El desarrollo de cualquier producto químico sigue un camino definido. En general, el desarrollo de procesos se divide en tres etapas: pruebas a escala de laboratorio, pruebas a escala piloto y ampliación a escala comercial. Cada etapa tiene sus propias características y retos, y el proceso debe ajustarse y optimizarse en función de las condiciones y requisitos específicos.
Pruebas a escala de laboratorio
En primer lugar, es importante aclarar el concepto de proceso: en la producción, todos los factores que están directamente relacionados con la secuencia y las condiciones de una reacción de síntesis química o una vía biosintética -incluidas las proporciones de formulación, la temperatura, el tiempo de reacción, el modo de agitación, la elaboración posterior y las condiciones de purificación- se denominan colectivamente condiciones del proceso.
La etapa a escala de laboratorio se refiere a la investigación de procesos llevada a cabo en un laboratorio o en equipos a pequeña escala. Su principal objetivo es explorar y desarrollar rutas sintéticas, condiciones de reacción y métodos de separación/purificación adecuados, con el fin de obtener muestras de producto que cumplan los requisitos de calidad y realizar el análisis y la identificación del producto.
Las tareas clave en la fase a escala de laboratorio incluyen:
- Determinar la ruta sintética óptima, es decir, seleccionar una opción con menos pasos, alto rendimiento global, materias primas abundantes y de bajo coste, y requisitos de equipamiento y flujo de proceso sencillos.
- Sustitución de reactivos químicos por materias primas de calidad industrial, evaluación de los efectos de la pureza de las materias primas, el contenido de humedad y las impurezas en la reacción, y definición de especificaciones y normas de calidad adecuadas para las materias primas.
- Estudiar los parámetros de reacción -como la temperatura, la presión, el tiempo, el disolvente y el catalizador- y sus efectos sobre la velocidad de reacción, la conversión y la selectividad, con el fin de determinar las condiciones óptimas de reacción.
- Estudiar los métodos de elaboración posteriores (por ejemplo, extracción, separación, cristalización, filtración, secado) y su impacto en el rendimiento, la pureza y la morfología del producto, para determinar las mejores condiciones de elaboración.
- Desarrollo de métodos de recuperación y reutilización de materias primas y disolventes para reducir costes y minimizar residuos.
- Abordar la seguridad de los procesos y la protección del medio ambiente, evitando el uso de sustancias tóxicas/peligrosas o la generación de gases peligrosos y aplicando las medidas de protección adecuadas.
- Realización de cálculos de balance de materiales, incluido el consumo de materias primas, la salida de productos y las métricas de consumo específicas.
- Establecer métodos de control de calidad del producto y especificaciones de calidad, y realizar pruebas analíticas del producto.
El trabajo a escala de laboratorio se lleva a cabo principalmente mediante síntesis de laboratorio y ampliación de equipos a pequeña escala. La síntesis de laboratorio suele implicar reacciones en recipientes pequeños, como tubos de ensayo o matraces, y se utiliza para la selección inicial de rutas sintéticas y condiciones de reacción.
El principal reto de la fase a escala de laboratorio es identificar la mejor opción entre las muchas posibles, teniendo en cuenta al mismo tiempo los problemas que pueden surgir durante la posterior ampliación.
Pruebas piloto
La etapa de escala piloto se refiere a la verificación y optimización del proceso en equipos de escala media. Su principal objetivo es evaluar y perfeccionar el esquema de proceso establecido a escala de laboratorio, determinar si es adecuado para la producción industrial y proporcionar datos fiables y una base sólida para la ampliación a escala comercial.
Las tareas clave en la fase de escala piloto incluyen:
- Evaluar si el esquema del proceso a escala de laboratorio tiene algún requisito especial en las condiciones de funcionamiento y del equipo a escala piloto, y si se necesitan ajustes o mejoras.
- Verificar si los parámetros del proceso determinados a escala de laboratorio son estables y fiables, y si los indicadores tecnoeconómicos clave se aproximan a los requisitos de producción.
- Seguir evaluando y perfeccionando las condiciones del proceso; deben obtenerse datos estables para cada etapa de reacción y operación unitaria, y deben realizarse balances de materiales.
- Seleccionar los materiales y tipos de equipos adecuados, teniendo en cuenta factores como la resistencia a la corrosión, el rendimiento de la transferencia de calor y la eficacia de la mezcla.
- Definir los requisitos de transferencia de calor y masa para cada reacción, como los efectos del modo de carga, la velocidad de carga y la selección del refrigerante en las reacciones exotérmicas.
- Definir el flujo del proceso y los procedimientos operativos, garantizando que las operaciones de reacción y posteriores cumplan los requisitos industriales; debe prestarse especial atención a acortar el proceso, simplificar las operaciones y mejorar la productividad laboral.
- Proponer sistemas de tratamiento de los tres residuos (gases residuales, aguas residuales y residuos sólidos), evaluar el impacto ambiental y aplicar las medidas de tratamiento correspondientes.
- Definición de especificaciones/normas para materias primas, reactivos y disolventes orgánicos; en general, las especificaciones utilizadas en el trabajo a escala piloto deben ser coherentes con las de la producción comercial.
- Definir los requisitos de seguridad, teniendo en cuenta peligros como la inflamabilidad, la explosividad y la toxicidad, y aplicar las medidas preventivas correspondientes.
El trabajo a escala piloto se lleva a cabo principalmente mediante el escalado en equipos de tamaño medio, es decir, realizando reacciones y procesos posteriores en una unidad de cierta escala para verificar y optimizar los resultados a escala de laboratorio y proporcionar datos de diseño para el escalado comercial.
El principal reto de la etapa a escala piloto es cómo mantener el rendimiento de la reacción y de los procesos posteriores en diferentes escalas y equipos, y cómo resolver problemas que no pueden abordarse o incluso descubrirse en el laboratorio.
Diferencias entre el trabajo a escala de laboratorio y a escala piloto
La distinción entre el trabajo a escala de laboratorio y a escala piloto no estriba únicamente en el tamaño de la carga o del equipo, sino que cada etapa tiene objetivos diferentes.
El trabajo a escala de laboratorio se centra en estudios exploratorios y de desarrollo. Una vez que los experimentos a escala de laboratorio han establecido los procesos de reacción y separación, han confirmado la identidad de los materiales implicados mediante análisis, han producido muestras cualificadas y han alcanzado los objetivos tecnoeconómicos previstos (por ejemplo, el rendimiento), el trabajo puede pasar a la fase piloto.
El trabajo a escala piloto aborda cómo utilizar medios y equipos industriales para ejecutar el flujo completo del proceso probado a escala de laboratorio, logrando en gran medida los mismos indicadores tecnoeconómicos, a escala ampliada.
Métodos para la ampliación a escala piloto
- Escalado empírico: Escalado gradual basado en la experiencia (unidad de laboratorio → unidad intermedia → unidad piloto → unidad grande) para explorar las características del reactor. Este enfoque sigue siendo habitual en la síntesis farmacéutica.
- Ampliación basada en la similitud: Ampliación basada en principios de similitud. Este enfoque tiene limitaciones y se aplica principalmente a procesos físicos más que a procesos químicos.
- Ampliación basada en modelos (simulación matemática): Ampliación mediante modelos informáticos, que representa una importante dirección para el desarrollo futuro.
Requisitos previos para realizar pruebas a escala piloto
1.Rendimiento estable a escala de laboratorio y calidad fiable del producto. Se han definido los pasos del proceso y los parámetros clave (por ejemplo, método de carga, tiempo de reacción, temperatura y presión de reacción, control del punto final, así como extracción, separación, cristalización, filtración y secado).
2.Se han definido los métodos y requisitos de purificación, cristalización, separación y secado del producto final (por ejemplo, polimorfo, disolvente residual);Las pruebas de estabilidad a escala de laboratorio sobre 3-5 lotes demuestran su viabilidad y solidez.
3.Se han completado los ensayos de corrosión requeridos para los materiales de construcción.
4. Se han establecido métodos de control de calidad y normas de calidad para las materias primas, los productos intermedios y los productos.
5.Se han realizado balances de materiales. Se han identificado métodos de tratamiento preliminares para los tres residuos. Se han propuesto especificaciones de materias primas y cifras de consumo específicas.
6.Se han definido los requisitos para una producción segura.
Ampliación comercial
La etapa de escalado comercial se refiere a la aplicación del proceso y la producción en equipos a gran escala. Su principal objetivo es utilizar los datos y las bases obtenidos en la fase piloto para diseñar y construir una unidad de producción adecuada y llevar a cabo la producción formal.
Las tareas clave en la fase de ampliación comercial incluyen:
- Diseñar y construir la unidad de producción, teniendo en cuenta factores como la estructura de la unidad, la disposición, los materiales de construcción y la capacidad, y completar la instalación, la puesta en marcha y la inspección/aceptación.
- Preparación del manual de funcionamiento de la fabricación/proceso, incluidos los procedimientos operativos y los detalles de control del proceso para cada etapa de reacción y operación de la unidad, diagramas de flujo del proceso, balances de materiales y cifras de consumo específico de materias primas para el producto.
- Llevar a cabo la cualificación/validación de la producción o la producción comercial, operando de acuerdo con los procedimientos de fabricación y realizando la supervisión del proceso, el control de calidad y la gestión de la seguridad.
- Recopilación y análisis de datos de producción, evaluación del rendimiento del proceso y de los beneficios económicos, y aplicación de mejoras u optimizaciones basadas en las condiciones reales de funcionamiento.
El escalado comercial se lleva a cabo principalmente mediante la producción en equipos de planta a gran escala, es decir, unidades de fábrica utilizadas para la reacción y el procesamiento posterior para realizar la fabricación a gran escala. Los principales retos en esta fase son cómo diseñar y construir una unidad de producción adecuada y garantizar que el proceso de producción sea estable y fiable, y si los indicadores tecnoeconómicos clave pueden cumplir los requisitos de producción. En la práctica, el proceso también debe mantenerse seguro, eficiente y respetuoso con el medio ambiente durante su funcionamiento a largo plazo.
Resumen
Desde las pruebas a escala de laboratorio hasta las pruebas a escala piloto, pasando por el escalado comercial, cada paso presenta retos y oportunidades. El desarrollo de procesos es un esfuerzo sistemático de ingeniería que requiere la consideración integrada de múltiples factores y pruebas, verificación, optimización y mejora continuas. Sólo a través de un proceso de este tipo pueden traducirse con éxito los resultados de laboratorio en productos a escala de planta, logrando así la innovación tecnológica y una mayor creación de valor.
