Solubilidade e Largura da Zona Metaestável

• Introdução à Cristalização e à Precipitação
• Supersaturação: A Força Impulsora da Cristalização
• Como Medir o Tamanho do Cristal

A cristalização é alcançada por meio da redução da solubilidade do produto em uma solução inicialmente saturada por meio de:

• Resfriamento
• Adição de Antissolvente
• Evaporação
• Uma Combinação dos Métodos Acima Referidos

Outro método comum utilizado para induzir a cristalização é por meio de uma reação química na qual dois ou mais reagentes são misturados para formar um produto sólido insolúvel na mistura da reação; um exemplo comum disso seria a reação de um ácido e uma base para a formação de um sal.

O método escolhido para cristalizar o produto pode variar de acordo com uma série de fatores. Por exemplo, como os cristais de proteína são sensíveis à temperatura, o uso dos métodos de resfriamento e evaporação são descartados, indicando a adição de líquido de antissolvente como o método de cristalização mais comum. Para muitos processos de cristalização, o resfriamento pode ser vantajoso, pois é reversível; a solução saturada pode ser reaquecida caso não tenha um desempenho ideal.

As curvas de solubilidade (figura à direita) são geralmente empregadas para ilustrar a relação entre solubilidade, temperatura e tipo de solvente. Ao representar a solubilidade em relação à temperatura com um gráfico, os cientistas criam o quadro necessário para desenvolver o processo de cristalização desejado. Aqui, a solubilidade do material exemplificado no Solvente A é alta – o que significa que uma quantidade maior de material pode ser cristalizada por unidade de massa do solvente. O Solvente C apresenta um baixo índice de solubilidade em todas as temperaturas, indicando que ele poderia ser um antissolvente útil para este tipo de material.

Depois que um líquido de solvente apropriado é escolhido, a curva de solubilidade torna-se uma ferramenta indispensável para o desenvolvimento de um processo de cristalização eficaz. Com essas informações, é possível selecionar a concentração e a temperatura iniciais, bem como a relação do antissolvente, calcular o rendimento teórico e tomar as primeiras decisões importantes sobre a forma de desenvolvimento da cristalização. 

Um instrumento com sonda que controla a taxa e o grau de alteração do tamanho e da contagem das partículas existentes no processo, o ParticleTrack pode ser utilizado para medir a curva de solubilidade e a MSZW (Largura da Zona Metaestável) pela identificação precisa do ponto de dissolução (ponto na curva de solubilidade) e do ponto de nucleação (ponto na MSZW) em diferentes concentrações de solutos.

Em um estudo realizado por Barrett e Glennon (Trans ICHemE, vol. 80, 2002, pp. 799-805), uma solução insaturada é resfriada a uma taxa fixa e lenta até que o ponto de nucleação é medido pelo ParticleTrack (Lasentec FBRM), indicando um ponto na MSZW. Em seguida, a solução é lentamente aquecida até que o ponto de dissolução é medido, indicando um ponto na curva de solubilidade. O líquido de solvente é então adicionado ao sistema para reduzir a concentração e o processo é repetido. Dessa forma, a curva de solubilidade e a MSZW podem ser rapidamente medidas em uma ampla faixa de temperaturas.

Nesta figura, são indicadas a curva de solubilidade e a(s) largura(s) da zona metaestável do sulfato de alumínio e potássio. Embora a curva de solubilidade seja termodinamicamente fixada para um determinado sistema de solvente-soluto, a MSZW é um limite cinético e pode ser alterada com base nos parâmetros do processo, tais como taxa de resfriamento, agitação ou escala. Caracterizar a MSZW em uma variedade de condições de processo pode ajudar os cientistas a entender o comportamento de um processo de cristalização em diferentes escalas – ou no caso de uma interrupção no processo. A variabilidade na MSZW em diferentes condições pode indicar que o sistema pode não ter um comportamento consistente em termos do ponto de nucleação e cinética. Um resultado assim poderia justificar a investigação da possibilidade de inoculação do processo, a fim de fixar o ponto de nucleação de cada experimento ou grupo.

As abordagens dinâmicas em relação à determinação da solubilidade, como a descrita acima, são às vezes limitadas em sua precisão, já que uma taxa de aquecimento rápida significa que o ponto exato de dissolução pode ser superestimado. Métodos estáticos, como a análise gravimétrica, podem oferecer mais precisão, mas são mais demorados e complexos de serem implementados. Várias técnicas podem ser utilizadas para medir as curvas de solubilidade e algumas pesquisas recentes que têm como objetivo prever a solubilidade em diferentes solventes mostraram-se promissoras.

Operações unitárias de cristalização oferecem a oportunidade exclusiva de visar e controlar uma distribuição otimizada de tamanho e forma dos cristais. Isso pode reduzir drasticamente o tempo de filtragem e secagem, evitar problemas de armazenamento, transporte e vida útil, além de assegurar um processo consistente e repetível a um custo mais baixo.

Esta revisão da literatura de cristalização é apresentada em um resumo que oferece diretrizes para a compreensão e otimização das operações unitárias mais desafiadoras de cristalização e precipitação.

Esta série de white papers abrange estratégias básicas e avançadas para otimizar a distribuição de tamanho e forma dos cristais.

Descubra como as tendências de processos baseados em imagens podem reduzir o tempo de ciclo da cristalização e melhorar sua qualidade, mantendo ao mesmo tempo tamanho e forma de cristal semelhantes.