Al Laboratori d’Enginyeria de Processos Químics d’IQS treballen amb una tècnica de monitorització, simulació i control de processos químics denominada NPK, basada en la simulació dels mateixos i que prediu i descriu tant transformacions químiques com físiques.
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:
- Sector químic:
a) Seguretat industrial. Prevenció d’explosions tèrmiques.
b) Transformació de plàstics (processat / cristal·linitat)
- Sector farmacèutic: Estudis accelerats d’estabilitat de principis actius (API) d’aquest sector o de preparats farmacèutics.
- 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.