del disolvente , ya que el volumen de los dispositivos de laboratorio suele ser pequeño. Normalmente, se utilizan fluidos no compresibles sin volumen de gas, de modo que el factor de expansión en función de la presión es pequeño.
La mezcla se puede lograr en segundos en las escalas más pequeñas utilizadas en la química de flujo.
La transferencia de calor se intensifica, principalmente porque la relación entre área y volumen es grande. Como resultado, las reacciones endotérmicas y exotérmicas se pueden termostatizar de manera fácil y constante. El gradiente de temperatura puede ser pronunciado, lo que permite un control eficiente del tiempo de reacción.
La seguridad aumenta:
La masa térmica del sistema está dominada por el aparato, lo que hace que los descontroles térmicos sean poco probables.
Un volumen de reacción más pequeño también se considera un beneficio de seguridad. [3]
Las reacciones de flujo se pueden automatizar con mucho menos esfuerzo que las reacciones por lotes. [4] Esto permite una operación sin supervisión y una planificación experimental. Al acoplar la salida del reactor a un sistema detector, es posible ir más allá y crear un sistema automatizado que pueda investigar secuencialmente una gama de posibles parámetros de reacción ( estequiometría variable , tiempo de residencia y temperatura) y, por lo tanto, explorar los parámetros de reacción con poca o ninguna intervención.
Los factores típicos son mayores rendimientos/selectividades, menor necesidad de mano de obra o un mayor nivel de seguridad.
Las reacciones de varios pasos se pueden organizar en una secuencia continua. Esto puede ser especialmente beneficioso si los compuestos intermedios son inestables, tóxicos o sensibles al aire, ya que existirán solo momentáneamente y en cantidades muy pequeñas.
La posición a lo largo de la corriente de reacción y el momento de reacción están directamente relacionados entre sí, lo que significa que es posible organizar el sistema de manera que se puedan introducir más reactivos en la corriente de reacción en un momento preciso que se desee.
Es posible organizar un sistema de flujo de manera que la purificación se acople a la reacción. Se utilizan tres técnicas principales:
Barrido en fase sólida [5]
Separación cromatográfica
Extracción líquido/líquido
Las reacciones que involucran reactivos que contienen gases disueltos se manejan fácilmente, mientras que en un proceso por lotes sería necesario un reactor "bomba" presurizado.
Las reacciones líquidas multifásicas (por ejemplo, catálisis de transferencia de fase ) se pueden realizar de forma sencilla, con alta reproducibilidad en un rango de escalas y condiciones.
La ampliación de una reacción probada se puede lograr rápidamente con poco o ningún trabajo de desarrollo de proceso, [6] ya sea cambiando el volumen del reactor o haciendo funcionar varios reactores en paralelo, siempre que se recalculen los flujos para lograr los mismos tiempos de residencia.
Desventajas
Se necesita equipo específico para una dosificación continua precisa (por ejemplo, bombas ), conexiones, etc.
Se deben establecer procedimientos de arranque y apagado.
No es posible ampliar los efectos micro, como la alta relación área/volumen, y es posible que no se apliquen las economías de escala . Por lo general, una ampliación de escala conduce a una planta dedicada.
Todavía existen cuestiones de seguridad para el almacenamiento de material reactivo.
Pashkova y Greiner han analizado los inconvenientes con vistas a establecer procesos de producción continua a pequeña escala. [7]
Reactores de flujo continuo
Etapas de reacción de un reactor de flujo multicelular
Los reactores continuos suelen tener forma de tubo y están fabricados con materiales no reactivos, como acero inoxidable, vidrio y polímeros. Los métodos de mezcla incluyen la difusión sola (si el diámetro del reactor es pequeño, p. ej. <1 mm, como en los microrreactores ) y mezcladores estáticos . Los reactores de flujo continuo permiten un buen control de las condiciones de reacción, incluida la transferencia de calor, el tiempo y la mezcla.
El tiempo de residencia de los reactivos en el reactor (es decir, la cantidad de tiempo que la reacción se calienta o se enfría) se calcula a partir del volumen del reactor y el caudal que pasa a través de él:
Por lo tanto, para lograr un mayor tiempo de residencia, los reactivos se pueden bombear más lentamente y/o se puede utilizar un reactor de mayor volumen. Las tasas de producción pueden variar desde nanolitros hasta litros por minuto.
