Guia de Desenvolvimento de Cristalização
Controlando as Taxas de Adição
Com Perfil de Supersaturação In Situ
A supersaturação é gerada pela redução da solubilidade do produto em solução, normalmente por resfriamento ou adição de um antissolvente. A taxa de resfriamento da solução ou de adição do antissolvente influencia diretamente o nível de supersaturação.
Neste exemplo, são preparadas soluções sub-saturadas de ácido benzóico em misturas etanol-água, e adiciona-se água a uma taxa fixa de 0,1 g/s e 0,2 g/s, respectivamente, a uma temperatura fixa de 25 °C. A concentração líquida é medida em tempo real com FTIR in situ. Na figura à direita, são exibidos a curva de solubilidade do ácido benzóico em misturas etanol-água e os perfis de dessupersaturação de cada experimento. O perfil de dessupersaturação mostra que a solução começa na região sub-saturada. À medida que a água é adicionada, o processo avança além da curva de solubilidade para a região supersaturada. A concentração líquida diminui após a nucleação dos cristais e permanece próxima da curva de solubilidade. Ao final do período de adição de antissolvente, a concentração líquida cai para a curva de solubilidade. Quando o antissolvente é adicionado a uma taxa mais rápida, o nível de supersaturação é mais alto ao longo de todo o processo - devido a um acúmulo que não pode ser aliviado com rapidez suficiente por meio do crescimento e da nucleação dos cristais.
Otimize os Parâmetros do Processo
Para Controlar a Supersaturação e o Tamanho
Neste experimento, a alteração dos parâmetros do processo e da supersaturação influencia tanto o tamanho quanto a forma dos cristais. Imagens capturadas com tecnologia PVM (ParticleView) ao final de cada experimento ilustram esse ponto (mostrado à direita). A taxa de adição lenta gera placas alongadas grandes e bem formadas, enquanto a taxa de adição rápida gera agulhas finas que aglomeram facilmente. Este resultado mostra que, ao alterar a supersaturação em um sistema de cristalização, é possível modificar o tamanho, a forma e o grau de aglomeração dos cristais. Isso também demonstra a importância de compreender e controlar o nível predominante de supersaturação.
Este exemplo simples ilustra um princípio fundamental:
- Para obter cristais grandes, gere a supersaturação lentamente
- Para obter cristais pequenos, gere a supersaturação rapidamente
Desafios com a Supersaturação
Pureza e Scale-up
O controle das taxas de adição de antissolvente para controlar o tamanho dos cristais é bem compreendido e está fundamentado em sólidos princípios científicos. No entanto, o desenvolvimento e o aprimoramento eficazes e baseados em evidências de processos de cristalização são mais complexos. Por exemplo, gerar supersaturação em uma taxa rápida pode levar à formação de impurezas indesejadas na forma de fases oleosas transitórias (a) ou formas polimórficas indesejadas (b). Da mesma forma, no esforço de gerar cristais grandes, nem sempre é possível sacrificar o tempo de ciclo, o que significa que taxas de resfriamento ou de adição de antissolvente extremamente lentas não são viáveis.
Otimizando a Cristalização com Controle de Supersaturação
É apresentado um método que facilita o uso de espectros ATR-FTIR in situ sem calibração para a produção e o controle de trajetórias qualitativas de supersaturação.
Tecnologias para Monitorar, Otimizar e Controlar
As operações unitárias de cristalização oferecem a oportunidade única de direcionar, controlar e otimizar a distribuição do tamanho e da forma dos cristais para:
- Reduzir os tempos de filtração e secagem
- Evitar problemas de armazenamento, transporte e vida útil
- Garantir um processo consistente e repetível a menores custos
Aplicações
Aplicações da Adição de Antissolvente sobre a Supersaturação
Projeto e Otimização do Protocolo de Semeadura para Melhor Consistência de Lote
A semeadura é uma das etapas mais importantes na otimização do comportamento da cristalização. Ao desenvolver uma estratégia de semeadura, é preciso considerar parâmetros como tamanho de semente, carregamento de sementes (massa) e temperatura durante a adição de sementes. Esses parâmetros são geralmente otimizados com base na cinética do processo e nas propriedades desejadas da partícula final, e devem permanecer consistentes durante o aumento de escala e a transferência de tecnologia.
Aumento de Escala de Agitação, Dosagem e Cristalização
Mudar a escala ou as condições de agitação em um cristalizador pode afetar diretamente a cinética do processo de cristalização e o tamanho do cristal final. Efeitos de transferência de calor e massa devem ser considerados para sistemas de resfriamento e antissolvente, respectivamente, em que a temperatura ou os gradientes de concentração podem produzir falta de homogeneidade no nível de supersaturação predominante.
Melhore os experimentos de cristalização com controle preciso
O cristalizador MSMPR (Mixed Suspension Mixed Product Removal) é um tipo de cristalizador usado em processos industriais para produzir cristais de alta pureza.
O Controle da Sobressaturação Otimiza o Tamanho e a Forma dos Cristais
As cinéticas da cristalização são caracterizadas em termos de dois processos dominantes, a cinética de nucleação e a cinética de crescimento, ocorrendo durante a cristalização a partir de solução. A cinética de nucleação descreve a taxa de formação de núcleos estáveis. A cinética de crescimento define a taxa na qual um núcleo estável cresce até se tornar um cristal macroscópico. Técnicas avançadas oferecem controle de temperatura para modificar a sobressaturação e o tamanho e a forma dos cristais.
Monitoramento em Tempo Real para Modelagem e Controle
A cristalização contínua é viabilizada pelos avanços na modelagem de processos e no projeto de cristalizadores, que aproveitam a capacidade de controlar em tempo real a distribuição do tamanho dos cristais por meio do monitoramento direto da população de cristais.
Como a Adição de Solvente pode Controlar o Tamanho e a Quantidade de Cristais
Na cristalização por antissolvente, a taxa de adição do solvente, o local de adição e a mistura influenciam a supersaturação local em um vaso ou tubulação. Cientistas e engenheiros modificam o tamanho e a quantidade de cristais ajustando os protocolos de adição de antissolvente e o nível de supersaturação.
Gerar Supersaturação e Determinar o Produto Cristalino Final
Um processo de cristalização em batelada bem projetado é aquele que pode ser escalado com sucesso para a escala de produção - proporcionando a distribuição de tamanho de cristal, o rendimento, a forma e a pureza desejados. A otimização da cristalização em batelada requer manter controle adequado da temperatura do cristalizador (ou da composição do solvente).
Os Blocos de Construção da Cristalização
As curvas de solubilidade são comumente usadas para ilustrar a relação entre solubilidade, temperatura e tipo de solvente. Ao plotar temperatura versus solubilidade, os cientistas podem criar a base necessária para desenvolver o processo de cristalização desejado. Uma vez escolhido um solvente apropriado, a curva de solubilidade torna-se uma ferramenta crítica para o desenvolvimento de um processo de cristalização eficaz.
Recupere a Lactose com Alto Rendimento e um Processo Escalável
A cristalização da lactose é uma prática industrial para separar a lactose de soluções de soro por meio de cristalização controlada.
Criar Redes Estruturadas e Ordenadas para Macromoléculas Complexas
A cristalização de proteínas é o ato e método de criar redes estruturadas e ordenadas para macromoléculas frequentemente complexas.
Detectar e Prevenir Oiling Out (Separação de Fase Líquido-Líquido)
A separação de fase líquido-líquido, ou "oiling out", é um mecanismo de partículas frequentemente difícil de detectar que pode ocorrer durante processos de cristalização.
Melhore a Cristalização com Medição Inline do Tamanho, da Forma e da Contagem de Partículas
Tecnologias em linha baseadas em sondas são aplicadas para acompanhar mudanças no tamanho e na forma das partículas em concentração total, sem necessidade de diluição ou extração. Ao monitorar, em tempo real, a taxa e o grau de alteração das partículas e dos cristais, é possível otimizar os parâmetros corretos do processo de cristalização para obter melhor desempenho.
