CRISTALIZAÇÃOCRISTALIZAÇÃO

A CRISTALIZAÇÃO COMO MÉTODO DE A CRISTALIZAÇÃO COMO MÉTODO DE SEPARAÇÃOSEPARAÇÃO

- 70 % dos produtos comercializados para uso nas indústrias de processo e farmacêuticas são sólidos.

- Aumenta a cada dia as exigências de perfeição estrutural, homogeneidade e controle de defeito de cristais.

- Grande importância do processo de cristalização como método de purificação (cristais de pureza excepcional e sólidos uniformes facilita os passos de filtração e secagem).

- A ciência da cristalização, embora seja uma tecnologia muito antiga, ainda é pouco conhecida.

OBJETIVOS DA CRISTALIZAÇÃOOBJETIVOS DA CRISTALIZAÇÃO

1. Separar uma fase sólida da solução-mãe.

2. (Ultra) purificar um composto. 3. Produzir um sólido com requisitos pré-especificados.

VANTAGENS DA CRISTALIZAÇÃO

• É importante como processo industrial, em virtude do número de substâncias que são, ou podem ser, comercializadas na forma de cristais;

• O seu uso generalizado se deve provavelmente à forma pura e atrativa de uma substância química sólida que pode ser obtida, a partir de soluções relativamente impuras;

• É um processo que requer muito menos energia para a separação que outros métodos comumente usados (como a destilação);

• Pode ser efetuada em temperaturas relativamente baixas.

DESVANTAGENS DA CRISTALIZAÇÃO

• Normalmente não se consegue purificar mais de um componente em um único estágio;

• O procedimento de cristalização de uma fase não permite que todo o soluto seja recuperado em um único estágio e, por esse motivo, é necessário que se utilize um equipamento adicional para remover completamente o soluto.

PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃOPROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO

Surgimento e crescimento de partículas sólidas no meio, provocadas por uma instabilidade na solução. Esta instabilidade pode ser provocada por modificações nas propriedades físicas da solução tais como concentração e temperatura.

CRISTALCRISTAL Estrutura altamente organizada, caracterizada por uma formação tridimensional ordenada em forma de grade espacial; esta grade está formada por partículas tais como átomos, íons ou moléculas, que se separam da solução quando se alcançam certos níveis de potenciais termodinâmicos no sistema.

Especificações de um Especificações de um produto cristalinoproduto cristalino

1. Distribuição do tamanho dos cristais

2. Forma dos cristais

3. Inclusões de água-mãe nos cristais

4. Incorporação de impurezas na rede cristalina

5. Grau de aglomeração

6. Rugosidade superficial dos cristais.

PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃOPROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO

1. Distribuição do tamanho dos cristais1. Distribuição do tamanho dos cristais

É importante para a qualidade do produto e têm influencia no:1. Desempenho do processo2. Separação sólido/líquido3. Secagem, armazenamento, manuseio4. Pureza, empedramento, cor

2. Forma dos cristais2. Forma dos cristais

- Processamento a jusante: filtração, secagem, armazenamento

- Desempenho do produto: escoabilidade, densidade, cor, reatividade

(Pode ser facilmente determinada por difração de raio X)

PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃOPROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO

3. Inclusões líquidas3. Inclusões líquidas

- Processamento a jusante: secagem, armazenamento (empedramento)

- Desempenho do produto: afetam a pureza

PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃOPROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO

•Solução Solução É uma mistura homogênea de duas ou mais substâncias (o processo de cristalização ocorre numa faixa de temperatura).

•Material FundidoMaterial Fundido É um líquido em temperatura próxima à temperatura de congelamento, mas em sua aplicação geral o termo inclui mistura de líquidos homogêneos de duas ou mais substâncias que normalmente poderiam solidificar sob resfria-mento a partir de temperatura ambiente. O processo ocorre na temperatura de solidificação.

PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃOPROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO

CristalizaçãoCristalização

Nucleação e crescimento de Nucleação e crescimento de uma enorme quantidade de uma enorme quantidade de pequenos cristais (0,1 a 50 pequenos cristais (0,1 a 50 μm μm para precipitação e 100 a 1000 para precipitação e 100 a 1000 μm para cristalização)μm para cristalização)

As condições de supersaturação e superesfriamento não são a causa suficiente para um sistema começar a cristalizar. Antes dos cristais se desenvolverem deve existir na solução um número de corpos sólidos pequenos, núcleos ou sementes que atuam como centros de cristalização.

A nucleação pode ocorrer espontaneamente ou deve ser induzida artificialmente.

Formas de induzir a nucleação: agitação, choque mecânico, fricção e pressões extremas dentro das soluções.

PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃOPROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO

COMO OCORRE A CRISTALIZAÇÃO?COMO OCORRE A CRISTALIZAÇÃO?

Cristalização:Cristalização: Alta solubilidade, partículas de tamanho e forma bem definidos, cristais grandes.Precipitação:Precipitação: Produz sólidos amorfos de forma e tamanhos mal definidos.Tanto a cristalização como a pre-cipitação são um método de se-paração, em que a fase sólida é criada a partir da fase líquida.

Efeito da supersaturação na cristalização

C: Supersaturação C: Supersaturação G: Taxa de crescimento cristalinoG: Taxa de crescimento cristalinoNNNN: Taxa de nucleação: Taxa de nucleação

Lm: Tamanho médio dos cristais.Lm: Tamanho médio dos cristais.

• Uma solução supersaturada é aquela que contém um teor de soluto acima do equilíbrio nas mesmas condições de T e C dos demais componentes.

• A formação de núcleos decide o tamanho dos cristais, sua pureza e propriedades físicas

NNNN = k’exp(- = k’exp(-G*/kT)G*/kT)

LM

NN

G

C

LM

G

NN

LM

NN

G

C

LM

G

NN

MECANISMOSMECANISMOS

DA DA

NUCLEAÇÃONUCLEAÇÃO

PRIMÁRIAPRIMÁRIA

* * Homogênea (líquido isento de partículas, processo espontâneo)

* Heterogênea (presença de partículas, induzido por partículas )

SECUNDÁRIASECUNDÁRIA

*Induzida por cristais do soluto (30μm)

Um núcleo pode resultar de uma colisão simultânea de um número requerido de moléculas, embora isto possa ser um evento extremamente raro.

A + A ⇄ A2 (minúsculos grupos de partículas: Clusters)

A2 + A ⇄ A3

An-1 + A ⇄ An (cluster crítico)

Posteriores adições moleculares ao cluster crítico resultam em nucleação e subsequente crescimento do cristal.

COMO OCORRE A CRISTALIZAÇÃO?COMO OCORRE A CRISTALIZAÇÃO?

R: Curva íngreme = C/c* menor que 0,01 cristais grandes, nucleação secundária

E: Curva achatada = C/c* menor que 0,01 cristais grandes, nucleação secundária

A-S: Curva íngreme ou achatada = C/c* menor que 1 cristais médios, nucleação primária ou secundária

P: Curva íngreme ou achatada = C/c* muito maior que 1 cristais pequenos, nucleação primária

Onde é a supersaturação relativaC = supersaturaçãoc* = concentração de supersaturação

Curvas típicas de solubilidadeCurvas típicas de solubilidade

A ESCOLHA DO MÉTODO DE CRISTALIZAÇÃOA ESCOLHA DO MÉTODO DE CRISTALIZAÇÃO

Para se escolher um método de cristalização é preciso observar:

• O material a ser cristalizado e o solvente,

• O método de cristalização,

• As especificações requeridas do produto,

• A distribuição de tamanho do cristal,

• A flexibilidade do projeto em casos onde devem ser cristalizados vários produtos em função da demanda,

• De que modo o processo de cristalização ocorrerá: modo descontínuo ou contínuo.

