Comment mesurer la distribution de taille des cristaux

• Présentation de la cristallisation et de la précipitation
• Concepts de base : solubilité et largeur de la zone de métastabilité
• La sursaturation : l'élément moteur de la cristallisation

Les analyses hors ligne sont couramment utilisées pour déterminer la distribution des cristaux à la fin d'une expérience ou au cours d'un cycle de production. Si une telle approche est courante, il existe des limites liées aux analyses hors ligne qui sont pertinentes en ce qui concerne les cristaux :

• Les cristaux sont délicats et se modifient avec la température, rendant l'obtention d'analyses et d'échantillons représentatifs particulièrement difficile.
• De nombreux systèmes cristallins sont toxiques et se prêtent difficilement à l'échantillonnage.
• Il est difficile de prélever des échantillons hors ligne en quantité suffisante pour déterminer comment un procédé en évolution rapide tel que la cristallisation se comporte en fonction du temps.
• Le délai entre le prélèvement et l'analyse hors ligne est souvent trop long, surtout en production, pour prendre des décisions pertinentes permettant d'améliorer la qualité des produits.

Cet ensemble d'images ParticleView illustre parfaitement les tailles, les formes et les structures complexes des différents cristaux. Des « blocs » grossiers arrondis aux belles et délicates « dendrites », les produits cristallins présentent souvent des formes variées, ce qui pose problème lorsqu'il s'agit d'effectuer une séparation efficace ou des manipulations ultérieures.

• Les cristaux visibles dans l'image A offrent probablement une filtration rapide et uniforme. Les blocs plus larges laissent suffisamment d'espace pour que le filtrat puisse passer au travers rapidement.
• Les plaques plates, telles celles de l'image B, peuvent être particulièrement inadaptées aux applications de filtration. Les plaques ont tendance à s'empiler les unes sur les autres, créant ainsi une couche de cristaux que le filtrat ne peut pas traverser. Cela entraîne de longs délais de filtration, éventuellement variables, en fonction de la façon dont les cristaux sont évacués du malaxeur.
• L'image C  illustre un autre cas pour lequel les délais de filtration peuvent être longs. Les petits cristaux viennent colmater les interstices laissés par les cristaux de plus grande taille, ce qui rend la traversée du filtrat plus difficile. Il s'agit d'un problème fréquent, car de nombreux procédés de cristallisation sont conçus en incluant l'ajout d'un réfrigérant rapide ou d'anti-solvant à la fin de la cristallisation (afin d'augmenter le rendement), ce qui conduit à une nucléation secondaire excessive. En outre, dans de nombreux cas, l'agitation est augmentée à la fin du lot pour faciliter la décharge, ce qui provoque la rupture des cristaux.
• L'image D  présente une situation plus fréquente qu'on ne le croit, du moins dans les systèmes de cristallisation organiques qui sont ensemencés. Une telle structure serait difficile à observer à l'aide d'un microscope hors ligne, car elle serait écrasée lors de l'échantillonnage et de la préparation. Toutefois, ParticleView  révèle une structure dendritique de toute beauté. Une dendrite telle que celle-ci se forme souvent lorsque la cristallisation est ensemencée à l'aide de semences broyées. Les imperfections présentes à la surface du cristal conduisent à la croissance de cristaux dans ces régions et à la croissance de longues branches de cristaux à partir d'un noyau de semences. Il est difficile de prédire la filtration d'un tel système, mais celui-ci est susceptible de se briser en raison de délais de filtration variables.

En étudiant les cristaux en temps réel, les scientifiques peuvent développer une compréhension détaillée et fiable des procédés de façon régulière. ParticleView V19 avec la technologie PVM permet aux scientifiques d'observer directement les cristaux et les structures cristallines au sein du procédé sans avoir à prélever un échantillon.

Des mécanismes de cristallisation tels que la nucléation, la croissance, la rupture et les modifications de forme peuvent être observées dans des conditions dynamiques d'évolution du procédé et les paramètres les plus appropriés peuvent être choisis en toute confiance. Un graphique simple à base d'images indiquant la taille, la forme et le nombre des cristaux s'ajoute aux images haute résolution obtenues en temps réel et permet l'identification des événements de procédés importants pour effectuer une vérification immédiate.

En utilisant ParticleTrack, les scientifiques peuvent :

• étudier le nombre des cristaux dans différentes classes de taille, afin d'optimiser les extrémités fines et grossières de la distribution de taille des cristaux ;
• identifier la cause première des performances médiocres d'un procédé de cristallisation ;
• choisir les paramètres de procédés corrects pour des performances optimales de cristallisation en exploitant des résultats issus des procédés ;
• surveiller les procédés pour une répétabilité et une cohérence accrues ;
• corréler les mesures en cours de fabrication aux analyses hors ligne de la taille des particules ;
• modéliser l'influence de la taille et du nombre des cristaux sur le produit et la qualité des procédés.

Une sonde ParticleTrack dotée de la technologie Lasentec FBRM est immergée dans un flux hydraulique ou un système de gouttelettes, sans dilution requise. Un laser orienté scanne la surface de la fenêtre de sonde et mesure les longueurs de corde individuelles (mesures de la taille, de la forme et du nombre des particules). Cette mesure en temps réel est présentée sous forme de graphique et de statistiques (par ex., moyenne et nombre) afin de déterminer des tendances au fil du temps.

Les étapes élémentaires de la cristallisation offrent la possibilité unique de cibler et de contrôler la distribution de taille et de forme des cristaux. Cela peut réduire considérablement les durées de filtration et de séchage, en évitant les problèmes liés au stockage, au transport et à la durée de conservation des produits, et en garantissant des procédés cohérents et reproductibles pour un coût inférieur.

Cette série de livres blancs couvre les stratégies de base et avancées pour optimiser la distribution de taille et de forme des cristaux.

Découvrez comment les graphiques basés sur l'analyse d'images peuvent réduire le temps du cycle de cristallisation et améliorer la qualité, tout en conservant une taille et une forme de cristal similaires.

Ce livre blanc traite des bonnes pratiques liées à la conception d'une stratégie d'ensemencement et du choix des paramètres à prendre en considération lors de l'exécution d'un protocole d'ensemencement. Bien que la maîtrise de la cristallisation se soit améliorée ces trente dernières années, l'étape de cristallisation constitue toujours un défi.