Cristalización del ácido salicílico mediante modificación química

Chemical Engineering

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Overview

Fuente: Kerry M. Dooley y Michael g. Benton, Departamento de ingeniería química, Universidad Estatal de Louisiana, Baton Rouge, LA

Proceso de elaboración de productos bioquímicos es operaciones unitarias tales como cristalización, ultracentrifugación, filtración de membrana y cromatografía preparativa, todos los cuales tienen en común la necesidad de separar sólido de líquido o grandes de moléculas pequeñas. De éstos, cristalización es el más importante desde un punto de vista de tonelaje. Por eso, comúnmente se emplea en la farmacéutica, la química y la industria alimentaria. Bioquímicos de los ejemplos importantes incluyen separaciones quirales,1 purificación de antibióticos,2 separación de los aminoácidos precursores,3 y muchas otras farmacéuticas, aditivo de4-5 ,6-7 y agroquímicos purificaciones. 8 El control de distribución de morfología y tamaño de cristal es crítico a la economía del proceso, como estos factores afectan los costos de procesamiento posteriores operaciones como secado, filtración y transporte de sólidos. Para obtener más información acerca de cristalización, consulte un libro de texto especializado o un libro de operaciones unitarias. 9

La unidad de cristalizador (Figura 1) permite el estudio de: (a) los efectos de parámetros clave, como la sobresaturación y tasas de enfriamiento y calefacción, distribución tamaño cristal, morfología y contenido de sólidos; (b) y el control en línea de procesos de cristalización. La sobresaturación puede controlarse mediante la alteración de condiciones como la velocidad de agitación y temperatura. Las diferentes clasificaciones de cristalización incluyen pH refrigeración, por evaporación, swing y modificación química. En este experimento, se medirá un microscopio fuera de línea de cristales que varían en tamaño de 10-1000 μm, un rango de tamaño típico para productos biológicos.

Figure 1
Figura 1: Diagrama P & ID (izquierda) y foto (derecha) de cristalizador. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Este experimento demostrará una "modificación química" o "pH-swing" cristalización, para generar cristales (SAL) (precursor de la aspirina) de ácido salicílicos de la rápida reacción de soluciones acuosas de salicilato de sodio básico (NaSAL), que son básicas, y ácido sulfúrico (H2SO4) en cualquier lugar de 40-80 ° C. 11

Na+SAL + 0.5 H2que4 SAL (ppt) + Na+ + tan40,52-

El subproducto sulfato de sodio es soluble. El aparato consiste en dos tanques de alimentación, velocidad de variable tres bombas (peristálticas), cristalizador (tanque agitado para aproximar una temperatura uniforme y la concentración, ~ 5 L), una circulación del baño para control de temperatura, controlador de potencia, tanque del producto y un tanque de maquillaje para la regeneración de alimentación con solución de NaOH (si se desea). Las muestras serán analizadas por un espectrómetro UV-Vis para el ion salicilato soluble residual, y el producto de cristal de ácido salicílico se secó y se pesó. Puede utilizarse una sonda de pH para determinar el estado estacionario cuando se alteran las condiciones de reacción.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Ingeniería química. Cristalización del ácido salicílico mediante modificación química. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Una suspensión mixta, retiro de producto mezclado (MSMPR) cristalizador es análogo a un reactor continuo de tanque agitado - mezcla perfecta de fases sólidas y líquidas se asume. Cristalizadores industriales rara vez (o nunca) acercan comportamiento MSMPR, pero el concepto es útil en unidades de banco y piloto. Esto es debido a que proporciona una manera fácil de estimar parámetros clave como el crecimiento, G y tasa de nucleación, B0. Los cristales y otras superficies sólidas, como el agitador, catalizan la nucleación. La densidad del número, n, de los cristales es una densidad de probabilidad con respecto a L, la dimensión del cristal principal. Por lo tanto, n dL /(Σn dL) representa la fracción de cristales oflength L a L + dL. En los textos estándar se muestra para un cristalizador MSMPR, la solución del modelo de equilibrio general de la población n es:

Equation 1(1)

donde B0 es la función de crystalnucleation en moles/vol/tiempo, y G es la tasa de crecimiento de cristales, dL/dt. Ecuación (1) predice una distribución exponencial de la densidad del número en un MSMPR. Utilizando el cero (relacionado con la concentración de cristal) y primero (relacionado con el tamaño promedio de cristal) momentos de la distribución, B0 y G son:

Equation 2(2)
Equation 3(3)

donde Cs es la concentración de los cristales sólidos en la mezcla, τ es el tiempo de residencia, que es aproximadamente el volumen de líquido dividido por la tasa de flujo volumétrico de alimentación, y Equation 4 es la longitud media en una número base, que se determina microscópicamente .

Por lo tanto, para un cristalizador MSMPR, las tasas de crecimiento y nucleación están determinadas por los parámetros de control normal (velocidad de agitación, temperatura, caudal, etcetera). Sin embargo, la distribución siempre debe ser exponencial, y cualquier desviación de una distribución exponencial representa la mezcla imperfecta de los sólidos o los líquidos. El cristalizador MSMPR (tanque agitado) se adapta mal a cristalizaciones industriales ya que proporciona una distribución exponencial de tamaños de cristal, mientras que en la mayoría de las aplicaciones se desea una distribución relativamente estrecha, gaussiana, de uniformidad del producto . Su estudio es importante porque: (a) es casi siempre un elemento de un diseño de cristalizador más grande; (b) es ideal para trabajo de planta piloto y báscula de mesa porque el grado de sobresaturación y crecimiento y nucleación puede extraerse fácilmente de los datos en bruto; y (c) es el ejemplo más fácil para que la geometría puede ser vinculada a distribución de tamaño de cristal.

