Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/21298
Title: Crystallization of vitamin D3 in continuous flow
Other Titles: Cristalização de vitamina D3 em contínuo
Author: Oliveira, Celina Rodrigues de
Advisor: Silva, Carlos Manuel
Hessel, Volker
Keywords: Engenharia química
Vitamina D
Cristalização
Defense Date: 21-Dec-2016
Publisher: Universidade de Aveiro
Abstract: A vitamina D3 é um micronutriente essencial para o metabolismo do cálcio, sendo esta maioritariamente sintetizada na pele do ser humano, quando exposta a radiação UVB. Contudo, inúmeros factores têm vindo a reduzir a nossa exposição à luz solar, diminuindo assim os níveis de vitamina D3 no corpo humano a nível global e aumentando a preocupação por parte de diversas instituições médicas a nível mundial. Para superar esta deficiência em vitamina, a vitamina D3 tem sido adicionada à alimentação humana através de alimentos fortificados e de suplementos alimentares. Para satisfazer a procura da população em vitamina D3, este trabalho apresenta uma unidade de cristalização com dois estágios que opera em contínuo à escala micro. O objectivo deste trabalho é projectar e optimizar esta unidade de cristalização por forma a desenvolver uma unidade de produção de cristais de vitamina D3 mais económica, mais sustentável, e com elevado rendimento de cristais aproriados para aplicações farmacêuticas. O primiero estágio da unidade de cristalização projetada corresponde a uma coluna de vidro onde a nucleação é intensificada através de cristalização por evaporação e por adição de anti-solvente. Este cristalizador opera a 40 ºC e o caudal volumétrico é controlado manualmente. O segundo estágio é um cristalizador tubular onde a cristalização ocorre por redução da temperatura para promover o crescimento dos núcleos produzidos no estágio anterior. Esta é operada a 7 ºC e em 59 s de tempo de residência. Após o segundo estágio, um filtro está integrado no sistema para recolher os cristais de vitamina D3 sintetizados. Este trabalho está dividido em duas partes. A primeira abrange a optimização da unidade de cristalização, a qual foi conseguida estudando o efeito da razão volúmica entre o anti-solvente e o solvente no desempenho da cristalização. O melhor resultado foi obtido para a proporção volúmica de 3, a qual permitiu alcançar 52 % de rendimento absoluto e 60 % de eficiência de filtração. Adicionalmente, por forma a melhorar o rendimento e a eficiência de filtração, ensaios experimentais foram realizados onde a corrente de permeado (da filtração) foi reciclada. Porém, as melhorias esperadas não se verificaram, o que significa que ensaios experimentais adicionais são necessários para sustentar uma conclusão sólida relativamente ao efeito do reciclo no processo em estudo. A reprodutibilidade do processo desenvolvido e optimizado também necessita ser melhorada. A segunda parte corresponde à caracterização dos cristais de vitamina D3 produzidos durante os ensaios de optimização. Os cristais apresentam uma forma prismática e aglomeração significativa. A distribuição de tamanhos dos cristais é ampla, extendendo-se desde, aproximadamente, 0.25 μm a quase 500 μm. Adicionalmente, a estrutura dos cristais produzidos não corresponde à estrutura termodinamicamente mais estável. Excluindo o seu hábito, as características dos cristais produzidos não são adequadas para aplicações na indústria farmacêutica. No entanto, sugestões são apresentadas para melhorar ambas as características dos cristais e a optimização do processo.
Vitamin D3 is an essential micronutrient for calcium metabolism, which is mainly synthesized in the skin of the human organism when irradiated with UVB light. However, a variety of factors have been reducing our exposition to sunlight, and thus the levels of vitamin D3 in the body have been decreasing, rising the concern of numerous medical institutions worldwide. To overcome such vitamin deficiency, the vitamin D3 has been added to the diet through fortified food and dietary supplements. To address the population demands on vitamin D3, this project presents a two-stage crystallization unit that operates continuously at a microscale. The aim of this project is to design and optimize this crystallization unit in order to develop an economical and sustainable high yield production unit of vitamin D3 crystals suitable for subsequent pharmaceutical applications. The first stage of the designed crystallization unit corresponds to a glass column where nucleation is enhanced by evaporation and anti-solvent crystallization. This crystallizer operates at 40 ºC and the volumetric flow rate is manipulated manually. The second stage is a tubular crystallizer where a cooling crystallization takes place to further grow the nuclei generated in the previous step; it is carried out at 7 ºC and 59 s of residence time. At the end of the second stage, a filter is placed to collect the synthesized vitamin D3 crystals. This work is divided in two main parts. The first part comprehends the optimization of the crystallization unit, which was accomplished by studying the influence of the anti-solvent/solvent volumes ratio on the performance of the crystallization. The best results were obtained for the volume ratio of 3, where 52 % of absolute yield was achieved as well as 60 % of filter efficiency. Furthermore, other experiments were performed where the permeate stream (of the filtration) was recycled to improve both yield and filter efficiency. However, such expected improvements were not confirmed, which means that additional experiments are needed to support any reliable conclusion regarding the effect of recycling on the process. The reproducibility of the crystallization process developed and optimized needs to be improved as well. The second part corresponds to the characterization of the crystals produced during the optimization assays. The crystals exhibit a prismatic habit and a significant degree of agglomeration. The crystal size distribution is large, extending from ca. 0.25 μm to almost 500 μm. Furthermore, the obtained solid-state form is not the thermodynamically stable one. Besides the crystal habit, the properties of the obtained crystals are not yet suitable for a pharmaceutical application. Nonetheless, suggestions of improvement are presented for both crystals characterization and optimization of the crystallization process.
Description: Mestrado em Engenharia Química
URI: http://hdl.handle.net/10773/21298
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UA - Dissertações de mestrado

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