Cristalização e precipitação ultrassônica

O ultrassom inicia e promove a nucleação e cristalização de moléculas orgânicas. Ter controle sobre esse processo é vital para garantir que o produto final seja de alta qualidade. As vantagens de usar a sonicação para cristalização e fazer sólidos a partir de líquidos são que ela torna o processo muito mais rápido, usa menos material e permite gerenciar o tamanho final dos cristais. A Hielscher fornece sonicadores confiáveis e fáceis de usar para cristalização e formação de sólidos bem-sucedidas, seja em lote, em linha ou in-situ durante uma reação.

Sono-cristalização e sono-precipitação

A aplicação de ondas ultrassônicas durante a cristalização e precipitação tem vários efeitos positivos no processo.
O ultrassom de potência ajuda a

• formar soluções supersaturadas/supersaturadas
• Inicie uma nucleação rápida
• controlar a taxa de crescimento do cristal
• controlar a precipitação
• polimorfos de controle
• reduzir as impurezas
• obter uma distribuição uniforme do tamanho do cristal
• obter uma morfologia uniforme
• evitar a deposição indesejada em superfícies
• iniciar nucleação secundária
• Melhore a separação sólido-líquido

 

Diferença entre cristalização e precipitação

Tanto a cristalização quanto a precipitação são processos acionados pela solubilidade, em que uma fase sólida, seja um cristal ou precipitado, emerge de uma solução que ultrapassou seu ponto de saturação. A distinção entre cristalização e precipitação depende do mecanismo de formação e da natureza do produto final.

Na cristalização, ocorre um desenvolvimento metódico e gradual de uma rede cristalina, montada seletivamente a partir de moléculas orgânicas, produzindo um composto cristalino ou polimórfico puro e bem definido. Por outro lado, a precipitação envolve a rápida geração de fases sólidas a partir de uma solução supersaturada, resultando na formação de sólidos cristalinos ou amorfos. É importante notar que distinguir entre cristalização e precipitação pode ser um desafio, pois muitas substâncias orgânicas se manifestam inicialmente como sólidos amorfos e não cristalinos, que posteriormente passam por uma transição para se tornarem verdadeiramente cristalinos. Nesses casos, a delimitação entre a nucleação e a formação de um sólido amorfo durante a precipitação torna-se intrincada.

Os processos de cristalização e precipitação são ditados por duas etapas fundamentais: nucleação e crescimento de cristais. A nucleação começa quando as moléculas de soluto em uma solução supersaturada se acumulam, formando aglomerados ou núcleos, que servem como base para o crescimento subsequente de fases sólidas.

Problemas comuns com processos de cristalização e precipitação

A cristalização e a precipitação são normalmente processos de propagação muito seletiva ou muito rápida e, portanto, dificilmente controláveis. O resultado é que, em geral, ocorre a nucleação aleatoriamente, de modo que a qualidade dos cristais resultantes (precipitantes) não seja controlada. Assim, os cristais de saída têm um tamanho de cristal não adaptado, são distribuídos de forma desigual e não uniformemente moldados. Esses cristais precipitados aleatoriamente causam grandes problemas de qualidade uma vez que o tamanho do cristal, a distribuição e a morfologia do cristal são critérios cruciais de qualidade das partículas precipitadas. Uma cristalização e precipitação descontroladas significam um produto ruim.

Solução: Cristalização e Precipitação sob Sonicação

Uma cristalização assistida por ultrassom (sonocristalização) e precipitação (sonoprecipitação) permite o controle preciso sobre as condições do processo. Todos os parâmetros importantes da cristalização ultrassônica podem ser influenciados com precisão – resultando em uma nucleação e cristalização controladas. Os cristais precipitados por ultrassom têm um tamanho mais uniforme e uma morfologia mais cúbica. As condições controladas de sonocristalização e sonoprecipitação permitem alta reprodutibilidade e uma qualidade de cristal contínua. Todos os resultados alcançados em pequena escala podem ser ampliados de forma completamente linear. A cristalização e a precipitação ultrassônicas permitem a produção sofisticada de nanopartículas cristalinas – em escala laboratorial e industrial.

Os efeitos da cavitação ultrassônica na cristalização e precipitação

Quando ondas ultrassônicas altamente energéticas são acopladas em líquidos, ciclos alternados de alta pressão/baixa pressão criam bolhas ou vazios no líquido. Essas bolhas crescem ao longo de vários ciclos até que não possam absorver mais energia, de modo que entram em colapso violentamente durante um ciclo de alta pressão. O fenômeno de tais implosões violentas de bolhas é conhecido como cavitação acústica e é caracterizado por condições extremas locais, como temperaturas muito altas, altas taxas de resfriamento, diferenciais de alta pressão, ondas de choque e jatos de líquido.
Os efeitos da cavitação ultrassônica promovem a cristalização e a precipitação, proporcionando uma mistura muito homogênea dos precursores. A dissolução ultrassônica é um método bem desenvolvido para produzir soluções supersaturadas / supersaturadas. A mistura intensa e, portanto, a transferência de massa melhorada melhoram a semeadura dos núcleos. As ondas de choque ultrassônicas auxiliam na formação dos núcleos. Quanto mais núcleos forem semeados, mais fino e rápido ocorrerá o crescimento do cristal. Como a cavitação ultrassônica pode ser controlada com muita precisão, é possível controlar o processo de cristalização. Naturalmente, as barreiras existentes para nucleação são facilmente superadas devido às forças ultrassônicas.
Além disso, a sonicação auxilia durante a chamada nucleação secundária, uma vez que as poderosas forças de cisalhamento ultrassônico quebram e desaglomeram cristais ou aglomerados maiores.
Com o ultrassom, um pré-tratamento dos precursores pode ser evitado, pois a sonicação aumenta a cinética da reação.

Influenciando o tamanho do cristal pela sonicação

O ultrassom permite a produção de cristais sob medida para as necessidades. Três opções gerais de sonicação têm efeitos importantes na saída:

• Sonicação inicial:
  A curta aplicação de ondas de ultrassom a uma solução supersaturada pode iniciar a semeadura e a formação de núcleos. Como a sonicação é aplicada apenas durante o estágio inicial, o crescimento subsequente do cristal prossegue desimpedido, resultando em maior Cristais.
• Sonicação contínua:
  A irradiação contínua da solução supersaturada resulta em pequenos cristais, uma vez que a ultrassonografia não pausada cria muitos núcleos, resultando no crescimento de muitos pequeno Cristais.

• Sonicação pulsada:
  Ultrassom pulsado significa a aplicação de ultrassom em intervalos determinados. Uma entrada precisamente controlada de energia ultrassônica permite influenciar o crescimento do cristal para obter um sob medida tamanho do cristal.

Sonicadores para processos aprimorados de cristalização e precipitação

Os processos de sonocristalização e sonoprecipitação podem ser realizados em bateladas ou reatores fechados, como processo contínuo em linha ou como reação in-situ. A Hielscher Ultrasonics fornece o sonicador perfeitamente adequado para o seu processo específico de sonocristalização e sonoprecipitação – seja para fins de pesquisa em laboratório e escala de bancada ou na produção industrial. Nossa ampla gama de produtos atende às suas necessidades. Todos os ultrassônicos podem ser configurados para ciclos de pulsação ultrassônica – um recurso que permite influenciar um tamanho de cristal sob medida.
Para melhorar ainda mais os benefícios da cristalização ultrassônica, recomenda-se o uso do inserto de célula de fluxo Hielscher MultiPhaseCavitator. Este inserto especial proporciona a injeção do precursor através de 48 cânulas finas, melhorando a semeadura inicial dos núcleos. Os precursores podem ser dosados com precisão, resultando em uma alta controlabilidade sobre o processo de cristalização.

A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: