CRISTALIZAÇÃO
A CRISTALIZAÇÃO COMO MÉTODO DE
SEPARAÇÃO
- 70 % dos produtos comercializados para uso nas indústrias
de processo e farmacêuticas são sólidos.
- Aumenta a cada dia as exigências de perfeição estrutural,
homogeneidade e controle de defeito de cristais.
- Grande importância do processo de cristalização como
método de purificação (cristais de pureza excepcional e
sólidos uniformes facilita os passos de filtração e secagem).
- A ciência da cristalização, embora seja uma tecnologia muito
antiga, ainda é pouco conhecida.
OBJETIVOS DA CRISTALIZAÇÃO
1. Separar uma fase sólida da solução-mãe.
2. (Ultra) purificar um composto.
3. Produzir um sólido com requisitos pré-especificados.
VANTAGENS DA CRISTALIZAÇÃO
• É importante como processo industrial, em virtude do
número de substâncias que são, ou podem ser,
comercializadas na forma de cristais;
• O seu uso generalizado se deve provavelmente à forma pura
e atrativa de uma substância química sólida que pode ser
obtida, a partir de soluções relativamente impuras;
• É um processo que requer muito menos energia para a
separação que outros métodos comumente usados (como a
destilação);
• Pode ser efetuada em temperaturas relativamente baixas.
DESVANTAGENS DA CRISTALIZAÇÃO
• Normalmente não se consegue purificar mais de um
componente em um único estágio;
• O procedimento de cristalização de uma fase não permite
que todo o soluto seja recuperado em um único estágio e,
por esse motivo, é necessário que se utilize um equipamento
adicional para remover completamente o soluto.
PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO
Surgimento e crescimento de partículas sólidas no meio,
provocadas por uma instabilidade na solução. Esta
instabilidade pode ser provocada por modificações nas
propriedades físicas da solução tais como concentração e
temperatura.
CRISTAL Estrutura altamente organizada, caracterizada
por uma formação tridimensional ordenada em forma de
grade espacial; esta grade está formada por partículas tais
como átomos, íons ou moléculas, que se separam da
solução quando se alcançam certos níveis de potenciais
termodinâmicos no sistema.
PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO
1. Distribuição do tamanho dos
cristais
2. Forma dos cristais
Especificações de um
produto cristalino
3. Inclusões de água-mãe nos
cristais
4. Incorporação de impurezas na
rede cristalina
5. Grau de aglomeração
6. Rugosidade
cristais.
superficial
dos
PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO
1. Distribuição do tamanho dos cristais
É importante para a qualidade do produto e têm influencia no:
1. Desempenho do processo
2. Separação sólido/líquido
3. Secagem, armazenamento, manuseio
4. Pureza, empedramento, cor
2. Forma dos cristais
- Processamento
armazenamento
a
jusante:
filtração,
secagem,
- Desempenho do produto: escoabilidade, densidade, cor,
reatividade
(Pode ser facilmente determinada por difração de raio X)
PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO
3. Inclusões líquidas
- Processamento
(empedramento)
a
jusante:
secagem,
- Desempenho do produto: afetam a pureza
armazenamento
PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO
Cristalização
Nucleação e crescimento de
uma enorme quantidade de
pequenos cristais (0,1 a 50
μm para precipitação e 100 a
1000 μm para cristalização)
•Solução  É uma mistura
homogênea de duas ou mais
substâncias (o processo de
cristalização ocorre numa faixa de
temperatura).
•Material Fundido  É um líquido
em
temperatura
próxima
à
temperatura de congelamento,
mas em sua aplicação geral o
termo inclui mistura de líquidos
homogêneos de duas ou mais
substâncias que normalmente
poderiam solidificar sob resfriamento a partir de temperatura
ambiente. O processo ocorre na
temperatura de solidificação.
PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO
As condições de supersaturação e superesfriamento
não são a causa suficiente para um sistema começar a
cristalizar. Antes dos cristais se desenvolverem deve existir na
solução um número de corpos sólidos pequenos, núcleos ou
sementes que atuam como centros de cristalização.
A nucleação pode ocorrer espontaneamente ou deve
ser induzida artificialmente.
Formas de induzir a nucleação: agitação, choque
mecânico, fricção e pressões extremas dentro das soluções.
COMO OCORRE A CRISTALIZAÇÃO?
• Uma solução supersaturada é aquela que contém um teor de soluto
acima do equilíbrio nas mesmas condições de T e C dos demais
componentes.
• A formação de núcleos decide o tamanho dos cristais, sua pureza e
propriedades físicas
Cristalização: Alta solubilidade,
L
partículas de tamanho e forma
L
bem definidos, cristais grandes.