A ESCOLHA DO MÉTODO DE CRISTALIZAÇÃOA ESCOLHA DO MÉTODO DE CRISTALIZAÇÃO

CRISTALIZAÇÃO DESCONTINUA CRISTALIZAÇÃO DESCONTINUA

VANTAGENSVANTAGENS

• Equipamento mais simples, menores defeitos mecânicos

• Aplicável a qualquer escala de produção

• Permite o processamento de um produto no mesmo equipamento em que foi produzido

• Recomendado para substâncias com baixa velocidade de cresci-mento dos cristais

DESVANTAGENSDESVANTAGENS

• Requer mais mão de obra

• Requer mais espaço e altos custos operacionais

• Modelo matemático mais complexo

• Instabilidade da qualidade dos cristais em processa-mentos sucessivos

PRINCIPAIS FATORESPRINCIPAIS FATORESCiclo de operação do cristalizadorPerfil de supersaturaçãoSemeaduraIncrustaçãoDistribuição do tamanho dos cristais

Ciclo de operação:Ciclo de operação:1. Carga2. Saturação3. Cristalização4. Descarga5. Limpeza

5

1 2

3 4

t

T

Teq

CRISTALIZAÇÃO DESCONTINUACRISTALIZAÇÃO DESCONTINUA

SemeaduraSemeaduraQual a massa de sementes? ms = (Ls

3 /Lf3 – Ls

3) Δm

Onde ms: massa de sementes;

Ls: tamanho da semente;

Lf: tamanho esperado dos cristais;

Δm: massa a ser cristalizada)

Tamanho das sementes Faixa estreita de tamanho (0,5-1% do tamanho dos cristais que se pretende formar).

Momento de introdução das sementes Após o cristalizador ter atingido a supersaturação desejada, ou seja um pouco abaixo da temperatura de saturação da solução, para evitar a dissolução das sementes tratadas.

CRISTALIZAÇÃO DESCONTINUACRISTALIZAÇÃO DESCONTINUA

Incrustações: Incrustações: Dificultam a transferência de calor e há necessidade de parar o processo. Como minimizar?

- Aumentar a agitação até o nível adequado à remoção dos cristais da superfície de resfriamento.- Reduzir o gradiente de temperatura entre o meio e a superfície fria, resultando o aumento do tempo de processo.- Utilizar um sistema com raspador- Semear adequadamente

Método para remoção de incrustações: Limpeza e aquecimento da superfície.

CRISTALIZAÇÃO DESCONTINUACRISTALIZAÇÃO DESCONTINUA

CRISTALIZAÇÃO CONTÍNUACRISTALIZAÇÃO CONTÍNUA

VANTAGENSVANTAGENS

•Custos de operação mais baixos

•Melhor uso das águas-mãe

•Menores demandas de operadores

•Possibilidade de classificar o pro-duto

•Filtração e lavagem mais efetivas dos cristais

•Menores demandas de espaço construído

•Operação constante dos equipa-mentos e, portanto, parâmetros de produção constantes (tamanho médio e distribuição de tamanho dos cristais)

DESVANTAGENS:DESVANTAGENS:

•Risco de formação de incrus-trações em superfícies de troca de calor e no nível de líquido

•Necessidade de projetar corre-tamente a saída da suspensão de cristais

•Equipamentos mais complexos com maiores possibilidades de falhas

•Maiores demandas na qualidade e experiência da mão-de-obra

•O fornecedor deve possuir larga experiência

CRISTALIZAÇÃO CONTÍNUACRISTALIZAÇÃO CONTÍNUA

TAMANHO DOS CRISTAISTAMANHO DOS CRISTAIS

- Novos cristais surgem continuamente.

- Os cristais existentes crescem continuamente.

- A massa a ser cristalizada é dividida entre os cristais presentes no cristalizador.

