Para que se cristaliza una sustancia?

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1 OPERACIONES UNITARIAS DE SEPARACION Y ESTABILIZACION Teóricos Prof. G. Picó 2016 CRISTALIZACION 245 Para que se cristaliza una sustancia? - Eliminar el solvente (agua) y otros cosolutos. - Se incrementa el periodo en que puede ser almacenada y transportada - Se aumenta la estabilidad termodinámica (caso de macromoléculas) - Se mantiene prácticamente intacta su actividad biológica. - Es criterio de pureza - Se disminuye el empleo de estabilizantes LA CRISTALIZACION SIRVE PARA PURIFICAR y ESTABILIZAR UNA MOLECULA 246 1

2 En la formación del estado sólido Formación de un cristal Formación de un vidrio 247 El cristal de una sustancia pura, el cuerpo con mayor orden y por lo tanto con menor contenido entrópico ESTADO DE GRAN DESORDEN (gaseoso, liquido, solución) Significativa disminución de la entropía y entalpía del sistema 248 2

3 TERMODINAMICAMENTE: Se debe romper la interacción soluto-solvente H >> 0 y S >> 0 Este proceso no puede ocurrir espontáneamente ya que H >> -(T S) Se debe acoplar otra evolución de manera que el G resultante de ambas sea negativo Soluto (solución) Agregación G>>0 EFECTO EXTERNO G<<<0 El soluto pierde solvente y sus moléculas entran en contacto entre si, produciéndose la agregación 249 LOS METODOS DE FORMACIÓN DE UN CRISTAL SOLUTOS (solución) FORMACION DE AGREGADOS -TEMPERATURA -ELIMINANDO SOLVENTE -AGREGANDO UN COSOLUTO FACTORES EXTERNOS 6 3

4 Como cristalizar un soluto disuelto en un solvente? Hay que lograr sobresaturación de un soluto en solución 1- Disminución de la TEMPERATURA Diagrama de solubilidad de un soluto vs Temperatura Solubilidad (mg / ml) B (zona inestable) A (zona estable) Temperatura ( C) Eliminación parcial el solvente A Temperatura constante Solubilidad (mg / ml) B (zona inestable) A (zona estable) Temperatura ( C) 252 4

5 3- Disminución del volumen disponible para el soluto por agregado de un cosoluto Solubilidad (mg / ml) ZONA SOBRESATURADA ZONA ESTABLE Concentración de Cosoluto 253 TERMODINAMICA DE LA FORMACION DE LOS NUCLEOS G = G s + G v (1) solución Soluto cavidad Soluto ( solución) ( sólido) Superficie del cristal G V :cambio de energía libre debido a la formación de una cavidad (favorable) Gs cambio de energía libre debido a la formación de una superficie (cristal)(desfavorable)

6 En el proceso global de formación del cristal G = 0 r Energía libre por creación de la interfase G = G s + G v (1) Proceso espontáneo Radio crítico Radio Energía libre por creación de volumen 255 VELOCIDAD DE NUCLEACION 1. EFECTO DE LA SATURACION DEL SOLUTO MUCHOS NUCLEOS CRISTALES PEQUEÑOS E IMPERFECTOS SOLUBILIDAD POCO NUCLEOS CRISTALES GRANDES Y PUROS TEMPERATURA 256 6

7 La agregación tumultuosa y desordenada conduce a la formación de dos fases: con gran contenido de solvente: coalescencia 257 VELOCIDAD DE NUCLEACION 2. EFECTO DE LA VISCOSIDAD DE LA SOLUCION Formación de vidrio Formación de cristales kbt D = Aη R 16 velocidad (unidades arbitrarias) viscosidad Crecimiento de los nucleos Crecimiento de los cristales Temperatura (grados C) 258 7