G
Precipitação: Produz sólidos
N
amorfos de forma e tamanhos
mal definidos.
G
Tanto a cristalização como a precipitação são um método de separação, em que a fase sólida é
N
criada a partir da fase líquida.
M
M
N
N
C
Efeito da supersaturação na cristalização
NN = k’exp(-G*/kT)
C: Supersaturação
G: Taxa de crescimento cristalino
NN: Taxa de nucleação
Lm: Tamanho médio dos cristais.
COMO OCORRE A CRISTALIZAÇÃO?
PRIMÁRIA
* Homogênea (líquido
processo espontâneo)
MECANISMOS
isento
de
partículas,
DA
* Heterogênea (presença de partículas, induzido por
partículas )
NUCLEAÇÃO
SECUNDÁRIA
*Induzida por cristais do soluto
(30μm)
Um núcleo pode resultar de uma colisão simultânea de um
número requerido de moléculas, embora isto possa ser um evento
extremamente raro.
A + A
A2 + A
⇄ A2
(minúsculos grupos de partículas: Clusters)
⇄ A3
An-1 + A ⇄ An (cluster crítico)
Posteriores adições moleculares ao cluster crítico resultam em
nucleação e subsequente crescimento do cristal.
A ESCOLHA DO MÉTODO DE CRISTALIZAÇÃO
R: Curva íngreme
 = C/c* menor que 0,01
cristais grandes, nucleação secundária
E: Curva achatada
 = C/c* menor que 0,01
cristais grandes, nucleação secundária
A-S: Curva íngreme ou achatada
 = C/c* menor que 1
cristais médios, nucleação primária ou
secundária
P: Curva íngreme ou achatada
 = C/c* muito maior que 1
cristais pequenos, nucleação primária
Curvas típicas de solubilidade
Onde  é a supersaturação relativa
C = supersaturação
c* = concentração de supersaturação
A ESCOLHA DO MÉTODO DE CRISTALIZAÇÃO
Para se escolher
preciso observar:
um método de cristalização é
• O material a ser cristalizado e o solvente,
• O método de cristalização,
• As especificações requeridas do produto,
• A distribuição de tamanho do cristal,
• A flexibilidade do projeto em casos onde devem ser
cristalizados vários produtos em função da demanda,
• De que modo o processo de cristalização ocorrerá: modo
descontínuo ou contínuo.
CRISTALIZAÇÃO DESCONTINUA
VANTAGENS
• Equipamento
mais
simples,
menores defeitos mecânicos
• Aplicável a qualquer escala de
produção
• Permite o processamento de um
produto no mesmo equipamento em
que foi produzido
• Recomendado para substâncias
com baixa velocidade de crescimento dos cristais
DESVANTAGENS
• Requer mais mão de obra
• Requer mais espaço e altos
custos operacionais
• Modelo
complexo
matemático
• Instabilidade da
dos cristais em
mentos sucessivos
mais
qualidade
processa-
PRINCIPAIS FATORES
Ciclo de operação do cristalizador
Perfil de supersaturação
Semeadura
Incrustação
Distribuição do tamanho dos cristais
CRISTALIZAÇÃO DESCONTINUA
T
Ciclo de operação:
1. Carga
2. Saturação
3. Cristalização
4. Descarga
5. Limpeza
Teq
1
2
3
4 5
t
CRISTALIZAÇÃO DESCONTINUA
Semeadura
Qual a massa de sementes?
ms = (Ls3 /Lf3 – Ls3) Δm
Onde ms: massa de sementes;
Ls: tamanho da semente;
Lf: tamanho esperado dos cristais;
Δm: massa a ser cristalizada)
Tamanho das sementes  Faixa estreita de tamanho
(0,5-1% do tamanho dos cristais que se pretende formar).
Momento de introdução das sementes  Após o
cristalizador ter atingido a supersaturação desejada, ou
seja um pouco abaixo da temperatura de saturação da
solução, para evitar a dissolução das sementes tratadas.
CRISTALIZAÇÃO DESCONTINUA
Incrustações:
Dificultam a transferência de calor e há necessidade de parar
o processo. Como minimizar?
- Aumentar a agitação até o nível adequado à remoção dos
cristais da superfície de resfriamento.
- Reduzir o gradiente de temperatura entre o meio e a
superfície fria, resultando o aumento do tempo de processo.
