Löslichkeit und Breite des metastabilen Bereichs

• Einführung in Kristallisation und Fällung
• Übersättigung: Die treibende Kraft der Kristallisation
• Messung der Kristallgrösse

Kristallisation wird durch die Senkung der Löslichkeit des Produkts in einer gesättigten Anfangslösung erreicht, und zwar durch:

• Kühlung
• Hinzufügen eines Anti-Lösungsmittels
• Verdampfung
• Eine Kombination der oben genannten Methoden

Eine andere häufig eingesetzte Methode zur Einleitung von Kristallisation besteht in einer chemischen Reaktion, bei der zwei oder mehr Reaktanten gemischt werden, um ein festes Produkt zu bilden, das im Reaktionsgemisch unlöslich ist. Ein geläufiges Beispiel hierfür ist die Reaktion einer Säure und einer Base zur Bildung eines Salzes.

Die gewählte Methode zur Kristallisation eines Produkts kann je nach der Anzahl von Faktoren variieren. Beispielsweise sind Proteinkristalle temperaturempfindlich, was Abkühlung und Verdunstung unmöglich macht, sodass das Hinzufügen eines Anti-Lösungsmittels hier die häufigste Kristallisationsmethode bleibt. Bei vielen Kristallisationsprozessen kann ein Abkühlen von Vorteil sein, da es umkehrbar ist. Im Fall einer nicht optimalen Durchführung kann die gesättigte Lösung erneut erwärmt werden.

Löslichkeitskurven (Abbildung rechts) werden häufig eingesetzt, um das Verhältnis von Löslichkeit, Temperatur und Lösungsmittelart darzustellen. Durch Auftragen der Temperatur gegen die Löslichkeit erstellen Wissenschaftler den Rahmen, den sie zur Entwicklung des gewünschten Kristallisationsprozesses benötigen. Hier ist die Löslichkeit des vorliegenden Materials in Lösungsmittel A hoch, sodass mehr Material je Masseeinheit des Lösungsmittels kristallisiert werden kann. Lösungsmittel C weist bei allen Temperaturen eine geringe Löslichkeit auf, was darauf schliessen lässt, dass es eventuell ein nützliches Anti-Lösungsmittel für dieses Material ist.

Sobald ein geeignetes Lösungsmittel ausgewählt ist, wird die Löslichkeitskurve zu einem wichtigen Instrument für die Entwicklung eines effizienten Kristallisationsprozesses. Mit diesen Informationen können die Anfangskonzentration und -temperatur oder der Anteil des Anti-Lösungsmittel gewählt, der theoretische Ertrag berechnet und die ersten wichtigen Entscheidungen zur Entwicklung der Kristallisation getroffen werden. 

ParticleTrack, ein sondenbasiertes Instrument, das die Rate und den Grad der Änderungen von Partikelgrösse und -anzahl nachverfolgt, während Partikel im Prozess vorkommen, kann zur Messung der Löslichkeit und Breite des metastabilen Bereichs (MSZW) verwendet werden. Das Instrument bestimmt den genauen Punkt der Auflösung (Punkt in der Löslichkeitskurve) und den Keimbildungspunkt (Punkt auf der MSZW) bei verschiedenen Lösungskonzentrationen.

In einer Studie von Barrett und Glennon (Trans ICHemE, Vol. 80, 2002, S. 799-805) wird eine ungesättigte Lösung mit einer langsamen, festen Rate abgekühlt, bis der Keimbildungspunkt von ParticleTrack (Lasentec FBRM) gemessen wird, der auf einen Punkt in der MSZW verweist. Als nächstes wird die Lösung langsam erwärmt, bis der Punkt der Auflösung gemessen wird, der auf einen Punkt in der Löslichkeitskurve verweist. Anschliessend wird im System das Lösungsmittel hinzugefügt, um die Konzentration zu senken. Der Prozess wird dann wiederholt. Auf diese Art können die Löslichkeitskurve und die MSZW schnell über einen grossen Temperaturbereich hinweg gemessen werden.

In dieser Abbildung sind die Löslichkeitskurve und die metastabile Bandbreite(n) für Kaliumaluminiumsulfat dargestellt. Während die Löslichkeitskurve für ein bestimmtes System für Lösungsmittel und gelöste Substanzen thermodynamisch festgelegt ist, ist die metastabile Bandbreite eine kinetische Grenze, die sich je nach den Prozessparametern wie Abkühlrate, Bewegung oder Maßstab ändern kann. Durch die Charakterisierung der metastabilen Bandbreite unter einer Reihe von Prozessbedingungen können Wissenschaftler besser verstehen, wie ein Kristallisationsprozess bei verschiedenen Maßstäben oder bei einer Prozessstörung wahrscheinlich ablaufen wird. Abweichungen in der metastabilen Bandbreite unter verschiedenen Bedingungen können bedeuten, dass sich das System nicht gleichförmig verhält, was Keimbildungspunkt und Kinetik angeht. Solch ein Ergebnis kann die Möglichkeit rechtfertigen, den Prozess zu impfen, um den Keimbildungspunkt für jedes Experiment und jede Charge festzulegen.

Dynamische Ansätze zur Bestimmung der Löslichkeit, wie etwa dieser, weisen gelegentlich eine beschränkte Genauigkeit auf, da eine schnelle Heizrate dazu führt, dass der genaue Punkt der Auflösung überschätzt wird. Statische Methoden, wie etwa gravimetrische Analysen, bieten manchmal eine höhere Genauigkeit, aber sind zeitaufwändiger und schwer umzusetzen. Zur Messung von Löslichkeitskurven können zahlreiche Techniken eingesetzt werden. Die jüngsten Forschungsprojekte mit dem Ziel, die Löslichkeit in verschiedenen Lösungsmitteln vorauszusagen, sind vielversprechend.

Kristallisationsverfahren bieten die einzigartige Möglichkeit, gezielt eine optimierte Kristallgrösse und Formverteilung zu kontrollieren. Hierdurch können Filtrations- und Trockenzeiten dramatisch reduziert, Lager- und Transportbedarf sowie Haltbarkeitsprobleme beseitigt und ein konsistenter und wiederholbarer Prozess zu niedrigeren Kosten gewährleistet werden.

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