Controllo di Qualità dei Prodotti Dietetici e Alimentari, Università di Urbino

FILTRAZIONE

La FILTRAZIONE è un metodo di separazione che viene utilizzato per separare un solido dal liquido in cui è disperso (la filtrazione sfrutta le differenti dimensioni delle particelle). Consiste nel versare il miscuglio eterogeneo su un filtro di materiale poroso sovrapposto ad un imbuto. Il filtro, solitamente un disco di carta (a diversa porosità, in base all'applicazione), viene collocato all'interno di un imbuto dopo essere stato opportunamente piegato in modo da ottenere un cono. Il liquido passa attraverso il filtro e viene raccolto in un contenitore adeguato (becher, beuta, ... ) mentre il solido è trattenuto dal filtro stesso. Vi sono due tecniche di filtrazione: filtrazione per gravità e filtrazione sotto vuoto.

Glass rod Mixture of liquid and insoluble solid Funnel Filter paper H Filtered soild- Residue Filtered liquid - Filtrate Particles Small molecules Feed Filter paper Residue Mixture of water and sand Filtrate O Filter funnel Filtrate

Tecniche di filtrazione

Vi sono due tecniche di filtrazione: filtrazione per gravità e filtrazione sotto vuoto.

Filtrazione per gravità

Questa tecnica si basa sull'uso di un imbuto nel quale viene inserito un filtro di carta: la parte solida della miscela eterogenea rimane sul filtro mentre il liquido lo attraversa. Il filtro può essere piegato a forma di cono o a pieghe. Il filtro a cono viene utilizzato quando interessa recuperare la fase solida (dalla superficie liscia del filtro è molto più facile recuperare il solido). Nota: quando si recupera il solido non grattare il filtro! Altrimenti si rischia di portare via anche della carta insieme al solido di interesse, falsando rese e purezza;

Preparazione di un filtro a cono e filtrazione

a) b) V uno strato tro strati piegare aprire/ -. - c) d) e) f) piegare

Preparazione di un filtro a pieghe e filtrazione

Il filtro a pieghe viene utilizzato quando interessa raccogliere la fase liquida ed eliminare quella solida (le pieghe aumentano la superficie di filtrazione, velocizzando il processo).

Filtro a pieghe - imbuto beuta

Filtrazione sotto vuoto

Vi sono due tecniche di filtrazione: filtrazione per gravità e filtrazione sotto vuoto. L'aspirazione può essere realizzata collegando la beuta codata con una pompa ad acqua. Si utilizza un imbuto di Buchner di porcellana nel quale si fa aderire un filtro di carta. Questa filtrazione è più veloce della filtrazione per gravità.

filtro di carta sostegno filtro Buchner bukner pinza guamizione beuta codata snodo beuta da vuoto alla pompa filtro di carta 0000 00 30000 bukner Beuta da vuoto guarnizione

CRISTALLIZZAZIONE

I composti organici solidi ottenuti nel corso delle reazioni non sono quasi mai puri, per cui è necessario adottare delle tecniche di purificazione in grado di liberare il prodotto desiderato dalle eventuali impurezze! I composti solidi a temperatura ambiente vengono di solito purificati per CRISTALLIZZAZIONE: FENOMENO PER CUI UNA SOSTANZA PASSA ALLO STATO CRISTALLINO! Sfrutta il fatto che la solubilità di un soluto, in un determinato solvente, risulta maggiore a caldo che non a freddo. Nel processo di cristallizzazione, la strutta cristallina viene prima distrutta per solubilizzazione a caldo in un solvente (o miscela di solventi) e poi ripristinata per lento raffreddamento della soluzione ottenuta. La sostanza ha una solubilità minore a temperatura più bassa e si separa dalla soluzione quando questa viene raffreddata. Questa tecnica è vantaggiosa solo se le impurezze non superano il 5-10% (in caso contrario si preferisce usare altre tecniche quali la cromatografia, l'estrazione, la distillazione, ... ). Si parla di:

• Precipitazione: se il processo è rapido e non selettivo, in cui il reticolo cristallino può inglobare delle impurezze.
• Cristallizzazione: se il processo è lento e selettivo.
• Semplice: separazione dei cristalli dalle impurezze. Sfrutta la diversa solubilità degli inquinanti (molto solubili o poco solubili) rispetto alle sostanze da purificare;
• Frazionata: si utilizza per separare due sostanze a solubilità non troppo diversa attraverso cristallizzazioni ripetute (sfruttando i diversi rapporti di solubilità delle sostanze nei diversi solventi).

Soluzione: sistema omogeneo costituito da:

• solvente: ciò che scioglie;
• soluto: ciò che viene sciolto.

Processo di cristallizzazione

La cristallizzazione è il processo con cui ioni, atomi o molecole si dispongono in un reticolo cristallino rigido e ben definito per ridurre al minimo il proprio stato energetico. L'unità minima del reticolo è chiamata cella elementare. Questa, accettando atomi e molecole, si ripete dando forma al cristallo macroscopico. Durante la cristallizzazione, gli ioni, atomi o molecole si legano insieme con angoli ben definiti dando origine a una forma cristallina con superfici e sfaccettature lisce. Oltre a essere un fenomeno naturale, la cristallizzazione trova ampia applicazione nell'industria, come fase di separazione e purificazione nel settore chimico e farmaceutico.

