NPK. Control de procesos químicos basado en simulación

A finales de los 90, los investigadores del Laboratorio de Ingeniería de Procesos Químicos de IQS empezaron a desarrollar una herramienta informática denominada Cinética no Paramétrica (NPK, de sus siglas en inglés Non Parametric Kinetics). Se trata de una técnica numérica que permite describir la velocidad a la que tienen lugar tanto transformaciones químicas (reacciones) como físicas (cristalizaciones o transiciones vítreas, por ejemplo), sin necesitar modelos preconcebidos ni resolver ecuaciones sofisticadas de simulación del comportamiento de los sistemas.

El método [i] consiste en el procesado de datos experimentales que contienen información sobre la dinámica de un sistema y las transforma en información que permita predecir el comportamiento del sistema en condiciones distintas de las experimentales, sin necesidad que el usuario utilice modelos fisicoquímicos. Esencialmente, emplea datos de Análisis Térmico y Calorimetría (DSC, TGA, …), pero también se han incorporado otros datos procedentes de Espectrofotometría en línea (NIR) y de Process Analytical Technologies (PAT), asociadas a Química de Flujo (Flow Chem ), como son datos de UV-Vis, FTIR y espectroscopia RAMAN.

Inicialmente, NPK se desarrolló como una herramienta básica para el control de procesos basada en simulación y para predicción de propiedades termodinámicas de mezclas. Actualmente, y para facilitar la adquisición de datos por NPK, los investigadores están desarrollando aplicaciones de Arduino y Raspberry, junto con el software libre Python, para la adquisición de datos en línea de las PAT asociadas a Flow Chem, junto con nuevos sensores de conductividad eléctrica.

Retos y soluciones aportadas por la herramienta NPK

Las aplicaciones más inmediatas de NPK son para estudiar la estabilidad química de sustancias y preparados, a partir de datos de análisis térmico y calorimetría, dirigidas a sectores estratégicos como son:

Sector químico:
a) Seguridad industrial.Prevención de explosiones térmicas
b) Transformación de plásticos ( procesado/ cristalinidad)
Sector farmacéutico: estudios acelerados de estabilidad de principios activos (API) de este sector o de preparados farmacéuticos.
Comportamiento de sustancias altamente energéticas, como pueden ser elementos pirotécnicos o propelentes de cohetes.

Un ejemplo concreto de aplicación de la herramienta es el estudio de velocidad de cristalización de polímeros empleados en packaging alimentario (polipropileno y PET), realizado en colaboración con la universidad UCA de El Salvador. El control de la cristalinidad del material es decisivo en sus propiedades y la utilización de la NPK permitirá diseñar los procesos de producción.

Thermal Analysis of Micro, Nano- and Non-Crystalline Materials: Transformation, Crystallization, Kinetics and Thermodynamics. SPRINGER, pp. 351–369.