Para velocidad constante temperatura y agitador, B0 y G están directamente relacionados con la ΔC de sobresaturación, que es la fuerza impulsora de la transferencia de masa para la cristalización:12

Equation 5(4)

Los poderes b y g son específicos del sistema y pueden variar en un amplio rango (p. ej., 1-7.2 g). 12

Procedure

Orgánica (salicilato de sodio, NaSAL) y el ácido (ácido sulfúrico 0,25 M = 0.50 N) soluciones serán alimentadas en el cristalizador. Asegúrese de usar guantes de látex cuando manipulación NaSAL, ácido salicílico o sus soluciones y ácido sulfúrico de 0,25 M.

Todo el sistema es controlado desde un PC con un controlador comercial distribuido con una interfaz similar a la de la figura 1. Todas las válvulas de solenoide de cierre o de 3 vías y puntos de control puede funcionar y cambiar usando este interfaz. Un esquema muestra tendencias de los valores analógicos (tasas de flujo, temperatura) asociados a la unidad.

1. puesta en marcha del cristalizador

En el comienzo de una carrera, todos los controladores de continuados deben ser en modo manual y todos solenoide válvulas deben estar bien cerrado (encendido-apagado) o reciclar (3 vías).

  1. Asegúrese de que el cristalizador es completo para el nivel de desbordamiento (~4.15 L) indicado en el tanque agitado, con mezcla de agua y ácido salicílico (en la cristalización, la mezcla es a menudo llamada "magma"). Si no completo, agregar a través del puerto de adición.
  2. Encender el agitador para el cristalizador y thethermostated para el baño y las bombas.
  3. Ajuste el regulador de temperatura para la temperatura del baño en AUTO y el punto de referencia a la temperatura deseada. La temperatura recomendada es ~ 53° C para un cristalizador de 50° C.
  4. Establecer las velocidades de la bomba utilizando la interfaz (por ejemplo, el 30% abierto). Conocer las concentraciones de los feeds, establecer las tasas de flujo para la equivalencia estequiométrico basado en la ecuación (1).
  5. Confirme que el tanque de producto no está completo y que está cerrada la válvula de drenaje.
  6. Encender el equipo del espectrómetro y establecer comunicación con un enlace que aparece en la consola de control. Procedimientos del espectrómetro se detallan en el manual de instrucciones (SpectraSuite). Calibración del espectrómetro se proporciona.

2. funcionamiento del cristalizador

  1. Aumentar la salida de la bomba según sea necesario para lograr el caudal deseado. Para la solución de ácido, se trata de ~ 25-35 mL/min. Para NaSAL, está determinada por la equivalencia estequiométrica.
  2. Interruptor de modo se alimentan ambas válvulas de 3 vías. Este es el momento cero para un experimento.
  3. Revisar periódicamente la línea de desbordamiento. Bajo ciertas condiciones puede bloquear para arriba. Si es así, utilice un trozo de tubería de acero para escariar la línea entrando en el tanque de producto.
  4. Tomar cinco muestras directamente en el cristalizador a través del puerto de muestra con una pipeta de boca ancha y transferirlos a la prueba de 15 mL o tubos de centrífuga. Tomar dos juegos de muestras de unos 10-15 minutos aparte.
  5. Repetición en dos otros residencia ampliamente espaciadas veces, control de tau (tiempo) por variando las velocidades de flujo volumétrico, pero manteniendo equivalencia estequiométrica.

3. cierre del cristalizador

  1. Para apagar el sistema, ponga las válvulas de 3 vías para reciclar y las salidas de la bomba a 0%.
  2. Devuelva el regulador de temperatura manual de 0% de salida y apagado de las bombas, agitadores y baño termostatizado.
  3. Si usando el espectrofotómetro, recuerde apagar las luces.

4. Análisis

Concentraciones nasales y ácido salicílico disueltas pueden medirse simultáneamente por espectroscopia UV/Vis. La absorbancia de salicilato disuelto y el ácido salicílico puede suponerse aditivo porque se observa el mismo cromóforo. Más instrucciones se incluyen en el apéndice A. La concentración de ácido salicílico también se puede determinar gravimétricamente en unidades de kg/m3 mezcla.

  1. Centrifugar los tubos de 15 mL por 5 min y registrar el volumen de muestra líquida obtenido por decantación. El decantada líquido puede utilizarse para análisis espectrofotométrico NaSAL.
  2. Secar los tubos de ensayo que contienen los sólidos vertical en el horno de convección a 70 º c, durante dos días.
  3. Peso, limpie los tubos y volver a secar brevemente antes de volver a pesar para obtener el peso de los cristales.

Cristalización industrial se aplica para la separación y purificación de compuestos y mezclas. Para diseño de sistemas económicos, diversos parámetros tienen que estudiarse. Cristalización se utiliza para la separación de compuestos quirales y aminoácidos, o para la purificación de antibióticos, aditivos alimentarios y compuestos agroquímicos. Diferentes tipos de cristalización incluyen oscilación modificación, evaporación o pH refrigeración, químico. Un cristalizador puede utilizarse para investigar los parámetros claves que afectan el desarrollo de cristal, tales como refrigeración y tarifas o sobresaturación. Con el microscopio, la morfología y tamaño de los cristales pueden ser monitoreados y las dependencias de los distintos factores observaron. En este experimento, salicilato de sodio es reaccionado con el ácido sulfúrico, llevando a la precipitación de ácido salicílico, que es un precursor de la aspirina. Las muestras son analizadas por UV vis, microscopía y Análisis gravimétrico. Este video ilustra el concepto, análisis y aplicación de una unidad de cristalizador.

Una escala para arriba de un cristalizador, es importante estimar parámetros clave. Estos pueden estudiarse utilizando una unidad MSMPR. Aunque cristalizadores industriales se comportan realmente como MSMPRs, el concepto sigue siendo relevante para las unidades de escala piloto y banco. El cristalizador MSMPR es análogo a un reactor de tanque agitado continuo. Asume una mezcla perfecta de fases sólidas y líquidas. MSMPRs se utilizan para evaluar los parámetros clave de la cristalización, tales como la tasa de nucleación del cristal, que también es conocida como la función del nacimiento y la tasa de crecimiento del cristal. La nucleación es catalizada por los cristales y las superficies sólidas como las paredes del reactor. El modelo de balance de la población en general para un cristalizador MSMPR da la densidad del número N de los cristales, que es una densidad de probabilidad con respecto a L, la dimensión del cristal principal. En un MSMPR, la distribución de número se prevé que una distribución exponencial. La tasa de natalidad crecimiento y función puede ser determinada mediante el cero y los primeros momentos de esta distribución. Lo más importante, puede también relacionar con la sobresaturación, que es la fuerza impulsora de la transferencia de masa en la cristalización, y que es, a su vez, depende de la temperatura y agitación. Para una temperatura y el mezclador de velocidad constante, la función y el crecimiento de natalidad están directamente relacionados con la sobresaturación, tanto las potencias B y G se pueden determinar por regresión lineal. Según el modelo MSMPR, la densidad del número de cristales disminuye exponencialmente con la longitud. Una desviación de la distribución exponencial implica mezcla imperfecta de sólidos o líquidos. En aplicaciones industriales, distribución gaussiana relativamente estrecho de tamaños de cristal es necesarios, en lugar de exponencial. Sin embargo, el modelo MSMPR sigue siendo útil, particularmente en plantas piloto, ya que permite la determinación del crecimiento y las tasas de natalidad así como el grado de sobresaturación de datos brutos. Ahora que está familiarizado con el modelo MSMPR, vamos a aplicar el concepto a la experiencia.

Use PPE adecuado al manipular soluciones de sodio salicilato y ácido sulfúrico. Anota las propiedades físicas básicas del ácido salicílico para uso posterior. Antes de su comienzo, familiarizarse con el sistema de cristalización. El aparato consiste en dos tanques de alimentación, bombas de velocidad variable, un tanque revuelto de cristalizador de cinco litros, baño de circulación para control de temperatura, regulador de la energía, depósito de producto y un tanque de maquillaje para la regeneración de la alimentación, utilizando una solución de hidróxido de sodio. El sistema es operado mediante un sistema de control distribuido y una interfaz gráfica, que pueden utilizarse válvulas para controlar la temperatura y flujo. También hay una salida esquemática proporciona las tendencias de la tasa de flujo y temperatura.

Verifique que todos los controladores de continuados se establecen en el modo manual, y que todas las válvulas de solenoide en el cerrado, dos vías o en el reciclaje, de modo de tres vías. Asegúrese de que el cristalizador está lleno con agua y alguna mezcla de ácido salicílico para el nivel de desbordamiento de 4,15 litros aproximadamente, como se indica en el tanque agitado. Agregue el agua y el ácido salicílico con el puerto además si el tanque no está completo. Encender el agitador para el cristalizador y el baño termostatizado y bombas. Ajuste el regulador de temperatura para la temperatura del baño a auto y el punto a la temperatura deseada, generalmente aproximadamente 53 grados Celsius para un cristalizador de 50 grados Celsius. Establecer las velocidades de la bomba para dar aproximadamente de 25 a 35 mililitros por minuto para la solución de ácido. Para el salicilato de sodio, la velocidad de flujo es determinada por equivalencias estequiométricas. Usando las conocidas las concentraciones de alimentación, establecer las tasas de flujo para equivalencias estequiométricas. Asegúrese de que el tanque de producto no es completo y se cierra la válvula de drenaje. Luego, encienda el espectrómetro y usar un link proporcionado en la consola de control para comprobar que se establece la comunicación entre el aparato.

Interruptor de modo se alimentan de las dos válvulas de tres vías. Esto fija la hora cero de un experimento. Revisar periódicamente la línea de desbordamiento de obstrucciones. Utilice un trozo de acero de la tubería a distancia la línea entrando en el tanque de producto utilizando el orificio si se detecta una obstrucción. Después de una hora, utilice una pipeta de boca ancha e insértela en el puerto de la muestra del cristalizador. Recoger suficiente muestra para llenar suficiente cinco centrífuga previamente pesado 15 ml o tubos de ensayo. Tomar dos juegos de muestras de 10 a 15 minutos de distanciadas. Variar las tasas de flujo volumétrico para control de remolque y ajuste para dos otros tiempos de residencia muy espaciados. Mantener las equivalencias estequiométricas y recoger muestras como antes. Cuando haya terminado, ponga la salida de la bomba a cero por ciento, las válvulas de tres vías para reciclar. Devuelva el regulador de temperatura manual a cero por ciento de salida y apagado de las bombas, agitadores y baño termostatizado.

