En química de flujo , una reacción química se lleva a cabo en una corriente de flujo continuo en lugar de en la producción por lotes . En otras palabras, las bombas mueven el fluido hacia un tubo, y donde los tubos se unen, 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 se ha acuñado recientemente para su aplicación a escala de laboratorio . [1] A menudo se utilizan microrreactores .
Lote frente a flujo
Comparación de definiciones de parámetros en Batch vs Flow
- Estequiometría de la reacción : en la producción por lotes, esto se define por la concentración de reactivos químicos y su relación volumétrica . En flujo, esto se define por la concentración de reactivos y la relación de su velocidad de 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 flujo, el tiempo de residencia volumétrico viene dado por la relación entre el volumen del reactor y el caudal total, ya que la mayoría de las veces se utilizan reactores de flujo pistón .
Ejecutando reacciones de flujo
La elección de 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, los fluidos no comprimibles se utilizan sin volumen de gas, por lo que el factor de expansión en función de la presión es pequeño.
- La mezcla se puede lograr en segundos a las escalas más pequeñas utilizadas en la química de flujo.
- Se intensifica la transferencia de calor. Principalmente, porque la proporción de área a volumen es grande. Como resultado, las reacciones endotérmicas y exotérmicas se pueden termostatizar fácil y consistentemente. El gradiente de temperatura puede ser pronunciado, lo que permite un control eficaz del tiempo de reacción.
- Se aumenta la seguridad:
- La masa térmica del sistema está dominada por el aparato, lo que hace que sea poco probable que se produzcan fugas térmicas.
- El volumen de reacción más pequeño también se considera un beneficio de seguridad. [2]
- El reactor funciona en condiciones de estado estacionario .
- Las reacciones de flujo se pueden automatizar con mucho menos esfuerzo que las reacciones por lotes. [3] Esto permite la operación sin supervisión y la 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 un rango de posibles parámetros de reacción ( estequiometría variable , tiempo de residencia y temperatura) y, por lo tanto, explorar los parámetros de reacción con poca o Sin intervención.
Los impulsores típicos son mayores rendimientos / selectividades, menos mano de obra necesaria 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 que fluye y el tiempo de reacción están directamente relacionados entre sí. Esto significa que es posible disponer el sistema de manera que se puedan introducir más reactivos en la corriente de reacción que fluye en un momento preciso que se desee.
- Es posible disponer un sistema de flujo de modo que la purificación se acople a la reacción. Hay tres técnicas principales que se utilizan:
- Depuración en fase sólida [4]
- Separación cromatográfica
- Extracción de líquido / líquido
- Las reacciones que involucran reactivos que contienen gases disueltos se manejan fácilmente, mientras que en lotes sería necesario un reactor de "bomba" presurizado.
- Las reacciones líquidas multifase (por ejemplo , catálisis de transferencia de fase ) se pueden realizar de forma sencilla, con alta reproducibilidad en una variedad de escalas y condiciones.
- El escalado de una reacción probada se puede lograr rápidamente con poco o ningún trabajo de desarrollo del proceso, [5] ya sea cambiando el volumen del reactor o haciendo funcionar varios reactores en paralelo, siempre que los flujos se vuelvan a calcular para lograr los mismos tiempos de residencia.
Desventajas
- Se necesita equipo dedicado para una dosificación continua precisa (por ejemplo, bombas ), conexiones, etc.
- Deben establecerse procedimientos de arranque y apagado.
- Escala de efectos micro tales como la zona alta en relación al volumen no es posible y la economía de escala no se pueden aplicar. Normalmente, una ampliación conduce a una planta dedicada.
- Aún se aplican cuestiones de seguridad para el almacenamiento de material reactivo.
Los inconvenientes se han discutido con vistas al establecimiento de procesos de producción continua a pequeña escala por Pashkova y Greiner. [6]
Reactores de flujo continuo
Los reactores continuos son típicamente en 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, por ejemplo, <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 enfría) se calcula a partir del volumen del reactor y el caudal a través de él:
Por lo tanto, para lograr un tiempo de residencia más largo, los reactivos pueden bombearse más lentamente y / o usarse un reactor de mayor volumen. Las tasas de producción pueden variar de nano litros a litros por minuto.
Algunos ejemplos de reactores de flujo son los reactores de disco giratorio; [7] reactores de tubos giratorios; reactores de flujo multicelulares; reactores de flujo oscilatorio; microrreactores ; reactores hexagonales; y "reactores aspiradores". En un reactor aspirador, una bomba impulsa un reactivo, lo que provoca la aspiración de un reactivo. Este tipo de reactor fue patentado hacia 1941 por la empresa Nobel para la producción de nitroglicerina .
Escala del reactor de flujo
La escala más pequeña de microreactores de flujo o microrreactores puede hacerlos ideales para experimentos de desarrollo de procesos. Aunque es posible operar procesos de flujo a una escala de toneladas, la eficiencia sintética se beneficia de una transferencia térmica y de masa mejorada , así como del transporte de masa.
Áreas de aplicación clave
Uso de gases en flujo
Los reactores de flujo a escala de laboratorio son sistemas ideales para usar gases, particularmente aquellos que son tóxicos o asociados con otros peligros. Las reacciones de gas que se han adaptado con mayor éxito al flujo son la hidrogenación y la carbonilación , [8] [9] aunque también se ha trabajado con otros gases, por ejemplo, etileno y ozono . [10]
Las razones de la idoneidad de los sistemas de flujo para la manipulación de gases peligrosos son:
- Los sistemas permiten el uso de un catalizador de lecho fijo . Combinado con bajas concentraciones de solución, esto permite que todo el compuesto sea adsorbido al catalizador en presencia de gas.