Algunos ejemplos de reactores de flujo son los reactores de disco giratorio; [8] reactores de tubo giratorio; reactores de flujo multicelda; reactores de flujo oscilatorio; microrreactores ; reactores hexadecimales; y "reactores aspiradores". En un reactor aspirador, una bomba impulsa un reactivo, lo que hace que un reactivo sea succionado. Este tipo de reactor fue patentado alrededor de 1941 por la compañía Nobel para la producción de nitroglicerina .
Escala de reactor de flujo
La escala más pequeña de los reactores de microflujo o microrreactores puede hacerlos ideales para experimentos de desarrollo de procesos. Si bien es posible operar procesos de flujo a escala de toneladas, la eficiencia sintética se beneficia de una mejor transferencia térmica y de masa , así como del transporte de masa.
un microreactor
Áreas de aplicación clave
Uso de gases en flujo
Los reactores de flujo a escala de laboratorio son sistemas ideales para utilizar gases, en particular aquellos que son tóxicos o están asociados a otros peligros. Las reacciones de gas que se han adaptado con más éxito al flujo son la hidrogenación y la carbonilación [9] [10], aunque también se han realizado trabajos utilizando otros gases, por ejemplo, etileno y ozono [11] .
Las razones que justifican la idoneidad de los sistemas de flujo para el manejo de gases peligrosos son:
Los sistemas permiten el uso de un catalizador de lecho fijo . Combinado con bajas concentraciones de solución, esto permite que todos los compuestos se adsorban al catalizador en presencia de gas.
El sistema libera continuamente cantidades comparativamente pequeñas de gas, lo que elimina la necesidad de tomar muchas de las precauciones especiales que normalmente se requieren para manipular gases tóxicos y/o inflamables.
La adición de presión significa que una proporción mucho mayor del gas estará en solución durante la reacción de lo que es el caso convencionalmente.
La mezcla enormemente mejorada de las fases sólida, líquida y gaseosa permite al investigador aprovechar los beneficios cinéticos de las temperaturas elevadas sin preocuparse de que el gas se desplace de la solución.
Fotoquímica en combinación con química de flujo
La fotoquímica de flujo continuo ofrece múltiples ventajas sobre la fotoquímica por lotes . Las reacciones fotoquímicas son impulsadas por la cantidad de fotones que pueden activar las moléculas que provocan la reacción deseada. La gran relación entre el área de superficie y el volumen de un microrreactor maximiza la iluminación y, al mismo tiempo, permite un enfriamiento eficiente, lo que disminuye los productos secundarios térmicos .
Electroquímica en combinación con química de flujo
La electroquímica de flujo continuo, al igual que la fotoquímica continua, ofrece muchas ventajas sobre las condiciones de lotes análogas. Las reacciones electroquímicas, al igual que las fotoquímicas, pueden considerarse reacciones "sin reactivos". En una reacción electroquímica, la reacción se ve facilitada por la cantidad de electrones que pueden activar las moléculas que provocan la reacción deseada. Los aparatos de electroquímica continua reducen la distancia entre los electrodos utilizados para permitir un mejor control de la cantidad de electrones transferidos al medio de reacción, lo que permite un mejor control y selectividad. [12] Los desarrollos recientes en sistemas de flujo electroquímico permitieron la combinación de sistemas de flujo electroquímico orientados a la reacción con espectroscopia centrada en especies, lo que permite un análisis completo de las reacciones que involucran múltiples pasos de transferencia de electrones, así como intermediarios inestables. [13] Estos sistemas, que se conocen como sistemas espectroelectroquímicos, pueden permitir el uso de UV-vis , así como métodos más complejos como la electroquimioluminiscencia . Además, el uso de la electroquímica permite otro grado de flexibilidad ya que el usuario tiene control no sólo sobre los parámetros de flujo y la naturaleza de la medición electroquímica en sí, sino también sobre la geometría o naturaleza del electrodo (o electrodos en el caso de una matriz de electrodos). [14]
Desarrollo de procesos
El desarrollo del proceso cambia de un enfoque en serie a un enfoque paralelo. En el proceso por lotes, el químico trabaja primero y luego el ingeniero químico. En la química de flujo, esto cambia a un enfoque paralelo, donde el químico y el ingeniero químico trabajan de manera interactiva. Por lo general, hay una configuración de planta en el laboratorio, que es una herramienta para ambos. Esta configuración puede ser comercial o no comercial. La escala de desarrollo puede ser pequeña (ml/hora) para la verificación de ideas utilizando un sistema de chip y en el rango de un par de litros por hora para sistemas escalables como la tecnología de miniplanta de flujo. Los sistemas de chip se utilizan principalmente para una aplicación líquido-líquido, mientras que los sistemas de miniplanta de flujo pueden tratar sólidos o material viscoso.