- Se houver muita nucleação, a massa divide-se em muitos cristais.

TEMPOS CARACTERÍSTICOS NUM TEMPOS CARACTERÍSTICOS NUM CRISTALIZADOR:CRISTALIZADOR:

- nucleação (primária e secundária) 1s

- Crescimento 1 h

- Tempo de residência 1 h

CONTROLE DA SUPERSATURAÇÃOCONTROLE DA SUPERSATURAÇÃO

- O descontrole por um curto período de tempo pode afetar muito o processo, e o efeito só é notado depois de algum tempo após a perturbação.

- A forma de nucleação predominante é a secundária, mas nucleação primária pode ocorrer ocasionalmente devido a explosão de núcleos.

- Soluto no cristalizador = alimentado – consumido pelos cristais

DURANTE A CRISTALIZAÇÃO CONTÍNUADURANTE A CRISTALIZAÇÃO CONTÍNUA

- Existe uma distribuição de tamanhos.

- A chance de partículas de diferentes tamanhos sair é a mesma, e o tempo para as partículas ficarem dentro do cristalizador é diferente.

CRISTALIZAÇÃO CONTÍNUACRISTALIZAÇÃO CONTÍNUA

TIPOS DE CRISTALIZADORES INDUSTRIAISTIPOS DE CRISTALIZADORES INDUSTRIAIS

1. Cristalizadores não agitados: operação simples2. Cristalizadores mecânicos3. Cristalizadores com classificação4. Cristalizadores agitados (mais usados)

- com classificação de produto- com circulação interna - com circulação externa

- Cristais maiores podem ser obtidos no primeiro tipo, decrescendo para os tipos que o seguem.

- Não-agitados e mecânicos: equipamentos antigos e não muito populares, caracterizados por baixas taxas específicas de produção, e cristais com grandes inclusões de licor-mãe.

MODELOS DE CRISTALIZADORESMODELOS DE CRISTALIZADORES

Cristalização com resfriamento indiretoCristalização com resfriamento indireto

Características operacionais: A alimentação é feita a uma temperatura de saturação mais alta que é mantida no cristalizador e é resfriada em tubos para remoção do calor sensível e o calor de cristalização. As incrustações de sólidos nas superfícies de refrigeração são limitados.

Vantagens: A operação é simples, nenhum equipamento à vácuo é necessário. A densidade do meio e a recuperação do produto são fixas pela composição de alimentação e pela manutenção da temperatura.

Desvantagens: Deve-se tomar cuidado no controle da temperatura na região de resfriamento para que a operação se processe com segurança.

MODELOS DE CRISTALIZADORESMODELOS DE CRISTALIZADORES

Cristalização evaporativa com resfriamento Cristalização evaporativa com resfriamento

Características operacionais: A alimentação é feita a uma temperatura de saturação mais alta que é mantida no cristalizador. Temperatura de cristalização, recuperação de produto e densidade do meio são reguladas através de controle à vácuo. O calor de cristalização e o calor sensível de alimentação é controlado através de evaporação e condensação do solvente.

Vantagens: Não há necessidade de aquecimento neste modo operacional e o condensado é utilizado para controlar a formação de incrustações.

Desvantagens: Concentração do meio e rendimento do produto são fixados por balanço de massa e energia.

MODELOS DE CRISTALIZADORESMODELOS DE CRISTALIZADORES

Cristalização por anti-solvente Cristalização por anti-solvente

Características operacionais: A temperatura do cristalizador é controlada à vácuo e adição de anti-solvente na alimentação. Um condensador de refluxo é usado regularmente para remover o calor condensado do solvente.

Vantagens: O sistema de operação é seguro, não há muitos problemas de incrustações nas regiões de resfriamento.

Desvantagens: O componente adicional (anti-solvente) deve ser completamente separado do líquido. O anti-solvente deve ser miscível no soluto.

Cristais de penicilina.