La concentración del ion salicilato puede ser determinada mediante UV vis y la concentración de ácido salicílico sólido puede determinarse gravimétricamente como kilogramos por metro cúbico de la mezcla. Antes del análisis, primero centrifugar las muestras durante 5 minutos y decantar el líquido. Récord obtenido el volumen total de la muestra. Combinar las muestras de líquido de un conjunto dado y diluir en 50 a 100 veces. Para el líquido, medir la absorbancia del salicilato de sodio y el ácido salicílico con el espectrómetro UV vis. Se supone que la absorbancia es aditivo, ya que se detecta el mismo cromóforo para ambas muestras. Para la determinación gravimétrica, utilizar los sólidos restantes en la centrifugadora o tubos de ensayo. Seque el montante de los tubos en el horno de convección a 70 grados centígrados durante dos días. Entonces volver a pesar el fríos tubos de ensayo para determinar el peso de los cristales y la concentración en kilogramos por litro. Por último, utilizando un microscopio, determinar la distribución de la longitud de los cristales de ácido salicílico en forma de aguja.

Calcular la concentración de sólido cristal para todas las ejecuciones mediante el método gravimétrico. Generar un balance de masa en salicilato. Luego, calcular el tiempo de sobresaturación y residencia. A continuación, determinar que el cristal produce sobre una base de alimentación y producto, usando los moles de producto, alimentación y el producto disuelto salicilato. Utilizar la concentración de cristal, la dimensión de cristal y el tiempo de residencia para resolver para la tasa de natalidad crecimiento y función. Luego estimar las potencias G y B a través de regresiones lineales de las funciones de registro. Aquí es un ejemplo de una cristalización a 50 grados centígrados. El poder de la B es dos veces tan grande como G, indicando que la sobresaturación afecta a la tasa de natalidad más que la tasa de crecimiento. Estos poderes se utilizaría para escala para arriba si la sobresaturación es sin cambios. Las comparaciones con otros experimentos pueden identificar los factores que influyen en las funciones de crecimiento y nacimiento, como la mezcla inadecuada, pH e impurezas iónicas en el maquillaje de agua.

Cristalización industrial se aplica extensamente en industrias farmacéuticas, químicas y de procesamiento de alimentos para la separación y purificación de compuestos diferentes. El danazol es un esteroide sintético que se utiliza para el tratamiento de la endometriosis. Como muchos otros compuestos farmacéuticos, Danazol es hidrofóbica y poco solubles en agua. Por lo tanto, la prima de Danazol es inicialmente disuelto en etanol y luego recristalizada por mezcla con agua, que produce cristales de producto puro, pequeño tamaño de partícula. Cristalizadores industrializados pueden utilizarse en la producción de lisosomas. El aparato puede diseñarse para producir una distribución muy estrecha cristal tamaño mediante la aplicación de una bomba alrededor de intercambiador de calor, que eleva ligeramente la temperatura para disolver los cristales más pequeños. La distribución de tamaño puede ser regulada mediante la separación de las partículas de cristal en base a sus velocidades terminales. Este concepto también encuentra aplicación en la cristalización de sales inorgánicas.

Sólo ha visto introducción de Zeus a cristalización industrial. Ahora debería entender el cristalizador MSMPR modelo, cómo hacer funcionar la unidad de cristalización y cómo analizar los resultados. Gracias por ver.

Results

Figura 2 presenta datos representativos que sugiere modestas desviaciones de la distribución de tamaño de cristal de la MSMPR ideal incluso a velocidades relativamente altas y bajas concentraciones de alimentación.

Figure 2
Figura 2 . Distribución de tamaño de cristal para alimentación NaSAL de 0.16 M, 540 rpm, 60 ° C

Los cristales que se forman de este experimento son típicamente en forma de aguja, y la distribución de la longitud puede determinarse microscópicamente. Longitudes de muestra con dimensiones de tamaño (en micras) de cristales típicos se muestran en la figura 3. La gama normal y preferida de cristales es de 100-1000 micras.

Figure 3
Figura 3 . Cristales de ácido salicílico magnificada. Los tamaños son en micras. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Suponiendo que las ecuaciones del cristalizador MSMPR (1-4) y el uso de un balance de masas en salicilato, funciona la concentración de sólidos cristales en el magma (CSAL), la residencia de tiempo (τ), tasa de crecimiento de las funciones G, cantidades de sobresaturación en la fase acuosa ΔC sobre una base molar, nucleación función B0y el cristal se produce en tanto producto y se determinó una base de alimentación. La función G se calcula de la ecuación (3) utilizando la distribución de tamaño. Y la sobresaturación y ecuaciones de balance de masa son:

Equation 6(5)

Equation 7(6)

donde Q1 es la tasa de flujo volumétrica de la solución NaSAL, Qt es la tasa de flujo volumétrica total (CNaSAL)0 es la concentración de alimentación de NaSAL en Q1, y CNaSAL y CSAL son el producto las concentraciones de salicilato soluble y cristales, respectivamente. Ceq es la concentración (interfacial) de equilibrio de salicilato, que era ~2.2 g/L en el rango de temperatura utilizado en esta demostración.

El rendimiento se define sobre una base de la alimentación como:

Equation 8(7)

Y en un sólo producto como:

Equation 9(8)

Si el % de error en el balance de masa en salicilato es grande, entonces es probable que CSAL o CNaSAL están en error, ya que ambos son difíciles de medir con precisión. Observando los valores de Y1 e Y2 (a la que da una tendencia más razonable), se puede determinar la fuente principal del error.

