La cristalización es una técnica que utilizan los químicos para purificar compuestos sólidos. Es uno de los procedimientos fundamentales que cada químico debe dominar para dominar el laboratorio. La cristalización se basa en los principios de solubilidad: los compuestos (solutos) tienden a ser más solubles en líquidos calientes (solventes) que en líquidos fríos.
Si una solución caliente saturada se deja enfriar, el soluto ya no es soluble en el disolvente y forma cristales de compuesto puro. Las impurezas se excluyen de los cristales en crecimiento y los cristales sólidos puros se pueden separar de las impurezas disueltas por filtración.
La cristalización es una tecnología muy antigua, y la información relacionada con la cristalización de sal y azúcar se remonta al comienzo de la civilización. En los últimos 30 años, se han desarrollado los medios técnicos para medir la nucleación en los equipos operativos.
Esto ha dado una nueva perspectiva sobre el diseño de equipos de cristalización con el resultado de que los diseños modernos de cristalización son mucho más flexibles en términos de su apacidad para controlar el tamaño y la distribución del tamaño de los productos de cristal que los equipos anteriores. La cristalización se ha considerado durante mucho tiempo un arte más que una ciencia, aunque los descubrimientos teóricos recientes y las nuevas técnicas analíticas han producido un cambio en esta posición histórica.
Jabir Bin Hayyan realizó sus grandes experimentos en ciencia y química en octavo siglo durante el califato abasí de Haroon al-Rashid Jabir introdujo investigación experimental en ciencia que rápidamente cambió su carácter en química moderna. Su contribución de fundamental importancia para la química incluye la perfección de las técnicas científicas, tales como cristalización, destilación, calcinaciones, sublimación y evaporación y desarrollo de varios instrumentos para el mismo.
El alambique es su gran invento, que hizo fácil y sistemático el proceso de destilación. Jabir puso gran énfasis en la experimentación y la precisión en su trabajo basado en sus propiedades, él ha descrito Tres tipos distintos de sustancias.
Existe una amplia variedad de equipos utilizados para llevar a cabo el proceso de cristalización, llamados cristalizadores.
Dicho equipo se puede clasificar en cuatro tipos generales:
Todos estos tipos de equipos tienen aspectos en común:
El cristalizador de vidrio es generalmente hecho de borosilicato este es un vidrio con alta resistencia térmica y muy buena resistencia química al agua, soluciones salinas, ácidos, bases y solventes orgánicos.
Los procesos de cristalización industrial tienen como objetivo la producción a gran escala de productos cristalinos mediante la formación de una suspensión de partículas en crecimiento en una solución. La calidad del producto se define por el tipo de fase cristalina producida, la distribución del tamaño del cristal, la morfología del cristal y la pureza del producto.
Estos aspectos de calidad del producto están determinados por los subprocesos de cristalización, de los cuales la nucleación y el crecimiento de los cristales son generalmente de mayor importancia. La fuerza impulsora de estos subprocesos generalmente se establece evaporando el solvente para aumentar la concentración o enfriando la solución para disminuir la solubilidad.
El reciente interés de la investigación farmacéutica en los procesos de cristalización continua se ve reforzado por las afirmaciones de una mejor calidad del producto, el uso eficiente de los materiales y los recursos energéticos, y la reducción de la corriente de residuos. Las mejoras en la comprensión de los aspectos fundamentales de la cristalización han llevado a la solución exitosa de problemas encontrados en la práctica industrial. Una reducción en la variabilidad del proceso y mejoras en la calidad del producto (forma del cristal, manejo del producto, rendimiento del procesamiento posterior, etc.).
La cristalización es una de las tecnologías más utilizadas en la industria química, y la robustez del proceso gobierna la productividad y la economía del proceso. En particular, los sectores farmacéutico y alimentario están utilizando la cristalización para una separación, purificación y selección de forma sólida optimizadas.
Por ejemplo, la cristalización es el método más común de formación de sólidos farmacéuticos para el desarrollo de ingredientes farmacéuticos activos (API). La optimización de las propiedades de las partículas, como el tamaño de partícula y la distribución de la forma, es primordial, ya que la forma física determina la calidad y la eficacia del medicamento.
Muchas drogas farmacéuticas tienen perfiles fisioquímicos pobres, como la baja solubilidad en fluidos biológicos. Se han realizado importantes esfuerzos de investigación y desarrollo para desarrollar un paisaje de forma sólida que cubra todas las estructuras sólidas posibles, incluidos polimorfos, solvatos, cocristales, sales y la fase amorfa para mejorar el desarrollo del ingrediente farmacéutico activo (API).
Formación de copo de nieve, Cristalización de miel en un tarro, Formación de estalactitas y estalagmitas, Deposición de cristales de piedras preciosas
Los ejemplos de cristalización artificial incluyen: Cultivo de cristales de azúcar en una jarra Producción de gemas sintéticas.
