Chimie en flux continu

Améliorer la sécurité, réduire le temps de cycle, augmenter la qualité et le rendement

La chimie en flux, également connue sous le nom de chimie en flux continu ou de traitement continu, commence par deux flux ou plus de réactifs différents pompés à des débits spécifiques dans une seule chambre, un seul tube ou un seul microréacteur. Une réaction a lieu et le flux contenant le composé résultant est collecté à la sortie. La solution peut également être dirigée à travers les boucles ultérieures du réacteur à flux pour générer le produit final.

Cette approche ne nécessite que de petites quantités de matériau, ce qui améliore considérablement la sécurité du processus. En raison de la conception inhérente de la technologie à flux continu, des conditions de réaction dangereuses ou inaccessibles dans le traitement par lots deviennent possibles. Le résultat est un produit de meilleure qualité, moins d’impuretés et des temps de cycle de réaction plus rapides.

La chimie en flux est utilisée depuis des décennies dans l’industrie chimique. Plus récemment, l’industrie pharmaceutique et la chimie fine ont de plus en plus adopté cette méthodologie. Les améliorations inhérentes à la sécurité, l’amélioration de la qualité des produits, la rentabilité et la flexibilité globale de la production sont à l’origine de l’utilisation croissante de la chimie en flux continu.

Les équipements de chimie en flux se composent généralement de pompes qui transportent des réactifs, des réactifs et des solvants dans des boucles de réaction, qui introduisent de petits volumes de réactifs. Ceux-ci alimentent une jonction de mélange où les flux de réactifs sont combinés et passés dans un réacteur à serpentin pour fournir le temps de séjour de réaction nécessaire. Le mélange réactionnel peut ensuite être introduit dans un réacteur à colonne contenant des réactifs solides, des catalyseurs ou des charognards. Un régulateur de contre-pression en ligne contrôle la pression du système, et les analyses en ligne sont souvent utilisées pour fournir des informations sur les performances de la réaction.

De plus, la spectroscopie FTIR in situ peut fournir un retour d’information en temps réel pour améliorer de manière proactive la réaction. Par exemple, les données de la spectroscopie FTIR in situ peuvent être utilisées pour atténuer les effets d’un écoulement imparfait et contrôler le taux d’ajout de réactifs, ce qui permet d’obtenir un meilleur profil de mélange.

Avantages de la chimie en flux

Meilleur contrôle et reproductibilité des réactions	Les paramètres clés de la réaction tels que le mélange, le chauffage et le temps de séjour sont contrôlés avec plus de précision, ce qui permet d’améliorer le rendement du produit et le contrôle des impuretés.
Un plus large éventail de variables de réaction est accessible	L’exécution de réactions continues sous pression permet des températures plus élevées que les réactions par lots typiques limitées par le reflux du solvant à la pression ambiante, ce qui permet d’obtenir des rendements de produit plus élevés.
Flux de travail modulaire et personnalisable	Les équipements de chimie en flux sont hautement modulaires, ce qui facilite la configuration des systèmes pour répondre à des exigences de réaction spécifiques. Une gamme de modules spécifiques à des tâches spécifiques est disponible dans le commerce et facilement assemblé dans des flux de travail personnalisés par l’utilisateur.
Amélioration de la sécurité des processus	Les réactions considérées comme trop dangereuses dans les discontinus, telles que les processus hautement exothermiques ou énergétiques, sont souvent plus sûres en flux continu en raison des volumes de réactifs plus petits. L’exposition à des substrats et des réactifs toxiques est minimisée par des volumes plus petits et l’élimination de l’échantillonnage manuel.
Analyse, optimisation et mise à l’échelle rapides des réactions chimiques	Les procédés en flux permettent de tester plus rapidement les variables réactionnelles en utilisant moins de substrats et de réactifs. L’analyse en ligne et en temps réel fournit un retour d’information immédiat sur les performances de la réaction.
Augmenter la qualité et le rendement des produits	Un contrôle précis des variables et une exécution sûre dans des conditions de réaction plus larges améliorent le rendement global tout en minimisant les niveaux d’impuretés.

Au cours des dernières années, la portée et la variété des réactions effectuées à l’aide de la chimie en flux continu se sont considérablement élargies, en particulier dans les secteurs pharmaceutique, de la chimie fine, de la chimie verte, des réactions catalytiques et de la chimie des polymères. Une grande partie de cette croissance implique des chimies qui posent des défis pour la mise à l’échelle dans les processus discontinus traditionnels, en particulier ceux qui sont potentiellement dangereux. En voici quelques exemples :

Réactions d’hydrogénation
Oxydations
Halogénations
Nitrations
Diazotisations
Réactions de Grignard
Réactions impliquant des gaz toxiques

La chimie en flux améliore la sécurité en permettant une manipulation plus sûre des réactifs qui peuvent présenter des risques pour la santé humaine. Une autre application importante est le contrôle de la stéréochimie, car les systèmes d’écoulement permettent un ajustement précis des variables de réaction pour gérer efficacement l’épimérisation.

