Supersaturazione e sviluppo della cristallizzazione

• Introduzione alla cristallizzazione e alla precipitazione
  
• I fondamenti: solubilità e larghezza della zona metastabile
• Come misurare la dimensione dei cristalli
• Influenza dell'aggiunta di antisolvente sulla supersaturazione

Un'attenta regolazione del livello di supersaturazione predominante durante il processo consente agli scienziati di controllare efficacemente i processi di cristallizzazione. Quando una soluzione satura viene raffreddata, il sistema entra in una regione metastabile in cui la soluzione si supersatura; in altre parole, la soluzione contiene una quantità di soluto superiore a quanto previsto dalla curva di solubilità. Con il procedere del raffreddamento viene raggiunto il limite metastabile, cioè la temperatura alla quale avviene la cristallizzazione.

Una volta raggiunto il limite metastabile e avviata la cristallizzazione, la supersaturazione viene consumata e infine la concentrazione in fase liquida raggiunge l'equilibrio a livello della curva di solubilità.

Poiché la supersaturazione è la forza motrice della nucleazione e crescita dei cristalli, determinandone la distribuzione granulometrica finale, è essenziale comprendere il concetto di supersaturazione. 

La nucleazione è la nascita di nuovi nuclei di cristalli, spontaneamente a partire dalla soluzione (nucleazione primaria) oppure in presenza di cristalli esistenti (nucleazione secondaria). La crescita dei cristalli è l'aumento della dimensione (o più esattamente della "lunghezza caratteristica") dei cristalli derivanti da un deposito di soluto in una soluzione. La relazione tra supersaturazione, nucleazione e crescita è definita da una ben nota serie di equazioni (alquanto semplificate) elaborate da Nyvlt (Journal of Crystal Growth, volumi 3-4, 1968, pagine 377-383).

Per i sistemi di cristallizzazione organici, il valore dell'ordine di crescita (g) è generalmente compreso tra 1 e 2, mentre il valore dell'ordine di nucleazione (b) è generalmente compreso tra 5 e 10. Quando si tracciano queste equazioni per un processo di cristallizzazione organico teorico, l'importanza della supersaturazione appare chiara. A un basso grado di supersaturazione, i cristalli possono crescere più rapidamente rispetto alla loro nucleazione, derivandone una distribuzione granulometrica maggiore. Tuttavia, a un grado di supersaturazione più elevato, la nucleazione dei cristalli domina la crescita dei cristalli, provocando infine la comparsa di cristalli più piccoli. Nella figura di destra, che mette in relazione la supersaturazione con la nucleazione, la crescita e la dimensione dei cristalli mostra chiaramente che il controllo della supersaturazione è estremamente importante quando si tratta di creare cristalli della dimensione e la distribuzione desiderate.

Le tecniche moderne come ReactIR, qui descritte da Barett et al (Chemical Engineering Research and Design, volume 88, edizione 8, agosto 2010, pagine 1108-1119), consentono di monitorare rapidamente e facilmente la solubilità e di controllare continuamente il livello di supersaturazione predominante per l'intera durata di un esperimento di cristallizzazione. Velocità di raffreddamento più elevate si traducono in una nucleazione a temperature più basse e in un livello di supersaturazione massimo per l'intera durata del processo. Un raffreddamento molto lento produce una temperatura di nucleazione più elevata e un basso grado di supersaturazione per l'intera durata del processo. Un raffreddamento cubico di un'ora (dapprima lento e poi rapido alla fine) produce un grado di supersaturazione medio per l'intera durata del processo. L'influenza di una supersaturazione variabile sulla distribuzione granulometrica e di forma dei cristalli può essere chiaramente osservata confrontando le immagini ottenute grazie a ParticleView (un microscopio per analisi in tempo reale basato su una sonda) per ogni esperimento. Un grado di supersaturazione più elevato produce cristalli più piccoli, poiché viene favorita la nucleazione rispetto alla crescita.

Utilizzando dati sperimentali, si sono compiuti grandi progressi nel monitoraggio della supersaturazione e nella stima della cinetica di cristallizzazione.  L'approccio è stato esteso per consentire un controllo basato su modelli di processi di cristallizzazione.

Le fasi elementari della cristallizzazione offrono la possibilità unica di concentrarsi sulla distribuzione granulometrica e di forma dei cristalli e di controllarla. Ciò può ridurre drasticamente i tempi di filtrazione ed essiccazione, evitando i problemi correlati allo stoccaggio, al trasporto e alla conservazione dei prodotti, garantendo processi coerenti e riproducibili a costi inferiori.

Questo poster descrive l'utilizzo di un metodo senza taratura in cui la temperatura durante il raffreddamento della cristallizzazione è automaticamente controllata in un solvente acqua/IPA al fine di mantenere un livello costante di supersaturazione.

Un metodo che semplifica l'utilizzo di spettri ATR-FTIR senza taratura in situ per la produzione e il controllo di traiettorie qualitative di supersaturazione.

Questa serie di libri bianchi tratta le strategie di base e avanzate per ottimizzare la distribuzione granulometrica e di forma dei cristalli