Jabir bin Hayyan nació en 721 d. C. en la ciudad persa de Tus. Obtuvo excelencia en los campos de Alquimia, Astronomía, Física, Farmacia, Filosofía, Astrología y Geografía. Se ha descubierto que reconoce los primeros trabajos de Platón, Sócrates, Aristóteles y Pitágoras, así como el conocimiento del destacado jurista musulmán Imam Jafar as-Sadiq sobre alquimia, química, filosofía y astronomía.
Jabir bin Hayyan preparó productos químicos, descubrió muchos ácidos y preparó, así como, mejoró muchos procesos químicos. Hizo hincapié en la importancia de experimentar la teoría de uno, y es por eso que vemos muchos inventos y descubrimientos realizados por él. De hecho, él fue quien introdujo técnicas experimentales en el campo de la química.
Descubrió procedimientos químicos tan significativos como la cristalización, fusión, destilación, calcinación, reducción, liquidación y sublimación. El teñido de tela y cuero, así como la preparación de acero también están asociados con este gran científico islámico.
Dio una descripción detallada del ácido acético, ácido tartárico y ácido cítrico. El descubrimiento de ácido clorhídrico, ácido sulfúrico y ácido nítrico son algunas de las mayores contribuciones hechas por Jabir bin Hayyan. Combinó el ácido nítrico con el ácido clorhídrico e inventó otro ácido denominado hoy como “Aqua Regia”. Este último es lo suficientemente fuerte como para disolver el oro. Su división de la sustancia en tres clases diferentes funcionó como la base para la clasificación moderna de metales y no metales.
El proceso de cristalización produce un cambio físico en los objetos. Conduce a la formación de estructuras cristalinas. No es posible distinguir claramente entre procesos de cristalización. Pero podemos identificar dos categorías de procesos de cristalización, a saber, cristalización por enfriamiento y cristalización por evaporación.
Cristalización de Enfriamiento: Muchas sustancias, cuando se disuelven en disolvente, forman cristales al enfriarse en condiciones favorables en este proceso. Sin embargo, este método no es muy común y tiene muchas limitaciones. Por lo general, la sustancia se calienta y luego se deja enfriar en este método.
Cristalización por evaporación es más común que la cristalización de enfriamiento. La evaporación del agua de mar deja sal detrás. Los cristales puros de sustancia se depositan después de la evaporación de las soluciones. Pero este método requiere una alta concentración de la sustancia en la solución. Por lo tanto, su relación de masa soluto / solvente debe ser alta.
Experimentos simples para demostrar cristalización:
Experimento 1
Experimento 2
La cristalización por enfriamiento es atractiva cuando la solubilidad del producto aumenta significativamente con el aumento de la temperatura. En un proceso de cristalización por enfriamiento, la alimentación se enfría en un intercambiador de calor, que puede ubicarse dentro del cristalizador o en un circuito externo.
La pared del cristalizador se puede usar como intercambiador de calor interno, pero el intercambiador de calor también se puede integrar en el cristalizador en forma de tubos o placas enfriados. La cristalización puede tener lugar cuando el líquido se enfría a una temperatura inferior a la solubilidad de equilibrio. La temperatura más baja en el sistema está en la superficie del intercambiador de calor.
Por lo tanto, el enfriamiento debe realizarse con cuidado para evitar la nucleación en la superficie fría del intercambiador de calor, lo que provocará incrustaciones. Por lo general, las medidas para prevenir este fenómeno no deseado son reducir la diferencia de temperatura entre el refrigerante y la solución de cristalización.
Aumentar la velocidad del líquido a lo largo de la superficie del intercambiador de calor para nivelar la diferencia de temperatura a lo largo del intercambiador de calor o usar un raspador para mantener la superficie del intercambiador de calor libre de sólidos. Los métodos alternativos de enfriamiento que no requieren un intercambiador de calor son el enfriamiento instantáneo que implica la evaporación (parcial) del solvente o el enfriamiento directo mediante la inserción de un gas o refrigerante frío.
Cristalización fraccionada es un término que se utiliza para describir un proceso en el que se utilizan pasos de cristalización repetidos para aumentar la pureza del producto y / o aumentar el rendimiento del proceso.
Las aplicaciones se pueden encontrar en metal, refinación de metales, petróleo y gas, por ejemplo, desparafinado de aceite, alimentos, por ejemplo, fraccionamiento de aceite de palma y concentración de congelación y en industrias químicas, por ejemplo, desengrasado con cera de parafina o ultra- purificación de productos químicos.
En un proceso de cristalización fraccionada, los cristales formados en la primera etapa se separan de las aguas madres con dispositivos como filtros, centrifugadoras o columnas de lavado y se vuelven a enrollar para usarse como alimentación en una segunda etapa de cristalización.
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