Guide til udvikling af krystallisering
Definition af overmætning
Den drivende kraft
Forskere får kontrol over krystalliseringsprocesser ved omhyggelig justering af niveauet af overmætning under processen. Når en mættet opløsning afkøles, går systemet ind i et metastabilt område, hvor opløsningen bliver overmættet. Med andre ord er der mere af det opløste stof i opløsningen, end opløselighedskurven forudsiger. Efterhånden som nedkølingen fortsætter, vil der nås en vis temperatur, hvor krystalkimdannelsen vil ske; den metastabile grænse.
Når den metastabile grænse er nået, og krystalliseringen begynder, forbruges overmætningen og til sidst vil væskefasekoncentrationen nå en ligevægt med opløselighedskurven.
Hvorfor er overmætning vigtig?
Da overmætning er den drivende kraft ved kimdannelse i krystallisering og vækst og i sidste ende vil bestemme den endelige fordeling af krystalstørrelser, er det meget vigtigt at forstå begrebet overmætning.
Kimdannelse er fødslen af nye krystalkerner - enten spontant i opløsningen (primær kimdannelse) eller ved tilstedeværelse af eksisterende krystaller (sekundær kimdannelse). Krystalvækst er stigningen i størrelse (eller mere præcist "den karakteristiske længde") af krystaller efterhånden som det opløste stof er deponeret fra en opløsning. Forholdet mellem overmætning, kimdannelse og vækst er defineret ved et velkendt sæt af (nogle lettere forenklede) ligninger, som først blev beskrevet af Nyvlt (Journal of Crystal Growth, bind 3-4, 1968, side 377-383)
Krystalkimdannelse og vækst
For organiske krystalliseringssystemer, er værdien af vækstens rækkefølge (g) typisk mellem 1 og 2, og værdien af kimdannelsens rækkefølge (b) er typisk mellem 5 og 10. Når vi indtegner disse ligninger for en teoretisk, organisk krystalliseringsproces, bliver betydningen af overmætningen tydelig. Ved lav overmætning kan krystaller vokse hurtigere end de danner end kerne, hvilket resulterer i en større størrelsesfordeling af krystallerne. Men ved højere overmætning domineres krystalvæksten af krystalkimdannelsen, hvilket i sidste ende resulterer i mindre krystaller. I figuren til højre, der forbinder overmætning til kimdannelse, vækst og krystalstørrelse, illustreres det klart, hvordan regulering af overmætning er af afgørende betydning, når det gælder om at skabe krystaller af den ønskede størrelse og fordeling.
Moderne teknikker såsom ReactIR, her skitseret af Barett et al (Chemical Engineering Research and Design, Volume 88, Issue 8 August 2010, pp.1108-1119), tillader at opløselighedsspor udvikles hurtigt og nemt, og at det fremherskende niveau af overmætning kan overvåges løbende i et krystalliseringseksperiment. Hurtigere afkølingshastigheder resulterer i kimdannelse ved lavere temperaturer og det højeste niveau af overmætning under hele processen. En meget langsom nedkøling resulterer i en højere kimdannelsestemperatur og lav overmætning under hele processen. En times kubisk nedkøling (langsom i starten og hurtig i slutningen) har et middelniveau af overmætning under hele processen. Den påvirkning, som en variation af overmætningen har på fordelingen af krystalstørrelse og -form, kan tydeligt ses ved at sammenligne ParticleView (et sondebaseret realtidsmikroskop)-billeder for hvert eksperiment. Højere overmætning resulterer i de mindste krystaller - da kimdannelse vil blive favoriseret frem for vækst.
Casestudier om overvågning og regulering
Ved hjælp af eksperimentelle data er der blevet udrettet meget inden for overvågning af overmætning og vurderingen af krystalliseringskinetikken. Tilgangen er blevet udvidet til at tillade modelbaseret regulering af krystalliseringsprocesser.
Teknologier til overvågning, optimering og regulering
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.
Sådan overvåges og kontrolleres overmætning
Denne plakat beskriver anvendelsen af en kalibreringsfri metode, hvor temperaturen under afkølingskrystallisering reguleres automatisk i et vand/IPA-opløsningsmiddel med henblik på at opretholde et konstant niveau af overmætning.
Optimering af krystallisering ved regulering af overmætning
En metode præsenteres, der muliggør kalibreringsfri brug in situ af ATR-FTIR-spektre for produktion og regulering af kvalitative overmætningsbaner.
Guide til effektiv procesudvikling
Denne white paper-serie dækker basale og avancerede strategier til at optimere fordelingen af krystalstørrelse og -form.
Applikationer
Applikationer af den drivende kraft i krystalkimdannelse og vækst
Optimization of Crystal Properties and Process Performance
Recrystallization is a technique used to purify solid compounds by dissolving them in a hot solvent and allowing the solution to cool. During this process, the compound forms pure crystals as the solvent cools, while impurities are excluded. The crystals are then collected, washed, and dried, resulting in a purified solid product. Recrystallization is an essential method for achieving high levels of purity in solid compounds.
Byggeblokkene i krystallisering
Opløselighedskurver er almindeligt anvendte for 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. Når et passende opløsningsmiddel er valgt, bliver opløselighedskurven et vigtigt værktøj til udvikling af en effektiv krystalliseringsproces.
Den drivende kraft for krystalkimdannelse og vækst
Forskere og ingeniører får kontrol over krystalliseringsprocesser ved omhyggelig justering af niveauet af overmætning under processen. Overmætning er den drivende kraft ved kimdannelse i krystallisering og vækst og vil i sidste ende bestemme den endelige fordeling af krystalstørrelser.
Gør krystalliseringen bedre med inline partikelstørrelse, og -form, samt måling af partikeltal
In-process sondebaserede teknologier anvendes til at spore partikelstørrelse og formændringer ved fuld koncentration uden at fortynding eller ekstraktion er nødvendig. Ved at spore hastigheden og graden af ændring i partikler og krystaller i realtid, kan de korrekte procesparametre til ydeevne ved krystallisering optimeres.
Design and Optimize Seeding Protocol for Improved Batch Consistency
Seeding is one of the most critical steps in optimizing crystallization behavior. When designing a seeding strategy, parameters such as seed size, seed loading (mass), and seed addition temperature must be considered. These parameters are generally optimized based on process kinetics and the desired final particle properties, and must remain consistent during scale-up and technology transfer.
Detect and Prevent Oiling Out (Liquid-Liquid Phase Separation)
Liquid-Liquid phase separation, or oiling out, is an often difficult to detect particle mechanism that can occur during crystallization processes.
How Solvent Addition Can Control Crystal Size and Count
In an antisolvent crystallization, the solvent addition rate, addition location and mixing impact local supersaturation in a vessel or pipeline. Scientists and engineers modify crystal size and count by adjusting antisolvent addition protocol and the level of supersaturation.
Supersaturation Control Optimizes Crystal Size and Shape
Crystallization kinetics are characterized in terms of two dominant processes, nucleation kinetics and growth kinetics, occurring during crystallization from solution. Nucleation kinetics describe the rate of formation of a stable nuclei. Growth kinetics define the rate at which a stable nuclei grows to a macroscopic crystal. Advanced techniques offer temperature control to modify supersaturation and crystal size and shape.
Scaling-Up Agitation, Dosing, and Crystallization
Changing the scale or mixing conditions in a crystallizer can directly impact the kinetics of the crystallization process and the final crystal size. Heat and mass transfer effects are important to consider for cooling and antisolvent systems respectively, where temperature or concentration gradients can produce inhomogeneity in the prevailing level of supersaturation.
Understand Polymorphism and the Impact of Process Parameters
Crystal polymorphism describes the ability of one chemical compound to crystallize in multiple unit cell configurations, which often show different physical properties.
Create Structured, Ordered Lattices for Complex Macromolecules
Protein crystallization is the act and method of creating structured, ordered lattices for often-complex macromolecules.
Recover Lactose with High Yield and Scalable Process
Lactose crystallization is an industrial practice to separate lactose from whey solutions via controlled crystallization.
Generate Supersaturation and Determine Final Crystal Product
A well-designed batch crystallization process is one that can be scaled successfully to production scale - giving the desired crystal size distribution, yield, form and purity. Batch crystallization optimization requires maintaining adequate control of the crystallizer temperature (or solvent composition).
Real-Time Monitoring for Modeling and Control
Continuous crystallization is made possible by advances in process modeling and crystallizer design, which leverage the ability to control crystal size distribution in real time by directly monitoring the crystal population.
Improve Crystallization Experiments with Precise Control
The MSMPR (Mixed Suspension Mixed Product Removal) crystallizer is a type of crystallizer used in industrial processes to produce high-purity crystals.
Recrystallization is a technique used to purify solid compounds by dissolving them in a hot solvent and allowing the solution to cool. During this process, the compound forms pure crystals as the solvent cools, while impurities are excluded. The crystals are then collected, washed, and dried, resulting in a purified solid product. Recrystallization is an essential method for achieving high levels of purity in solid compounds.
Opløselighedskurver er almindeligt anvendte for 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. Når et passende opløsningsmiddel er valgt, bliver opløselighedskurven et vigtigt værktøj til udvikling af en effektiv krystalliseringsproces.
In-process sondebaserede teknologier anvendes til at spore partikelstørrelse og formændringer ved fuld koncentration uden at fortynding eller ekstraktion er nødvendig. Ved at spore hastigheden og graden af ændring i partikler og krystaller i realtid, kan de korrekte procesparametre til ydeevne ved krystallisering optimeres.
Seeding is one of the most critical steps in optimizing crystallization behavior. When designing a seeding strategy, parameters such as seed size, seed loading (mass), and seed addition temperature must be considered. These parameters are generally optimized based on process kinetics and the desired final particle properties, and must remain consistent during scale-up and technology transfer.
Crystallization kinetics are characterized in terms of two dominant processes, nucleation kinetics and growth kinetics, occurring during crystallization from solution. Nucleation kinetics describe the rate of formation of a stable nuclei. Growth kinetics define the rate at which a stable nuclei grows to a macroscopic crystal. Advanced techniques offer temperature control to modify supersaturation and crystal size and shape.
Changing the scale or mixing conditions in a crystallizer can directly impact the kinetics of the crystallization process and the final crystal size. Heat and mass transfer effects are important to consider for cooling and antisolvent systems respectively, where temperature or concentration gradients can produce inhomogeneity in the prevailing level of supersaturation.
A well-designed batch crystallization process is one that can be scaled successfully to production scale - giving the desired crystal size distribution, yield, form and purity. Batch crystallization optimization requires maintaining adequate control of the crystallizer temperature (or solvent composition).
Publikationer
Udgivelser om den drivende kraft i krystalkimdannelse og vækst
Relaterede produkter
Teknologi omkring den drivende kraft i krystalkimdannelse og vækst
ReactIR
In-situ FTIR spectrometers enable scientists to gain insight into their reactions and processes in a wide range of applications. Optimize reaction variables with inline FTIR instru...
Particle Size Analyzers
Understand, optimize, and control particles and droplets in real time with in-situ particle size analyzers.
Chemical Synthesis Reactors
Increase productivity in your lab with chemical synthesis reactors featuring built-in automation tools.
ReactRaman
In-situ Raman spectrometers enable scientists to measure reaction and process trends in real time, providing precise information about kinetics, polymorph transitions, and mechanis...
Scale‑up Suite
The world’s leading process development and scale-up software for scientists and engineers.