FLORES VALDIVIA MARIA JOSESOTO ROJAS JHOSEF JHOSIMAR

CRISTALIZACIÓNIngenieria de Alimentos 3

INTRODUCCION

La Cristalización es un Proceso de separación de tipo Sólido-Líquido en el que existe transferencia de masa de un soluto de una solución líquida a una fase cristalina sólida pura.

Los métodos más empleados para realizarla son aquellos en los que se parte de una disolución saturada de la sustancia que se desea obtener como sólido cristalino.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

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

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 comercialización. Es una operación que puede llevarse a cabo a temperaturas moderadas.

Desventajas En general, ni se puede purificar más de un componente ni recuperar todo el

soluto en una única etapa. Es necesario equipo adicional para retirar el soluto restante de las aguas madres.

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.

Esquema de un sistema de cristalización

TIPOS DE CRISTALIZACION

Criterios a tomar en el proceso de cristalización

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

de 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 Cristales

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. La distancia entre los átomos y los ángulos entre las caras de los cristales es característica de cada material.

Cúbico. Tres ejes iguales que forman ángulos rectos entre sí. Tetragonal. Tres ejes que forman ángulos rectos entre sí, con uno de los

Ejes más largos que los otros dos. Ortorrómbico.Tres ejes a ángulos rectos entre sí, todos de tamaño diferente. 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.

Tipos de Cristales

Monoclínico. Tres ejes desiguales, dos a ángulos rectos en un plano y el Tercero formando cierto ángulo con dicho plano. Triclínico. Tres ejes desiguales que forman ángulos desiguales entre sí que

No son de 30”, 60” ni de 90”. Trigonal. Tres ejes iguales con la misma inclinación.

Tenemos que tomar en cuenta que: a) Los cristales largos se rompen muy fácilmente durante la centrifugación y secado. b) Los cristales en forma de disco son difíciles de lavar durante su centrifugación y

difíciles de secar. c) Los cristales esféricos son más fáciles de manejar.

Tipos de geometrías cristalinas

Pureza de los cristales

La mayoría de las soluciones cuando forman cristales a velocidades de crecimiento moderado, los cristales formados alcanzan 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:

El factor de cristalización E

Equilibrio: Solubilidad

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: SOBRESATURACION

a. 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.

b. Región intermedia, donde el soluto en exceso a la concentración de equilibrio se deposita en cristales existentes y forma nuevos núcleos.

c. Región lábil, donde la formación de cristales nuevos o núcleos ocurre en forma espontánea a partir de una solución que no contiene cristales o semillas.

SOBRESATURACION

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.

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. La velocidad de crecimiento de un cristal se puede expresar en forma empírica como:

Crecimiento

INTERACCIONES QUE INFLUYEN EN EL COMPORTAMIENTO DE UN CRISTALIZADOR

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.

Donde es el tiempo en horas y la velocidad de crecimiento G es constante en mm/h. De esta forma si D1 es la dimensión lineal de cierto cristal al tiempo t1 y D2 corresponde a t2.

El crecimiento total (D2-D1) es el mismo para todos los cristales.La ley de ΔL falla cuando los cristales reciben tratamientos diferentes según su

tamaño.

EFECTOS DE LAS IMPUREZAS

La presencia de bajas concentraciones de sustancias ajenas a los cristales e impurezas juega un importante papel en la optimización de los sistemas de cristalización, tales como:

Todos los materiales son impuros o contienen trazas de impurezas añadidas durante su procesamiento.

Es posible influenciar la salida y el control del sistema de cristalización. Cambiar las propiedades de los cristales mediante la adición de pequeñas

cantidades de aditivos cuidadosamente elegidos. Agregando ciertos tipos y cantidades de aditivos es posible controlar el

tamaño de los cristales, la distribución de tamaño del cristal, el hábito del cristal y su pureza.

Equipos de Cristalización

Cristalizador de suspensión mezclada y de retiro de producto combinado.Llamado también cristalizador de magma circulante, es el más importante de

los que se utilizan en la actualidad.

Equipos de Cristalización

Cristalizador de enfriamiento superficial: Este tipo de equipo produce cristales de malla 30 a 100. El diseño se basa en las velocidades admisibles de intercambio de calor y la retención que se requiere para el crecimiento de los cristales de producto.

Equipos de Cristalización

Cristalizador de evaporación de circulación forzada: Este Cristalizador consta de una tubería de circulación y de un intercambiador de calor de coraza.

Equipos de Cristalización

Cristalizador evaporador de desviador y tubo de extracción (DTB, Draft Tube Bafle): Este Cristalizador consta de hélices situadas dentro del cuerpo del cristalizador, reduciendo la carga de bombeo que se ejerce sobre el circulador.

Equipos de Cristalización

Cristalizador de refrigeración de contacto directo: Los equipos de este tipo funcionan adecuadamente a temperaturas tan bajas como -59°C (-75°F).

Equipos de Cristalización

Cristalizador de tubo de extracción (DT, Draft Tube): Este cristalizador se puede emplear en sistemas en que no se desea la destrucción de partículas finas.

Criterio para elegir un Cristalizador

PRIMERO: Elegir un medio de generación de sobresaturación en base a las características de las curvas de solubilidad-temperatura de la sustancia a Cristalizar.

SEGUNDO: Decidir si la cristalización será batch o continua. El diseño Batch es el más simple pero requiere más control de variables.El diseño Continuo genera grandes producciones (más de una tonelada al día o caudales mayores a 20 m3 por hora).La elección final del equipo dependerá además de otros aspectos tales como:- Tipo y tamaño de cristales a producir.- Características físicas de la alimentación.

- Resistencia a la corrosión.

APLICACIONES EN LA INDUSTRIA

INDUSTRIA AZUCARERASAL COMUNADITIVOSCONSERVANTESINDUSTRIA QUIMICAINDUSTRIA FARMACEUTICA