Ampliación de las reacciones de microondas
Los reactores de microondas se utilizan con frecuencia para la química discontinua a pequeña escala. Sin embargo, debido a los extremos de temperatura y presión que se alcanzan en un microondas, a menudo es difícil transferir estas reacciones a aparatos convencionales que no sean de microondas para su posterior desarrollo, lo que genera dificultades con los estudios de escalado. Un reactor de flujo con capacidad adecuada para altas temperaturas y control de presión puede imitar de manera directa y precisa las condiciones creadas en un reactor de microondas. [15] Esto facilita la síntesis de cantidades mayores al extender el tiempo de reacción.
Soluciones a escala de fabricación
Los sistemas de flujo se pueden escalar a escala de toneladas por hora. El rediseño de la planta (de lote a continuo [ aclaración necesaria ] para una planta existente), la operación unitaria (intercambio de solo un paso de reacción) y la multipropósito modular (división de una planta continua en unidades modulares) son soluciones de realización típicas para los procesos de flujo.
Otros usos del flow
Es posible realizar experimentos en flujo utilizando técnicas más sofisticadas, como la química en fase sólida. Los reactivos , catalizadores o depuradores en fase sólida se pueden utilizar en solución y bombear a través de columnas de vidrio, por ejemplo, la síntesis del producto natural alcaloide oxomaritidina utilizando químicas en fase sólida. [16]
También se han utilizado técnicas de flujo continuo para la generación controlada de nanopartículas. [20] La mezcla muy rápida y el excelente control de temperatura de los microrreactores pueden proporcionar una distribución de tamaño de partícula consistente y estrecha de nanopartículas.
Química de flujo segmentado
Como se mencionó anteriormente, realizar experimentos en sistemas de flujo continuo es difícil, especialmente cuando uno está desarrollando nuevas reacciones químicas, lo que requiere la selección de múltiples componentes, variando la estequiometría, la temperatura y el tiempo de residencia. En el flujo continuo, los experimentos se realizan en serie, lo que significa que se puede probar una condición experimental. El rendimiento experimental es muy variable y, por lo general, se necesita cinco veces el tiempo de residencia para obtener el estado estable . Para la variación de temperatura, se debe considerar la masa térmica del reactor, así como los periféricos, como los baños de fluidos. La mayoría de las veces, se debe considerar el tiempo de análisis.
El flujo segmentado es un enfoque que mejora la velocidad con la que se pueden realizar el cribado, la optimización y la creación de bibliotecas en la química de flujo. El flujo segmentado utiliza un enfoque de " flujo de tapón " en el que se crean mezclas experimentales volumétricas específicas y luego se inyectan en un reactor de flujo de alta presión. La difusión del segmento (mezcla de reacción) se minimiza mediante el uso de un disolvente inmiscible en los extremos delantero y trasero del segmento.
Uno de los principales beneficios de la química de flujo segmentado es la capacidad de ejecutar experimentos de manera serial/paralela, donde se pueden crear e inyectar repetidamente experimentos que comparten el mismo tiempo de residencia y temperatura. Además, el volumen de cada experimento es independiente del volumen del tubo de flujo, lo que permite ahorrar una cantidad significativa de reactivo por experimento. Al realizar la selección y las bibliotecas de reacciones, la composición de los segmentos varía normalmente según la composición de la materia. Al realizar la optimización de la reacción, los segmentos varían según la estequiometría.
El flujo segmentado también se utiliza con LCMS en línea, tanto analítico como preparativo, donde los segmentos se detectan al salir del reactor mediante UV y posteriormente se diluyen para LCMS analítico o se inyectan directamente para LCMS preparativo.
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Enlaces externos
Reactor químico y biológico continuo ReelReactor
Síntesis orgánica de flujo continuo en múltiples etapas: una minirevisión de la ciencia química por Damien Webb y Timothy F. Jamison que analiza el estado actual de la técnica y destaca los avances recientes y los desafíos actuales que enfrenta el área emergente de técnicas de flujo continuo para síntesis en múltiples etapas. Publicado por la Royal Society of Chemistry
Reactores de flujo continuo: una perspectiva Reseña de Paul Watts y Charlotte Wiles. Publicado por la Royal Society of Chemistry
Curso breve sobre química de flujo: síntesis y purificación continua de productos farmacéuticos y químicos finos ofrecido en el MIT por los profesores Timothy Jamison y Klavs Jensen]