De los valores de G y B0, los poderes "g" y "b" en la ecuación (4) se estimaron usando regresión lineal. Franck et al reporta un poder "g" de ~ 3 y "b" de ~ 6 para este sistema11 con condiciones altamente estériles y agitador alta velocidad. Determinar las diferencias entre las energías experimentales "g" y "b" y los de Franck et al es útil en la identificación de factores que podrían estar influyendo en las funciones de crecimiento y nucleación. Datos representativos para una cristalización de 50° C con concentraciones de alimentación de 0.35 M (NaSAL) y 0.25 M (H2SO4) se muestran en la tabla 1.

Tabla 1. Datos de cristalización

Caudal, en mL/min Τ Equation 4 CNaSAL CSAL Y1 Y2
NaSAL H2por4 min mm mol/L g/mL % %
119 59.5 23.3 700 0.063 0.022 69 72
85 42.5 32.6 876 0.059 0.026 81 76
51 25.5 54.3 1190 0.055 0.026 81 77

Estos datos también fueron utilizados para resolver para G y B0 y regresión se realizó para determinar los poderes "g" y "b" usando la ecuación lineal (4). Regresión lineal de las funciones de registro (en la figura 4se muestra un ejemplo) dio g = 1.1 y b = 2.4. Mientras que la tendencia de los poderes (b sobre dos veces tan grande como g) fue el mismo observado en Franck et al., los poderes se difieren significativamente, y las dependencias de sobresaturación ΔC eran mucho más pequeñas. Esto sugiere que factores distintos de ΔC podrían estar afectando las tasas de crecimiento y la nucleación, como mezcla insuficiente, el pH relativamente alto (para equimolar alimenta son de pH entre 2.2-2.4) y las impurezas iónicas en el agua (la fuente municipal). Estos poderes experimentales se usará en los cálculos de escala, debido a que no sea de ΔC, estos factores probablemente estaría presentes en los diseños de escala piloto e industriales.

Figure 4

Figura 4. Regresión lineal de la tasa de crecimiento G en función de la sobresaturación ΔC

Applications and Summary

Este experimento demostró cómo tomar medidas de concentración, flujo y temperatura crudas y utilizar la teoría MSMPR para estimar los parámetros fundamentales necesarios para diseñar un sistema de cristalizador grande, complejo. Se exploró el papel crítico que tiempo de residencia en la obtención de rendimientos de cristal alta y controlar el tamaño medio de los cristales. A menudo hay un tiempo de residencia óptimo porque cristales muy grandes rara vez son deseables. Lo mismo vale para la mezcla - mezcla debe ser suficiente para mantener los cristales sólidos de colocar en la parte inferior, pero al mismo tiempo la velocidad del agitador es a menudo un significativo costo de operación.

Algunos de los problemas experimentado con esta unidad - obstrucciones parciales debido a la aglomeración de partículas, dificultades en la obtención uniforme sobresaturación debido a mezcla imperfecta y largo el tiempo para alcanzar el estado estacionario - son comunes a incluso bien diseñado industrial cristalizadores. Por esta razón cristalizador diseños vistos en la literatura de los fabricantes a menudo son increíblemente complejos.

Este proceso es similar a cristalizaciones de otros productos biológicos, tales como L-ornitina-L-aspartato, que se utiliza para tratar la insuficiencia hepática crónica. 5 los costos del precursor L-ornitina clorhidrato >$ 300/kg y es difícil de reciclar, por lo que diseño de cristal de alto rendimiento es fundamental. Un ejemplo de un antisolvent, en lugar de cristalización pH-swing, biológico es el refinamiento del danazol, un esteroide sintético utilizado para tratar la endometriosis. 13 muchos fármacos son hidrofóbicos con pobre solubilidad en agua. Disolviendo el producto crudo danazol en etanol y luego re-cristalización lo mezcla con agua, puede obtenerse un producto de cristal del tamaño de partícula más pura y más pequeños. Cristalización de proteínas es otra aplicación importante, un ejemplo es la producción de lisozima. 1 4

Cristalizadores industriales pueden ser diseñados para producir distribuciones de tamaño de cristal muy estrecho a través de la aplicación de la eliminación de multas (por ejemplo, un pumparound intercambiador de calor que eleva ligeramente la temperatura para disolver los cristales más pequeños) y tamaño () clasificación por ejemplo, una "elutriación pierna" que separa las partículas en función de sus velocidades terminales, que recoge sólo el más grande de la población). Estos conceptos fueron desarrollados para la cristalización de sales inorgánica pero avanzan en el Reino biológico.