- Utilizar um sistema com raspador
- Semear adequadamente
Método para remoção de
aquecimento da superfície.
incrustações:
Limpeza
e
CRISTALIZAÇÃO CONTÍNUA
VANTAGENS
DESVANTAGENS:
•Custos de operação mais baixos
•Risco de formação de incrustrações em superfícies de troca de
calor e no nível de líquido
•Melhor uso das águas-mãe
•Menores demandas de operadores
•Necessidade de projetar corre•Possibilidade de classificar o pro- tamente a saída da suspensão de
duto
cristais
•Filtração e lavagem mais efetivas
•Equipamentos mais complexos
dos cristais
com maiores possibilidades de
•Menores demandas de espaço falhas
construído
•Maiores demandas na qualidade
•Operação constante dos equipa- e experiência da mão-de-obra
mentos e, portanto, parâmetros de
produção constantes
(tamanho •O fornecedor deve possuir larga
médio e distribuição de tamanho experiência
dos cristais)
CRISTALIZAÇÃO CONTÍNUA
TAMANHO DOS CRISTAIS
- Novos cristais surgem continuamente.
- Os cristais existentes crescem continuamente.
- A massa a ser cristalizada é dividida entre os cristais
presentes no cristalizador.
- Se houver muita nucleação, a massa divide-se em
muitos cristais.
TEMPOS CARACTERÍSTICOS NUM CRISTALIZADOR:
- nucleação (primária e secundária)
1s
- Crescimento
1h
- Tempo de residência
1h
CRISTALIZAÇÃO CONTÍNUA
CONTROLE DA SUPERSATURAÇÃO
- O descontrole por um curto período de tempo pode afetar muito
o processo, e o efeito só é notado depois de algum tempo após
a perturbação.
- A forma de nucleação predominante é a secundária, mas
nucleação primária pode ocorrer ocasionalmente devido a
explosão de núcleos.
- Soluto no cristalizador = alimentado – consumido pelos cristais
DURANTE A CRISTALIZAÇÃO CONTÍNUA
- Existe uma distribuição de tamanhos.
- A chance de partículas de diferentes tamanhos sair é a mesma,
e o tempo para as partículas ficarem dentro do cristalizador é
diferente.
TIPOS DE CRISTALIZADORES INDUSTRIAIS
1.
2.
3.
4.
Cristalizadores não agitados: operação simples
Cristalizadores mecânicos
Cristalizadores com classificação
Cristalizadores agitados (mais usados)
- com classificação de produto
- com circulação interna
- com circulação externa
- Cristais maiores podem ser obtidos no primeiro tipo,
decrescendo para os tipos que o seguem.
- Não-agitados e mecânicos: equipamentos antigos e não
muito populares, caracterizados por baixas taxas
específicas de produção, e cristais com grandes inclusões
de licor-mãe.
MODELOS DE CRISTALIZADORES
Características
operacionais:
A
alimentação é feita a uma temperatura
de saturação mais alta que é mantida
no cristalizador e é resfriada em tubos
para remoção do calor sensível e o
calor de cristalização. As incrustações
de
sólidos
nas
superfícies
de
refrigeração são limitados.
Cristalização com resfriamento indireto
Vantagens: A operação é simples,
nenhum equipamento à vácuo é
necessário. A densidade do meio e a
recuperação do produto são fixas pela
composição de alimentação e pela
manutenção da temperatura.
Desvantagens: Deve-se tomar cuidado
no controle da temperatura na região
de resfriamento para que a operação se
processe com segurança.
MODELOS DE CRISTALIZADORES
Características
operacionais:
A
alimentação é feita a uma temperatura
de saturação mais alta que é mantida
no cristalizador. Temperatura de
cristalização, recuperação de produto e
densidade do meio são reguladas
através de controle à vácuo. O calor de
cristalização e o calor sensível de
alimentação é controlado através de
evaporação
e
condensação
do
solvente.
Cristalização evaporativa com resfriamento
Vantagens: Não há necessidade de
aquecimento neste modo operacional e
o condensado é utilizado para controlar
a formação de incrustações.
Desvantagens: Concentração do meio
e rendimento do produto são fixados
por balanço de massa e energia.
MODELOS DE CRISTALIZADORES
Características
operacionais:
A
temperatura
do
cristalizador
é
controlada à vácuo e adição de
anti-solvente na alimentação. Um
condensador de refluxo é usado
regularmente para remover o calor
condensado do solvente.
Vantagens: O sistema de operação é
seguro, não há muitos problemas de
incrustações
nas
regiões
de
resfriamento.
Cristalização por anti-solvente
Desvantagens:
O
componente
adicional (anti-solvente) deve ser
completamente separado do líquido. O
anti-solvente deve ser miscível no
soluto.
Cristais de penicilina.