8 VELOCIDAD DE CRISTALIZACION Luego que el nucleo se formó, el crecimiento del cristal depende de: DIFUSION SOLUTO A TRAVES DEL SOLVENTE HACIA LA SUPERFICIE DEL CRISTAL x dw/dt = KdA(c - ci) c i solución solido C A K d c C A o N = a k ( C C ) A A o K s Modelo de la película LA VELOCIDAD DE DISOLUCION DEL CRISTAL. dw/dt = K s (c i - c s ) dw/dt=a K s (C i - C s ) dw incremento de peso del cristal en un dt, A area del cristal, c concen. soluto en el seno solucion, c i is the solute concentration at the crystal/solution interface, C s concentracion de la solucion sobre saturada, K d coeficiente de difusion en la interfase, K s coeficiente del proceso opuesto 15 c s PROCESO DE MADURACION O ENVEJECIMIENTO DEL CRISTAL IMPUREZAS 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 TAMAÑO SE DEBE DEJAR EL PRECIPITADO JUNTO CON SU AGUA MADRE POR LO MENOS 12 Hs 259 8

9 LA CRISTALIZACION DE MACROMOLECULAS MACROMOLECULA EN SOLUCIÓN DISMINUCION DE SU SOLUBILIDAD Sales Polímeros Solventes Orgánicos Formación de Complejos: Polielectrolitos- Proteínas Cristalización 260 Cómo se cristaliza una proteína? Condiciones que se requieren 1- Modificar la temperatura PROHIBIDO 2- Eliminación parcial del solvente por evaporación NO!!! 3- Concentración de la solución de macromolécula por ultrafiltración Presión Solución de proteína Membrana de poro controlado Filtrado: solvente + solutos de bajo peso molecular 261 9

10 4- Cambio de ph ln S So 2 2 Z e Nκ = 2D RT ( 1+ κa) κ = 2 8π N ε I 1000 D k T REPULSION REPULSION I 2 = ( CiZ 1 ) Solubilidad (mg/ ml) AGREGACION Salting in Salting out ph isoelectrico ph Modificación de la concentración y tipo de sales Solubilidad (mg / ml) Cloruro de sodio Sulfato de magnesio Fosfato de sodio Fuerza iónica 6- Modificación de la constante dieléctrica del medio: agregado de etanol a bajas concentraciones: 10% ln S So 1 1 k 2 D w D m =

11 7- Agregado de un cosoluto: sales, polímeros, solventes Solubilidad (mg / ml) ZONA META ESTABLE A ZONA SOBRESATURADA ZONA DE PRECIPITACION C SALES SOLVENTES POLIMEROS ZONA ESTABLE Concentración de Cosoluto cosoluto 264 EL MECANISMO MOLECULAR MEDIANTE EL CUAL OCURRE LA PRECIPITACIÓN DE UNA PROTEINA POLIMEROS: disminuyen el volumen de solvente disponible para que la proteína se ubique, deshidratan. Se favorece la agregación SOLVENTES ORGANICOS: inducen la perdida de agua en la proteína, disminuye la constante dieléctrica del medio SALES: modifican la interacción solvente proteína SALES SOLVENTES POLIMEROS Sulfato de amonio Etanol Polietilenglicoles Sulfato de sodio Acetona Polivinil alcoholes Cloruro de sodio Butanol Nitrato de amonio Dimetl sulfoxido Sulfato de Litio Metanol

12 LA PRIMERA ENZIMA CRISTALIZADA J. Biological Chemistry (1926) Polvo de poroto de soja previamente desengrasado Extracción con solución acuosa de acetona 31,6% FILTRACIÓN POR DECANTACION SOLUCIÓN 12 HS REPOSO EN FRIO 266 RENNET: mucosa del estomago de neonato o ternero ph 5,0 + NaCl saturación (3,3M) (precipitación con sales) Sobrenadante descartar PRECIPITADO Disuelto con agua ph 6,0 Se repite 4 veces, usando cada vez la mitad de volumen Acidificar con HCl hasta ph 4.5 Cristaliza la renina (precipitación por ph = pi )