Lista de materiales

Nombre Empresa Número de catálogo Comentarios
Agitador, 150 W Caframo BDC 3030 en el reactor
Calentador de circulación NESLAB RTE 110 0-100°C, para el reactor
Bombas peristálticas (2) Cole-Parmer MASTERFLEX L/S 7550-60, 1.6-100 rpm, hp 0,1 NaSAL y H2hasta4 alimenta
Bomba centrífuga Cole-Parmer 7553-00 6-600 rpm Para reciclaje de productos
Espectrofotómetro UV-Vis Ocean Optics 2000 USB Para el análisis NaSAL soluble
Fuente de alimentación de UV-Vis Ocean Optics CE DT1000 Para el uso con USB 2000

APÉNDICE A – USANDO EL ESPECTRÓMETRO DE

  1. Abra el software de SpectraSuite. Interruptor en la UV y VIS de las luces en la fuente. Asegúrese de apagar las luces después de usar. Establezca el modo de adquisición en alcance (azul S botón barra de herramientas).
  2. En la barra de herramientas cambiar el Tiempo de integración a 250 ms, el análisis promedio a 25y el Ancho del vagón de carga a 2. Marque las casillas para Activar lámpara del estroboscópico, Corrección oscuro eléctricoy Callejeros corrección de luz.
  3. Preparar archivos Oscuro espectro y Espectro de la referencia . El espectrómetro requiere la generación de un archivo de Espectro oscuro y un Espectro de referencia .
    1. Sumerja la sonda en un tubo de ensayo llenado de agua desionizada.
    2. Para crear un archivo de Espectro oscuro , desconecte la sonda de la fuente de luz (caja blanca). El gráfico casi debe trazar el eje x. Para guardar tu nuevo Espectro oscuro, haga clic en la bombilla de luz gris, luego archivo -> almacén -> espectro oscuro almacén.
    3. Para crear un archivo de Espectro de la referencia , conecte la conexión de la sonda hacia la fuente de luz. Algunos picos deben aparecer en el gráfico en SpectraSuite. Para guardar este Espectro de la referencia, haga clic en la bombilla amarilla, luego archivo -> almacén -> Tienda referencia del espectro.
    4. Si se cambian los valores (p. ej., tiempo de integración, etc.), el Oscuro espectro y Espectro de la referencia deben generarse otra vez.
    5. Cambiar de ámbito a la absorbancia (A) modo. Soluciones nasales, debe observarse la absorbancia a ~ 300-330 nm.

Cuantificación sólo es posible si soluciones ácidas salicílico/NaSAL siguen la ley de Beer-Lambert (A es en la región lineal de la ''''). Para el ion salicilato, esta región es A < ~0.9 - 1. Dado más allá de resultados, este criterio sugiere que soluciones nasales deben ser diluidas (con agua de DI) a 0,05 g/L o menos para la cuantificación. Entonces, las soluciones desconocidas pueden cuantificarse por comparación con la absorbancia de una solución estándar diluida adecuadamente:

Equation 10

donde C es s concentración, absorbancia, "u" un desconocido y '''' una solución estándar de NaSAL. Nota que ambos "u" y "s" deben mostrar absorbancia dentro del rango lineal.

En espectroscopia, la absorbancia depende de dos factores, el tipo de producto químico y su concentración y la longitud del camino en el líquido. Cambiar la concentración por dilución.

References

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Orgánica (salicilato de sodio, NaSAL) y el ácido (ácido sulfúrico 0,25 M = 0.50 N) soluciones serán alimentadas en el cristalizador. Asegúrese de usar guantes de látex cuando manipulación NaSAL, ácido salicílico o sus soluciones y ácido sulfúrico de 0,25 M.

Todo el sistema es controlado desde un PC con un controlador comercial distribuido con una interfaz similar a la de la figura 1. Todas las válvulas de solenoide de cierre o de 3 vías y puntos de control puede funcionar y cambiar usando este interfaz. Un esquema muestra tendencias de los valores analógicos (tasas de flujo, temperatura) asociados a la unidad.

1. puesta en marcha del cristalizador

En el comienzo de una carrera, todos los controladores de continuados deben ser en modo manual y todos solenoide válvulas deben estar bien cerrado (encendido-apagado) o reciclar (3 vías).

  1. Asegúrese de que el cristalizador es completo para el nivel de desbordamiento (~4.15 L) indicado en el tanque agitado, con mezcla de agua y ácido salicílico (en la cristalización, la mezcla es a menudo llamada "magma"). Si no completo, agregar a través del puerto de adición.
  2. Encender el agitador para el cristalizador y thethermostated para el baño y las bombas.
  3. Ajuste el regulador de temperatura para la temperatura del baño en AUTO y el punto de referencia a la temperatura deseada. La temperatura recomendada es ~ 53° C para un cristalizador de 50° C.
  4. Establecer las velocidades de la bomba utilizando la interfaz (por ejemplo, el 30% abierto). Conocer las concentraciones de los feeds, establecer las tasas de flujo para la equivalencia estequiométrico basado en la ecuación (1).
  5. Confirme que el tanque de producto no está completo y que está cerrada la válvula de drenaje.
  6. Encender el equipo del espectrómetro y establecer comunicación con un enlace que aparece en la consola de control. Procedimientos del espectrómetro se detallan en el manual de instrucciones (SpectraSuite). Calibración del espectrómetro se proporciona.

2. funcionamiento del cristalizador

  1. Aumentar la salida de la bomba según sea necesario para lograr el caudal deseado. Para la solución de ácido, se trata de ~ 25-35 mL/min. Para NaSAL, está determinada por la equivalencia estequiométrica.
  2. Interruptor de modo se alimentan ambas válvulas de 3 vías. Este es el momento cero para un experimento.
  3. Revisar periódicamente la línea de desbordamiento. Bajo ciertas condiciones puede bloquear para arriba. Si es así, utilice un trozo de tubería de acero para escariar la línea entrando en el tanque de producto.
  4. Tomar cinco muestras directamente en el cristalizador a través del puerto de muestra con una pipeta de boca ancha y transferirlos a la prueba de 15 mL o tubos de centrífuga. Tomar dos juegos de muestras de unos 10-15 minutos aparte.
  5. Repetición en dos otros residencia ampliamente espaciadas veces, control de tau (tiempo) por variando las velocidades de flujo volumétrico, pero manteniendo equivalencia estequiométrica.

