Espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS): a solução perfeita para monitorar a pureza de solventes recuperados

08/08/2022

Artigo

A recuperação de solventes é o processo de extração de solventes úteis e matérias-primas de resíduos ou subprodutos de solventes gerados durante os processos de fabricação. Os solventes utilizados nestas situações muitas vezes não são eliminados ou incinerados, mas sim recuperados e purificados, o que permite poupar custos consideráveis. Os solventes usados são principalmente purificados por meio de destilação. Os processos de recuperação de solventes são muito comuns na indústria química e também na indústria farmacêutica durante a fabricação de APIs (ingredientes farmacêuticos ativos).

Solventes orgânicos

Os solventes orgânicos são altamente lipofílicos – capazes de dissolver óleos, gorduras, resinas, borracha e até plásticos. Eles são usados para muitas aplicações, como tintas, revestimentos, adesivos e detergentes. Além disso, são utilizados na produção de cosméticos, agroquímicos, polímeros e borrachas, só para citar alguns. Apesar das preocupações ambientais e dos potenciais riscos para a saúde, os solventes orgânicos (por exemplo, hidrocarbonetos, clorados, oxigenados, bem como os que contêm azoto e enxofre) ainda são amplamente utilizados devido ao seu desempenho incomparável.

Ao usar solventes orgânicos, a impureza encontrada com mais frequência é o solvente mais comum – água. A presença de umidade interfere em muitas reações, por isso a determinação do teor de água é crucial.

Principais benefícios da recuperação de solventes [1]

Despesas operacionais reduzidas:

Compras significativamente reduzidas de solventes de substituição caros
Custo reduzido de eliminação de resíduos perigosos
Requisitos reduzidos de estoque de solventes caros

Impacto Ambiental Melhorado:

Abordagem Verde – recuperação e reciclagem de solventes significa preservar e restaurar recursos valiosos versus eliminação e/ou desintegração de misturas de solventes.
A remoção de solventes de resíduos aquosos geralmente acompanha os objetivos do cliente, purificando assim as águas residuais no processo.

Garantia da Qualidade:

A autorrecuperação em equipamentos dedicados garante material dentro das especificações, sem substâncias estranhas.

Garantia da cadeia de suprimentos e continuidade das operações:

Quando os solventes não são entregues no prazo ou estão indisponíveis devido a falta de fornecimento, greves ou interrupções de fornecedores, a empresa farmacêutica que recupera seus solventes pode continuar a fabricar o produto, sem interrupções.

Espectroscopia no infravermelho próximo – a ferramenta ideal para monitorar a pureza (e as impurezas) dos solventes recuperados

A espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) tem sido um método estabelecido para controle de qualidade rápido e confiável de processos de recuperação de solventes há mais de 30 anos. No entanto, muitas empresas ainda não consideram consistentemente a implementação do NIRS nos seus laboratórios de QA/QC. As razões podem ser a experiência limitada em relação às possibilidades de aplicação ou uma hesitação geral na implementação de novos métodos.

Existem várias vantagens no uso do NIRS em relação a outras tecnologias analíticas convencionais. Por um lado, o NIRS é capaz de medir vários parâmetros em apenas 30 segundos, sem qualquer preparação de amostra! A interação luz-matéria não invasiva utilizada pelo NIRS, influenciada pelas propriedades físicas e químicas da amostra, torna-o um excelente método para a determinação de ambos os tipos de propriedades.

No restante desta postagem, é descrita uma solução disponível para monitorar a pureza do solvente cloreto de metileno juntamente com duas impurezas principais (metanol e água), desenvolvida de acordo com as diretrizes de implementação do NIRS de ASTM E1655.

Leia nossas postagens anteriores para saber mais sobre o NIRS como técnica secundária.

Benefícios do NIRS: Parte 1

Benefícios do NIRS: Parte 2

Benefícios do NIRS: Parte 3

Benefícios do NIRS: Parte 4

Monitorando a pureza (e as impurezas) de um solvente recuperado com o DS2500 Liquid Analyzer

Neste exemplo de aplicação, amostras de cloreto de metileno (ou diclorometano, CH₂Cl₂) solvente foram obtidos a partir da saída de uma unidade de destilação com recuperação de solvente. As amostras cobriram uma faixa de níveis de pureza típicos, bem como impurezas de metanol e água no solvente destilado. As amostras foram escaneadas em frascos de vidro descartáveis de 4 mm usando o analisador de líquidos Metrohm DS2500 (figura 1).

Para obter os valores de referência, as amostras foram analisadas por cromatografia gasosa (GC) para metanol e por titulação Karl Fischer para água imediatamente após a varredura para evitar quaisquer alterações nas amostras ao longo do tempo. A temperatura da amostra não foi controlada e variou de acordo com as condições ambientais do laboratório para todas as medições NIRS. A análise NIR foi bem-sucedida devido a uma combinação de medições NIR estáveis com o analisador de líquidos DS2500 e os recursos de modelagem de mínimos quadrados parciais (PLS) no pacote de software Vision Air Complete.

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Analisador de líquidos Metrohm DS2500

Visão Aérea 2.0 Completa

Os resultados do NIRS são obtidos muito rapidamente, com não é necessária preparação de amostra antes da digitalização. Isto permite monitorar e controlar o processo, que não era viável quando se utiliza apenas os métodos primários. A medição com NIRS não requer analistas altamente treinados – apenas são necessários frascos de vidro descartáveis para a análise!

Parâmetro	Método de referência	Nota de aplicação do NIRS	Benefícios do NIRS
Impurezas (água e metanol) Pureza (CH₂Cl₂)	Titulação KF/GC	AN-NIR-021	Água, metanol e CH₂Cl₂ são medidos simultaneamente em um minuto sem a necessidade de reagentes químicos ou preparação de amostras.

Figuras 2–5 mostrar os resultados da Nota de Aplicação mencionada em tabela 1. Os gráficos de correlação para água (umidade, Figura 3) e metanol (MeOH, Figura 4) mostram que ambos os modelos são robustos. Além disso, o coeficiente de correlação (R²) está próximo de 1 para ambos os modelos e o Erro Padrão de Predição (SEP) está alinhado com o Erro Padrão de Calibração (SEC).

Um modelo de calibração também foi desenvolvido para o CH geral₂Cl₂ pureza (Figura 5). Havia várias outras impurezas nas amostras além da umidade e do metanol, e todas as regiões espectrais utilizáveis foram usadas para modelar as bandas do solvente, bem como as bandas de todas as impurezas (Figura 2). Os valores de referência foram calculados a partir dos resultados do GC. O valor SEP foi muito semelhante ao valor SEC, indicando uma boa precisão preditiva comparável à precisão da determinação do GC.

Resumo

A espectroscopia NIR é excelentemente adequada para a análise de várias impurezas em solventes, bem como para a própria pureza do solvente com base no exemplo de aplicação mostrado aqui com cloreto de metileno. Em comparação com os métodos primários (cromatografia gasosa e titulação Karl Fischer), o o tempo para obter resultados é uma grande vantagem do uso do NIRS – uma única medição é concluída em um minuto, em vez de uma a duas horas com GC ou KFT.

Existem vários benefícios na utilização da espectroscopia NIR como uma tecnologia alternativa, incluindo o curto tempo de obtenção do resultado acima mencionado. Além disso, não são necessários produtos químicos ou qualquer outro equipamento caro e o NIRS é tão fácil de usar que até mesmo os trabalhadores em turnos podem realizar essas análises com o mínimo de treinamento.