Cristalização: separação, purificação e complexidade

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.

A principal diferença da cristalização para as outras operações de separação, e a principal razão para a sua maior complexidade, é que a definição de qualidade de um material particulado é, de novo, mais complexa que a definição de qualidade de um líquido ou um gás. Enquanto um produto químico industrial líquido (etanol, ou benzeno, por exemplo) ou gasoso (hélio ou gás carbônico, por exemplo) é completamente caracterizado pela sua pureza, um produto sólido particulado tem outros atributos de qualidade além da pureza. Uma determinada quantidade de cristais é tratada como uma população caracterizada pela distribuição de tamanho característico. São atributos de qualidade de um produto cristalino:

• Distribuição de tamanho de partícula (PSD, do inglês particle size distribution): As partículas em suspensão em um cristalizador têm diferentes tamanhos. O conjunto das partículas (população) tem uma distribuição de tamanho

• Tamanho característico: É a dimensão que caracteriza uma população de partículas, intimamente relacionada ao método de medição

• Hábito cristalino: Variação do tamanho relativo das faces da estrutura cristalina que alteram a forma

• Pureza

• Estrutura cristalina

• Cristalinidade: Fração de partículas com estrutura definida em relação ao total de partículas (cristalinas e amorfas)

Dos atributos aqui listados, o mais importante (além da pureza) é a PSD. Para entender porque a distribuição de tamanhos é tão importante, tomemos o exemplo do pigmento dioptase (ciclosilicato de cobre). Partículas grosseiras têm coloração azul escura, enquanto partículas finas são azul claras (Figura 1).

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Figura 1 – Partículas de pigmento dioptase (ciclosilicato de cobre). À esquerda, partículas grosseiras (0-125µm) e à direita, partículas finas (< 60µm).

 

A manipulação do material particulado é também fortemente dependente da PSD. Se pensarmos nos cristais como esferas (não são!), intuitivamente conseguimos inferir que partículas maiores e uniformes escoam melhor do que partículas menores ou com uma grande variabilidade de tamanho entre si, porque teriam menos pontos de contato – atrito – entre si.. A variabilidade – ou distribuição – de tamanho também reduz a porosidade de um leito de partículas, o que diminui a eficiências dos processos de filtração ou centrifugação, e secagem. A figura 2 ajuda a entender essa relação entre a PSD e a manipulação do material particulado.

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Figura 2 – Relação entre a escoabilidade (a) e a porosidade (b) e a fração de finos. Autoria: Prof. Marcelo Seckler (USP)

A pergunta que o leitor pode estar se fazendo é: como controlar a qualidade dos cristais? Em poucas palavras, controlando a supersaturação ao longo do processo. E como se faz isso? Depende. Em processos em batelada, manipulando a receita – velocidade de resfriamento ou de evaporação, taxa de adição de antissolvente ou reagente. Em processos contínuos, utilizando o equipamento adequado, dimensionado corretamente. Processos contínuos de cristalização não devem sofrer intervenção do operador, pois o regime permanente só é atingido após 10 tempos de residência e, comumente, isso corresponde a um tempo maior do que um turno. Se a cada turno o cristalizador contínuo sofrer intervenção dos operadores, o equipamento nunca atingirá o estado estacionário. Portanto, se a atuação do operador no funcionamento do cristalizador contínuo deve ser evitada, o projeto do equipamento é crucial.

À medida que a complexidade da substância de interesse aumenta, aumenta também a possibilidade de ocorrência de polimorfismo – existência de mais de uma estrutura cristalina de uma mesma molécula. Diferentes estruturas cristalinas têm diferentes propriedades, como solubilidade ou taxa de dissolução. O polimorfismo pode ser um problema bastante frequente na indústria farmacêutica. Um exemplo clássico de ocorrência de polimorfismo que afetou bastante a indústria farmacêutica é o do Ritonavir. O Ritonavir é um inibidor de protease utilizado no tratamento de pacientes de AIDS, comercializado com o nome comercial de Norvir. No verão de 1998, suprimentos de cápsulas semissólidas de Norvir foram ameaçados de terem suas vendas suspensas devido à detecção de uma nova forma de cristal muito menos solúvel (forma II) do Ritonavir.

O Ritonavir exibe polimorfismo conformacional com dois látices cristalinos com solubilidades significativamente diferentes. Embora o polimorfo (forma II) correspondente à conformação cis da molécula seja um arranjo de empacotamento (do cristal) mais estável, a sua nucleação, mesmo na presença de sementes da forma II é energeticamente desfavorecida exceto em soluções altamente supersaturadas. A coincidência de uma solução altamente supersaturada e uma provável nucleação heterogênea pela degradação de produto resultou no aparecimento abrupto do polimorfo com a forma II, mais estável. Depois dessa ocorrência, a empresa (Abbott) teve dificuldades de formular a forma I novamente, o que levou a uma crise – só encerrada com a produção de um derivado (carbamato).

O engenheiro ou químico responsável pela produção em uma indústria química na qual existam etapas de cristalização ou precipitação deve buscar complementar a sua formação, pois é raro que os cursos de graduação contemplem disciplinas que tratem dos fundamentos da cristalização industrial. Há diversos livros sobre o assunto, além de artigos científicos. Alguns estão citados nas Referências deste texto. Contudo, o aprendizado autônomo pode ser bastante árduo, especialmente depois de um dia estafante de trabalho. Sabendo disso, a ABEQ oferece anualmente um curso de cristalização industrial durante três dias em São Paulo. Este ano, o curso ocorrerá entre os dias 27 e 29/11. Além do curso de cristalização industrial, a ABEQ oferece vários outros cursos. Maiores informações podem ser obtidas no endereço https://www.abeq.org.br/cursos/.


Referências

Giulietti, M., Seckler, M.M., Derenzo, S., Ré, M.I., & Cekinski, E.. (2001). INDUSTRIAL CRYSTALLIZATION AND PRECIPITATION FROM SOLUTIONS: STATE OF THE TECHNIQUE. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 18(4), 423-440. https://dx.doi.org/10.1590/S0104-66322001000400007

Green, D. A. 1988. November December DuPont Magazine apud Matthews III, H. B. Model Identification and Control of Batch Crystallization for an Industrial Chemical System, PhD Thesis, University of Winconsin at Madison, 1997.

Worlistchek, J., Monitoring, modeling and optimization of batch cooling crystallization, PhD Thesis, Swiss Federal Institute of Technology at Zurich, 2003.

Giulietti, M., Bernardo, A. (2012). Crystallization by Antisolvent Addition and Cooling, Crystallization – Science and Technology, Dr. Marcello Andreeta (Ed.), ISBN: 978-953-51-0757-6, InTech, DOI: 10.5772/50328. Available from: http://www.intechopen.com/books/crystallization-science-and-technology/crystallization-by-antisolvent-addition-and-cooling

Lewis, A., Seckler, M., Kramer, H., Van Rosmalen, G. Industrial Crystallization: Fundamentals and Applications, Cambridge, Cambridge, 2015.

Mersman, A., Crystallization Technology Handbook, 2nd Edition, Marcel Dekker, New York, 2001.

Mullin, J. W., Crystallization, 4th Edition, Butterworth-Heineman, London, 2001.

Myerson, A. S., Handbook of Industrial Crystallization, 2nd Edition, Elsevier, New York, 2001.


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André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP

O AUTOR

André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP, com mestrado em Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos pela Faculdade de Engenharia Química da Unicamp e doutorado em Engenharia Química pela UFSCar. Trabalhou no Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e em diferentes indústrias químicas. Atualmente é professor do Departamento de Engenharia Química da UFSCar. E-mail de contato: [email protected]

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