Cristalização e Precipitação

Cristalização é o processo em que átomos ou moléculas se organizam em uma estrutura de cristais rígida e bem definida para minimizar seu estado energético. A menor parte da estrutura de um cristal é chamada de célula unitária, que pode aceitar átomos ou moléculas para evoluir em um cristal macroscópico. Durante a cristalização, átomos e moléculas se unem em ângulos bem definidos para formar uma forma de cristal característica com bordas e faces lisas. Embora a cristalização possa ocorrer na natureza, a cristalização também conta com uma ampla aplicação industrial como uma etapa de separação e purificação nas indústrias farmacêutica e química.

A escolha das condições de operação durante um processo de cristalização influencia diretamente atributos importantes do produto, tais como o tamanho, a forma e a pureza dos cristais. Ao compreender o processo de cristalização e escolher os parâmetros de processo adequados, é possível produzir de maneira consistente cristais com características adequadas de tamanho, forma e pureza, minimizando os problemas de processamento a jusante, como longos tempos de filtração ou secagem inadequada.

A cristalização faz parte de cada aspecto de nossas vidas, que vão desde os alimentos ingeridos e os medicamentos tomados aos combustíveis utilizados para gerar energia para as nossas comunidades. A maioria dos produtos agroquímicos e farmacêuticos passa por muitas etapas de cristalização durante seus processos de desenvolvimento e fabricação. Os principais ingredientes alimentares, como lactose e lisina, são produzidos utilizando a cristalização, e a cristalização indesejada de hidratos de gás em tubulações de águas profundas é uma grande preocupação de segurança para a indústria petroquímica.

Cristalização
Cristalização é um processo pelo qual cristais sólidos são formados a partir de outra fase, normalmente uma solução líquida ou fundida.

Cristal
O cristal é uma partícula sólida na qual as moléculas, átomos ou íons constituintes são organizados em um padrão ou estrutura tridimensional, repetitiva, rígida e fixa.

Precipitação
Precipitação é outra palavra para cristalização, mas é usada com maior frequência quando a cristalização ocorre de forma muito rápida por meio de uma reação química.

Solubilidade
Solubilidade é uma medida da quantidade do soluto que pode ser dissolvida em um dado solvente a uma dada temperatura

Solução Saturada
Em uma dada temperatura, existe uma quantidade máxima de soluto que pode ser dissolvida no solvente. Neste ponto, a solução está saturada. A quantidade de soluto dissolvida neste ponto é a solubilidade.

Supersaturação
Supersaturação é a diferença entre a concentração real de soluto e a concentração de soluto em equilíbrio a uma data temperatura.

A Cristalização ocorre quando a solubilidade de um soluto em solução é reduzida através de alguns métodos. Métodos comuns para reduzir a solubilidade incluem:

a. Resfriamento

b. Adição de antissolvente

c. Evaporação

d. Reação (Precipitação)

A escolha do método de cristalização depende do equipamento disponível para cristalização, dos objetivos do processo de cristalização e da solubilidade e estabilidade do soluto no solvente escolhido.

A cristalização ocorre por meio de uma série de mecanismos interdependentes, onde cada um é influenciado pela escolha dos parâmetros do processo:

• Nucleação
• Crescimento
• Separação do Óleo
• Aglomeração
• Ruptura
• Química de Polimorfismo

Esses mecanismos, que geralmente são invisíveis para os cientistas, cumprem uma função dominante na definição do produto de um processo de cristalização.

1. Escolha um solvente apropriado. Considerações frequentes incluem quanto soluto pode ser dissolvido (solubilidade) e qual a praticidade de manuseio do solvente (segurança)
2. Dissolva o produto no solvente aumentando a temperatura até que a última molécula do produto desapareça. Essas impurezas insolúveis podem ser filtradas da solução quente
3. Reduza a solubilidade por meio de resfriamento, adição de antissolvente, evaporação ou reação. A solução se tornará supersaturada.
4. Cristalize o produto. Com a solubilidade reduzida, um ponto é atingido onde os cristais sofrerão nucleação e crescerão. Cristais no produto com alta pureza se formarão e as impurezas permanecerão na solução.
5. Espere até o sistema atingir o equilíbrio depois do resfriamento (ou até que o outro método de cristalização pare).
6. Filtre e seque o produto purificado.

Descubra uma seleção de publicações sobre cristalização abaixo:

Estudo fundamental sobre nucleação de cristais de solução
Jaroslav Nývlt, Kinetics of nucleation in solutions, Journal of Crystal Growth, Volumes 3–4, 1968.

Excelente estudo sobre como os cristais crescem a partir da solução
Crystal Growth Kinetics, Material Science and Engineering, Volume 65, Issue 1, July 1984.

Uma excelente descrição dos motivos pelos quais sistemas soluto-solvente exibem contaminação por óleo em vez de cristalização
Kiesow et al., Experimental investigation of oiling out during crystallization process, Journal of Crystal Growth, Volume 310, Issue 18, 2008.

Análise detalhada dos motivos de ocorrência da aglomeração durante a cristalização
Brunsteiner et al., Toward a Molecular Understanding of Crystal Agglomeration, Crystal Growth & Design, 2005, 5 (1), pp 3–16.

Um estudo sobre mecanismos de ruptura durante a cristalização
Fasoli & Conti, Crystal breakage in a mixed suspension crystallizer, Volume 8, Issue8, 1973, Pages 931-946.

Excelente visão geral de como projetar processos de cristalização efetivos na indústria de produtos químicos de alto valor
Paul et al., Organic Crystallization Processes, Powder Technology, Volume 150, Issue 2, 2005.

Técnicas para garantir que o polimorfo correto seja sempre cristalizado
Kitamura, Strategies for Control of Crystallization of Polymorphs, CrystEngComm, 2009,11, 949-964.

Embora os cristais tenham muitos atributos importantes, a distribuição do tamanho dos cristais provavelmente causa o maior impacto sobre a qualidade e eficácia do produto final (e do processo necessário para fornecê-lo). O tamanho e o formato dos cristais influenciam diretamente nas principais etapas a jusante do cristalizador, sendo que o desempenho da filtragem e da secagem são particularmente suscetíveis a alterações nestes importantes atributos. Da mesma forma, o tamanho final dos cristais também pode influenciar diretamente a qualidade do produto final. Em um composto farmacêuticos, a biodisponibilidade e a eficácia estão muitas vezes relacionadas ao tamanho das partículas, sendo que as partículas menores são geralmente preferenciais por suas características de maior solubilidade e dissolução

A distribuição de tamanho dos cristais pode ser otimizada e controlada escolhendo com atenção as condições de cristalização e os parâmetros de processo corretos. Entender como os parâmetros do processo influenciam transformações fundamentais, como a nucleação, o crescimento e a ruptura, permite que os cientistas desenvolvam e fabriquem cristais que terão os atributos desejados e propiciarão eficiência ao mercado.

Neste exemplo, a taxa de resfriamento no final do lote induz à nucleação secundária resultando na formação de partículas muito finas — usando analisadores de tamanho de partícula.

O aumento na taxa de resfriamento gera supersaturação mais rapidamente — que é consumida pela nucleação em vez do crescimento. O controle cuidadoso da taxa de resfriamento é essencial para garantir que a especificação desejada da distribuição de tamanho dos cristais possa ser alcançada.

A distribuição de tamanho dos cristais de gelo tem uma função crucial no sabor e na consistência dos sorvetes, sendo que os cristais com menos de 50 μm são melhores que os cristais com mais de 100 μm. Quanto aos produtos agroquímicos, é fundamental garantir que as partículas sejam pequenas o suficiente para serem pulverizadas sem bloquear os bocais, embora grandes o suficiente para não serem levadas para áreas nas proximidades.

Embora muitas vezes seja um desafio controlar a distribuição de tamanho dos cristais em diferentes escalas, é possível compreender os processos de cristalização de modo a proporcionar uma distribuição otimizada de tamanho e forma que vai garantir um processo rentável, com a maior qualidade possível.

