IT201900009441A1

IT201900009441A1 - Metodo di sintesi della molecola Ottacalcio Fosfato

Info

Publication number: IT201900009441A1
Application number: IT102019000009441A
Authority: IT
Inventors: Alfredo Idini; Dario Fancello; Franco Frau; Elisabetta Dore; Giorgio Ghiglieri
Original assignee: Univ Degli Studi Cagliari
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2020-12-19

Description

“Metodo di sintesi della molecola Ottacalcio Fosfato”

Campo tecnico

La presente invenzione è relativa al processo di preparazione di ottacalcio fosfato, nel seguito anche indicato come OCP.

Arte nota

L’ottacalcio fosfato è un composto noto soprattutto nell’ambito dei biomateriali, in quanto ritenuto il precursore delle apatiti biologiche.

Per tale ragione è stato e continua ad essere oggetto di molti processi di sintesi, che tuttavia hanno condizioni operative critiche e/o molto difficili da mettere in pratica e in genere basse rese. Pertanto, le problematiche sono in genere connesse con la complessità dei processi, il costo elevato dei reagenti utilizzati, la necessità di monitorare più parametri durante la sintesi e la bassa efficienza dei processi, attraverso i quali si è in grado di produrre solo pochi grammi di OCP ad ogni ciclo di preparazione, a parità di quantità di reagenti utilizzati. Tra i vari metodi di sintesi di OCP noti si menzionano:

Fedotov, A. Y. et al.(2013) Inorganic Materials, 49(11), pp.

1148–1151. doi: 10.1134/S0020168513110058.

La sorgente del calcio è carbonato di calcio. La sorgente del fosforo è il monoammonio di fosfato, la reazione viene mantenuta a pH 4,6 tramite l’aggiunta di tampone per 24 ore per ottenere brushite (Fosfato bicalcido diidrato - DCDP). Il secondo passaggio è l’idrolisi di brushite in OCP, utilizzando una soluzione acquosa a pH mantenuto costante a 6.5 tramite l’aggiunta di acetato di sodio e ammonio bicarbonato. La reazione avviene a temperatura compresa fra 37° e 60°C . Tutto il processo avviene in acqua deionizzata. Lo svantaggio maggiore connesso con il processo descritto risiede nella sua scarsa praticità, in quanto si deve prima sintetizzare il precursore DCPD e poi si fa la sintesi di OCP vera e propria. Il mantenimento e il controllo del pH, i reagenti iniziali costosi e l’impiego di acqua deionizzata incidono negativamente sull’economicità del processo.

Ishihara, S. et al. (2009) Materials Science & Engineering C. Elsevier B.V., 29(6), pp. 1885–1888. doi: 10.1016/j.msec.2009.02.023.

I reagenti di partenza sono carbonato di calcio e acido ortofosforico. Tali reagenti sono miscelati in acqua deionizzata con l’aggiunta di 63 grammi di acido nitrico per ogni litro di soluzione. La reazione procede in agitazione e temperatura costante di 60°C. Non vengono specificate l e quantità di reagente utilizzate, quindi è impossibile determinare quanti grammi di OCP/litro vengono prodotti. L’acido nitrico e l’acqua deionizzata complicano il processo e ne fanno innalzare i costi.

WO2019078681 descrive un metodo per preparare l’OCP in cui il pH è tra 5 e 6, la temperatura è tra 60° e 90°C e il rapporto molare di Ca e P nella soluzione di sintesi può essere da 1:0.75 a 1:1.1. I reagenti sono calcio fosfato idrato (DCPD) e un sale di calcio come il calcio carbonato. Anche in questo caso si deve prima sintetizzare il precursore DCPD e poi si fa la sintesi di OCP vera e propria.

JPH06122510 descrive un metodo per preparare l’OCP in cui si pongono a reagire DCPD e un sale di calcio come il carbonato di calcio. I reagenti sono mescolati insieme per avere un rapporto Ca/P compreso fra 1.30 e 1.60, il pH è tra 4 e 7, la temperatura fra 30 e 68°C.

Tuttavia le condizioni di reazione non sono così stringenti da permettere di essere usati per tutte le varie tipologie di reagenti indicati.

JPH01203206 descrive anch’esso un metodo per preparare l’OCP. Questo documento brevettuale è più specifico dei precedenti nella procedura, tuttavia prevede l’utilizzo di più reagenti e più costosi, acqua deionizzata e controllo/mantenimento del pH. E’ anche noto che l'OCP può essere impiegato per la potabilizzazione delle acque contaminate da fluoruri. Tuttavia, per l’uso che se ne deve fare, è requisito stringente la sua economicità di produzione.

Attualmente il prezzo medio dell’OCP è di 23 dollari al grammo. Lo si può anche trovare al costo di 80 euro al kg, ma questi sono prezzi troppo alti che causerebbero un insostenibile costo al litro di acqua potabilizzata.

Il problema tecnico posto dall’arte nota e che viene risolto con il processo della presente invenzione risiede nel miglioramento dell’economicità e nella semplificazione del processo di sintesi della molecola denominata ottacalcio fosfato (OCP)Ca8(HPO4)2(PO4)4*5H2O.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di mettere a punto un processo di produzione di OCP con costi contenuti, al di sotto dei 10 euro al kg e con semplificazioni relative ad attrezzature e tempo/uomo di laboratorio.

Sommario dell'invenzione

E’ pertanto scopo della presente invenzione la messa a punto di un processo economico per la preparazione di OCP.

Il processo è individuato nelle rivendicazioni allegate.

Ulteriori scopi risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata dell’invenzione.

Breve descrizione delle Figure

Figura 1. Foto al microscopio ottico di OCP ottenuta tramite il processo di sintesi in oggetto.

Figura 2. XRD pattern dell'OCP ottenuta dal processo di sintesi dell’esempio 1.

Figura 3. XRD pattern dell'OCP ottenuta dal processo di sintesi dell’esempio 2.

Figura 4. XRD pattern ottenuto in un processo di sintesi al di sotto delle 3 ore di agitazione e/o a temperatura inferiore a 55°C.

Figura 5. XRD pattern di un processo di sintesi ottenuto al di sopra delle 16 ore di agitazione e/o a temperatura superiore a 85°C.

Figura 6. XRD pattern ottenuto in un processo di sintesi dove il rapporto molare fra calcio e fosforo è inferiore a 1,25

Figura 7. XRD pattern ottenuto in un processo di sintesi dove il rapporto molare fra calcio e fosforo è superiore a 1,45.

Descrizione dettagliata

L’invenzione è relativa ad un procedimento per la produzione di OCP (CAS number 13767-12-9), caratterizzato tramite analisi mineralogica (Fig.2-3) comprendente gli stadi fondamentali seguenti in cui i reagenti carbonato di calcio(numero CAS471-34-1, purezza grado tecnico RE o superiore, granulometria da 0.01 mm a 10 mm) e acido ortofosforico (numero CAS 7664-38-2, purezza grado tecnico RE o superiore, diluizione in soluzione liquida da 1 a 100%) vengono posti a reagire per un determinato tempo (3-16 ore) e temperatura (55-85°C).

Al di sotto di questi intervalli di temperatura e tempo non si forma OCP ma brushite (DCPD) (Fig 4).

Al di sopra degli intervalli di temperatura e tempo sopra indicati si formano altre fasi calcio-fosfatiche (i.e. monetite,) (Fig.5).

Gli inconvenienti derivanti dalla presenza insieme con OCP di fasi calciofosfatiche differenti, che si formano al di fuori dei range indicati come ottimali (brushite, monetite e Cd-HAP le più importanti) comportano una capacita di rimozione del fluoro meno efficiente rispetto all’OCP, in altre parole: a parità di fluoro rimosso in presenza di fasi calcio-fosfatiche differenti da OCP è necessaria una maggior quantità di quest’ultimo per ottenere gli stessi risultati di de-fluorurazione. Quindi, non avere una sintesi che dia una resa del 100% in OCP comporta una minore efficienza di defluorurazione. Solo per dare una indicazione di massima, nel caso di Cd-HAP (Calcium-deficent-apatite) la quantità necessaria per ottenere gli stessi effetti di OCP è di circa 8 volte in più, nel caso di brushite di circa 4 volte in più e nel caso di monetite di circa 2 volte.

Il secondo inconveniente dovuto alla compresenza di fasi-calciofosfatiche differenti da OCP è che le differenti fasi calcio-fosfatiche hanno diversi rapporti molari di calcio e fosforo, quindi, se si formano fasi diverse da OCP vorrà dire che in soluzione rimarranno o Ca o P che non sono precipitati. Questo implica una minore efficienza nell’uso dei reagenti di partenza: carbonato di calcio e acido ortofosforico.

