1OPERACIONES UNITARIAS DE SEPARACION Y SEPARACION Y ESTABILIZACIONESTABILIZACION

TeTericos Prof. G. Picricos Prof. G. Pic 20132013Clase Clase 44

CRISTALIZACIONCRISTALIZACIONCRISTALIZACIONCRISTALIZACIONCRISTALIZACIONCRISTALIZACIONCRISTALIZACIONCRISTALIZACION

- Se aumenta la estabilidad termodinmica (caso de macromolculas)

LA CRISTALIZACION SIRVE PARA LA CRISTALIZACION SIRVE PARA PURIFICARPURIFICAR

yyESTABILIZARESTABILIZAR UNA MOLECULAUNA MOLECULA

- Se mantiene prcticamente intacta su actividad biolgica.- Es criterio de pureza- Se disminuye el empleo de estabilizantes

Para que se cristaliza una sustancia ?- Eliminar el solvente (agua) y otros cosolutos.

- Se incrementa el periodo en que puede ser almacenada y transportada

2Formacin de un cristalFormacin de un vidrio

En la formacin del estado slido

El cristal de una sustancia pura, el cuerpo con mayor orden y por lo tanto con menor contenido entrpico

ESTADO DE GRAN DESORDEN (gaseoso, liquido, solucin)

Significativa disminucin de la entropa y entalpa del sistema

3Cristalizacin de un soluto disuelto en un solvente,

separacin de fases.No es un proceso espontneo. Debe estar acoplado a otro

proceso espontneoSoluto (sol) Soluto (solido- cristal)

TERMODINAMICAMENTE: Se debe romper la interaccin soluto-solventeH >> 0 y S >> 0Este proceso no puede ocurrir espontneamente ya que H >> -(T S)

Se debe acoplar otra evolucin de manera que el G resultante de ambas sea negativo

Soluto (solucin) Agregacin G>>0

EFECTO EXTERNO G

47

LOS METODOS DE FORMACIN DE UN CRISTAL

SOLUTOS (solucin) FORMACION DE AGREGADOS

TEMPERATURA ELIMINANDO SOLVENTEAGREGANDO UN COSOLUTO

FACTORES EXTERNOS

Como cristalizar un soluto disuelto en un solvente ?Hay que lograr sobresaturacin de un soluto en solucin

1- Disminucin de la TEMPERATURADiagrama de solubilidad de un soluto vs Temperatura

Temperatura (C)

Solu

bilid

ad (m

g/ m

L)

A (zona estable) B (zona inestable)

5Temperatura ( C)

Solu

bilid

ad (m

g/ m

L)

A (zona estable) B (zona inestable)

2- Eliminacin parcial el solventeA Temperatura constante

Concentracin de Cosoluto

Solu

bilid

ad

(mg

/ mL)

ZONA ESTABLE

ZONA SOBRESATURADA

3- Disminucin del volumen disponible para el soluto por agregado de un cosoluto

6NUCLEACION

NUCLEACIONSECUNDARIA

NUCLEACIONPRIMARIA

HOMOGENEA HETEROGENEA

MECANISMO MOLECULAR DE LA FORMACIN DE UN CRISTALPRIMERA ETAPA: EL PROCESO DE NUCLEACIN

Se debe a la presencia de nucleos que facilitan la formacin de cristales

Es la formacion de nucleos donde

antes no haba.

)()( slidosolucin SolutoSoluto

TERMODINAMICA DE LA FORMACION DE LOS NUCLEOS

)1(vs GGG +=

cavidad Superficie del cristal

solucin

GV :cambio de energa libre debido a la formacin de una cavidad (favorable)Gs cambio de energa libre debido a la formacin de una superficie (cristal)(desfavorable).