Uma estação de trabalho de cristalização permite que os cientistas obtenham o máximo de informações científicas a partir de um único experimento em um conjunto de software centralizado. A Tecnologia Analítica de Processo (PAT) fornece informações analíticas, incluindo:

• Reatores Automatizados: EasyMax, OptiMax, calorímetros de reação RC1 e RX-10 fornecem um controle preciso 24/7 e o registro de parâmetros do processo, incluindo a captura de entalpias de cristalização para que os cientistas possam identificar com segurança os Parâmetros de Processo Críticos (CPPs)
  
  
• EasyViewer: Ferramenta com sensor que capta imagens de alta resolução e calcula as distribuições de tamanhos de cristais, partículas e gotículas tal como existem naturalmente no processo
  
  
• ParticleTrack: Estatisticamente, a impressão digital do mecanismo de partículas altamente reforçado por meio da contagem e do tamanho de partículas acelera com sucesso o aumento de escala de laboratório até uma escala de planta com classificação ATEX total
  
  
• ReactRaman: O Espectroscópio Raman in-situ fornece informações moleculares e estruturais para ajudar os cientistas a entenderem os complexos panoramas polimórficos e selecionar o parâmetro do processo para sempre atingir a forma desejada de cristal
  
  
• ReactIR: O espectroscópio FTIR em tempo real fornece as principais informações para os níveis de concentração e supersaturação, a largura de zona metaestável, a cinética de dessupersaturação e o ponto final de cristalização para que os processos de cristalização possam ser executados de maneira consistente até o ponto final desejado todas as vezes
  
  
• Software iC: Permite a interoperabilidade entre todas as ferramentas PAT de modo que todos os sensores e reatores possam se comunicar entre si e todas as informações analíticas (tamanho, forma, supersaturação etc.) se tornem um parâmetro de controle do processo

Os parâmetros do processo, como temperatura, agitação e taxa de dosagem, têm um impacto direto na qualidade do produto e do processo dos sistemas de partículas. EasyMax, OptiMax, RC1 e RX-10 asseguram um controle preciso e o registro de condições do processo para uma engenharia de partículas real.

• Todos os dados do processo serão registrados se você programar previamente as etapas de recebimento, como temperatura ou variações de dosagem, ou fizer ajustes durante o processo
  
  
• As informações de ferramentas de Tecnologia Analítica de Processo (TAP), como ReactIR, ReactRaman, EasyViewer e/ou ParticleTrack, podem ser sobrepostas por tendências de parâmetros de processos para um entendimento rápido e fácil dos mecanismos de partículas
  
  
• A execução precisa permite que químicos e engenheiros realizem processos sem assistência com segurança

O tamanho, a forma e a concentração de partículas são informações essenciais em cada estágio ou escala durante um processo de cristalização e, consequentemente, compõem os Atributos Essenciais de Qualidade (CQA). Os analisadores de tamanho de partícula visualizam e quantificam com rapidez as partículas e os mecanismos essenciais de partículas para o desenvolvimento bem-sucedido do processo de cristalização.

• As propriedades e os mecanismos das partículas sempre são registrados para revisão e análise, mesmo que os cientistas não possam estar no laboratório
  
  
• A interoperabilidade entre Reatores Automatizados e ParticleTrack e EasyViewer permite que os cientistas configurem os Loops de Controle de Feedback para resfriamento controlado de contagem ou tamanho de partículas, ou taxas de dosagem de antissolvente para minimizar o enchimento indesejado de partículas, como partículas finas em excesso
  
  
• O "Assistente Iniciar Experimento" intuitivo facilita a coleta rápida de dados de partículas de alta qualidade pelos cientistas

A concentração da solução, a supersaturação e a formação de cristais (polimorfos) geralmente estão ligadas e determinam em grande parte o sucesso do desenvolvimento do processo de cristalização. ReactIR e ReactRaman analisam sistematicamente a solução e a composição de partículas para atingir sempre o ponto final do processo desejado.

• A composição da solução e a configuração da célula da unidade da partícula são sistematicamente analisadas, registradas e visualizadas em tempo real
  
  
• A combinação de ferramentas TAP espectroscópicas, como ReactIR e ReactRaman, com Reatores Automatizados permite que os cientistas transformem a supersaturação em um parâmetro de controle. Os processos de cristalização são executados a níveis de supersaturação constantes para atingir uma distribuição mais uniforme do tamanho das partículas
  
  
• A Análise One Click Integrada encontra e exibe automaticamente informações químicas e estruturais importantes e fáceis de entender para uma tomada de decisão rápida e baseada em evidências

O projeto de um processo de cristalização que gerará cristais puros com um rendimento e tamanho otimizados envolve a consideração de alguns elementos importantes:

• Escolha um solvente apropriado.
• Verifique se há instabilidade e polimorfos indesejados
• Determine a cinética de crescimento e nucleação
• Defina uma estratégia de semeadura
• Otimize os perfis de resfriamento e do antissolvente
• Compreenda o impacto da mistura e da escala