3. cierre del cristalizador

  1. Para apagar el sistema, ponga las válvulas de 3 vías para reciclar y las salidas de la bomba a 0%.
  2. Devuelva el regulador de temperatura manual de 0% de salida y apagado de las bombas, agitadores y baño termostatizado.
  3. Si usando el espectrofotómetro, recuerde apagar las luces.

4. Análisis

Concentraciones nasales y ácido salicílico disueltas pueden medirse simultáneamente por espectroscopia UV/Vis. La absorbancia de salicilato disuelto y el ácido salicílico puede suponerse aditivo porque se observa el mismo cromóforo. Más instrucciones se incluyen en el apéndice A. La concentración de ácido salicílico también se puede determinar gravimétricamente en unidades de kg/m3 mezcla.

  1. Centrifugar los tubos de 15 mL por 5 min y registrar el volumen de muestra líquida obtenido por decantación. El decantada líquido puede utilizarse para análisis espectrofotométrico NaSAL.
  2. Secar los tubos de ensayo que contienen los sólidos vertical en el horno de convección a 70 º c, durante dos días.
  3. Peso, limpie los tubos y volver a secar brevemente antes de volver a pesar para obtener el peso de los cristales.

Cristalización industrial se aplica para la separación y purificación de compuestos y mezclas. Para diseño de sistemas económicos, diversos parámetros tienen que estudiarse. Cristalización se utiliza para la separación de compuestos quirales y aminoácidos, o para la purificación de antibióticos, aditivos alimentarios y compuestos agroquímicos. Diferentes tipos de cristalización incluyen oscilación modificación, evaporación o pH refrigeración, químico. Un cristalizador puede utilizarse para investigar los parámetros claves que afectan el desarrollo de cristal, tales como refrigeración y tarifas o sobresaturación. Con el microscopio, la morfología y tamaño de los cristales pueden ser monitoreados y las dependencias de los distintos factores observaron. En este experimento, salicilato de sodio es reaccionado con el ácido sulfúrico, llevando a la precipitación de ácido salicílico, que es un precursor de la aspirina. Las muestras son analizadas por UV vis, microscopía y Análisis gravimétrico. Este video ilustra el concepto, análisis y aplicación de una unidad de cristalizador.

Una escala para arriba de un cristalizador, es importante estimar parámetros clave. Estos pueden estudiarse utilizando una unidad MSMPR. Aunque cristalizadores industriales se comportan realmente como MSMPRs, el concepto sigue siendo relevante para las unidades de escala piloto y banco. El cristalizador MSMPR es análogo a un reactor de tanque agitado continuo. Asume una mezcla perfecta de fases sólidas y líquidas. MSMPRs se utilizan para evaluar los parámetros clave de la cristalización, tales como la tasa de nucleación del cristal, que también es conocida como la función del nacimiento y la tasa de crecimiento del cristal. La nucleación es catalizada por los cristales y las superficies sólidas como las paredes del reactor. El modelo de balance de la población en general para un cristalizador MSMPR da la densidad del número N de los cristales, que es una densidad de probabilidad con respecto a L, la dimensión del cristal principal. En un MSMPR, la distribución de número se prevé que una distribución exponencial. La tasa de natalidad crecimiento y función puede ser determinada mediante el cero y los primeros momentos de esta distribución. Lo más importante, puede también relacionar con la sobresaturación, que es la fuerza impulsora de la transferencia de masa en la cristalización, y que es, a su vez, depende de la temperatura y agitación. Para una temperatura y el mezclador de velocidad constante, la función y el crecimiento de natalidad están directamente relacionados con la sobresaturación, tanto las potencias B y G se pueden determinar por regresión lineal. Según el modelo MSMPR, la densidad del número de cristales disminuye exponencialmente con la longitud. Una desviación de la distribución exponencial implica mezcla imperfecta de sólidos o líquidos. En aplicaciones industriales, distribución gaussiana relativamente estrecho de tamaños de cristal es necesarios, en lugar de exponencial. Sin embargo, el modelo MSMPR sigue siendo útil, particularmente en plantas piloto, ya que permite la determinación del crecimiento y las tasas de natalidad así como el grado de sobresaturación de datos brutos. Ahora que está familiarizado con el modelo MSMPR, vamos a aplicar el concepto a la experiencia.

Use PPE adecuado al manipular soluciones de sodio salicilato y ácido sulfúrico. Anota las propiedades físicas básicas del ácido salicílico para uso posterior. Antes de su comienzo, familiarizarse con el sistema de cristalización. El aparato consiste en dos tanques de alimentación, bombas de velocidad variable, un tanque revuelto de cristalizador de cinco litros, baño de circulación para control de temperatura, regulador de la energía, depósito de producto y un tanque de maquillaje para la regeneración de la alimentación, utilizando una solución de hidróxido de sodio. El sistema es operado mediante un sistema de control distribuido y una interfaz gráfica, que pueden utilizarse válvulas para controlar la temperatura y flujo. También hay una salida esquemática proporciona las tendencias de la tasa de flujo y temperatura.

