• NPK. Control de processos químics basat en simulació
Dijous, 21 Maig, 2020
IQS Tech Transfer

Ejemplo de workflow con uso de la herramienta NPK

Exemple de workflow amb aplicació de l’eina NPK

 

A finals dels 90, els investigadors del Laboratori d’Enginyeria de Processos Químics d’IQS van començar a desenvolupar una eina informàtica denominada Cinètica no Paramètrica (NPK de les seves sigles en anglès Non Parametric Kinetics). Es tracta d’una tècnica numèrica que permet descriure la velocitat a la que tenen lloc tant transformacions químiques (reaccions) com físiques (cristal·litzacions o transicions vítries, per exemple), sense necessitar models preconcebuts ni resoldre equacions sofisticades de simulació del comportament dels sistemes.

El mètode [i] consisteix en el processat de dades experimentals que contenen informació sobre la dinàmica d’un sistema i les transforma en informació que permeti predir el comportament del sistema en condicions diferents de les experimentals, sense necessitat que l’usuari empri models fisicoquímics. Essencialment, empra dades d’Anàlisi Tèrmica i Calorimetria (DSC, TGA, ...), però també s’han incorporat altres dades procedents d’Espectrofotometria en línia (NIR) i de Process Analytical Technologies (PAT) associades a Química de Flux (Flow Chem), com són dades d’UV-Vis, FTIR i espectroscòpia RAMAN.

Inicialment, NPK es va desenvolupar com a eina bàsica pel control de processos basada en simulació i per predicció de propietats termodinàmiques de mescles. Actualment, i per tal de facilitar l’adquisició de dades per NPK, els investigadors estan desenvolupant aplicacions d’Arduino i Raspberry, conjuntament amb el software lliure Python, per a l’adquisició de dades en línia de les PAT associades a Flow Chem, juntament amb nous sensors de conductivitat elèctrica.
 

Reptes i solucions aportades amb l’eina NPK

Les aplicacions més immediates de NPK són per estudiar l’estabilitat química de substàncies i preparats, a partir de dades d’anàlisi tèrmica i calorimetria, adreçades a sectors estratègics, com són:

  1. Sector químic:
    a) Seguretat industrial. Prevenció d’explosions tèrmiques.
    b) Transformació de plàstics (processat / cristal·linitat)
     
  2. Sector farmacèutic: Estudis accelerats d’estabilitat de principis actius (API) d’aquest sector o de preparats farmacèutics.
  3. Comportament de substàncies altament energètiques, com poden ser explosius, elements pirotècnics o propel·lents de coets.

Un exemple concret d’aplicació de l’eina és l’estudi de la velocitat de cristal·lització de polímers emprats en packaging alimentari (polipropilè i PET), realitzat en col·laboració amb la universitat UCA d’El Salvador. El control de la cristal·linitat del material és decisiu en les seves propietats i l’ús de la NPK permetrà dissenyar els processos de producció.



[i]  Sempere, J., Nomen, R., Serra, E., Sempere, B., 2013. Nonparametric Kinetic Methods, in: Šesták, J., Simon, P. (Eds.), Thermal Analysis of Micro, Nano- and Non-Crystalline Materials: Transformation, Crystallization, Kinetics and Thermodynamics. SPRINGER, pp. 351–369.