Cristalização de Ácido Salicílico via Modificação Química

Fonte: Kerry M. Dooley e Michael G. Benton, Departamento de Engenharia Química, Louisiana State University, Baton Rouge, LA

O processamento de bioquímicos envolve operações unitárias como cristalização, ultracentrifugação, filtração de membrana e cromatografia preparatória, todas em comum a necessidade de separar grandes de pequenas moléculas, ou sólidas do líquido. Destes, a cristalização é a mais importante do ponto de vista da tonelagem. Por essa razão, é comumente empregado nas indústrias farmacêutica, química e de processamento de alimentos. Exemplos bioquímicos importantes incluem separações quirais,¹ purificação de antibióticos,² separação de aminoácidos de precursores,³ e muitos outros farmacêuticos,^4-5 aditivos alimentares,^6-7 e purificações agroquímicas. ⁸ O controle da morfologia cristalina e da distribuição de tamanho é fundamental para a economia do processo, pois esses fatores afetam os custos das operações de processamento a jusante, como secagem, filtração e transporte de sólidos. Para obter mais informações sobre cristalização, consulte um livro didático especializado ou um livro didático de Operações unitárias. ⁹

A unidade cristalizadora (Figura 1) permite o estudo de: (a) os efeitos dos parâmetros-chave, como taxas de supersaturação e resfriamento/aquecimento, sobre conteúdo de sólidos, morfologia e distribuição do tamanho do cristal; b E o controle on-line dos processos de cristalização. A supersaturação pode ser controlada alterando condições como taxa de agitação e temperatura. As diferentes classificações de cristalização incluem resfriamento, evaporação, balanço de pH e modificação química. Neste experimento, um microscópio offline medirá a partir de cristais que variam em tamanho de 10-1000 μm, uma faixa de tamanho típico para biológicos.

Figura 1: Esquema P&ID (esquerda) e imagem (direita)de Cristalizador. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Este experimento demonstrará uma cristalização "modificação química", ou "pH-swing", para gerar cristais de ácido salicílico (SAL) (precursor de aspirina) a partir da reação rápida de soluções aquosas de salicilato básico de sódio (NaSAL), que são ácido básico e sulfúrico (H₂SO₄) em qualquer lugar entre 40 e 80°C.

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

O subproduto sulfato de sódio permanece solúvel. O aparelho é composto por dois tanques de ração, três bombas de velocidade variável (peristáltica), o cristalizador (tanque mexido para temperatura e concentração uniforme aproximado, ~5 L), um banho circulante para controle de temperatura, controlador de energia, tanque de produto e um tanque de maquiagem para regeneração de ração com solução NaOH (se desejar). As amostras serão analisadas por um espectrômetro UV-Vis para o íon salicílico solúvel residual, e o produto de cristal ácido salicílico será seco e pesado. Uma sonda de pH pode ser usada para determinar estado estável quando as condições de reação são alteradas.

Soluções orgânicas (saliciilato de sódio, NaSAL) e ácido (ácido sulfúrico, 0,25 M = 0,50 N) serão alimentados com o cristalizador. Certifique-se de usar luvas de látex ao manusear NaSAL, ácido salicílico ou suas soluções, e o ácido sulfúrico de 0,25 M.

Todo o sistema é controlado a partir de um PC usando um controlador distribuído comercial com uma interface semelhante à da Figura 1. Todas as válvulas solenoides on-off ou de 3 vias e os set points do controlador p

A Figura 2 apresenta dados representativos que sugerem desvios modestos da distribuição do tamanho de cristal do ideal do MSMPR mesmo em velocidades relativamente altas e baixas concentrações de alimentação.

Figura 2. Distribuição de tamanho de cristal para alimentação NaSAL de 0,16 M, 540 rpm, 60 ° C

Os cristais...

Este experimento demonstrou como fazer medições de concentração bruta, fluxo e temperatura e usar a teoria do MSMPR para estimar os parâmetros-chave necessários para projetar um sistema cristalizador grande e complexo. O papel crítico que o tempo de residência desempenha na obtenção de altos rendimentos de cristais e no controle do tamanho médio dos cristais, foi explorado. Muitas vezes há um tempo de residência ideal porque cristais muito grandes raramente são desejáveis. O mesmo vale para a mistura - a m...

1. C. Wibowo, L. O’Young and K.M. Ng, Chem. Eng. Prog., Jan. 2004, pp. 30-39.
2. W.J. Genck, Chem. Eng. Prog., Oct. 2004, pp. 26-32.
3. S. Takamatsu and D.D.Y. Ryu, Biotechnol. Bioeng., 32, 184-191 (1988).
4. F. Wang and K.A. Berglund, Ind. Eng. Chem. Res., 39, 2101-2104 (2000).
5. Y. Kim, S. Haam, Y.G. Shul, W.-S. Kim, J.K. Jung, H.-C. Eun and K.-K. Koo, Ind. Eng. Chem. Res., 42, 883-889 (2003).
6. K. Hussain, G. Thorsen and D. Malthe-Sorenssen, Chem. Eng. Sci., 56, 2295-2304 (2001).
7. H. Gron, A. Borissova and K.J. Roberts, Ind. Eng. Chem. Res., 42, 198-206 (2003).
8. F. Lewiner, G. Fevotte, J.P. Klein and F. Puel, Ind. Eng. Chem. Res., 41, 1321-1328 (2002).
9. For example:  W.L. McCabe, J.C. Smith, and P. Harriott, “Unit Operations of Chemical Engineering”, 7th Ed., McGraw-Hill, New York, 2005, Ch. 27, or C.J. Geankoplis, “Transport Processes and Unit Operations”, 3^rd Ed., 1993, Ch. 12.
10. P. Barrett, Chem. Eng. Prog., Aug. 2003, pp. 26-32.
11. R. Franck, R. David, J. Villermaux and J.P. Klein, Chem. Eng. Sci., 43, 69-77 (1988).
12. J. Garside, Chem. Eng. Sci., 40, 3-26 (1985).
13. H. Zhao, J.-X. Wang, Qi-An Wang, J.-F. Chen and J. Yun, Ind. Eng. Chem. Res. 46, 8229-8235 (2007).
14. J.S. Kwon, M. Nayhouse, G. Orkoulas and P.D. Christofides, Ind. Eng. Chem. Res., 53, 15538-15548 (2014).