- El sistema agota continuamente cantidades comparativamente pequeñas de gas, lo que elimina la necesidad de 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 que en el caso convencional.
- La mezcla muy mejorada de las fases sólida, líquida y gaseosa permite al investigador explotar los beneficios cinéticos de las temperaturas elevadas sin preocuparse por el desplazamiento del gas 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 moléculas que causan la reacción deseada. La gran relación de área de superficie a 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, como la fotoquímica continua, ofrece muchas ventajas sobre las condiciones de lote análogas. Las reacciones electroquímicas como las fotoquímicas pueden considerarse reacciones "sin reactivo". En una reacción electroquímica, la reacción se ve facilitada por el número de electrones que pueden activar moléculas que provocan la reacción deseada. El aparato de electroquímica continua reduce la distancia entre los electrodos utilizados para permitir un mejor control del número de electrones transferidos al medio de reacción, lo que permite un mejor control y selectividad. [11] Los desarrollos recientes en sistemas de flujo electroquímicos permitieron la combinación de sistemas de flujo electroquímicos orientados a la reacción con espectroscopía centrada en especies que permite el análisis completo de reacciones que involucran múltiples pasos de transferencia de electrones, así como intermedios inestables. [12] Estos sistemas, que se denominan sistemas de espectroelectroquímica , 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 uso tiene control no solo 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). . [13]
Proceso de desarrollo
El desarrollo del proceso cambia de un enfoque en serie a un enfoque paralelo. En lote, el químico trabaja primero seguido por el ingeniero químico. En la química de flujo, esto cambia a un enfoque paralelo, donde el químico y el ingeniero químico trabajan de forma 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 aplicaciones líquido-líquido, mientras que los sistemas de miniplanta de flujo pueden trabajar con materiales sólidos o viscosos.
Escala de reacciones de microondas
Los reactores de microondas se utilizan con frecuencia para la química de lotes a pequeña escala. Sin embargo, debido a los extremos de temperatura y presión alcanzados en un microondas, a menudo es difícil transferir estas reacciones a aparatos convencionales que no sean de microondas para su desarrollo posterior, lo que genera dificultades con los estudios de escala. Un reactor de flujo con capacidad adecuada de alta temperatura y control de presión puede imitar directa y exactamente las condiciones creadas en un reactor de microondas. [14] Esto facilita la síntesis de grandes cantidades al extender el tiempo de reacción.
Soluciones a escala de fabricación
Los sistemas de flujo se pueden escalar a la escala de toneladas por hora. El rediseño de la planta (lote a conti [ aclaración necesaria ] para una planta existente), Operación unitaria (intercambiando solo un paso de reacción) y Modular Multiuso (Cortar una planta continua en unidades modulares) son soluciones típicas de realización para procesos de flujo.
Otros usos del flujo
Es posible realizar experimentos en flujo utilizando técnicas más sofisticadas, como la química en fase sólida . Los reactivos , catalizadores o captadores de fase sólida se pueden usar en solución y se pueden bombear a través de columnas de vidrio, por ejemplo, la síntesis del producto natural alcaloide oxomaritidina usando químicas en fase sólida. [15]
Existe un interés creciente en la polimerización como un proceso de flujo continuo. Por ejemplo, transferencia de cadena de fragmentación por adición reversible o polimerización RAFT . [16] [17] [18]
También se han utilizado técnicas de flujo continuo para la generación controlada de nanopartículas. [19] La mezcla muy rápida y el excelente control de temperatura de los microrreactores pueden dar una distribución del tamaño de partícula consistente y estrecha de las nanopartículas.
Química de flujo segmentado
Como se discutió anteriormente, realizar experimentos en sistemas de flujo continuo es difícil, especialmente cuando se están desarrollando nuevas reacciones químicas, lo que requiere el cribado de múltiples componentes, estequiometría, temperatura y tiempo de residencia variables. En 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 un estado estable . Para la variación de temperatura, es necesario considerar la masa térmica del reactor, así como los periféricos, como los baños de fluido. 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 las bibliotecas en la química del 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 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 en serie o en paralelo, donde los experimentos que comparten el mismo tiempo de residencia y temperatura se pueden crear e inyectar repetidamente. Además, el volumen de cada experimento es independiente del volumen del tubo de flujo, lo que ahorra una cantidad significativa de reactivo por experimento. Al realizar el cribado de reacciones y las bibliotecas, la composición del segmento suele variar según la composición de la materia. Al realizar la optimización de la reacción, los segmentos varían según la estequiometría.
El flujo segmentado también se usa con LCMS en línea, tanto analítico como preparativo, donde los segmentos se detectan al salir del reactor usando UV y posteriormente se diluyen para LCMS analítica o se inyectan directamente para LCMS preparativa.
Ver también
- Reacción química
- Microfluidos
- Microrreactor
- Química Orgánica
- Reactor de flujo tipo pistón
Referencias
- ^ A. Kirschning (Editor): Química en sistemas de flujo y Química en sistemas de flujo II Serie temática en el Open Access Beilstein Journal of Organic Chemistry .
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enlaces externos
- Síntesis orgánica de múltiples pasos de flujo continuo : una mini revisión de ciencias químicas por Damien Webb y Timothy F.Jamison que analiza el estado actual de la técnica y destaca el progreso reciente y los desafíos actuales que enfrenta el área emergente de técnicas de flujo continuo para la síntesis de múltiples pasos. Publicado por la Royal Society of Chemistry
- Reactores de flujo continuo: una perspectiva Revisión de Paul Watts y Charlotte Wiles. Publicado por la Royal Society of Chemistry
- Química de flujo: Síntesis continua y purificación de productos farmacéuticos y productos químicos finos Curso corto ofrecido en el MIT por los profesores Timothy Jamison y Klavs Jensen]