Entenda o Polimorfismo e o Impacto dos Parâmetros de Processo
O polimorfismo cristalino descreve a capacidade de um composto químico se cristalizar em várias configurações de célula unitária, que muitas vezes apresentam propriedades físicas diferentes.
A Força Motriz da Cristalização
Supersaturação ocorre quando uma solução contém mais soluto do que seria termodinamicamente possível, dadas as condições do sistema. A supersaturação é considerada um dos principais motores da cristalização.
Otimização das Propriedades do Cristal e Desempenho do Processo
A recristalização é uma técnica usada para purificar compostos sólidos dissolvendo-os em um solvente quente e permitindo que a solução esfrie. Durante esse processo, o composto forma cristais puros à medida que o solvente esfria, enquanto as impurezas são excluídas. Os cristais são então coletados, lavados e secos, resultando em um produto sólido purificado. A recristalização é um método essencial para alcançar altos níveis de pureza em compostos sólidos.
A semeadura é uma das etapas mais importantes na otimização do comportamento da cristalização. Ao desenvolver uma estratégia de semeadura, é preciso considerar parâmetros como tamanho de semente, carregamento de sementes (massa) e temperatura durante a adição de sementes. Esses parâmetros são geralmente otimizados com base na cinética do processo e nas propriedades desejadas da partícula final, e devem permanecer consistentes durante o aumento de escala e a transferência de tecnologia.
Mudar a escala ou as condições de agitação em um cristalizador pode afetar diretamente a cinética do processo de cristalização e o tamanho do cristal final. Efeitos de transferência de calor e massa devem ser considerados para sistemas de resfriamento e antissolvente, respectivamente, em que a temperatura ou os gradientes de concentração podem produzir falta de homogeneidade no nível de supersaturação predominante.
As cinéticas da cristalização são caracterizadas em termos de dois processos dominantes, a cinética de nucleação e a cinética de crescimento, ocorrendo durante a cristalização a partir de solução. A cinética de nucleação descreve a taxa de formação de núcleos estáveis. A cinética de crescimento define a taxa na qual um núcleo estável cresce até se tornar um cristal macroscópico. Técnicas avançadas oferecem controle de temperatura para modificar a sobressaturação e o tamanho e a forma dos cristais.
Na cristalização por antissolvente, a taxa de adição do solvente, o local de adição e a mistura influenciam a supersaturação local em um vaso ou tubulação. Cientistas e engenheiros modificam o tamanho e a quantidade de cristais ajustando os protocolos de adição de antissolvente e o nível de supersaturação.
Um processo de cristalização em batelada bem projetado é aquele que pode ser escalado com sucesso para a escala de produção - proporcionando a distribuição de tamanho de cristal, o rendimento, a forma e a pureza desejados. A otimização da cristalização em batelada requer manter controle adequado da temperatura do cristalizador (ou da composição do solvente).
As curvas de solubilidade são comumente usadas para ilustrar a relação entre solubilidade, temperatura e tipo de solvente. Ao plotar temperatura versus solubilidade, os cientistas podem criar a base necessária para desenvolver o processo de cristalização desejado. Uma vez escolhido um solvente apropriado, a curva de solubilidade torna-se uma ferramenta crítica para o desenvolvimento de um processo de cristalização eficaz.
Tecnologias em linha baseadas em sondas são aplicadas para acompanhar mudanças no tamanho e na forma das partículas em concentração total, sem necessidade de diluição ou extração. Ao monitorar, em tempo real, a taxa e o grau de alteração das partículas e dos cristais, é possível otimizar os parâmetros corretos do processo de cristalização para obter melhor desempenho.
A recristalização é uma técnica usada para purificar compostos sólidos dissolvendo-os em um solvente quente e permitindo que a solução esfrie. Durante esse processo, o composto forma cristais puros à medida que o solvente esfria, enquanto as impurezas são excluídas. Os cristais são então coletados, lavados e secos, resultando em um produto sólido purificado. A recristalização é um método essencial para alcançar altos níveis de pureza em compostos sólidos.
Publicações
Publicações sobre a Adição de Antissolvente sobre a Supersaturação
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Citações
Crystallization and precipitation citation list and publications
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