Fonte: Kerry M. Dooley e Michael G. Benton, Dipartimento di Ingegneria Chimica, Louisiana State University, Baton Rouge, LA

L'elaborazione di sostanze biochimiche comporta operazioni unitarie come la cristallizzazione, l'ultracentrifugazione, la filtrazione a membrana e la cromatografia preparativa, che hanno tutte in comune la necessità di separare le molecole grandi da piccole o solide da liquide. Di questi, la cristallizzazione è la più importante dal punto di vista del tonnellaggio. Per questo motivo, è comunemente impiegato nelle industrie farmaceutiche, chimiche e di trasformazione alimentare. Importanti esempi biochimici includono separazioni chirali,¹ purificazione di antibiotici,² separazione di amminoacidi dai precursori,³ e molti altri prodotti farmaceutici,^4-5 additivi alimentari,^6-7 e purificazioni agrochimiche. ⁸ Il controllo della morfologia dei cristalli e della distribuzione dimensionale è fondamentale per l'economia di processo, in quanto questi fattori influenzano i costi delle operazioni di lavorazione a valle come l'essiccazione, la filtrazione e il trasporto dei solidi. Per ulteriori informazioni sulla cristallizzazione, consultare un libro di testo specializzato o un libro di testo Unit Operations. ^{9 anni}

L'unità cristallizzante (Figura 1) consente di studiare: (a) gli effetti di parametri chiave, quali la sovrasaturazione e le velocità di raffreddamento/riscaldamento, sul contenuto di solidi, sulla morfologia e sulla distribuzione dimensionale dei cristalli; b) e il controllo in linea dei processi di cristallizzazione. La sovrasaturazione può essere controllata alterando condizioni come la velocità di agitazione e la temperatura. Le diverse classificazioni della cristallizzazione includono raffreddamento, evaporazione, oscillazione del pH e modifica chimica. In questo esperimento, un microscopio offline misurerà da cristalli di dimensioni variabili da 10-1000 μm, una gamma di dimensioni tipiche per i biologici.

Figura 1: Schema P&ID (a sinistra) e immagine (a destra) di Crystallizer. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Questo esperimento dimostrerà una "modificazione chimica", o cristallizzazione "pH-swing", per generare cristalli di acido salicilico (SAL) (precursore dell'aspirina) dalla reazione rapida di soluzioni acquose di salicilato di sodio basico (NaSAL), che sono basici, e acido solforico (H₂SO₄) ovunque da 40 - 80 ° C.¹¹

Na⁺SAL ^{+ 0,5 H}₂SO₄ SAL (ppt) + Na⁺ + 0,5 SO₄^2-

Il sottoprodotto solfato di sodio rimane solubile. L'apparecchio è costituito da due serbatoi di alimentazione, tre pompe a velocità variabile (peristaltiche), il cristallizzatore (serbatoio agitato per approssimare temperatura e concentrazione uniformi, ~ 5 L), un bagno circolante per il controllo della temperatura, un regolatore di potenza, un serbatoio del prodotto e un serbatoio di trucco per la rigenerazione dell'alimentazione con soluzione NaOH (se lo si desidera). I campioni saranno analizzati da uno spettrometro UV-Vis per lo ione salicilato solubile residuo e il prodotto cristallino di acido salicilico sarà essiccato e pesato. Una sonda di pH può essere utilizzata per determinare lo stato stazionario quando le condizioni di reazione sono alterate.

Le soluzioni organiche (salicilato di sodio, NaSAL) e acide (acido solforico, 0,25 M = 0,50 N) saranno alimentate al cristallizzatore. Assicurarsi di indossare guanti in lattice quando si maneggia NaSAL, acido salicilico o le loro soluzioni e acido solforico 0,25 M.

L'intero sistema è controllato da un PC utilizzando un controller distribuito commerciale con un'interfaccia simile a quella della Figura 1. Tutte le elettrovalvole on-off o a 3 vie e i set point del c

La Figura 2 presenta dati rappresentativi che suggeriscono deviazioni modeste dalla distribuzione dimensionale cristallina dell'ideale MSMPR anche a velocità relativamente elevate e basse concentrazioni di alimentazione.

Figura 2. Distribuzione cristallina per alimentazione NaSAL 0,16 M, 540 giri/min, 60 °C

I cristalli ch..

Questo esperimento ha dimostrato come effettuare misurazioni grezze di concentrazione, flusso e temperatura e utilizzare la teoria MSMPR per stimare i parametri chiave necessari per progettare un sistema di cristallizzatori grande e complesso. È stato esplorato il ruolo critico che il tempo di permanenza gioca nell'ottenere alte rese di cristallo e nel controllare la dimensione media dei cristalli. Spesso c'è un tempo di residenza ottimale perché raramente sono desiderabili cristalli molto grandi. Lo stesso vale per l...

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