Largura da Zona Metaestável (MSZW) na Cristalização

• Introdução à Cristalização e Precipitação
• Sobressaturação: A Força Motriz da Cristalização
• Como Medir o Tamanho do Cristal

A cristalização é obtida pela redução da solubilidade do produto em uma solução inicial saturada por meio de:

• Resfriamento
• Adição de antissolvente
• Evaporação
• Alguma combinação dos métodos acima

Outro método comum usado para induzir a cristalização é por meio de uma reação química em que dois ou mais reagentes são misturados para formar um produto sólido insolúvel na mistura reacional, um exemplo comum disso seria a reação de um ácido com uma base para formar um sal.

O método escolhido para cristalizar o produto pode variar dependendo de vários fatores. Por exemplo, cristais de proteína são sensíveis à temperatura, o que exclui o resfriamento e a evaporação, deixando a adição de antissolvente como o método de cristalização mais comum. Em muitos processos de cristalização, o resfriamento pode ser vantajoso por ser reversível, a solução saturada pode ser reaquecida em caso de operação não ideal.

As curvas de solubilidade (figura à direita) são comumente usadas para ilustrar a relação entre solubilidade, temperatura e tipo de solvente. Ao traçar temperatura versus solubilidade, os cientistas criam a estrutura necessária para desenvolver o processo de cristalização desejado. Aqui, a solubilidade do material dado no Solvente A é alta — o que significa que mais material pode ser cristalizado por unidade de massa de solvente. O Solvente C tem baixa solubilidade em todas as temperaturas, indicando que pode ser um antissolvente útil para este material.

Depois que um solvente apropriado é escolhido, a curva de solubilidade se torna uma ferramenta crítica para o desenvolvimento de um processo de cristalização eficaz. Com essas informações, podem ser escolhidas a concentração inicial e a temperatura ou a razão de antissolvente, o rendimento teórico pode ser calculado e as primeiras decisões importantes sobre como a cristalização será desenvolvida podem ser tomadas. 

Um instrumento baseado em sonda que acompanha a taxa e o grau de alteração do tamanho e da contagem de partículas à medida que as partículas estão presentes no processo, ParticleTrack, pode ser usado para medir a curva de solubilidade e a MSZW (largura da zona metaestável) identificando com precisão o ponto de dissolução (ponto na curva de solubilidade) e o ponto de nucleação (ponto na MSZW) em várias concentrações de soluto.

Em um estudo de Barrett e Glennon (Trans ICHemE, vol. 80, 2002, pp. 799-805), uma solução não saturada é resfriada a uma taxa lenta e fixa até que o ponto de nucleação seja medido por ParticleTrack (Lasentec FBRM), indicando um ponto na MSZW. Em seguida, a solução é aquecida lentamente até que o ponto de dissolução seja medido, indicando um ponto na curva de solubilidade. Depois, adiciona-se solvente ao sistema para reduzir a concentração e o processo é repetido. Dessa forma, a curva de solubilidade e a MSZW podem ser medidas rapidamente em uma ampla faixa de temperaturas.

Nesta figura, a curva de solubilidade e a(s) largura(s) da zona metaestável para sulfato de alumínio e potássio são mostradas. Embora a curva de solubilidade seja termodinamicamente fixa para um dado sistema solvente-soluto, a MSZW é um limite cinético e pode mudar dependendo de parâmetros do processo, como taxa de resfriamento, agitação ou escala. A caracterização da MSZW sob uma faixa de condições de processo pode ajudar os cientistas a entender como um processo de cristalização pode se comportar em diferentes escalas — ou em caso de uma perturbação no processo. A variabilidade na MSZW sob diferentes condições pode indicar que o sistema pode não se comportar de forma consistente em termos de ponto de nucleação e cinética. Um resultado desse tipo pode justificar a investigação da possibilidade de semear o processo a fim de fixar o ponto de nucleação para cada experimento ou lote.

Abordagens dinâmicas para a determinação da solubilidade, como esta, às vezes têm sua precisão limitada, já que uma taxa de aquecimento rápida significa que o ponto exato de dissolução pode ser superestimado. Métodos estáticos, como a análise gravimétrica, podem oferecer mais precisão – mas são mais demorados e difíceis de implementar. Muitas técnicas podem ser usadas para medir curvas de solubilidade, e pesquisas recentes voltadas a prever a solubilidade em diferentes solventes mostram-se promissoras.

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