Optimización y estudios de siembra de la cristalización

• Introducción a la cristalización y la precipitación
  
• Fundamentos: la solubilidad y la anchura de la zona metaestable
• Medición del tamaño de los cristales
• Uso de antidisolvente para la cristalización

La siembra es uno de los métodos más sencillos de controlar la supersaturación.  Durante la siembra, se añade una pequeña masa de cristales a la supersaturación para:

• iniciar la cristalización al nivel de supersaturación deseado,
• crear el área de superficie suficiente para garantizar el uso de la supersaturación de manera controlada.

Elegir la carga (masa) y el tamaño adecuados de las semillas puede ayudar a conseguir un producto cristalino final de un tamaño concreto.  Si pensamos en un sistema de cristalización teórico en el que solo se existe formación y los cristales son esféricos, es posible desarrollar un modelo sencillo en el que el tamaño final del cristal se pueda predecir considerando únicamente la carga y el tamaño iniciales de las semillas (derecha).  Imaginemos que sembramos una cristalización con un 1 % de semillas.   En este caso, ese 1 % es, sencillamente, la proporción de masa de semillas con respecto a la masa prevista del producto final.  Dado que la semilla y el producto final tienen la misma densidad, es muy sencillo convertir la proporción de masa en proporción de volumen.  Por lo tanto, el siguiente paso lógico es convertir la proporción de volumen en proporción de diámetro.

Aunque este modelo sencillo resulta útil para demostrar en qué medida influyen la carga y el tamaño de las semillas en la distribución del tamaño de cristal final, estas situaciones no suelen darse en los sistemas reales. No es frecuente que los cristales sean esféricos, lo que implica que se requieran modelos más complejos para predecir el tamaño de las agujas.  Rara vez, o nunca, se domina por completo la formación en los procesos de cristalización.  Casi siempre se produce cierto grado de nucleación y desgaste para desarrollar una cristalización sembrada eficaz.  Tal y como este ejemplo nos demuestra, la microscopia en tiempo real ofrece una oportunidad única para conocer mejor lo que ocurre durante la siembra.  En las imágenes de la derecha, se observa la siembra de manera directa durante una cristalización orgánica mediante microscopia en tiempo real.  Tras añadir los cristales semilla a la solución supersaturada (a), se percibe la nucleación en la superficie de los cristales semilla (b).  Según avanza el tiempo, se forman dendritas y del cristal semilla salen pequeñas "ramas" de cristal perpendiculares (c).  Transcurridos treinta minutos, se observa una distribución de forma y tamaño bimodal, lo que indica que el producto cristalino final puede filtrarse y secarse de manera deficiente. (d).

Se puede conocer el proceso fácilmente con observar los mecanismos de siembra durante el desarrollo de la cristalización. 

El nivel de supersaturación al que añadir la semilla es otra variable fundamental que cabe considerar cuando se diseña un proceso de cristalización sembrada.  En una cristalización enfriada, puede conocerse como “temperatura de siembra”, pero es el nivel de supersaturación a lo que se atiende en realidad. La siembra a altos niveles de supersaturación puede derivar en una nucleación secundaria excesiva, lo que hace que el propio proceso de siembra sea redundante, a menos que lo que se persiga sea una distribución de tamaño de cristal fino. Si se desea que se formen cristales, lo acertado será realizar la siembra en un punto más cercano a la curva de solubilidad, a una supersaturación inferior. Esta metodología se representa en el gráfico de la derecha, donde se comparan tres procesos de cristalización mediante ParticleTrack con tecnología FBRM a tres temperaturas de siembra distintas. Al comparar los recuentos de partículas entre 0 y 10 μm de cada cristalización, se pueden comparar las velocidades de nucleación relativas a diferentes temperaturas de siembra. La temperatura de siembra más baja (la supersaturación más alta) tiene como resultado el grado más elevado de nucleación y cristales finos al final del proceso. 

Cuando se realiza la siembra, otro factor importante que se debe observar es que, durante la preparación y el almacenamiento, los cristales semilla pueden adherirse y formar agregados. Con frecuencia, es preciso esperar en condiciones de isotermia tras la siembra para garantizar los cristales semilla se dispersan por completo y que toda el área de la superficie se encuentra disponible para que la cristalización avance. Actuar así también puede ayudar a que los cristales semilla crezcan, de modo que aumente el área de la superficie que permite la formación. En el ejemplo de la derecha, se muestra la tendencia de un proceso de ParticleTrack que describe una cristalización en la que las semillas tardan cuatro horas en dispersarse por completo. Tanto este ejemplo como los anteriores indican que la caracterización meticulosa de la siembra, en lo que respecta a algunas variables importantes del proceso, resulta vital para garantizar la coherencia y la calidad del producto.

Aunque la cristalización ha mejorado a lo largo de los años, la siembra todavía plantea retos.  En este artículo se aborda el diseño de una estrategia de siembra y los parámetros que deben considerarse al implementar un protocolo de siembra.  

Las operaciones unitarias de cristalización ofrecen una oportunidad exclusiva para buscar y controlar una distribución óptima del tamaño y la forma de los cristales para:

• disminuir los tiempos de filtración y secado,
• evitar problemas de almacenamiento, transporte y períodos de conservación,
• garantizar un proceso constante y repetible a costes bajos.