Cristalización

                                     

                                    CRISTALIZACIÓN

La  cristalización  es una operación unitaria de gran importancia en la industria química y de procesos. Consiste en la formación de sólidos cristalinos a partir de una solución, un gas, o un líquido fundido, logrando separar y purificar compuestos específicos.

 La cristalización es el proceso físico-químico mediante el cual un soluto se separa de su fase líquida en forma de cristales sólidos bien definidos. Este fenómeno ocurre cuando se excede el límite de solubilidad del soluto en el solvente, provocando la formación de una nueva fase sólida. Los principios fundamentales que rigen el diseño, funcionamiento y control del equipo de cristalización incluyen:

• Sobresaturación:  La fuerza impulsora del proceso. Se logra reducir la temperatura, evaporar el solvente o agregar agentes precipitantes. Es un proceso que se produce cuando una solución se vuelve supe saturada y, como consecuencia, se forman cristales.

• Nucleación:  Formación de núcleos iniciales que actúan como centros para el crecimiento de los cristales. Es un proceso que consiste en la formación de núcleos estables y el crecimiento de los cristales sobre ellos.

• Crecimiento cristalino:  Los núcleos formados aumentan de tamaño por la deposición ordenada de partículas de soluto. Es un proceso que consiste en la formación de cristales a partir de una disolución.

• Control del tamaño y forma de cristales:  Depende de factores como velocidad de enfriamiento, grado de agitación y pureza del sistema. El control del tamaño y la forma de los cristales en el proceso de cristalización se puede lograr mediante la siembra y el enfriamiento lento de la solución.
  

Esquema

Un cristalizador típico incluye las siguientes partes principales:

1. Cuerpo del cristalizador:  Contenedor donde ocurre la cristalización.
2. Sistemas de calefacción o enfriamiento:  Para controlar la temperatura del proceso.
3. Agitadores:  Facilitan la uniformidad de la solución y evitan sedimentación desigual.
4. Entrada de solución o mezcla:  Permite la introducción controlada del soluto.
5. Separador de cristales:  Recoge los cristales formados, evitando el arrastre del disolvente.

Diagrama de flujo simplificado del proceso de cristalización:

1. Entrada de solución sobresaturada.
2. Enfriamiento o evaporación controlados.
3. Formación de cristales.
4. Separación de cristales y solvente residual.

3. Clasificación

Los cristalizadores pueden clasificarse según diferentes criterios:

Por diseño:

• Cristalizadores por enfriamiento:  Se enfría la solución para disminuir la solubilidad, el proceso de cristalización de soluciones basado en la dependencia de la temperatura de solubilidad, se lleva a cabo mediante transferencia indirecta de calor o directamente al vacío. 
  
  
  
• Cristalizadores por evaporación: Se elimina parte del solvente para alcanzar sobresaturación. Es un proceso común para producir cristales a partir de soluciones acuosas. Este proceso se basa en la disminución gradual de la cantidad de agua en la solución.
  
  
  
• Cristalizadores con agitación: Incorporan un agitador mecánico para homogeneidad. Son equipos diseñados para llevar a cabo procesos de cristalización, que consisten en la formación de cristales a partir de una solución, fundido o vapor, mientras se emplea un sistema de agitación mecánica para mejorar la eficiencia del proceso.  
  
  
  
• Cristalizadores en lecho fluidizado: Los cristales se mantienen en suspensión mediante flujo de gas o líquido. Son equipos utilizados en procesos de cristalización donde los cristales en formación permanecen suspendidos en el fluido debido a un flujo ascendente que mantiene las partículas en un estado de fluidización. 
  

• Batch (por lotes): Proceso discontinuo, ideal para pequeñas cantidades. Este proceso que se realiza en un recipiente de cristalización, donde se agrega una cantidad fija de solutos. 
  
  
  
• Continuos: Permiten la producción constante de cristales, usados en procesos industriales a gran escala. Es un proceso que permite controlar el tamaño de los cristales en tiempo real. 
  
  
  

4. Aplicación en la Industria

La cristalización tiene aplicaciones variadas, entre las más destacadas:

1. Industria alimentaria: La cristalización en la industria alimentaria es un proceso clave utilizado para la formación, purificación y modificación de productos alimenticios mediante la creación de cristales sólidos a partir de una solución, suspensión o material fundido. Este proceso permite controlar características importantes como la textura, el sabor, la estabilidad y la apariencia de los productos finales. En la industria del chocolate, la cristalización de la manteca de cacao es crucial para obtener el producto deseado. El proceso de templado controla la formación de cristales beta-estables, que le dan al chocolate su característico brillo, firmeza y capacidad de derretirse en la boca sin volverse grasoso. 
   
   
   
2. Industria farmacéutica: La cristalización en la industria farmacéutica es un proceso esencial para la fabricación de medicamentos, utilizado principalmente para purificar compuestos, controlar la forma cristalina y garantizar propiedades específicas como solubilidad, biodisponibilidad y estabilidad del producto final. Durante la producción de aspirina, la cristalización asegura que los cristales del ácido acetilsalicílico tengan una forma y tamaño específicos para garantizar una dosificación uniforme y una buena biodisponibilidad. 
   
   
   
3. Industria química: La cristalización en la industria química es un proceso clave para la fabricación de una amplia variedad de productos. Este método permite obtener materiales sólidos de alta pureza y con propiedades específicas, mediante la formación de cristales a partir de soluciones, fundidos o vapores. Es ampliamente utilizado debido a su versatilidad, eficiencia energética y capacidad para controlar parámetros físicos y químicos de los productos finales. Por ejemplo el nitrato de amonio, un fertilizante común, se cristaliza a partir de soluciones concentradas mediante enfriamiento. El control del tamaño de los cristales es crucial para evitar problemas durante el almacenamiento y transporte, como la compactación o explosiones accidentales. 
   
   
   
4. Industria minera: La cristalización en la industria minera es un proceso clave en la extracción y purificación de minerales y compuestos químicos. Se utiliza para recuperar metales y sales disueltas en soluciones, procesar lixiviados y optimizar la calidad de productos finales. Este proceso permite transformar soluciones líquidas en sólidos cristalinos de alta pureza, esenciales para diversas aplicaciones industriales.

   Ejemplos de aplicaciones en minería

   1. Producción de carbonato de litio: A partir de salmueras ricas en litio, el proceso de evaporación y cristalización genera carbonato de litio, esencial para baterías de iones de litio.
   2. Recuperación de sulfato de cobre: En operaciones de lixiviación de cobre, las soluciones se cristalizan para obtener sulfato de cobre pentahidratado.
   3. Cristalización de nitratos y fosfatos: Obtención de compuestos utilizados en fertilizantes.
   4. Producción de sal: Cristalización de cloruro de sodio de salmueras en minería de sal.
      
      
      
5. Industria ambiental: Es una herramienta clave para la gestión sostenible de recursos y residuos. Este proceso se utiliza para recuperar compuestos útiles, tratar efluentes industriales, minimizar la contaminación y garantizar un uso más eficiente del agua y los recursos minerales. Por ejemplo En una planta de tratamiento, los fosfatos presentes en las aguas residuales se combinan con magnesio y amonio para formar estruvita. Este compuesto cristaliza, se separa y se reutiliza como fertilizante, reduciendo la carga de fósforo en los vertidos y promoviendo una economía circular.
   
   
   

5. Bibliografía

A continuación, referencias clave para profundizar en el tema:

1. McCabe, W. L., Smith, J. C., & Harriott, P. (2005). Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McGraw-Hill.
2. Myerson, A. S. (2002). Handbook of Industrial Crystallization. Butterworth-Heinemann.
3. Mullin, J. W. (2001). Crystallization. Butterworth-Heinemann.
4. Seader, J. D., Henley, E. J., & Roper, D. K. (2010). Separation Process Principles. Wiley.
5. Garside, J. (1985). Industrial Crystallization Process Monitoring and Control. IChemE Symposium Series.