Cristalización y precipitación por ultrasonidos

Los ultrasonidos inician y favorecen la nucleación y la cristalización de moléculas orgánicas. Controlar este proceso es fundamental para garantizar que el producto final sea de alta calidad. Las ventajas de utilizar la sonicación para la cristalización y la formación de sólidos a partir de líquidos son que acelera considerablemente el proceso, reduce el consumo de material y permite controlar el tamaño final de los cristales. Hielscher ofrece sonicadores fiables y fáciles de usar para lograr una cristalización y una formación de sólidos satisfactorias, ya sea por lotes, en línea o in situ durante una reacción.

Sonocristalización y sonoprecipitación

La aplicación de ondas ultrasónicas durante la cristalización y la precipitación tiene diversos efectos positivos en el proceso.
Los ultrasonidos de potencia ayudan a

• formar soluciones sobresaturadas/ supersaturadas
• iniciar una nucleación rápida
• controlar la velocidad de crecimiento de los cristales
• controlar la precipitación
• controlar las formas polimórficas
• reducir las impurezas
• obtener una distribución uniforme del tamaño de los cristales
• obtener una morfología uniforme
• evitar la deposición no deseada sobre las superficies
• iniciar la nucleación secundaria
• mejorar la separación sólido-líquido

 

Diferencia entre cristalización y precipitación

Tanto la cristalización como la precipitación son procesos regidos por la solubilidad, en los que una fase sólida, ya sea un cristal o un precipitado, se forma a partir de una solución que ha superado su punto de saturación. La distinción entre cristalización y precipitación depende del mecanismo de formación y de la naturaleza del producto final.

En la cristalización, se produce un desarrollo ordenado y gradual de una red cristalina, formada selectivamente a partir de moléculas orgánicas, que finalmente da lugar a un compuesto cristalino o polimórfico puro y bien definido. Por el contrario, la precipitación implica la generación rápida de fases sólidas a partir de una solución sobresaturada, lo que da lugar a la formación de sólidos cristalinos o amorfos. Distinguir entre cristalización y precipitación puede resultar difícil, ya que muchas sustancias orgánicas aparecen inicialmente como sólidos amorfos, no cristalinos, que posteriormente experimentan una transición hasta volverse verdaderamente cristalinos. En estos casos, la distinción entre la nucleación y la formación de un sólido amorfo durante la precipitación se vuelve compleja.

Los procesos de cristalización y precipitación están regidos por dos etapas fundamentales: la nucleación y el crecimiento de los cristales. La nucleación comienza cuando las moléculas de soluto de una solución sobresaturada se acumulan y forman agrupaciones o núcleos, que sirven de base para el posterior crecimiento de las fases sólidas.

Problemas habituales en los procesos de cristalización y precipitación

La cristalización y la precipitación suelen ser procesos que avanzan de forma muy selectiva o muy rápida, por lo que son difíciles de controlar. Como resultado, la nucleación generalmente se produce de forma aleatoria, por lo que la calidad de los cristales resultantes (precipitados) queda sin controlar. En consecuencia, los cristales obtenidos presentan un tamaño que no se ajusta a los requisitos, una distribución irregular y formas no uniformes. Estos cristales precipitados de forma aleatoria provocan importantes problemas de calidad porque el tamaño de los cristales, su distribución y su morfología son criterios de calidad fundamentales para las partículas precipitadas. Una cristalización y una precipitación sin control dan lugar a un producto de baja calidad.

Solución: cristalización y precipitación mediante sonicación

La cristalización asistida por ultrasonidos (sonocristalización) y la precipitación asistida por ultrasonidos (sonoprecipitación) permiten controlar con precisión las condiciones del proceso. Es posible influir con precisión en todos los parámetros importantes de la cristalización por ultrasonidos, lo que permite controlar la nucleación y la cristalización. Los cristales precipitados mediante ultrasonidos presentan un tamaño más uniforme y una morfología más cúbica. Las condiciones controladas de la sonocristalización y la sonoprecipitación permiten una elevada reproducibilidad y una calidad constante de los cristales. Todos los resultados obtenidos a pequeña escala pueden escalarse de forma completamente lineal. La cristalización y la precipitación por ultrasonidos permiten la producción sofisticada de nanopartículas cristalinas – tanto a escala de laboratorio como industrial.