7)4(ln

ln

:

lnln

)3()()2(

ASRTGfinalmente

Sa

a

a

anRTG

doreemplazanaRT

aRT

nGAG

solido

solucin

solido

solucinv

solidoo

slidafase

solucino

solucion

slidafasesolucionv

s

+=

=

=

+=

+=

==

)1(vs GGG +=TERMODINAMICA DE LA FORMACION DE LOS NUCLEOS

G

r

Gv cambio de G DEBIDO A LA FORMACION DE UNA CAVIDAD

Proceso expontaneo

G s cambio de G debido a la formacin de una superficie

No expontneo

Radio de los ncleos

)7()ln(316

)6()(

0

:

)5(4ln34

2

32*

**

23

SRTG

rrGGr

Gsituacinlaen

rSRTrG

pi

pipi

=

==

=

+=

Depende inversamente de la T y la concentracin de soluto

Cambio de energa libre crtica

Los ncleos han adquirido un tamao donde pueden crecer

solos

8Energa libre por creacin de la interfase

Energa libre por creacin de volumen

Radio crtico

Radio

En el proceso global de formacin del cristal

)1(vs GGG +=

Proceso espontneo

0=

r

G

r

r

G

Dependencia de G de formacin de ncleos con la concentracin de soluto

)7()ln(316

2

32*

SRTG pi=

Disminuye S

9Dependencia de G de formacin de ncleos con la Temperatura,Hay que tener en cuenta que la solubilidad y la temperatura estn variando La demostracin matemtica de este proceso es mas complicada

TEMPERATURA

SOLU

BILI

DAD

POCO NUCLEOS CRISTALES GRANDES Y PUROS

MUCHOS NUCLEOS CRISTALES PEQUEOS E

IMPERFECTOS

VELOCIDAD DE NUCLEACION1. EFECTO DE LA SATURACION DEL SOLUTO

10

La agregacin tumultuosa y desordenada conduce a la formacin de dos fases: con gran contenido de solvente: coalescencia

Formacin de vidrio

Formacin de cristales

Temperatura (grados C)0 50 100 150 200

velo

cida

d (un

ida

des

arb

itra

rias)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

viscosidad

Crecimiento de los nucleos

Crecimiento de los

cristales

VELOCIDAD DE NUCLEACION2. EFECTO DE LA VISCOSIDAD DE LA SOLUCION

RATk

D B

=

11

VELOCIDAD DE CRISTALIZACIONLuego que el nucleo se form, el crecimiento del cristal depende de: DIFUSION SOLUTO A TRAVES DEL SOLVENTE HACIA LA SUPERFICIE DEL CRISTAL dw/dt = KdA(c - ci)

LA VELOCIDAD DE DISOLUCION DEL CRISTAL. dw/dt = Ks(ci - cs)dw incremento de peso del cristal en un dt, A area del cristal,c concen. soluto en el seno solucion,

ci is the solute concentration at the crystal/solution interface, Cs concentracion de la solucion sobre saturada,Kd coeficiente de difusion en la interfase, Ks coeficiente del proceso opuesto

ci

cs

c

Kd

Ks

solido

CA

CAo

x

N a k C CA A o= ( )

Modelo de la pelcula

solucin

dw/dt=A Ks (Ci - Cs )

Cristales conteniendo impurezas CRISTAL PERFECTO- EL CRISTAL PIERDE SOLVENTE Y OTRAS MOLECULAS NO PROPIAS. PROCESO LENTO- HAY UN INTERCAMBIO DINAMICO DE PARTICULAS ENTRE LOS CRISTALES IMPERFECTOS Y LAS AGUAS MADRES- LOS CRISTALES AUMENTAN DE TAMAO

SE DEBE DEJAR EL PRECIPITADO JUNTO CON SU AGUA MADRE POR LO MENOS 12 Hs

IMPUREZAS

PROCESO DE MADURACION O ENVEJECIMIENTO DEL CRISTAL

12

MACROMOLECULA EN SOLUCINDISMINUCION DE SU SOLUBILIDAD

SalesPolmerosSolventes Orgnicos

Formacin de Complejos: Polielectrolitos- Protenas

Cristalizacin

LA CRISTALIZACION DE MACROMOLECULAS

LA CRISTALIZACION DE ENZIMAS Y OTRAS MACROMOLECULAS

LA PRIMERA ENZIMA CRISTALIZADA

Journal Biological Chemistry 1926

13

EL METODO DE 1926J. Biological Chemistry (1926)

Polvo de poroto de soja

previamente desengrasado

Extraccin con solucin

acuosa de acetona 31,6%

FILTRACIN POR DECANTACION

SOLUCIN12 HS REPOSO EN FRIO

Cmo se cristaliza una protena? Condiciones que se requieren1- Modificar la temperatura PROHIBIDO2- Eliminacin parcial del solvente por evaporacin NO !!!3- Concentracin de la solucin de macromolcula por ultrafiltracin

Filtrado: solvente + solutos de bajo peso molecular

Solucin de protena

Presin

Membrana de poro controlado

14

pH

Solu

bilid

ad (m

g/ m

L)

pH isoelectrico

Salting in

Salting out

(+)(+)

(+) (+)

(+)

(+)

(+)

(+)

(-)

(-)(-)

(-)

(+)

(+)

(+)

(+)(+)

(+)

(+)(+)

(-)

(-)

(-)(-)

(+)(+)

(+) (+)

(+)

(+)

(+)

(+)

(-)

(-)(-)

(-)

(+)

(+)

(+)

(+)(+)

(+)

(+)(+)

(-)

(-)

(-)(-)

REPULSION(+)

(+)(+) (+)

(+)

(+)

(+)

(+)

(-)

(-)(-)

(-)

(+)

(+)

(+)

(+)(+)

(+)

(+)(+)

(-)

(-)

(-)(-)

(+)(+)

(+) (+)

(+)

(+)

(+)

(+)

(-)

(-)(-)

(-)

(+)

(+)

(+)

(+)(+)

(+)

(+)(+)

(-)

(-)

(-)(-)

REPULSION

(+)(+)

(+)

(-)

(-)(-)

(-)

(+)(+)

(+)(-)

(-) (+)(+)

(+)

(-)

(-)(-)

(-)

(+)(+) (+) (-)

(-)

AGREGACION

(+)(+)

(+)

(-)

(-)(-)

(-)

(+)(+)

(+)(-)

(-)

TkDIN

10008 2pi

=

= )( 21ZCI i

( )aRTDNeZ

SoS

+=

12ln

22

4- Cambio de pH

5- Modificacin de la concentracin y tipo de sales

6- Modificacin de la constante dielctrica del medio: agregado de etanol a bajas concentraciones: 10%

Fuerza inica

Solu

bilid

ad

(mg

/ mL)

Cloruro de sodioSulfato de magnesioFosfato de sodio

= 22

11lnmw DD

kSoS

15

cosoluto

SALESSOLVENTESPOLIMEROS

Concentracin de Cosoluto

Solu

bilid

ad

(mg

/ mL)

ZONA ESTABLE

ZONA SOBRESATURADA

ZONA META ESTABLE

ZONA DE PRECIPITACION

A C

7- Agregado de un cosoluto: sales, polmeros, solventes

EL MECANISMO MOLECULAR MEDIANTE EL CUAL OCURRE LA PRECIPITACIN DE UNA PROTEINA

POLIMEROS: disminuyen el volumen de solvente disponible para que la protena se ubique, deshidratan. Se favorece la agregacin

SOLVENTES ORGANICOS: inducen la perdida de agua en la protena, disminuye la constante dielctrica del medio

SALES: modifican la interaccin solvente protena

SALESSulfato de amonioSulfato de sodioCloruro de sodioNitrato de amonioSulfato de Litio

SOLVENTESEtanol

Acetona

Butanol

Dimetl sulfoxidoMetanol

POLIMEROSPolietilenglicolesPolivinil alcoholes

16

EQUIPOS DE CRISTALIZACION INDUSTRIAL

Entrada solucin

Salida vapor

Descarga de los cristales

1

3

4

2 TEMPERATURASO

LUBI

LID

AD

1

34

2

RENNET: mucosa del estomago de neonato o ternero

pH 5,0 + NaCl saturacin (3,3M)

(precipitacin con sales)

PRECIPITADO

Disuelto con agua pH 6,0

Sobrenadante

descartar

Se repite 4 veces, usandocada vez la mitad de volumen

Acidificar con HCl hasta pH 4.5Cristaliza la renina

(precipitacin por pH = pI )