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Cristalização: separação, purificação e complexidade

Quimica e Derivados
9 de outubro de 2019
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    Química e Derivados - ABEQ Cristalização: separação, purificação e complexidade

    Olá, leitoras e leitores. Acho que este texto de certa forma complementa o anterior, quando eu discuti configurações pouco convencionais de destilação industrial. Iniciei aquele texto lembrando que a ideia de ‘engenharia química’ está intimamente ligada ao conceito de ‘operação unitária’, e que a operação unitária de separação ou purificação mais usada pela indústria química é a destilação. Pois bem, a operação de separação mais usada pela indústria depois da destilação é a cristalização. Cerca de 70% de todo material sólido produzido pela indústria química provém de operações de cristalização ou precipitação a partir de soluções (Giulietti et al., 2001). O número pode ser ainda mais expressivo se consideramos a cristalização a partir de fundidos.

    Cristalização é a formação de uma fase sólida dispersa a partir de uma fase homogênea contínua. Esta é uma definição bastante abrangente que englobaria: Formação de partículas sólidas a partir de vapor d’água na atmosfera (neve); Cristalografia de proteínas (proteômica); Deposição de vapor químico (chemical vapor deposition) usada na produção de semicondutores; Cristalização de fundido (melt crystallization); Cristalização de solução (solution crystalization).

    Cristalização Industrial (Industrial Crystallization) é a utilização das técnicas de cristalização para a produção em escala industrial de produtos com interesse econômico. A maioria dos processos industriais ocorrem a partir de uma solução líquida, e é consensual a ideia de que se trata do segundo processo de separação na indústria química, depois da destilação. Green em 1988 (apud Mathews, 1997) informou que 70% dos produtos da DuPont passavam por um estágio de cristalização ou precipitação.

    Worlistchek (2003) coletou informações cotidianas de indústrias químicas e farmacêuticas acerca da cristalização. Segundo ele, dois terços dos produtos e intermediários da Akzo Nobel da Holanda eram pós, lamas, cristais, flocos, pellets ou dispersões e a cristalização é o principal processo de formação. Na Novartis Pharma AG (Suíça), todas as sínteses de drogas terminariam com uma etapa de cristalização, 70 a 80% dos intermediários da Novartis eram cristalizados, a cristalização era uma etapa de purificação, a filtrabilidade do produto seria um aspecto importante, e toda cristalização da Novartis Pharma era batelada. Na Roche Vitamins AG (Suíça), só produtos de massa (mais de 10.000 t/ano) seriam cristalizados continuamente, e a complexidade da cristalização seria um fator de escolha pelo processo em batelada. Por último, em uma companhia farmacêutica não identificada, a cristalização era etapa de produção que mais consumia tempo em 75% de todos os ciclos de produção, e a segunda etapa mais demorada de 60% dos ciclos seria a secagem, filtração ou centrifugação (processos derivados da cristalização).

    O volume mundial de alguns produtos industriais, cujas produções envolvem a cristalização, corroboram a sua importância. Fertilizantes NPK (nitrogênio, fósforo e potássio) em 2012: 184 milhões de toneladas por ano (MM t/ano) de uréia, 6,8 MM t/ano de MAP (fosfato de monoamônio), 1,5 MM t/ano de K2SO4. A produção mundial de açúcar gira em torno de 180 MM t/ano, a de NaCl é 270 MM t/ano, glutamato monossódico 2 MM t/ano, ácido adípico 2,8 MM t/ano, paracetamol 130 mil t/ano, e antibióticos 64,5 t/ano (4,5 t/ano sendo Sulfonamidas).

    Retomando a definição, cristalização é a formação de uma fase sólida dispersa em um meio contínuo – geralmente uma solução líquida em sistemas industriais. Tal formação da fase sólida ocorre em duas etapas: Aparecimento de uma estrutura de transição entre as fases fluida e sólida (nucleação); e Crescimento dessas estruturas em partículas sólidas – os cristais. A concentração da solução deve ser maior do que a concentração de equilíbrio (solubilidade) àquela temperatura, de modo que a nucleação e o crescimento cristalino ocorram. A diferença entre a concentração da solução e a concentração de equilíbrio naquelas condições é chamada supersaturação. A supersaturação é a força motriz da cristalização, e pode ser gerada no sistema por resfriamento, evaporação do solvente, ou por mudança do meio devido à adição de um antissolvente que reduz a solubilidade do soluto no meio resultante, ou mudança do soluto por reação química – produção de outra substância com solubilidade muito menor (este processo chamado Precipitação). Durante a cristalização, podem ocorrer processos secundários, como a aglomeração e a quebra das partículas em suspensão.



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