De plus, la chimie en flux est bien adaptée aux réactions avec des matériaux de départ limités, où la réalisation de réactions à petite échelle est préférable.

Lorsqu’elle est intégrée à la technologie d’analyse des procédés (PAT), la chimie en flux permet une analyse, une optimisation et une mise à l’échelle rapides des réactions chimiques. La surveillance continue et en temps réel permet aux chercheurs de suivre les conditions d’équilibre, de dépanner rapidement les écarts de processus et d’identifier les intermédiaires réactifs.

À l’aide de techniques telles que la spectroscopie de réflectance totale atténuée (ATR), chaque groupe fonctionnel d’une substance présente une empreinte spectrale unique qui peut être surveillée au fil du temps. Cela permet de mesurer en continu les concentrations des composants par rapport aux conditions du procédé, offrant des informations précieuses sur le temps et les paramètres nécessaires pour atteindre et maintenir un état stable.

Réaction en flux continu d’une réaction hautement exothermique

Dans cet exemple, la technologie FTIR en ligne a été utilisée pour analyser un processus continu formant du dioxyde de thiomorpholine par la réaction de l’éthanolamine (EA) et du divinylsulfone (DVS). La FTIR en ligne a joué un rôle essentiel à la fois lors du développement du processus continu et dans la surveillance de la réaction à plus grande échelle.

Des essais en lots à petite échelle ont révélé que cette réaction est très exothermique et peut poser des défis lorsqu’elle est mise à l’échelle. De plus, le divinylsulfone est un agent alkylant toxique et l’exposition doit être strictement évitée.

Réaction en flux continu de réaction hautement exothermique

Chimie des flux de réaction exothermique

Surveillance en temps réel et mise à l’échelle de la réaction en flux continu

Pour développer le procédé continu, la réaction de l’éthanolamine (EA) avec le divinylsulfone (DVS) a été réalisée dans un réacteur de 12 mL. ReactIR avec une cellule d’écoulement a été utilisé pour surveiller la disparition du DVS (bande de 1390 cm⁻¹) et l’apparence du composé cible (bande de 1195 cm⁻¹). De l’eau a été utilisée comme solvant, ce qui n’a pas interféré avec les bandes IR surveillées pour la DVS et le composé cible.

Comme le montre la trace spectrale IR dans le temps, la bande de 1390 cm⁻¹ correspondant à DVS apparaît au démarrage de la pompe B. Lors de l’actionnement de la pompe A, introduisant EA, la bande DVS disparaît tandis que la bande composée cible apparaît et atteint l’état stable. Cette réaction en flux continu a ensuite été étendue à une production à l’échelle du kilogramme, avec l’utilisation de la technologie de flux ReactIR pour la surveillance du processus en temps réel.

Strotman, N. A., Tan, Y., Powers, K. W., Soumeillant, M. et Leung, S. W. (2018). Mise au point d’une approche sûre et à haut débit de fabrication continue de 4-(2-hydroxyéthyl)thiomorpholine 1,1-dioxyde de carbone. Recherche et développement des procédés organiques, 22(6), 721-727. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.8b00100

Développement accéléré de procédés grâce à la chimie en flux

Chimie en flux pour les réactions exothermiques dans un CRO

NALAS Engineering, une organisation de recherche sous contrat (CRO), a démontré une méthode d’écoulement continu plus sûre pour une réaction chimique fortement exothermique à l’aide d’expériences riches en données (DRE). Le projet a utilisé la calorimétrie pour évaluer le bilan thermique et la spectroscopie infrarouge moyen in situ pour surveiller les composants de la réaction en temps réel et développer des modèles cinétiques.

L’analyse dans l’infrarouge moyen devait permettre de définir la conversion des fractions à chaque étape du système de modules fluidiques multiples, ainsi que la conversion globale et le rendement en fonction du temps de séjour. Des variables clés telles que le taux de dosage, la charge du catalyseur et la température ont été examinées et optimisées rapidement sur la base d’informations en temps réel fournies par la calorimétrie à flux de chaleur et la spectroscopie in situ dans l’infrarouge moyen.

Ces outils ont également permis de comprendre quelle étape contrôle la vitesse globale du processus ainsi que l’effet du mélange, du transfert de masse et du catalyseur sur la vitesse de réaction.

Découvrez comment NALAS Engineering a accéléré le développement de processus

ReactIR 702L

Le ReactIR 702L™ est idéal pour la surveillance en temps réel de la chimie en flux continu. Sa spectroscopie FTIR in situ permet un suivi continu des principales espèces réactionnelles, ce qui permet de mesurer la cinétique, les mécanismes et les voies, en particulier lorsque l’échantillonnage et l’analyse hors ligne sont difficiles.

Petit et léger
Avec un profil profilé, l’instrument s’intègre facilement dans des espaces physiquement contraints, permettant un placement le long de la séquence de réaction partout où une surveillance est nécessaire.

Pas besoin d’azote liquide
Les mesures infrarouges peuvent être effectuées en continu et sans surveillance pendant de longues périodes, ce qui permet de longs processus de synthèse.

Logiciel iC IR 8
La configuration et le suivi des tendances sont simples et intuitifs. Les données du ReactIR 702L s’intègrent parfaitement aux systèmes de contrôle, ce qui permet une gestion proactive de la chimie.

Chromatographie liquide à injection directe

Analyse HPLC en ligne

Avec DirectInject-LC,™ la HPLC peut désormais être utilisée pour la compréhension en temps quasi réel des réactions, des processus et de la cristallisation . L’échantillonnage et l’injection rapides de réaction entièrement automatisés transforment la HPLC en une nouvelle technologie d’analyse de processus (PAT) puissante pour la surveillance des réactions en ligne.

Collectez en continu des échantillons représentatifs en batch ou en flux, ce qui permet d’analyser en temps réel des produits chimiques complexes, multiphasiques et difficiles.
L’échantillonnage de réaction mains libres et reproductibles, la préparation et l’injection immédiate sur HPLC éliminent le vieillissement des échantillons et fournissent des données en temps réel.
Analysez les données à l’aide de la suite logicielle iC de pointe , spécialement conçue pour l’analyse et la modélisation des réactions, afin d’accélérer le développement de processus et de produits.

En savoir plus sur les solutions HPLC en ligne

Logiciel de modélisation d’écoulement continu

Dynochem : conception et mise à l’échelle de systèmes de chimie en flux

L’exécution de réactions et de processus en mode flux continu peut améliorer la qualité, la sécurité et le débit. Dynochem, un logiciel de simulation de processus chimiques, permet de modéliser des variables critiques telles que la longueur du tube, le volume, la température et le temps de séjour. Il permet également d’évaluer l’efficacité du mélange dans les réacteurs tubulaires et statiques.

Pour améliorer la sécurité des processus dans les réactions énergétiques, Dynochem aide à concevoir des réacteurs à écoulement piston appropriés sur la base des données de flux de chaleur obtenues à partir de mesures calorimétriques. De plus, il facilite la modélisation du degré de conversion en produit dans les chaînes de réacteurs à cuve agitée continue (CSTR).

Dynochem renforce la confiance de l’organisation dans la sélection du bon type de réacteur et des bonnes conditions de réaction pour un processus. La modélisation Dynochem est idéale pour optimiser rapidement les conditions dans les réacteurs à flux à toutes les échelles de produit.

En fournissant des informations fiables, Dynochem renforce la confiance de l’organisation dans le choix du bon type de réacteur et des bonnes conditions de réaction. Il est idéal pour l’optimisation rapide des conditions dans les réacteurs à flux à différentes échelles de produit.

Foire aux questions

Qu’est-ce que la chimie en flux ?

La chimie en flux, ou flux continu, est une technique qui consiste à exécuter des réactions chimiques dans un flux continu où les pompes déplacent le fluide dans un réacteur, et les fluides entrent en contact les uns avec les autres où les tubes se rejoignent. Les composants combinés peuvent réagir lors du mélange spontanément ou avec chauffage.

Pourquoi la chimie en flux est-elle importante ?

La chimie en flux est une technique bien établie pour une utilisation à grande échelle lors de la fabrication de grandes quantités d’un matériau donné.

Voici quelques avantages de la réalisation de réactions en flux continu :

Meilleur contrôle des paramètres de réaction
Réactions plus rapides
Amélioration de la qualité et du rendement des produits
Profils de sécurité améliorés
Intensification du processus
Procédés chimiques durables

Quelle est la différence entre le flux discontinu et le flux continu ?

La chimie en flux diffère de la chimie conventionnelle des lots de plusieurs façons, notamment :

Écoulement des réactifs : En flux continu, les réactifs sont pompés sous pression et s’écoulent en continu à travers le réacteur.
Contrôle du temps de réaction : Le temps de réaction est déterminé par le temps que mettent les réactifs à s’écouler dans le réacteur.
Contrôle accru des paramètres de réaction : Cela peut améliorer la réactivité ou permettre de nouvelles réactions.

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