Guia para o Desenvolvimento de Cristalização
Consideração da Escala do Processo
Influências das Condições de Mistura
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. Isso geralmente se manifesta como bolsas de supersaturação muito alta próximas às paredes do recipiente para uma cristalização por resfriamento, ou no local adicional para cristalizações com antissolventes (e também reativas).
Comparação de Misturas em Diferentes Escalas
Bolsas de supersaturação alta podem causar taxas muito altas de nucleação e crescimento em determinadas regiões de um cristalizador de grande escala, o que significa que a distribuição do tamanho do cristal final pode variar radicalmente da distribuição alcançada em um ambiente de agitação melhor no laboratório durante o desenvolvimento. Como mostra o gráfico à direita, uma alteração de um reator de 500 ml para um reator de 2 l para o mesmo processo de cristalização resulta em eventos de nucleação inesperados caracterizados pelo ParticleTrack. Além disso, a quantidade de partículas pequenas geradas no lote é significativamente maior.
Repetibilidade de Cristalização
Variação da Cinética de Nucleação
O efeito do acúmulo da supersaturação local sobre a cristalização é mostrado aqui, no qual a repetibilidade do ponto de nucleação para uma cristalização sem semeadura é exibido para um sistema de cristalização antissolvente. Para este processo (à direita), quando o antissolvente é adicionado sobre a superfície líquida e próximo à parede do reator, especialmente em taxas de adição mais altas, o ponto de nucleação é extremamente inconsistente, com amplas barras de erros exibidas para esses experimentos conduzidos em triplicata (D. O’Grady, M. Barrett, E. Casey, and B. Glennon. (2007) The Effect of Mixing on the Metastable Zone Width and Nucleation Kinetics in the Anti-solvent Crystallization of Benzoic Acid. Chemical Engineering Research and Design, 85, 945 – 952). Além disso, ao adicionar antissolvente sobre a superfície e na parede do cristalizador, a nucleação ocorre mais cedo e consistentemente, em concentrações de antissolventes mais baixas. O motivo para estes dois resultados preocupantes é que, quando o antissolvente é adicionado próximo à parede, as condições de mistura no cristalizador dificultam uma fácil incorporação do antissolvente e a supersaturação acumula no local de alimentação.
Incorporação de Antissolvente
O Efeito na Cinética de Cristalização
Esta expressiva disparidade na consistência se deve ao modo como o antissolvente é incorporado ao recipiente. Este vídeo (à esquerda) mostra experimentos de rastreamento com Dinâmica dos Fluidos Computacional, para os dois locais de adição mostrados acima (centro e parede). Quando o antissolvente é adicionado sobre a superfície e próximo à parede, é difícil incorporar efetivamente o líquido na solução em massa. Quando o antissolvente é adicionado mais próximo do propulsor, a incorporação do antissolvente ocorre imediatamente. Para este sistema de cristalização, esta diferença na incorporação do antissolvente – e as diferenças associadas na homogeneidade da supersaturação no recipiente – resulta em diferenças significativas na nucleação e na consistência do processo de cristalização.
Efeito da Mistura sobre a Quebra
Velocidade de Cisalhamento
Além dos efeitos de transferência de massa, a velocidade de cisalhamento em um cristalizador pode ter um impacto físico nos cristais por meio da quebra. A quebra do cristal é uma função da concentração de sólidos no sistema e da velocidade de cisalhamento. Conforme a escala e as condições de agitação mudam, a concentração de sólidos e os gradientes da velocidade de cisalhamento podem se tornar importantes, o que significa que pode ocorrer uma quebra maior ou menor à medida que o processo de cristalização aumenta. Neste exemplo (à direita), as distribuições do comprimento de corda adquiridas usando a tecnologia FBRM (instrumentos ParticleTrack) para um processo de cristalização contínuo são exibidas para três intensidades de agitação diferentes (E. Kougoulos, A.G. Jones e M.W. Wood-Kaczmar (2005) Estimation of Crystallization Kinetics for an Organic Fine Chemical Using a Modified Continuous Cooling Mixed Suspension Mixed Product Removal (MSMPR) Crystallizer, Journal of Crystal Growth, Volume 273, Números 3 – 4, 3 Janeiro 2005, Páginas 520 – 528. Conforme a agitação e a velocidade de cisalhamento associada aumentam, as distribuições se deslocam para a esquerda com um aumento nas contagens de cristais finos, indicando quebra do cristal. Esse resultado é comum. No entanto, este tipo de comportamento é difícil de prever já que o volume muda, pois a intensidade da agitação não é um parâmetro escalonável.
Análise do Tamanho de Partículas para Otimização do Processo
Este artigo discute técnicas comuns de análise do tamanho de partículas e como elas são usadas para o fornecimento de partículas de alta qualidade. Exemplos incluem o uso de analisadores de tamanho de partículas off-line em conjunto com ferramentas em processo de caracterização de partículas para otimizar processos.
Tecnologias para Monitorar, Otimizar e Controlar
Operações unitárias de cristalização oferecem a oportunidade exclusiva de visar e controlar uma distribuição otimizada de tamanho e forma dos cristais para:
- Reduzir os Tempos de Filtragem e Secagem
- Evitar Problemas de Armazenamento, Transporte e Data de Validade
- Garantir um Processo Consistente e Repetível a um Custo Mais Baixo
Aplicações
Aplicações para Otimizar o Tamanho e o Formato dos Cristais com Controle de Temperatura
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 Controle de Temperatura na Cristalização
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Citações
Crystallization and precipitation citation list and publications
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