Lattice Crystal Unit Cell Simple cubic Face-centered cubic Body-centered cubic Simple tetragonal Body-centered tetragonal Hexagonal Simple orthorhombic Body-centered orthorhombic Base-centered orthorhombic Face-centered orthorhombic Rhombohedral Simple Monoclinic Base-centered monoclinic Triclinic Esempi di celle elementari (o unit cells) La cella elementare dipende dalla sostanza che cristallizza! (Es. NaCl è cubico a facce centrate)

Nucleazione e accrescimento

La CRISTALLIZZAZIONE è un processo di equilibrio, in grado di fornire un prodotto purissimo e può essere suddiviso in due fasi successive.

1) NUCLEAZIONE

Formazione dei primi agglomerati di ioni o molecole che si trovano in soluzione (è un processo di equilibrio. Potrebbe succedere che questi primi cristalli che si formano vengano distrutti, perché risolubilizzati, e altri ioni/molecole solubilizzate si aggreghino). La nucleazione può essere divisa in:

• Primaria: la formazione della fase solida non è influenzata dalla presenza del solido che si origina. La nucleazione avviene in autonomia, senza che sia influenzata da altro solido presente.
• Secondaria: processo di formazione dei cristalli della nuova fase che è condizionato dalla presenza di particelle della stessa fase nel sistema sovrassaturo (e per questo avviene). La nucleazione avviene condizionata alla presenza di altre particelle di solido già presenti in soluzione.

La nucleazione consiste quindi nella formazione dei GERMI cristallini e avviene con una velocità di nucleazione vnucl

2) ACCRESCIMENTO

Si ha la crescita del cristallo per successiva deposizione di nuovi ioni/molecole sui germi cristallini. Avviene con una velocità di accrescimento Vacc Il rapporto tra le velocità dei due processi è in relazione con le dimensioni dei cristalli ottenuti: Vnuci > Vacc: La nucleazione è più veloce dell'accrescimento. Si ha un elevato numero di cristalli, ma piccole dimensioni (precipitazione) Vnucl < Vace: L'accrescimento è più veloce della nucleazione. Si hanno pochi cristalli, ma elevate dimensioni (buona cristallizzazione)

- Cristallizzazione per lento raffreddamento di una soluzione di un solido (esagoni) in presenza di impurezza (triangoli). Il raffreddamento lento favorisce l'impaccamento della forma cristallina relativa al composto di interesse e l'ottenimento dei cristalli puri. Nota: Il cristallo iniziale seleziona le molecole giuste della soluzione. Si deve quindi evitare un processo troppo rapido (secondi e/o minuti) o troppo lento (giorni).

initial nucleation continued growth separate atoms formation of crystal faces Clustering Nucleation Growth

initial nucleation continued growth separate atoms formation of crystal faces Per un sale inorganico (es. NaCl), le palline verdi e blu sono i due ioni (Na+ e Cl-). Per un composto organico, il reticolo è formato dalla stessa molecola (es. solo palline verdi); le singole molecole organiche sono tenute nel reticolo ordinato grazie ad interazioni secondarie. In entrambi i casi vale comunque lo stesso principio: prima nucleazione e poi accrescimento!

Cristallizzazione: operare praticamente

1. SCELTA DEL SOLVENTE opportuno (in cui la sostanza da purificare sia solubile a caldo, ma non a freddo);
2. SOLUBILIZZAZIONE (dissoluzione) del solido da purificare nel solvente scelto (a caldo);
3. DECOLORAZIONE con carbone attivo, se necessario, per rimuovere le impurezze colorate;
4. FILTRAZIONE A CALDO, per eliminare le impurezze insolubili (e il carbone attivo eventualmente aggiunto al punto 3). Filtrazione per gravità;
5. RAFFREDDAMENTO lento della soluzione filtrata (che sarà sovrassatura) e formazione del solido cristallino;
6. SEPARAZIONE dei cristalli delle acqua madri (filtrazione sottovuoto a freddo per eliminare il solvente e le impurezze in esso solubili);
7. LAVAGGIO ed ESSICCAMENTO DEI CRISTALLI;
8. CONTROLLO della purezza della sostanza.

• Composto di interesse
• Impurezza solubile
• Impurezza insolubile

Solvent Addition of solute Making supersaturation Supersaturated solution Hot Filtration recrystallization Filtration and Solution with soluble impurities dissolved Crystal Cooling Recrystallization Filtrate

Scelta del solvente - Solubilità

Una soluzione è miscela omogenea formata da un solvente (in eccesso) e soluto (liquido o solido).

• Una soluzione si dice DILUITA quando contiene una quantità di soluto inferiore alla quantità di saturazione. In questo caso prevale la tendenza del soluto a solubilizzarsi su quella a cristallizzare. La concentrazione in soluzione del soluto è minore della sua solubilità nel solvente.
• Una soluzione si dice SATURA quando la tendenza di un soluto a cristallizzare (o precipitare) è uguale alla tendenza opposta a tornare in soluzione (le due velocità, di cristallizzazione e di dissoluzione, sono uguali). La saturazione è quindi una condizione di equilibrio. La concentrazione in soluzione del soluto è uguale alla sua solubilità nel solvente.
• Una soluzione si dice SOVRASSATURA quando un solido è presente in soluzione in una quantità superiore alla quantità di saturazione. In questo caso prevale la tendenza a cristallizzare (o precipitare) e il solido si deposita allo stato cristallino. La concentrazione in soluzione del soluto è maggiore della sua solubilità nel solvente.

La solubilità di un soluto in un solvente dipende dalla natura chimica del soluto e dalla temperatura. Il primo problema da affrontare per purificare un prodotto per cristallizzazione è scegliere un solvente adatto. In teoria la sostanza deve ESSERE POCO SOLUBILE A TEMPERATURA AMBIENTE E MOLTO SOLUBILE AD ALTA TEMPERATURA (IDEALMENTE ALLA T .) DEL SOLVENTE PRESCELTO