Il dosaggio dei reagenti deve essere tale che:

� il rapporto molare fra il calcio e il fosforo deve essere compreso nell’intervallo1,25-1,41;

� la massa di carbonato di calcio deve essere compresa nell’intervallo 0,1- 20 g per litro d’acqua. Se il rapporto molare calcio/fosforo è inferiore a quello indicato, alla fine del processo di sintesi si otterrà una miscela di brushite (DCPD) e OCP(Fig.6), con un conseguente abbassamento della resa di reazione. Se il rapporto molare calcio/fosforo è superiore a quello indicato, oppure si usano più di 20 g/L di carbonato di calcio, alla fine del processo si otterrà una miscela di brushite (DCPD) e carbonato di calcio ± OCP (Fig.7), con un conseguente abbassamento della resa di reazione. Inoltre, con quantità di carbonato al di sotto di 0,1g, e pur mantenendosi nel rapporto molare calcio/fosforo di 1,25-1,41, non precipita nessuna fase calcio-fosfatica.

Le fasi principali del processo secondo l’invenzione sono le seguenti:

i.) Riempire d’acqua (è possibile utilizzare sia acqua deionizzata che acqua di condotta) un reattore, ad esempio un contenitore termoresistente (i.e plastica PET, vetro, etc), l’acqua deve essere agitata(ad esempio agitatore ad elica con alette da 1 a 15 cm<2>, oppure insufflando aria da 1 a 100 cm<3 >al secondo, etc) e riscaldata (i.e. resistenza elettrica). Per semplificare la procedura di recupero dei solidi dopo reazione è opportuno che il contenitore sia dotato di rubinetto alla base o altro dispositivo di svuotamento;

ii.) Portare il volume d’acqua necessario nell’intervallo di temperatura 55-85°C;

iii.) Aggiungere l’acido ortofosforico e attivare il dispositivo di agitazione; l’acido deve essere il primo reagente miscelato in acqua perché la reazione deve partire da pH acido, in caso contrario, invertendo l’ordine dei reagenti si forma un'altra fase calcio fosfatica,chiamata calcium-deficent-apatite (Cd-HAP); iv.) Aggiungere il carbonato di calcio gradualmente per garantire l’effettiva dissoluzione dello stesso, al ritmo di circa 1-50 grammi al minuto e mantenere costante l’agitazione e la temperatura per 3-16 ore. Al di sotto di questo intervallo di tempo non si forma OCP ma brushite (DCPD), al di sopra di questo intervallo si formano altre fasi calcio fosfatiche (i.e. monetite DCPA, apatite HAP, tricalcium phosphate TCP) entrambe le fasi non sono utili alla produzione di OCP ed abbassano le rese di reazione, oltre a comportare gli svantaggi di cui si è detto sopra;

v.) Il pH non necessita di essere monitorato o fissato tramite reagenti esterni. La sintesi di OCP inizia a pH ≥0,5 (pH dell’acido ortofosforico prima dell’aggiunta del Carbonato) e termina a pH ≤8,5 quanto la totalità del prodotto finale è OCP; vi.) Al termine della reazione, aprire il dispositivo di svuotamento e far defluire la miscela di acqua e OCP in sospensione, che verrà recuperato per filtrazione, con tecnologie in sé note, ad esempio per filtrazione su carta o su tela con pori inferiori a 30 micron.

Alla fine del processo sopradescritto la fase solida recuperata, costituita da OCP, può essere essiccata all’aria aperta o in stufa. Con l’opportuno dosaggio dei reagenti, il quantitativo di OCP prodotto da questo processo può arrivare sino a 21 g per ogni litro di soluzione acquosa utilizzata.

Rispetto alle metodiche riportate in questo documento, il processo secondo l’invenzione permette di:

- Usare carbonato di calcio e acido fosforico come unici reagenti chimici, essi sono sensibilmente le più economiche fonti di calcio e fosforo rispetto ai reagenti utilizzati nella letteratura.

- Essere svincolati dall’utilizzo di acqua deionizzata. Nell’ottica di un impianto industriale per la produzione di grandi quantità di OCP il non dover usare acqua deionizzata è un sensibile risparmio.

- non dover utilizzare ulteriori reagenti chimici per mantenere il pH fissato, né strumentazioni per il monitoraggio del pH.

- Rispetto ad altri processi il prodotto finale è composto solamente da OCP.

