Process Intensification for the production of hydroxyapatite nanoparticles

Abstract

Precipitation processes are widely used in chemical industry for the production of particulate solids. In these processes, the chemical and physical nature of synthesized particles is of key importance. The traditional stirred tank batch reactors are affected by non-uniform mixing of reactants, often resulting in broad particle size distribution. The main objective of this thesis was to apply meso and microreactors for the synthesis of hydroxyapatite (HAp) nanoparticles under near-physiological conditions of pH and temperature, in order to overcome the limitations associated with stirred tank batch reactors. Meso and microreactors offer unique features in comparison with conventional chemical reactors. Their high surface-to-volume ratio enables enhanced heat and mass transfer, as well as rapid and efficient mixing. In addition to low consumption of reagents, meso and microreactors are usually operated in continuous flow, making them attractive tools for high throughput experimentation. Precipitation of HAp was first studied in a stirred tank batch reactor, mixing being assured by a novel metal stirrer. HAp was synthetized by mixing diluted aqueous solutions of calcium hydroxide and orthophosphoric acid at 37 °C. After process optimization, a suspension of HAp nanoparticles with pH close to 7 was obtained for a mixing molar ratio Ca/P=1.33. The precipitation process was characterized by three stages: precipitation of amorphous calcium phosphate, transformation of amorphous calcium phosphate into HAp and growth of HAp crystals. The reaction system was further characterized based on equilibrium equations. The resolution of the system, which was possible with the knowledge of three process variables (temperature, pH and calcium concentration), allowed identifying and quantifying all the chemical species present in solution. The proposed model was validated by comparing the experimental and theoretical conductivity. Precipitation of HAp was then investigated in a meso oscillatory flow reactor (meso-OFR). The mesoreactor was first operated batchwise in a vertical tube and experiments were performed under the same conditions of temperature, reactants concentration and power density applied in the stirred tank batch reactor. Despite hydrodynamic conditions being not directly comparable, it was possible to assess the effectiveness of both reactors in terms of mixing and quality of the precipitated particles. The experimental results show the advantages of the meso-OFR over the stirred tank due to the production, about four times faster, of smaller and more uniform HAp nanoparticles. Afterwards, continuous-flow precipitation of HAp was carried out in one meso-OFR and in a series of eight meso-OFRs. Experiments were carried out using fixed frequency (f) and amplitude (x0), varying only the residence time. HAp nanoparticles were successfully obtained in both systems, mean particle size and aggregation degree of the prepared HAp particles decreasing with decreasing residence time. In the present work continuous-flow precipitation of HAp was also investigated in two ultrasonic microreactors. Initially, the process was carried out in a tubular microreactor immersed in an ultrasonic bath, where single-phase (laminar) and gas-liquid flow experiments were both performed. Continuous-flow precipitation of HAp in single-phase flow was then done in a Teflon microreactor with integrated piezoelectric actuator. Rod-like shape HAp nanoparticles were yielded in both reactors under near-physiological conditions of pH and temperature. Further, particles showed improved characteristics, namely in terms of size, shape, particle aggregation and crystallinity. In summary, scale-down of the HAp precipitation process has resulted in the formation of HAp nanoparticles with improved characteristics when compared with HAp particles prepared in a stirred tank batch reactor. Therefore, we believe that the work developed can be a useful contribution to the development of a platform for the continuous production of high quality HAp nanoparticles.

Os processos de precipitação são amplamente usados na indústria química para a produção de partículas sólidas. Neste tipo de processo, a natureza química e física das partículas sintetizadas é fundamental. Os tradicionais reatores descontínuos tipo tanque agitado apresentam problemas na homogeneização da mistura dos reagentes, resultando geralmente numa larga distribuição de tamanho de partículas. O principal objetivo desta tese consistiu no uso de meso e microreatores na síntese de nanopartículas de hidroxiapatite (HAp) sob condições próximas das condições fisiológicas de pH e temperatura, de forma a ultrapassar as limitações associadas aos reatores descontínuos tipo tanque agitado. Os meso e microreatores possuem características únicas em comparação com os reatores químicos convencionais. A sua elevada razão superfície/volume possibilita uma melhor transferência de calor e massa, assim como uma mistura rápida e eficiente. Para além do baixo consumo de reagentes, os meso e microreatores são geralmente operados em fluxo contínuo, tornando-os uma ferramenta atrativa para a experimentação de alto rendimento. Em primeiro lugar, a precipitação de HAp foi estudada num reator descontínuo tipo tanque agitado, sendo a mistura assegurada por um novo agitador de metal. A HAp foi sintetizada a 37 ° C, a partir da mistura de soluções aquosas diluídas de hidróxido de cálcio e de ácido ortofosfórico. Após a otimização do processo, uma suspensão de nanopartículas de HAp com um pH próximo de 7 foi obtida para uma razão molar Ca/P inicial de 1.33. O processo de precipitação foi caracterizado por três fases: a precipitação de fosfato de cálcio amorfo, a transformação de fosfato de cálcio amorfo em HAp e crescimento de cristais de HAp. O sistema reacional foi caracterizado recorrendo a equações de equilíbrio. A resolução numérica do sistema foi possível com o conhecimento de três variáveis de processo (temperatura, pH e concentração de cálcio) possibilitando, deste modo, a identificação e quantificação de todas as espécies químicas presentes em solução. O modelo proposto foi validado comparando os valores de condutividade experimental e teórico. De seguida, investigou-se a precipitação de HAp num mesoreator de fluxo oscilatório (meso-OFR). O mesoreator foi primeiramente operado em descontínuo num tubo vertical sob as mesmas condições de temperatura, concentração de reagentes e densidade de potência usadas no reator descontínuo tipo tanque agitado. Apesar das condições hidrodinâmicas não serem diretamente comparáveis, foi possível avaliar a eficácia de ambos os reatores em termos de mistura e qualidade das partículas precipitadas. Segundo os resultados experimentais, as nanopartículas de HAp são menores e mais uniformes quando obtidas no meso-OFR, acresce ainda o facto de a sua produção ser quatro vezes mais rápida neste tipo de reator. Posteriormente, a precipitação em contínuo de HAp foi realizada usando um meso-OFR e uma série de oito meso-OFRs. As experiências foram realizadas usando uma frequência (f) e uma amplitude (x0) fixas, variando apenas o tempo de residência. Nanopartículas de HAp foram obtidas com sucesso em ambos os sistemas, sendo que o tamanho médio e o grau de agregação das partículas de HAp preparadas diminui com a diminuição do tempo de residência. No decorrer da presente investigação foi tambéem estudada a precipitação em contínuo de HAp usando dois microreatores ultra-sónicos. Inicialmente, realizou-se o processo num microreator tubular imerso num banho de ultra-sons, usando fluxo laminar e segmentado. A precipitação de HAp em fluxo laminar foi posteriormente estudada num microreator de Teflon com um atuador piezoeléctrico integrado. Em ambos os reatores geraram-se nanopartículas de HAp em forma de bastonete, em condições próximas das condições fisiológicas de pH e de temperatura. Além disso, as partículas apresentaram características melhoradas, nomeadamente em termos de tamanho, forma, grau de agregação e cristalinidade. Em resumo, a redução da escala do processo de precipitação de HAp resultou na formação de nanopartículas de HAp com características melhoradas quando comparadas com as partículas obtidas num reator descontínuo tipo tanque agitado. Desta forma, acreditamos que o trabalho desenvolvido pode ser um importante contributo para o desenvolvimento de uma plataforma para a produção contínua de nanopartículas de HAp de elevada qualidade.