João Almeida Lopes & José Cardoso Menezes Centro de Engenharia Biológica e Química Instituto Superior Técnico Av. Rovisco Pais, 1049-001, Lisboa, Portugal Tel.: +351 218419838 | Fax: +351 218419197 | bsel@ist.utl.pt
Process Analytical Technologies (PAT): aplicações na indústria química, farmacêutica e petroquímica. RESUMO Process analytical technologies (PAT) são “sistemas para análise e controlo de processos, baseados em medidas frequentes de parâmetros críticos de qualidade ou atributos de desempenho de matérias-primas ou produtos intermédios que promovem a garantia de qualidade dos produtos finais obtidos no final da cadeia produtiva” (i.e., qualidade através do desenho). Vários casos de estudo serão discutidos que ilustram a aplicação de PAT em diferentes contextos e em diferentes tipos de indústria. Conclui-se apresentando uma visão perspectiva de como esta nova disciplina feita da integração de técnicas estabelecidas de engenharia e outras áreas científicas pode ter um papel decisivo no estabelecimento de processos mais seguros e melhores produtos. Palavras Chave: PAT, engenharia de sistemas em processo e produto, quimiometria, monitorização multivariável, processos industriais ABSTRACT Process analytical technologies (PAT) are “systems for analysis & control of manufacturing processes based on timely measurements of critical quality parameters and performance attributes of raw-materials and in-process products, to assure acceptable end-product quality at the completion of the process” (i.e., quality by design). Several case-studies will be discussed that illustrate PAT application in different contexts and in different industries. We conclude by a presenting a prospective view on how this new discipline made up from integrating established engineering approaches and other scientific areas will play a decisive role in leading to safer processes and better and less expensive products. Keywords: PAT, process systems engineering, chemometrics, multivariate monitoring, industrial processes
1. INTRODUÇÃO Process analytical technologies (PAT) são “sistemas para análise e controlo de processos, baseados em medidas frequentes de parâmetros críticos de qualidade ou atributos de desempenho de matérias-primas ou produtos intermédios que promovem a garantia de qualidade dos produtos finais obtidos no final da cadeia produtiva” (i.e., qualidade através do desenho) [1,2]. A estratégia definida como PAT é fundamental para o reconhecimento da engenharia de sistemas em processo (process systems engineering - PSE) na indústria moderna de manufactura nomeadamente para garantia de qualidade de produtos e processos. Esta estratégia envolve a aplicação de química analítica em processo (e.g., técnicas de monitorização em-processo), quimiometria (e.g., técnicas de modelação com base em dados) e controlo de processos (e.g., uso inteligente de dados de processo para supervisão e diagnóstico multivariável) (Figura 1). Entender-se que as relações a nível multivariável são cruciais para o conhecimento de um sistema e a facilidade de aplicação do conhecimento resultante, são dois aspectos cruciais para o desenvolvimento com sucesso de aplicações PAT [3]. As PAT nasceram no século XXI para indústrias do novo milénio e aparecem como mais do que a simples soma de disciplinas já existentes mesmo podendo existir ganhos significativos no seu uso integrado. Aplicações com sucesso de PAT constituem um meio de promoção ao desenvolvimento das suas ciências de suporte e não o inverso. Em termos de monitorização de processo, o uso de PAT representa uma alteração ao paradigma no sentido de que o controlo sofisticado de qualidade se move do controlo baseado em laboratório para o controlo baseado directamente no processo (i.e. em-processo). O desafio em PAT é o cada vez maior investimento em monitorização em tempo real de todas as fases processuais de modo a aumentar o nível
28
Figura 1
O conceito PAT baseia-se na integração de vários conceitos e disciplinas de Engenharia.
de confiança de todo o processo, o que implica por consequência a melhoria de qualidade dos produtos finais a comercializar [4]. Existem três cenários PAT que podem ser perspectivados (Figura 2): . Cenário I: O primeiro diz respeito a uma utilização modesta simplesmente substituíndo protocolos de qualidade existentes. Como exemplo, podemos utilizar espectroscopia de infra-vermelho para medição em-processo de parâmetros como a humidade em sólidos. Neste aspecto consegue-se essencialmente a redução de custos associados com o controlo de qualidade. . Cenário II: Em segundo lugar, o uso integrado da análise de dados e monitorização em processo para melhoramento da operação para processos industriais existentes. Com esta estratégia consegue-se para além de custos menores com o controlo da qualidade, melhorar o rendimento económico do processo. . Cenário III: Finalmente o uso extensivo e exclusivo de PAT ao longo do