Solubilité et largeur de la zone de métastabilité

• Présentation de la cristallisation et de la précipitation
• La sursaturation : l'élément moteur de la cristallisation
• Comment mesurer la taille des cristaux

La cristallisation est obtenue par réduction de la solubilité du produit dans une solution de départ saturée par :

• Refroidissement
• Ajout d'un anti-solvant
• Évaporation
• Combinaison des méthodes ci-dessus

Une autre méthode couramment utilisée pour provoquer la cristallisation consiste à créer une réaction chimique, en mélangeant deux ou plusieurs réactifs pour former un produit solide insoluble dans le mélange réactionnel : la réaction d'un acide et d'une base pour former un sel est un exemple courant.

La méthode choisie pour cristalliser un produit peut varier en fonction d'un certain nombre de facteurs. Par exemple, des cristaux de protéines sont sensibles à la température, ce qui exclut les procédés de refroidissement et d'évaporation. Dans ce cas de figure, l'ajout d'anti-solvant reste la méthode de cristallisation la plus communément rencontrée. Pour de nombreux procédés de cristallisation, le refroidissement peut être avantageux, car il est réversible ; la solution saturée peut être réchauffée dans le cas d'un fonctionnement non optimal.

Les courbes de solubilité (figure à droite) sont couramment utilisées pour illustrer la relation entre la solubilité, la température et le type de solvant. En disposant du tracé de la température en fonction de la solubilité, les scientifiques créent le cadre nécessaire pour développer le procédé de cristallisation désiré. Ici, la solubilité du produit donné dans le solvant A est élevée, ce qui signifie qu'une plus grande quantité de produit peut être cristallisée par unité de masse de solvant. Le solvant C a une faible solubilité à toutes les températures, ce qui indique qu'il pourrait être utile d'ajouter un anti-solvant pour ce produit.

Une fois qu'un solvant approprié a été choisi, la courbe de solubilité devient un outil essentiel dans le développement d'un procédé de cristallisation efficace. À l'aide de cette courbe, la concentration et la température de départ ou le ratio d'anti-solvant peuvent être choisis. Le rendement théorique peut également être calculé et les premières décisions importantes concernant le développement de la cristallisation peuvent être prises. 

Un instrument fonctionnant sur le principe d'une sonde et qui permet de suivre le taux et le degré de modification de la taille des particules et de les compter à mesure de leur présence dans le procédé, ParticleTrack, peut être utilisé pour mesurer la courbe de solubilité et la largeur de la zone de métastabilité (MSZW), en identifiant avec précision le point de dissolution (point situé sur la courbe de solubilité) et le point de nucléation (point situé sur la courbe MSZW) à différentes concentrations de soluté.

Dans une étude de Barrett et Glennon (Trans IchemE, vol. 80, 2002, p. 799-805), une solution non saturée est refroidie à un taux fixe lent jusqu'à ce que le point de nucléation soit mesuré par ParticleTrack (Lasentec FBRM) via l'indication d'un point situé sur la courbe MSZW. La solution est ensuite chauffée lentement jusqu'à ce que le point de dissolution soit mesuré via l'indication d'un point situé sur la courbe de solubilité. Le solvant est ensuite ajouté au système pour réduire la concentration et le procédé est répété. De cette manière, la courbe de solubilité et la largeur de la zone de métastabilité peuvent être déterminées rapidement sur une large plage de températures.

Sur cette figure, la courbe de solubilité et les largeurs de la zone de métastabilité pour le sulfate d'aluminium et de potassium sont illustrées. Alors que la courbe de solubilité est fixe d'un point de vue thermodynamique pour un système solvant-soluté donné, la largeur de la zone de métastabilité constitue une limite cinétique et peut varier en fonction des paramètres du procédé tels que la vitesse de refroidissement, l'agitation ou l'extrapolation. La caractérisation de la largeur de la zone de métastabilité en fonction de plages de conditions de procédés peut aider les scientifiques à comprendre comment un procédé de cristallisation peut se comporter à différentes échelles, ou dans le cas d'une perturbation du procédé. Les variabilités rencontrées au niveau de la largeur de la zone de métastabilité dans des conditions différentes peuvent indiquer que le système peut ne pas se comporter de façon constante en termes de points et de cinétique de nucléation. Un tel résultat peut conduire à étudier la possibilité d'ensemencer le procédé afin de fixer le point de nucléation pour chaque expérience ou lot de produit.

Les approches dynamiques de la détermination de la solubilité, telles que celle-ci, sont parfois limitées en ce qui concerne l'exactitude des résultats obtenus, car une vitesse de chauffe rapide peut induire une surestimation du point exact de dissolution. Les méthodes statiques, telles que l'analyse gravimétrique, peuvent offrir une précision accrue, mais elles sont plus longues et fastidieuses à mettre en œuvre. Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour mesurer les courbes de solubilité et des recherches récentes visant à prédire la solubilité dans différents solvants sont prometteuses.

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.

Cet examen continu de la littérature relative à la cristallisation fait l'objet d'une synthèse qui fournit des lignes directrices pour la compréhension et l'optimisation des étapes élémentaires difficiles de la cristallisation et la précipitation.

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

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