- Tutti i processi indicati, e generalmente presenti in bibliografia oltre quelli menzionati, descrivono processi di sintesi per la produzione di pochi grammi di OCP. Il metodo qui proposto aumenta sino a 30 volte la produzione in un lasso di tempo equivalente.

I vantaggi del metodo di sintesi qui proposti risiedono nella semplificazione dell’uso dei reagenti chimici (solo 2: carbonato di calcio e acido ortofosforico che sono le rispettive sorgenti di calcio e fosforo più economiche) e acqua (anche non distillata o deionizzata); nella semplificazione della procedura in quanto tutta la sintesi avviene in un unico passaggio (cioè senza dover produrre prima uno dei precursori dell’OCP, es. brushite), inoltre non occorre usare reagenti esterni per fissare il pH e apparecchiature per il suo controllo.

Il vantaggio di ottenere 100% OCP risiede nel suo successivo impiego per la delfuorurazione delle acque, poiché fra le altre fasi calcio fosfatiche ottenibili OCP ha la migliore capacità di rimozione del fluoruro dall’acqua. Inoltre ottenere come prodotto 100% OCP implica la massima efficienza in termini di resa rispetto alle quantità di carbonato di calcio e acido ortofosforico impiegati.

- I vantaggi della procedura risiedono quindi nella semplificazione del processo, che si riflette in termini di risparmio economico. Quindi, lo scopo di questo metodo di sintesi è fornire un processo che permetta la produzione industriale di OCP a basso costo. Con il metodo qui proposto, considerando il solo costo dei reagenti, 10 grammi di OCP sono ottenibili con 0.06 Euro, costo di gran lunga inferiore a quello attuale, che si attesta a 23,3 U.S.D. per 1 grammo. E’ da sottolineare che la semplificazione qui proposta non riguarda solo i reagenti ma anche il metodo: l’utilizzo di acqua di condotta, il non controllo del pH, l’aumento della resa prodotta per processo sono aspetti che abbassano i costi di produzione in termini di apparecchiature e ore di lavoro.

Gli esempi seguenti sono forniti al solo scopo di illustrare l’invenzione e non sono da considerare in alcun modo limitativi della relativa portata.

ESEMPI

Esempio 1.

Reagenti: carbonato di calcio CaCO3, acido ortofosforico H3PO4 (Carlo Erba Reagents).

Materiali: Contenitore in plastica PET aperto provvisto di agitatore ad elica.

Quantità: 10 grammi di carbonato di calcio, 8 grammi di acido ortofosforico, 1 L d’acqua di rete.

Procedura: Portare l’acqua nell’intervallo di temperatura di 70°C . Aggiungere prima l’acido ortofosforico, accendere l’agitatore ad elica (dimensioni delle ali = 6cm<2>, velocita 300 rpm), aggiungere poi la polvere di carbonato di calcio.

Mantenere l’agitazione costante e la temperatura nell’intervallo di 70°C 65-75°C. Dopo 7 ore, filtrare per separare l’OCP dalla soluzione acquosa e asciugare in aria libera o in stufa. Alla fine del processo si ottengono circa 12g di OCP.

La fase solida asciutta alla fine della sintesi è stata caratterizzata tramite difrattometria XRD, il pattern è stato acquisito nel range angolare 3.5-55°2 θ tramite lo strumento PANalytical X’pert Pro diffractometer, with Ni-filtered Cu-Kα1 radiation (λ = 1.54060 Å), operante a 40 kV ae 40 mA e usando il X’Celerator detector. L’OCP è risultato l’unica fase mineralogica presente (Fig.1), il colore è bianco, la granulometria compresa fra i 30 e i 150 µm. In Fig.2 è mostrato il pattern XRD dell'OCP ottenuta dal processo di sintesi dell’esempio 1. L'attribuzione mineralogica è stata eseguita con il reference pattern ICSD 00-026-1056.

Esempio 2

L’Esempio 1 è stato ripetuto con quantitativi diversi dei reagenti.

Quantità: 250 grammi di carbonato di calcio, 200 grammi di acido ortofosforico, 25 L d’acqua di rete.

La fase solida asciutta alla fine della sintesi è stata caratterizzata analogamente all’Esempio 1.

L’OCP è risultata l’unica fase mineralogica presente (Fig.3), il colore è bianco, la granulometria compresa fra i 30 e i 150 µm. La Fig. 3 mostra il pattern XRD dell'OCP ottenuta dal processo di sintesi dell’esempio 2. L'attribuzione mineralogica è stata eseguita con il reference pattern ICSD 00-026-1056. Tutti i picchi presenti sono attribuibili inequivocabilmente a OCP, quelli caratteristici sono in posizione 4.72, 9.38 e 9.71 °2Theta.

Esempi 3 e 4

L’Esempio 1 è stato ripetuto effettuando un processo di sintesi al di sotto delle 3 ore di agitazione (Esempio 3) oppure a temperatura inferiore a 55°C (Esempio 4). La Fig.4 mostra il pattern XRD del prodotto otte nuto nei due esempi, che identifica solo la presenza di brushite DCPD, il picco caratteristico è in posizione 11.66 2°Theta. Reference pattern ICSD: 00-009-0077 brushite (DCPD); 00-026-1056 OCP.

Esempi 5 e 6

L’Esempio 1 è stato ripetuto effettuando un processo di sintesi al di sopra delle 16 ore di agitazione (Esempio 5) oppure a temperatura superiore a 85°C (Esempio 6). La Fig.5 mostra il pattern XRD del prodotto ottenuto nei due esempi, che identifica solo la presenza di monetite (DCPA), i picchi caratteristici sono in posizione 26.39 e 26.57 2°Theta. Reference pattern ICSD 00-009-0080.

Esempio 7

L’Esempio 1 è stato ripetuto effettuando un processo di sintesi dove il rapporto molare fra calcio e fosforo è inferiore a 1,25 dosando 250 grammi di carbonato di calcio e 300 grammi di acido ortofosforico. La Fig. 6 mostra il pattern XRD del prodotto ottenuto. Il picco in posizione 11.66 °2Theta identifica univocamente anche la presenza di brushite (DCPD) oltre l’OCP. Reference pattern ICSD: 00-009-0077 brushite (DCPD); 00-026-1056 OCP.

Esempio 8

L’Esempio 1 è stato ripetuto effettuando un processo di sintesi dove il rapporto molare fra calcio e fosforo è superiore a 1,45 dosando 350 grammi di carbonato di calcio e 200 grammi di acido ortofosforico. La Fig. 7 mostra il pattern XRD del prodotto ottenuto. Oltre la presenza di OCP, il picco in posizione 11.66 °2Theta identifica presenza di brushite (DCPD) e i picchi in posizione 29.26 e 31,33 identificano la presenza di carbonato di calcio. Reference pattern ICSD: 00-009-0077 brushite (DCPD); 00-026-1056 OCP; 00-005-0586 carbonato di calcio (calcite).

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Processo per la produzione di Ottacalcio fosfato a partire da carbonato di calcio e acido ortofosforico in cui il carbonato di calcio e l’acido ortofosforico sono posti a reagire in acqua in forma di sospensione acquosa secondo un rapporto molare compreso nell’intervallo 1,25-1,41, la massa di carbonato di calcio essendo compresa nell’intervallo 0,1-20 g per litro d’acqua, la temperatura di reazione essendo compresa nell’intervallo 55-85°C e la reazione essendo condotta per un intervallo di tempo fra 3 e 16 ore, detto processo comprendente gli stadi fondamentali di: i.) Riempire d’acqua un reattore termoresistente e riscaldare nell’intervallo di temperatura 55-85°C; ii.) Aggiungere la quantità predeterminata di acido ortofosforico e porre in agitazione la miscela acquosa; iii.) Aggiungere la quantità predeterminata carbonato di calcio alla miscela del punto iii.) e mantenere costanti l’agitazione e la temperatura per 3-16 ore; iv.) Al termine della reazione, dalla sospensione acquosa recuperare l’Ottacalcio fosfato per filtrazione o decantazione.
2. Processo secondo la rivendicazione 1 comprendente ulteriormente uno stadio di essiccazione dell’Ottacalcio fosfato.
3. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-2in cui l’agitazione è prodotta con un agitatore ad elica oppure insufflando aria nel reattore.
4. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3 in cui il reattore è dotato di rubinetto alla sua base o altro dispositivo di svuotamento.
5. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4in cui il carbonato di calcio nello stadio iv.) è aggiunto al ritmo di circa 1-50 grammi al minuto.
6. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5 in cui il pH è lasciato variare liberamente nell’intervallo pH ≥0,5 - pH ≤8,5.