EQUIPO 6

PERLA VALERIA MUNGIA FRAGOSO MARCELA VARGAS HERNÁNDEZ ADRIAN GARCÍA CASARRUBIAS

PAULO EMMANUEL CAZARES FLORES

CRISTALIZACIÓNOperaciones de acabado

Acabado del producto

Las operaciones finales en un proceso de bioseparaciones son las operaciones de acabado del producto. Estas operaciones permiten incrementar la pureza del producto, facilitar su manejo y mejorar su apariencia.

La cristalización es muy empleada tanto en la obtención de productos biotecnológicos tradicionales como las antibióticos, como en la obtención de productos provenientes de la tecnología del DNA recombinante como las proteínas terapéuticas.

Biotecnología

La cristalización es una operación ampliamente utilizada en los proceso biotecnológicos debido a que ofrece las siguientes ventajas:

Se puede obtener en una sola etapa un producto de una pureza de hasta un 99%

Se puede controlar la cristalización de tal manera que se produzcan cristales uniformes que faciliten su manejo, empaque y almacenamiento

La cristalización mejora la apariencia del producto para su comercialización Es una operación que puede llevarse a temperaturas moderadas

Esquema de un sistema de cristalización

Cristalización

La cristalización es un proceso donde se forman partículas sólidas a partir de una fase homogénea, es un proceso de separación sólido-líquido en el que hay transferencia de masa de un soluto de la solución líquida a una fase cristalina sólida pura.

Un ejemplo importante es la producción de sacarosa de azúcar de remolacha, donde la sacarosa se cristaliza de una solución acuosa.

Cristalización

En la cristalización la solución se concentra y casi siempre se enfría hasta que la concentración del soluto es superior a su solubilidad a dicha temperatura. Entonces, el soluto sale de la solución formando cristales casi puros

En las cristalizaciones comerciales no sólo interesa el rendimiento y la pureza de los cristales, sino también el tamaño y forma de los mismos. Casi siempre se desea que los cristales tengan tamaño uniforme. La uniformidad del tamaño es indispensable para evitar apelmazamientos en el empaque, para facilitar la descarga, el lavado y el filtrado y para un comportamiento uniforme en su uso.

Criterios a tomar en el proceso de cristalización

Para evaluar el uso de la cristalización como alternativa para la purificación de un producto es necesario contar con determinada información básica relacionada con el producto y sus soluciones:

Tipo de cristales que forma el producto Pureza de los cristales que forma el producto Equilibrio: Solubilidad y sobresaturación de soluciones del soluto en agua u

otro solvente Modos de operación posibles para generar la sobresaturación de la solución

del soluto Cinética: Velocidad con que se originan (nucleación) y crecen los cristales en

la solución Distribución de tamaños en poblaciones de los cristales

Tipos de geometrías cristalinas

Un cristal se puede definir como un sólido formado por átomos, iones o moléculas, que guardan una distribución ordenada y repetitiva. Es una de las formas de la materia más altamente organizadas. Los átomos, iones o moléculas están situados en redes tridimensionales o cristalinas. Las distancias interatómicas en un cristal entre estos planos imaginarios o redes cristalinas, así como los ángulos entre estos planos, se miden por medio de difracción de rayos X.

Tipos de geometrías cristalinas

Existen siete clases de cristales, dependiendo de la distribución de los ejes a los que se refieren los ángulos:

Sistema cúbico. Tres ejes iguales que forman ángulos rectos entre sí. Sistema tetragonal. Tres ejes que forman ángulos rectos entre sí, con uno de los ejes

más largo que los otros dos. Sistema ortorrómbico. Tres ejes a ángulos rectos entre sí, todos de tamaño diferente. Sistema hexagonal. Tres ejes iguales en un plano formando ángulos de 60” entre sí y

un cuarto eje formando un ángulo recto con este plano y ‘no necesariamente de la misma longitud

Sistema monoclínico. Tres ejes desiguales, dos a ángulos rectos en un plano y el tercero formando cierto ángulo con dicho plano.

Sistema triclínico. Tres ejes desiguales que forman ángulos desiguales entre sí que no son de 30”, 60” ni de 90”.

Sistema trigonal. Tres ejes iguales con la misma inclinación.

Tipos de geometrías cristalinas

Pureza de los cristales

La mayoría de las soluciones cuando forman cristales a velocidades de crecimiento moderado y a condiciones constantes, los cristales formados solo contienen un componente alcanzando purezas hasta de 99.8%Las impurezas de los cristales generalmente son debidas al atrapamiento de líquido en el cristal en pequeñas bolsas u oclusiones. La separación alcanzada en una cristalización puede ser caracterizada mediante la distribución del soluto y las impurezas entre las fases:

Equilibrio: Solubilidad y sobresaturación

Solubilidad:Las curvas de solubilidad representan la solubilidad de soluciones saturadas a diferentes temperaturas. Esta solubilidad es la máxima que puede alcanzar la solución en forma termodinámicamente estable.

Equilibrio: Solubilidad y sobresaturación

Saturación:La curva de solubilidad separa dos regiones: la región de subsaturación donde una solución es capaz de disolver más soluto a las condiciones dadas, y la región de sobresaturación. La región de sobresaturación se divide en tres zonas:

Equilibrio: Solubilidad y sobresaturación

La región metaestable, donde el soluto en exceso a la concentración de equilibrio se deposita en cristales ya existentes (sembrados o formados por nucleación) pero no forma cristales nuevos o núcleos.

La región intermedia, donde el soluto en exceso a la concentración de equilibrio se deposita en cristales ya existentes y forma nuevos cristales o núcleos.

La región lábil, donde la formación de cristales nuevos o núcleo ocurre en forma espontanea a partir de una solución que no contiene cristales o semillas.

Mecanismos para generar sobresaturación

Sobresaturación por enfriamiento: Cuando la solubilidad de un soluto varía sensiblemente con la temperatura, el enfriamiento de la solución a tratar permite la formación de cristales con altos rendimientos y bajo consumo energético.

Sobresaturación por enfriamiento evaporativo: Se produce en auxilio con un sistema de vacío. La alimentación entra a una temperatura mayor que la mantenida en el cristalizador enfriándose adiabáticamente dentro de este. Este modo también es aplicable cuando la solubilidad del soluto es muy sensible a la de la temperatura.

Sobresaturación por evaporación térmica: En este modo se transfiere calor al sistema para evaporar el solvente y generar la formación de cristales por “salting out” . Este modo se emplea solo cuando la solubilidad del soluto es insensible a la temperatura.

Mecanismos para generar sobresaturación

Sobresaturación por evaporación térmica al vacio: En este modo la alimentación tiene una temperatura mayor que la mantenida en el cristalizador y al entrar se enfría adiabáticamente. Paralelamente se transfiere calor al sistema para evaporar el solvente con auxilio de un sistema de vacío. Este modo es empleado para la cristalización de solutos cuya solubilidad tiene una dependencia intermedia respecto a la temperatura.

Mecanismos para generar sobresaturación

Nucleación

Existen dos mecanismos de formación de cristales:

Nucleación primaria: El cristal nuevo se origina de manera espontanea a partir de una solución sobresaturada (nucleación homogénea)

Nucleación secundaria: Es la formación de cristales nuevos como resultado de la presencia de cristales ya crecidos de soluto y que puede originarse por medio de varios mecanismos:

a) Sembradob) Contactoc) Esfuerzo cortante

Nucleación

La velocidad de nucleación es función de la sobresaturación y del mecanismo que la origina. En general se observa que la dependencia de la velocidad de nucleación primaria con la sobresaturación es de mayor orden que la de la velocidad de nucleación secundaria:

Crecimiento

El crecimiento de un cristal es un proceso de adición de capa por capa, donde un cristal cúbico ideal crece por adición de pequeños cubos sobre su superficie. El crecimiento sólo puede ocurrir en la superficie del cristal y las resistencias involucradas en el crecimiento son la de la difusión del soluto hasta la superficie de l cristal y la resistencia a la integración del soluto a la superficie del cristal; dado que estas resistencias actúan en serie, la velocidad de crecimiento de un cristal se puede expresar en forma empírica como:

Crecimiento

La ley ΔL del crecimiento de los cristales

McCabe demostró que todos los cristales geométricamente similares de un mismo material en una misma solución crecen a la misma velocidad. El crecimiento se mide como el aumento de longitud ΔL, en mm, de la dimensión lineal de un cristal. Este aumento de longitud se refiere a las distancias equivalentes desde el punto de vista geométrico de todos los cristales. El aumento es independiente del tamaño inicial de los cristales originales, siempre y cuando todos ellos estén sujetos a las mismas condiciones del medio circundante.

Equipos de Cristalización

Por lotes o intermitentes (Más utilizados para productos biotecnológicos) Los cristalizadores intermitentes son tanques agitados con sistemas de vacío y enfriamiento. Al final del ciclo, el material cristalizado se retira para lavarse y secarse.

Continuos: a) Cristalizador-Evaporador con circulación de líquidob) Cristalizador con tubo de tiro y mamparac) Cristalizador al vacio y con circulación forzada de magma.

Ventajas

El factor de separación es elevado. En bastantes ocasiones se puede recuperar un producto con una pureza mayor del 99% en una única etapa de cristalización, separación y lavado.

Controlando las condiciones del proceso se obtiene un producto sólido constituido por partículas discretas de tamaño y forma adecuados para ser directamente empaquetado y vendido.

Precisa menos energía para la separación que la destilación u otros métodos empleados habitualmente y puede realizarse a temperaturas relativamente bajas.

Desventajas

En general, no se puede purificar más de un componente ni recuperar todo el soluto en una única etapa.

La operación implica el manejo de sólidos, con los inconvenientes tecnológicos que esto conlleva. En la práctica supone una secuencia de procesado de sólidos, que incluye equipos de cristalización junto con otros de separación sólido-líquido y de secado.

Formación de dendritas: Se producen por una rápida cristalización a partir de Se producen por una rápida cristalización a partir de disoluciones sobresaturadas o de fundidos sobreenfriados o de vapores.disoluciones sobresaturadas o de fundidos sobreenfriados o de vapores.