Verifique que todos los controladores de continuados se establecen en el modo manual, y que todas las válvulas de solenoide en el cerrado, dos vías o en el reciclaje, de modo de tres vías. Asegúrese de que el cristalizador está lleno con agua y alguna mezcla de ácido salicílico para el nivel de desbordamiento de 4,15 litros aproximadamente, como se indica en el tanque agitado. Agregue el agua y el ácido salicílico con el puerto además si el tanque no está completo. Encender el agitador para el cristalizador y el baño termostatizado y bombas. Ajuste el regulador de temperatura para la temperatura del baño a auto y el punto a la temperatura deseada, generalmente aproximadamente 53 grados Celsius para un cristalizador de 50 grados Celsius. Establecer las velocidades de la bomba para dar aproximadamente de 25 a 35 mililitros por minuto para la solución de ácido. Para el salicilato de sodio, la velocidad de flujo es determinada por equivalencias estequiométricas. Usando las conocidas las concentraciones de alimentación, establecer las tasas de flujo para equivalencias estequiométricas. Asegúrese de que el tanque de producto no es completo y se cierra la válvula de drenaje. Luego, encienda el espectrómetro y usar un link proporcionado en la consola de control para comprobar que se establece la comunicación entre el aparato.

Interruptor de modo se alimentan de las dos válvulas de tres vías. Esto fija la hora cero de un experimento. Revisar periódicamente la línea de desbordamiento de obstrucciones. Utilice un trozo de acero de la tubería a distancia la línea entrando en el tanque de producto utilizando el orificio si se detecta una obstrucción. Después de una hora, utilice una pipeta de boca ancha e insértela en el puerto de la muestra del cristalizador. Recoger suficiente muestra para llenar suficiente cinco centrífuga previamente pesado 15 ml o tubos de ensayo. Tomar dos juegos de muestras de 10 a 15 minutos de distanciadas. Variar las tasas de flujo volumétrico para control de remolque y ajuste para dos otros tiempos de residencia muy espaciados. Mantener las equivalencias estequiométricas y recoger muestras como antes. Cuando haya terminado, ponga la salida de la bomba a cero por ciento, las válvulas de tres vías para reciclar. Devuelva el regulador de temperatura manual a cero por ciento de salida y apagado de las bombas, agitadores y baño termostatizado.

La concentración del ion salicilato puede ser determinada mediante UV vis y la concentración de ácido salicílico sólido puede determinarse gravimétricamente como kilogramos por metro cúbico de la mezcla. Antes del análisis, primero centrifugar las muestras durante 5 minutos y decantar el líquido. Récord obtenido el volumen total de la muestra. Combinar las muestras de líquido de un conjunto dado y diluir en 50 a 100 veces. Para el líquido, medir la absorbancia del salicilato de sodio y el ácido salicílico con el espectrómetro UV vis. Se supone que la absorbancia es aditivo, ya que se detecta el mismo cromóforo para ambas muestras. Para la determinación gravimétrica, utilizar los sólidos restantes en la centrifugadora o tubos de ensayo. Seque el montante de los tubos en el horno de convección a 70 grados centígrados durante dos días. Entonces volver a pesar el fríos tubos de ensayo para determinar el peso de los cristales y la concentración en kilogramos por litro. Por último, utilizando un microscopio, determinar la distribución de la longitud de los cristales de ácido salicílico en forma de aguja.

Calcular la concentración de sólido cristal para todas las ejecuciones mediante el método gravimétrico. Generar un balance de masa en salicilato. Luego, calcular el tiempo de sobresaturación y residencia. A continuación, determinar que el cristal produce sobre una base de alimentación y producto, usando los moles de producto, alimentación y el producto disuelto salicilato. Utilizar la concentración de cristal, la dimensión de cristal y el tiempo de residencia para resolver para la tasa de natalidad crecimiento y función. Luego estimar las potencias G y B a través de regresiones lineales de las funciones de registro. Aquí es un ejemplo de una cristalización a 50 grados centígrados. El poder de la B es dos veces tan grande como G, indicando que la sobresaturación afecta a la tasa de natalidad más que la tasa de crecimiento. Estos poderes se utilizaría para escala para arriba si la sobresaturación es sin cambios. Las comparaciones con otros experimentos pueden identificar los factores que influyen en las funciones de crecimiento y nacimiento, como la mezcla inadecuada, pH e impurezas iónicas en el maquillaje de agua.

Cristalización industrial se aplica extensamente en industrias farmacéuticas, químicas y de procesamiento de alimentos para la separación y purificación de compuestos diferentes. El danazol es un esteroide sintético que se utiliza para el tratamiento de la endometriosis. Como muchos otros compuestos farmacéuticos, Danazol es hidrofóbica y poco solubles en agua. Por lo tanto, la prima de Danazol es inicialmente disuelto en etanol y luego recristalizada por mezcla con agua, que produce cristales de producto puro, pequeño tamaño de partícula. Cristalizadores industrializados pueden utilizarse en la producción de lisosomas. El aparato puede diseñarse para producir una distribución muy estrecha cristal tamaño mediante la aplicación de una bomba alrededor de intercambiador de calor, que eleva ligeramente la temperatura para disolver los cristales más pequeños. La distribución de tamaño puede ser regulada mediante la separación de las partículas de cristal en base a sus velocidades terminales. Este concepto también encuentra aplicación en la cristalización de sales inorgánicas.

Sólo ha visto introducción de Zeus a cristalización industrial. Ahora debería entender el cristalizador MSMPR modelo, cómo hacer funcionar la unidad de cristalización y cómo analizar los resultados. Gracias por ver.

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