Desenvolupament del nou mètode DELOS® de cristal·lització amb fluids comprimits. Estudi a nivell molecular dels seus fonaments

Abstract

La present Tesi Doctoral es troba emmarcada dins del camp de les tecnologies de processament de materials emprant fluids comprimits (FCs), i en concret dins dels mètodes de preparació de sòlids finament dividits que es basen en la utilització d'aquest tipus de fluids. Els mètodes de cristal·lització o preparació de sòlids micro o nanoparticulats que utilitzen FCs es caracteritzen perquè la modulació de la variable pressió fa possible que es generin canvis abruptes en la capacitat solvatadora del medi dissolvent que es transmeten de manera molt homogènia en tot el si de la dissolució. Com a conseqüència s'obtenen perfils de sobresaturació amb elevats valors de velocitat de generació de sobresaturació i valors també elevats de sobresaturació màxima, i que per tant condueixen a un procés amb predomini del fenomen de nucleació per sobre del fenomen de creixement cristal·lí.<br/>Així, en el present treball es mostra el procés de desenvolupament del nou mètode DELOS® de preparació de materials finament dividits que es basa en la utilització del FC CO2 com a cosolvent en dissolucions orgàniques expandides amb CO2. En una primera part de la tesi, es demostra que el fenomen de cristal·lització associat al nou mètode DELOS® és conseqüència del refredament que sofreix una dissolució expandida amb CO2 del compost a cristal·litzar, quan es realitza la seva despressurització fins a pressió atmosfèrica. Tal i com es prova, el refredament observat és conseqüència de l'evaporació del CO2 de la dissolució expandida i el procés associat d'intercanvi de calor que es produeix, i que per tant, només depèn, per a un determinat sistema, del contingut en CO2 d'aquesta dissolució. En aquesta primera part de la tesi també es demostra que és viable aplicar el mètode DELOS a materials de naturalesa variada. Els experiments realitzats en aquest sentit permeten veure que s'obté un control molt significatiu de les característiques del sòlid particulat produït, tant en termes de mida de partícula com en termes de cristal·linitat i naturalesa polimòrfica.<br/>En una segona part de la tesi es mostra com la utilització de tensoactius en el nou mètode desenvolupat és beneficiós per a la reducció dels fenòmens d'agregació i aglomeració de partícules i per tant per a l'estabilització d'aquestes partícules com a entitats discretes. També es mostra que és possible la directa estabilització de partícules obtingudes per despressurització de dissolucions expandides directament sobre dissolucions aquoses amb un cert contingut en tensoactiu, la qual cosa pot permetre la preparació de nanosuspensions susceptibles per a ser utilitzades en l'administració de principis actius amb baixa solubilitat en aigua. Aquesta possibilitat ha permès desenvolupar el nou mètode anomenat DELOS-SUSP.<br/>L'última part de la tesi presenta estudis realitzats a escala molecular en relació a dissolucions expandides amb CO2, els quals permeten obtenir informació molt rellevant en relació als sistemes utilitzats en l'aplicació del mètode DELOS®. En aquests estudis s'utilitza la tècnica d'espectroscòpia d'Infraroig a alta pressió en combinació amb l'aproximació semiempírica Linear Solvation Energy Relationships (LSER) i càlculs teòrics ab-initio. Els resultats obtinguts permeten determinar l'evolució de l'esfera de solvatació de soluts dissolts en dissolvents expandits amb CO2, la naturalesa de les interaccions solut-dissolvent que s'hi donen i l'efecte, a nivell molecular, que té la presència de CO2 en els sistemes subjectes a estudi.

The present work is devoted to the field of materials processing using compressed fluids (CFs), and more precisely, it deals with methods for the preparation of finely divided solid materials in CFs. It is well known that the methods for the preparation of micro or nano-particulate solids using CFs take advantage of pressure changes to produce abrupt changes on the solvating power of solvent media which are transmitted very homogeneously along all the points of the solution. This makes possible to obtain a supersaturation profile characterized by high rates of supersaturation generation and also high values of maximum supersaturations, which define a process with high promotion of nucleation phenomena over crystal growth.<br/>In the present work, it is shown the process of development of the new DELOS method for the production of finely divided materials based on the use of the CF CO2 as cosolvent in CO2-expanded organic solutions. In a first part of the thesis, it is demonstrated that the crystallisation phenomenon associated with the DELOS process is consequence of the cooling effect experienced by a CO2-expanded solution when it is depressurized to atmospheric pressure. It is proved that this cooling effect is consequence of the evaporation of CO2 from the expanded solution and the derived heat exchange process. Therefore, the temperature decrease observed is only function, for a certain system, of the CO2 content of this solution. In this first part of the thesis it is also demonstrated the viability to apply the DELOS process to materials of different nature. The experiments realized on this issue allow to see that it is possible to tune and control solid characteristics such as particle size, cristallinity and polymorphic nature.<br/>In a second part of the thesis, it is shown that the use of surfactants in the new process developed can contribute to reduce the occurrence of aggregation and agglomeration phenomena and hence promote the stability of the particles obtained. It is also shown that the stabilization of particles in water as nanosuspensions can be achieved by performing the depressurization of a CO2-expanded solution directly into a solution of a surfactant in water. This possibility has lead to the development of a new process for the preparation of nanosuspensions that has been called DELOS-SUSP.<br/>Finally, the last part of the thesis presents molecular level studies concerning CO2-expanded solutions which enable to obtain very relevant information related to the systems employed for the application of the DELOS process. In these studies, High pressure IR spectroscopy is employed in combination with the solvent effects treatment Linear Solvation Energy Relationships and theoretical abinitio calculations. The results obtained permit to determine the evolution of the solvation shell of solutes dissolved in CO2-expanded solutions, the nature of solute-solvent interactions that take place in this region and the molecular level effect that causes CO2 in the systems subject of study.