Efectos de la cavitación ultrasónica sobre la cristalización y la precipitación

Cuando se acoplan ondas ultrasónicas de alta energía a los líquidos, los ciclos alternos de alta y baja presión crean burbujas o cavidades en el líquido. Estas burbujas crecen durante varios ciclos hasta que no pueden absorber más energía, momento en el que colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. El fenómeno de estas implosiones violentas de las burbujas se conoce como cavitación acústica y se caracteriza por condiciones locales extremas, como temperaturas muy elevadas, altas velocidades de enfriamiento, grandes diferencias de presión, ondas de choque y chorros de líquido.
Los efectos de la cavitación ultrasónica favorecen la cristalización y la precipitación al proporcionar una mezcla muy homogénea de los precursores. La disolución por ultrasonidos es un método consolidado para producir soluciones sobresaturadas/ supersaturadas. La mezcla intensa y la consiguiente mejora de la transferencia de masa favorecen la siembra de núcleos. Las ondas de choque ultrasónicas contribuyen a la formación de los núcleos. Cuantos más núcleos se siembren, más fino y rápido será el crecimiento de los cristales. Dado que la cavitación ultrasónica puede controlarse con gran precisión, es posible controlar el proceso de cristalización. Las fuerzas ultrasónicas permiten superar fácilmente las barreras naturales a la nucleación.
Además, la sonicación contribuye a la denominada nucleación secundaria, ya que las intensas fuerzas de cizallamiento ultrasónicas fragmentan y desaglomeran los cristales o aglomerados de mayor tamaño.
Con los ultrasonidos puede evitarse el pretratamiento de los precursores, ya que la sonicación mejora la cinética de reacción.

Influencia de la sonicación en el tamaño de los cristales

Los ultrasonidos permiten producir cristales adaptados a los requisitos. Tres modalidades generales de sonicación tienen efectos importantes sobre el producto obtenido:

• Sonicación inicial:
  La aplicación breve de ondas ultrasónicas a una solución supersaturada puede iniciar la siembra y la formación de núcleos. Como la sonicación solo se aplica durante la etapa inicial, el crecimiento posterior de los cristales continúa sin impedimentos, lo que da lugar a mayores cristales.
• Sonicación continua:
  La irradiación continua de la solución supersaturada da lugar a cristales pequeños, ya que la ultrasonicación ininterrumpida crea una gran cantidad de núcleos, lo que provoca el crecimiento de numerosos pequeños cristales.

• Sonicación pulsada:
  Los ultrasonidos pulsados consisten en aplicar ultrasonidos a intervalos determinados. Un aporte de energía ultrasónica controlado con precisión permite influir en el crecimiento de los cristales para obtener el deseado tamaño de cristal.

Sonicadores para mejorar los procesos de cristalización y precipitación

Los procesos de sonocristalización y sonoprecipitación pueden realizarse por lotes o en reactores cerrados, como proceso continuo en línea o como reacción in situ. Hielscher Ultrasonics le ofrece el sonicador perfectamente adecuado para su proceso específico de sonocristalización y sonoprecipitación – ya sea para investigación a escala de laboratorio y de sobremesa o para producción industrial. Nuestra amplia gama de productos cubre sus necesidades. Todos los ultrasonicadores pueden configurarse para funcionar con ciclos de pulsación ultrasónica – una función que permite ajustar el tamaño de los cristales a los requisitos.
Para potenciar aún más las ventajas de la cristalización por ultrasonidos, se recomienda utilizar el inserto MultiPhaseCavitator de Hielscher para celdas de flujo. Este inserto especial permite inyectar el precursor a través de 48 cánulas finas, lo que mejora la siembra inicial de núcleos. Los precursores pueden dosificarse con exactitud, lo que permite un alto grado de control sobre el proceso de cristalización.

La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonicadores: