Opløselighed og metastabil zonebredde

• Introduktion til krystallisering og bundfældning
• Overmætning: Den drivende kraft for krystallisering
• Sådan måles krystalstørrelser

Krystallisering opnås ved at reducere opløseligheden af ​​produktet i en mættet startopløsning ved hjælp af:

• Afkøling
• Tilførsel af antisolvent
• Fordampning
• En kombination af de ovennævnte metoder

En anden almindelig metode, der anvendes til at fremskynde krystallisering, er via en kemisk reaktion, hvor to eller flere reaktanter blandes til dannelse af et fast produkt, som er uopløseligt i reaktionsblandingen. Et almindeligt eksempel på dette ville være omsætning af en syre og en base til dannelse af et salt.

Den valgte metode til at krystallisere produktet kan variere afhængig af en række faktorer. For eksempel er proteinkrystaller temperaturfølsomme, hvilket udelukker afkøling og inddampning og efterlader tilsætning af en antisolvent som den mest almindelige metode til krystallisering. For mange krystalliseringsprocesser, kan afkølingsmetoden være fordelagtig, da den kan vendes om; den mættede opløsning kan opvarmes igen i tilfælde af at metoden ikke er optimal.

Opløselighedskurver (figuren til højre) er almindeligt anvendt til at illustrere forholdet mellem opløselighed, temperatur og type af opløsningsmiddel. Ved at plotte temperatur vs. opløselighed, kan forskerne skabe de nødvendige rammer for at udvikle den ønskede krystalliseringsproces. Her er opløseligheden af ​​det givne materiale i opløsningsmiddel A høj, hvilket betyder at mere materiale kan krystalliseres pr. masseenhed af opløsningsmiddel. Opløsningsmiddel C har en lav opløselighed ved alle temperaturer, hvilket indikerer, at det kunne være et nyttigt antisolvent for dette materiale.

Når et passende opløsningsmiddel er valgt, bliver opløselighedskurven et vigtigt værktøj til udvikling af en effektiv krystalliseringsproces. Med denne information kan startkoncentrationen og temperaturen eller mængden af antisolvent ved starten vælges, det teoretiske udbytte kan beregnes, og de første vigtige beslutninger om, hvordan krystalliseringen skal udvikle sig kan foretages. 

Som et sonde-baseret instrument, der sporer hastigheden og ​​ændringsgraden til partikelstørrelse og -antal, efterhånden som partikler opstår i processen, kan ParticleTrack anvendes til at måle opløselighedskurven og MSZW (metastabil zonebredde) ved præcist at identificere tidspunktet for opløsning (punkt på opløselighedskurven) og tidspunktet for kimdannelse (punkt på MSZW) ved forskellige koncentrationer af det opløste stof.

I en undersøgelse foretaget af Barrett og Glennon (Trans ICHemE, vol. 80, 2002, pp. 799-805), bliver en umættet opløsning afkølet ved en langsom, fast hastighed, indtil tidspunktet for kimdannelsen måles med ParticleTrack (Lasentec FBRM) og angiver et punkt på MSZW. Dernæst opvarmes opløsningen langsomt, indtil tidspunktet for opløsning måles og indikerer et punkt på opløselighedskurven. Opløsningsmiddel tilsættes derefter til systemet for at reducere koncentrationen, og processen gentages. På denne måde måles opløselighedskurven og MSZW hurtigt over et bredt temperaturområde.

I denne figur vises opløselighedskurven og metastabil zonebredde(r) for kaliumaluminiumsulfat. Mens opløselighedskurven termodynamisk er fastsat for et givent opløsningsmiddel-opløst stofsystem, er MSZW en kinetisk grænse og kan ændre sig afhængig af procesparametre såsom afkølingshastighed, bevægelse eller skala. At karakterisere MSZW under en række procesbetingelser kan hjælpe forskerne til at forstå, hvordan en krystalliseringsproces kan opføre sig på forskellige skalaer - eller i tilfælde af en procesforstyrrelse. Variation i MSZW under forskellige betingelser kan indikere, at systemet ikke kan opføre sig konsekvent med hensyn til kimdannelsespunkter og kinetik. Et sådant resultat kan begrunde en undersøgelse af muligheden for en podningsproces for at fastsætte kimdannelsespunktet for hvert forsøg eller batch.

Dynamiske tilgange til bestemmelse af opløselighed som denne er undertiden begrænsede i deres nøjagtighed, da en hurtig opvarmningshastighed betyder, at det præcise opløsningstidspunkt kan overvurderes. Statiske metoder, såsom gravimetrisk (vægtanalytisk) analyse kan give mere præcision, men er mere tidskrævende og besværlige at gennemføre. Mange teknikker kan bruges til at måle opløselighedskurver, og nyere forskning, der har til formål at forudsige opløselighed i forskellige opløsningsmidler ser lovende ud.

Enhedsoperationer til krystallisering giver en enestående mulighed for at målrette og regulere en optimeret fordeling af krystalstørrelse og -form. Dette kan dramatisk reducere filtrerings- og tørretider, eliminere problemer relateret til lager, transport og holdbarhed og sikre en konsekvent og gentagelig proces med lavere omkostning.

Denne fortsatte gennemgang af krystalliseringslitteratur er koncentreret ned til et resumé, der indeholder retningslinjer for forståelse og optimering af de udfordrende enhedsoperationer for krystallisering og bundfældning.

Denne white paper-serie dækker basale og avancerede strategier til at optimere fordelingen af krystalstørrelse og -form.

Opdag hvordan billedbaseret procesudvikling kan reducere cyklustid for krystallisering og forbedre kvaliteten og samtidig opretholde en lignende krystalstørrelse og -form.