Solubilidad y anchura de la zona metaestable

• Introducción a la cristalización y la precipitación
• Supersaturación: la fuerza impulsora de la cristalización
• Medición del tamaño de los cristales

La cristalización se obtiene al reducir la solubilidad del producto en una solución inicial saturada mediante:

• enfriamiento,
• adición de un antidisolvente,
• evaporación,
• una combinación de todos los métodos anteriores.

Otra forma habitual de inducir la cristalización es mediante una reacción química en la que se mezclen dos o más reactivos para formar un producto sólido que sea insoluble en la mezcla de reacción. Un ejemplo común de este proceso sería la reacción de un ácido y una base para formar una sal.

El método escogido para cristalizar el producto puede variar dependiendo de varios factores; por ejemplo, los cristales de proteínas son sensibles a las temperaturas, por lo que se descartan el enfriamiento y la evaporación y se deja la adición de antidisolventes como el método de cristalización más habitual. El enfriamiento puede ser ventajoso para muchos procesos de cristalización, ya que es reversible y la solución saturada se puede recalentar en caso de que el funcionamiento no resulte óptimo.

Las curvas de solubilidad (gráfico a la derecha) se usan con frecuencia para ilustrar la relación entre solubilidad, temperatura y tipo de disolvente. Mediante el trazado de la temperatura y la solubilidad, los científicos elaboran el marco necesario para desarrollar el proceso de cristalización deseado. En este caso, la solubilidad del material dado en el Disolvente A es alta, lo que significa que se puede cristalizar más material por masa unitaria de disolvente. El Disolvente C posee una solubilidad baja en todas las temperaturas, lo que indica que podría ser un útil antidisolvente para este material.

Una vez que se ha escogido un disolvente apropiado, la curva de solubilidad se convierte en una herramienta fundamental para el desarrollo de un proceso de cristalización eficaz. Con esta información, se puede escoger la concentración inicial y la temperatura o la valoración del antidisolvente, se puede calcular el rendimiento teórico y tomar las primeras decisiones importantes sobre cómo se desarrollará la cristalización. 

ParticleTrack, un instrumento basado en sensores que realiza un seguimiento del índice y del grado de cambio del tamaño de las partículas y del recuento de las partículas tal y como se encuentran de forma natural en el proceso, se puede usar para realizar mediciones de la curva de solubilidad y de la anchura de la MSZW (anchura de zona metaestable) mediante la identificación precisa del punto de disolución (punto de la curva de solubilidad) y del punto de nucleación (punto de la MSZW) en varias concentraciones solutas.

En un estudio llevado a cabo por Barrett y Glennon (Trans ICHemE, vol. 80, 2002, pp. 799-805), se enfría una solución insaturada a una velocidad lenta y fija hasta que se mide el punto de nucleación con ParticleTrack (Lasentec FBRM), lo que señala un punto en la MSZW. Posteriormente, la solución se calienta a fuego lento hasta que se mide el punto de disolución, que muestra un punto en la curva de solubilidad. Después se añade un disolvente al sistema para reducir la concentración y el proceso se repite. De esta forma, la curva de solubilidad y la MSZW se pueden medir rápidamente en un amplio rango de temperaturas.

En este gráfico se muestra la curva de solubilidad y las anchuras de zona metaestable para el sulfato de aluminio de potasio. Mientras que la curva de solubilidad está fijada termodinámicamente para un sistema disolvente-soluto dado, la MSZW es un contorno cinético y puede cambiar en función de ciertos parámetros de proceso, como la velocidad de enfriamiento, la agitación o la escala. La caracterización de la MSZW bajo un rango de condiciones de proceso puede ayudar a los científicos a comprender el comportamiento del proceso de cristalización a diferentes escalas o en caso de alteración del proceso. La variabilidad de la MSZW bajo diferentes condiciones puede ser indicador de que el sistema no presenta un comportamiento constante en cuanto al punto de nucleación y la cinética. Este resultado podría justificar la investigación de la posibilidad de siembra del proceso para fijar el punto de nucleación para cada experimento o lote.

Los enfoques dinámicos de la determinación de la solubilidad, como este, encuentran a veces limitaciones en la precisión, ya que una velocidad de calentamiento rápida conlleva una posible subestimación del punto exacto de disolución. Los métodos estáticos, como los análisis gravimétricos, ofrecen una mayor precisión, pero requieren más tiempo y, además, su implementación resulta muy laboriosa. Se pueden utilizar muchas técnicas para medir las curvas de solubilidad, y las últimas investigaciones sobre la predicción de la solubilidad en diferentes disolventes parecen estar dando resultado.

Las operaciones unitarias de cristalización ofrecen una oportunidad exclusiva para buscar y controlar una distribución óptima del tamaño y la forma de los cristales. Mediante este proceso se pueden reducir drásticamente los tiempos de filtración y secado, prevenir problemas de almacenamiento, transporte y período de conservación, y asegurar unos procesos constantes y repetibles a un coste más bajo.

Esta revisión continua de la bibliografía sobre cristalización se condensa en un resumen que ofrece directrices para la comprensión y la optimización de las operaciones unitarias más complicadas de la cristalización y la precipitación.

Esta serie de artículos técnicos abarcan estrategias básicas y avanzadas para la optimización de la distribución del tamaño y la forma de los cristales.

Descubra cómo la obtención de las tendencias de los procesos basados en imágenes pueden reducir el tiempo del ciclo de cristalización y mantener una forma y un tamaño del cristal similares.