Cristalização e precipitação por ultra-sons

Os ultra-sons iniciam e promovem a nucleação e a cristalização de moléculas orgânicas. Ter controlo sobre este processo é vital para garantir que o produto final é de alta qualidade. As vantagens de utilizar a sonicação para a cristalização e a produção de sólidos a partir de líquidos são o facto de tornar o processo muito mais rápido, utilizar menos material e permitir gerir o tamanho final dos cristais. A Hielscher fornece sonicadores fiáveis e fáceis de utilizar para uma cristalização e formação de sólidos bem sucedidas, quer em lote, em linha ou in-situ durante uma reação.

Sono-cristalização e Sono-Precipitação

A aplicação de ondas ultra-sónicas durante a cristalização e a precipitação tem vários efeitos positivos no processo.
Os ultra-sons de potência ajudam a

• formar soluções hipersaturadas/supersaturadas
• iniciar uma nucleação rápida
• controlar a taxa de crescimento dos cristais
• controlar a precipitação
• polimorfos de controlo
• reduzir as impurezas
• obter uma distribuição uniforme do tamanho dos cristais
• obter uma morfologia homogénea
• evitar deposições indesejadas nas superfícies
• iniciar a nucleação secundária
• melhorar a separação sólido-líquido

 

Diferença entre cristalização e precipitação

Tanto a cristalização como a precipitação são processos orientados para a solubilidade, em que uma fase sólida, seja um cristal ou um precipitado, emerge de uma solução que ultrapassou o 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 finalmente um composto cristalino ou polimórfico puro e bem definido. Por outro lado, a precipitação implica a geração rápida de fases sólidas a partir de uma solução supersaturada, resultando na formação de sólidos cristalinos ou amorfos. É importante notar que a distinção entre cristalização e precipitação pode ser um desafio, uma vez que muitas substâncias orgânicas se manifestam inicialmente como sólidos amorfos e não cristalinos, que subsequentemente 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 complexa.

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 numa solução supersaturada se acumulam, formando aglomerados ou núcleos, que servem de base para o crescimento subsequente de fases sólidas.

Problemas comuns nos processos de cristalização e precipitação

A cristalização e a precipitação são normalmente processos muito selectivos ou de propagação muito rápida e, por isso, dificilmente controláveis. O resultado é que, em geral, a nucleação ocorre aleatoriamenteA qualidade dos cristais resultantes (precipitantes) não é controlada. Consequentemente, os cristais que saem têm um tamanho de cristal não adaptado, estão distribuídos de forma desigual e não têm uma forma uniforme. Estes cristais precipitados aleatoriamente causam grandes problemas de qualidade uma vez que o tamanho, a distribuição e a morfologia dos cristais são critérios de qualidade cruciais para as partículas precipitadas. Uma cristalização e precipitação descontroladas significam um produto de má qualidade.

Solução: Cristalização e Precipitação sob Sonicação

Uma cristalização ultrassonicamente assistida (sonocristalização) e precipitação (sonoprecipitação) permite o controle preciso sobre as condições do processo. Todos os parâmetros importantes da cristalização ultra-sónica podem ser influenciados com precisão – resultando numa nucleação e cristalização controladas. Os cristais precipitados por ultra-sons têm um tamanho mais uniforme e uma morfologia mais cúbica. As condições controladas de sono-cristalização e sono-precipitação permitir a alta reprodutibilidade e uma qualidade de cristal contínua. Todos os resultados obtidos em pequena escala podem ser aumentados de forma completamente linear. A cristalização e a precipitação ultra-sónicas permitem a produção sofisticada de nanopartículas cristalinas – tanto à escala laboratorial como à escala industrial.

Os efeitos da cavitação ultra-sônica na cristalização e precipitação

Quando ondas ultra-sónicas altamente energéticas são acopladas a líquidos, ciclos alternados de alta pressão/baixa pressão criam bolhas ou espaços vazios no líquido. Essas bolhas crescem ao longo de vários ciclos até não poderem absorver mais energia, pelo que colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. O fenómeno destas implosões violentas de bolhas é conhecido como cavitação acústica e é caracterizado por condições locais extremas, tais como temperaturas muito elevadas, taxas de arrefecimento elevadas, diferenciais de pressão elevados, ondas de choque e jactos de líquido.
Os efeitos da cavitação ultra-sónica promovem a cristalização e a precipitação, proporcionando uma mistura muito homogénea dos precursores. A dissolução por ultra-sons é um método bem estabelecido para produzir soluções supersaturadas/sobre-saturadas. A mistura intensa e a transferência de massa assim melhorada melhoram a sementeira dos núcleos. As ondas de choque ultra-sónicas ajudam a formação dos núcleos. Quanto mais núcleos forem semeados, mais fino e mais rápido ocorrerá o crescimento do cristal. Como a cavitação ultra-sónica pode ser controlada com muita precisão, é possível controlar o processo de cristalização. As barreiras naturalmente existentes para a nucleação são facilmente ultrapassadas devido às forças ultra-sónicas.
Além disso, a sonicação ajuda durante a chamada nucleação secundária, uma vez que as poderosas forças de cisalhamento ultra-sónicas quebram e desaglomeram cristais ou aglomerados maiores.
Com os ultra-sons, é possível evitar um pré-tratamento dos precursores, uma vez que a sonicação melhora a cinética da reação.

Influenciando o tamanho do cristal por sonicação

Os ultra-sons permitem a produção de cristais adaptados às necessidades. Três opções gerais de sonicação têm efeitos importantes na produção:

• Sonicação inicial:
  A breve aplicação de ondas de ultra-sons a uma solução supersaturada pode iniciar a sementeira e a formação de núcleos. Como a sonicação só é aplicada durante a fase inicial, o crescimento subsequente do cristal prossegue sem impedimentos, resultando em maior cristais.
• Sonicação contínua:
  A irradiação contínua da solução supersaturada resulta em pequenos cristais, uma vez que a ultrassonografia ininterrupta cria muitos núcleos, resultando no crescimento de muitos pequeno cristais.

• Sonicação pulsada:
  O ultrassom pulsado significa a aplicação de ultrassom em intervalos determinados. Uma entrada de energia ultra-sónica controlada com precisão permite influenciar o crescimento do cristal de modo a obter um adaptado tamanho do cristal.

Sonicadores para melhorar os processos de cristalização e precipitação

Sono-cristalização e sono-precipitação processos podem ser realizados em lotes ou reatores fechados, como processo contínuo em linha ou como reação in-situ. A Hielscher Ultrasonics fornece-lhe o sonicador perfeitamente adequado para o seu processo específico de sono-cristalização e sono-precipitação – quer para fins de investigação à escala laboratorial e de bancada, quer para a produção industrial. A nossa vasta gama de produtos cobre as suas necessidades. Todos os ultrassons podem ser configurados para ciclos de pulsação ultrassónica – uma caraterística que permite influenciar um tamanho de cristal à medida.
Para melhorar ainda mais os benefícios da cristalização ultra-sónica, recomenda-se a utilização do inserto MultiPhaseCavitator da célula de fluxo Hielscher. Esta inserção especial permite a injeção do precursor através de 48 cânulas finas, melhorando a sementeira inicial dos núcleos. Os precursores podem ser doseados com exatidão, resultando numa elevada capacidade de controlo do processo de cristalização.

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: