Muchos de los problemas que surgen al pasar del laboratorio a la producción industrial se deben a una distribución deficiente.
Cualquiera que haya trabajado en la ampliación de procesos probablemente se haya encontrado con esta situación.
Una reacción se desarrolla sin problemas en el laboratorio, pero surgen dificultades durante las pruebas piloto o la producción comercial. El rendimiento disminuye, los niveles de impurezas aumentan, el tiempo de reacción se alarga o resulta difícil controlar la temperatura.
Tras una investigación exhaustiva, parece que tanto las materias primas como los equipos y los procedimientos operativos son correctos.
Entonces, ¿de dónde viene el problema?
La diferencia más fundamental entre la producción en laboratorio y la producción industrial no radica simplemente en el tamaño de los equipos, sino en si la temperatura, la concentración, el caudal y el tiempo de residencia se mantienen distribuidos de manera uniforme.
La suposición oculta en los experimentos de laboratorio
El desarrollo de procesos en laboratorio suele basarse en una suposición implícita: que el sistema de reacción es homogéneo.
En un matraz de 500 ml, una vez que se pone en marcha el agitador, la temperatura medida suele ser similar a la temperatura que hay en todo el recipiente. Una muestra tomada del matraz suele ser representativa de la composición global de la mezcla de reacción. Además, un material recién añadido puede dispersarse rápidamente por todo el sistema.
Esta hipótesis suele ser válida a escala de laboratorio. Sin embargo, a escala industrial, a menudo deja de ser válida.
En un reactor En equipos con una capacidad de varios miles de litros, o incluso en un sistema de flujo continuo, pueden producirse gradientes de temperatura en el interior del equipo. La temperatura en la entrada puede diferir de la de la salida en varios grados.
La concentración y la densidad también pueden variar a lo largo del reactor. La concentración de los reactivos puede ser alta en una zona y baja en otra. La velocidad de flujo rara vez es uniforme: parte del material puede pasar demasiado rápido debido a un cortocircuito, mientras que otra parte permanece en zonas de estancamiento.
La temperatura medida refleja únicamente una condición local. Una muestra representa únicamente el punto del que se ha extraído.
Los parámetros del proceso suelen desarrollarse partiendo del supuesto de que el sistema es uniforme. Durante la ampliación de la escala, el hecho de que este supuesto no se cumpla se convierte en una fuente importante de riesgo.
¿Por qué una velocidad de avance menor mejoró el proceso?
He aquí un ejemplo de un proceso de nitración con el que me encontré durante el desarrollo a escala piloto.
El proceso consistía en introducir un reactivo en un sistema de ácido nítrico. El reactivo entraba en un reactor de flujo turbulento, entraba en contacto con el ácido nítrico y se sometía a un proceso de nitración. Durante las pruebas de laboratorio, el rendimiento se mantuvo de forma constante por encima del 90%, mientras que los niveles de impurezas se mantuvieron dentro de los límites exigidos.
Surgieron problemas durante el tercer lote piloto. El rendimiento descendió repentinamente entre seis y siete puntos porcentuales, y el nivel de impurezas superó los límites establecidos.
La investigación duró una semana.
Al principio sospechamos que el problema estaba en las materias primas. Revisamos los registros de los lotes y analizamos un nuevo lote, pero no encontramos ninguna anomalía.
A continuación, examinamos el método analítico. Se repitió la curva de calibración y dos analistas analizaron de forma independiente muestras paralelas. Sus resultados fueron coherentes.
Por último, inspeccionamos el equipo. Se revisaron todas las tuberías y válvulas, y se sellaron todos los posibles puntos de fuga. El problema persistía.
La causa se identificó finalmente después de que un pequeño problema con la bomba de alimentación redujera el caudal por debajo de su nivel normal.
Al principio, esperaba que ese lote tuviera un rendimiento aún peor. Sin embargo, los resultados fueron sorprendentes: el rendimiento volvió a su nivel anterior, los niveles de impurezas se situaron de nuevo dentro de los límites especificados y el resultado global fue ligeramente mejor que el del mejor lote anterior.
¿Por qué mejoró el proceso al reducirse la velocidad de avance?
Con la tasa de alimentación normal, la temperatura a la salida del reactor se mantuvo dentro del rango de proceso especificado. La temperatura también se mantuvo dentro de ese rango tras reducir la tasa de alimentación.
Por lo tanto, el problema no era si se podía controlar la temperatura. La verdadera cuestión era que una temperatura de salida controlada no indicaba necesariamente que las condiciones fueran uniformes en todo el reactor.
Las reacciones de nitración pueden desarrollarse con extrema rapidez. Una vez que el reactivo entra en el sistema de ácido nítrico, la reacción comienza casi de inmediato. A la velocidad normal de alimentación, el reactivo entraba demasiado rápido, lo que provocaba un fuerte aumento de la concentración local cerca del punto de alimentación.
A continuación, la reacción se desarrolló con intensidad en esta pequeña zona, concentrando la liberación de calor. El sensor de temperatura de salida medía un valor global o medio y no podía detectar las condiciones locales reales cerca del punto de alimentación. En esta zona localizada, caracterizada por una alta concentración y una temperatura elevada, se produjeron reacciones secundarias.
Al reducir la velocidad de alimentación, el reactivo tuvo más tiempo para dispersarse y mezclarse por todo el sistema. Su concentración local dejó de aumentar bruscamente, lo que permitió que la reacción se desarrollara de forma más uniforme en el interior del reactor.
Posteriormente, instalamos un distribuidor y cambiamos el sistema de alimentación, pasando de una entrada de un solo punto a una distribución multipunto. Esa única modificación resolvió el problema.
Esta experiencia me causó una profunda impresión. Estos efectos no se limitan únicamente a la nitración. Los he observado en repetidas ocasiones mientras desarrollaba procesos de flujo continuo para otros productos.
La distribución de la alimentación puede parecer un detalle menor del diseño, pero su efecto sobre el rendimiento y la formación de impurezas puede ser mucho mayor de lo esperado. Tanto si el sistema implica hidrocarburos aromáticos como alquilbencenos, las reacciones rápidas siempre requieren un análisis minucioso del diseño del punto de alimentación y de la dispersión del material.
Mantener la temperatura especificada no garantiza una distribución uniforme. Cuando la distribución mejora, el rendimiento puede recuperarse.
Una desalineación de cinco centímetros en el agitador afectó a la calidad del producto
Otro caso se debió a la precipitación provocada por la acidificación.
Tras la nitración, se añadió ácido sulfúrico para ajustar el pH y precipitar el producto deseado del licor madre. A continuación, los sólidos se filtraron, se lavaron y se secaron.
Los primeros lotes se procesaron con normalidad. Sin embargo, en un lote posterior, la torta de filtración se volvió de repente mucho más fina. La filtración tardó casi el doble de lo habitual, el lavado resultó ineficaz y la pureza del producto secado disminuyó en dos puntos porcentuales.
En un primer momento sospechamos que el control del pH no se había realizado correctamente, pero los registros del lote mostraban que el pH se había mantenido dentro del rango especificado. A continuación, sospechamos que se trataba de un error analítico, pero al repetir el muestreo se obtuvo el mismo resultado.
Al abrir el reactor, observamos una capa visible de material acumulado en el fondo. Una inspección más detallada reveló que el agitador se había instalado ligeramente por encima de la altura especificada.
El agitador había sido sometido a un mantenimiento tras el lote anterior y no se había vuelto a alinear correctamente durante su reinstalación. Estaba aproximadamente cinco centímetros demasiado alto.
Puede que cinco centímetros no parezcan mucho, pero esta diferencia provocó la formación de una zona con mala mezcla cerca del fondo del reactor.
El material de esta zona no podía circular de forma eficaz, lo que provocaba que la sobresaturación local difiriera sustancialmente de la del resto del recipiente. La acidez cerca del fondo ya era lo suficientemente alta como para que el producto se precipitara, mientras que la mayor parte de la zona superior aún no había alcanzado el punto de precipitación.
Los diferentes tiempos de precipitación dieron lugar a distintos periodos de crecimiento de los cristales. Algunos cristales tuvieron tiempo suficiente para crecer, mientras que otros seguían siendo extremadamente finos cuando comenzó la filtración. El resultado fue una torta de filtración fina, un rendimiento de lavado deficiente y una menor pureza del producto.
La agitación no se reduce simplemente a si el impulsor gira o no. La altura del impulsor, la velocidad de rotación, el patrón de circulación y la mezcla en la zona inferior influyen en el resultado final.
Más tarde confirmé que se aplicaba el mismo principio en otras líneas de producción. Tanto si se trata de un producto intermedio como de un principio activo de grado técnico, la agitación y la distribución siguen siendo variables fundamentales siempre que se produzca una separación entre sólidos y líquidos.
Por este motivo, a lo largo de todo el desarrollo del proceso —desde los productos intermedios de las fases iniciales hasta los principios activos de las fases finales— evalúo la distribución como una dimensión de ingeniería independiente.
La mayoría de los problemas de escalabilidad pueden analizarse como problemas de distribución
Desde entonces, he adquirido un hábito: cada vez que evalúo un proceso, lo primero que hago es visualizar varios perfiles de distribución.
¿Cómo se distribuye la temperatura por todo el reactor? ¿Cómo varía la concentración? ¿Cuál es el perfil de velocidad de flujo? ¿Qué amplitud tiene la distribución del tiempo de residencia?
Cualquier irregularidad significativa en estos perfiles puede indicar un posible riesgo de ampliación a mayor escala.
| Tipo de heterogeneidad | Enfoque de ingeniería | Objetivo principal |
|---|---|---|
| Temperatura no uniforme | Aumentar la superficie de transferencia de calor e introducir un control de temperatura por etapas | Reducir los gradientes de temperatura |
| Concentración no uniforme | Optimizar el método de alimentación y mejorar la mezcla | Evitar las variaciones de reacción localizadas |
| Velocidad de flujo no uniforme | Optimizar el diseño de la trayectoria del flujo y eliminar las zonas de estancamiento | Evita los cortocircuitos y la retención excesiva |
| Tiempo de permanencia no uniforme | Mejorar la agitación o elegir un tipo de reactor más adecuado | Garantizar un tiempo de reacción suficiente y constante |
Cada tipo de irregularidad tiene su correspondiente solución técnica. El primer paso consiste en identificar qué distribución está causando el problema.
Por qué la uniformidad es especialmente importante en la ampliación de la escala de la nitración
La nitración es difícil de ampliar a gran escala, sobre todo porque es muy sensible a las condiciones no uniformes.
| Característica clave de la nitración | Riesgo relacionado con la distribución | Posible consecuencia |
|---|---|---|
| Elevada liberación de calor | Mayor riesgo de gradientes de temperatura | Variaciones locales de temperatura, puntos calientes y reacciones secundarias |
| Velocidad de reacción rápida | Pequeñas diferencias de concentración pueden provocar una reacción excesiva localizada | Aumento de la formación de subproductos e impurezas |
| Posibles reacciones secundarias múltiples | Pequeñas variaciones en las condiciones locales pueden alterar la selectividad | Menor pureza y menor rendimiento |
Por lo tanto, ampliar la escala de un proceso de nitración consiste, en gran medida, en mejorar la uniformidad. Es necesario aplicar medidas de ingeniería para que un sistema intrínsecamente no uniforme resulte lo más uniforme y controlable posible.
Los reactores de microcanales, los reactores de flujo turbulento y los reactores de bucle se han diseñado, en parte, con este fin. Su estructura contribuye a que las distribuciones de temperatura, concentración, velocidad de flujo y tiempo de residencia se acerquen más a las condiciones de proceso previstas.
Reflexiones finales
A menudo se pregunta qué es lo que merece mayor atención durante la ampliación de un proceso.
Mi respuesta es sencilla: primero hay que determinar qué es lo que debe distribuirse de manera uniforme y, a continuación, identificar cómo lograr esa distribución.
La ampliación de escala de un proceso consiste en pasar de la uniformidad casi ideal de un sistema de laboratorio a la falta de uniformidad real de los equipos industriales, y a continuación utilizar métodos de ingeniería para mantener esa falta de uniformidad dentro de unos límites aceptables.
Una vez que se comprenden los factores clave de la distribución, muchos problemas relacionados con la ampliación resultan más fáciles de diagnosticar y resolver.
