Veiledning for krystalliseringsutvikling
Definisjon av overmetning
Drivkraften
Forskere tar kontroll over krystalliseringsprosesser ved å nøye kontrollere det gitte overmetningsnivået under prosessen. Når en mettet løsning avkjøles, går systemet inn i et metastabilt område, der løsningen blir overmettet. Med andre ord er mer av det løste stoffet i løsningen som oppløsbarhetskurven forutser. Når avkjølingen fortsetter, vil en bestemt temperatur nås, der det forekommer kjernedannelse i krystallet, den metastabile grensen.
Når den metastabile grensen er nådd og krystalliseringen starter, forbrukes overmetningen, og etter hvert vil konsentrasjonen i væskefasen nå et likepunkt på oppløsbarhetskurven.
Hvorfor er overmetning viktig?
Fordi overmetning er drivkraften bak vekst og kjernedannelse i krystaller og tilslutt vil bestemme den endelige krysallstørrelsedistribusjonen, er det avgjørende at man forstår konseptet overmetning.
Kjernedannelse betyr at nye krystallkjerner dannes – enten spontant fra en løsning (primærkjernedannelse), eller ved tilstedeværelse av eksisterende krystaller (sekundærkjernedannelse). Krystallvekst betyr en økning i størrelse (eller, mer nøyaktig, «karakteristisk lengde») i krystaller når løst stoff utskilles fra en løsning. Forholdet mellom overmetning, kjernedannelse og vekst er definert av et velkjent sett (noe forenklede) ligninger som først ble utformet av Nyvlt (Journal of Crystal Growth, vol. 3–4, 1968, side 377-383)
Krystallkjernedannelse og -vekst
For organiske krystalliseringssystemer er verdien av vekstrekkefølgen (g) vanligvis mellom 1 og 2, mens verdien av kjernedannelsesrekkefølgen (b) vanligvis er mellom 5 og 10. Når vi plotter disse ligningene for en tenkt organisk krystalliseringsprosess, blir viktigheten av overmetning tydelig. Ved lav overmetning kan krystaller vokse fortere enn de danner kjerner, slik at krystallstørrelsedistribusjonen blir større. Men ved høyere overmetning dominerer krystallkjernedannelsen krystallveksten, hvilket til sist fører til at krystallene blir mindre. I figuren til høyre, som viser forholdet mellom overmetning og kjernedannelse, -vekst og krystallstørrelse, ser du tydelig hvordan det er av avgjørende viktighet av overmetningen kontrolleres når det gjelder å danne krystaller av ønsket størrelse og distribusjon.
Moderne teknikk som f.eks. ReactIR, her presentert av Barett m.fl. (Chemical Engineering Research and Design, volum 88, utgave 8, august 2010, side 1108-1119) lar spor av løselighet utvikles raskt og enkelt, og det gitte overmetningsnivået kan overvåkes kontinuerlig gjennom hele krystalleksperimentet. Raskere avkjølingsrater fører til kjernedannelse ved lavere temperatur og det høyeste overmetningsnivået i prosessen. Svært treg avkjøling fører til høyere kjernedannelsestemperatur og lav overmetning gjennom prosessen. En én times kubikkavkjøling (først sakte og raskere mot slutten) har gjennom hele prosessen en middels høy overmetningsgrad. Påvirkningen av varierende overmetning på krystallstørrelse og formdistribusjon kan ses tydelig ved at man sammenligner bildene fra ParticleView (et prober-basert sanntidsmikroskop) for hvert eksperiment. Høyere overmetningsresultater fører til mindre krystaller – fordi krystalldannelse foretrekkes over vekst.
Case-studier om overvåkning og kontroll
Ved hjelp av eksperimentdata har mye blitt oppnådd i overvåkningen av overmetning og estimeringen av krystalliseringskinetikk. Fremgangsmåten har blitt utvidet slik at den nå tillater modellbasert kontroll av krystalliseringsprosesser.
Teknologi for overvåkning, optimering og kontroll
Krystalliseringsprosessen gir en unik mulighet til å etterstrebe og kontrollere en optimal krystallstørrelse og formdistribusjon. Dette kan føre til en dramatisk redusert filtrerings- og tørketid, omgå problemer med lagring, transport og lagringstid, og sikre en konsekvent og repeterbar prosess til en lavere pris.
Slik overvåkes og kontrolleres overmetning
Denne plakaten beskriver bruk av en kalibreringsfri metode, der temperaturen under avkjølingskrystalliseringen kontrolleres automatisk et vann-/IPA-løsemiddel, for å opprettholde overmetning på et konstant nivå.
Optimering av krystallisering med overmetningskontroll
Her presenteres en metode som tilrettelegger for kalibreringsfri bruk av in-situ ATR-FTIR-spektra i produksjon og kontroll av kvalitative overmetningsbaner.
Veiledning for effektiv prosessutvikling
Denne tekniske rapporten dekker grunnleggende og avanserte strategier for optimering av krystallstørrelse og formdistribusjon.
Applikasjoner
Applications For The Driving Force For Crystal Nucleation and Growth
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.
Krystalliseringens byggeklosser
Oppløselighetskurver brukes ofte til å illustrere forholdet mellom løselighet, temperatur og type løsemiddel. Ved å plotte temperatur mot løselighet kan forskere opprette rammeverket som trengs for å utvikle ønsket krystalliseringsprosess. Så snart et egnet løsemiddel er valgt, blir oppløselighetskurven et kritisk verktøy for utviklingen av en effektiv krystalliseringsprosess.
Drivkraften bak krystallkjernedannelse og -vekst
Forskere og teknikere tar kontroll over krystalliseringsprosesser ved å nøye justere overmetningsnivået under prosessen. Overmetning er drivkraften for kjernedannelse og vekst i krystallisering og vil til syvende og sist avgjøre den endelige krystallstørrrelsedistribusjonen.
Bedre krystallisering med inline måling av partikkelstørrelse, form og antall
Sondebasert teknologi i prosesser brukes til å spore partikkelstørrelse og formendringer ved full konsentrasjon, uten at det er nødvendig med fortynning eller raffinering. Ved å spore hastigheten og graden av endringer i partikler og krystaller i sanntid, kan de riktige prosessparameterne for krystalliseringsytelse 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.
Oppløselighetskurver brukes ofte til å illustrere forholdet mellom løselighet, temperatur og type løsemiddel. Ved å plotte temperatur mot løselighet kan forskere opprette rammeverket som trengs for å utvikle ønsket krystalliseringsprosess. Så snart et egnet løsemiddel er valgt, blir oppløselighetskurven et kritisk verktøy for utviklingen av en effektiv krystalliseringsprosess.
Sondebasert teknologi i prosesser brukes til å spore partikkelstørrelse og formendringer ved full konsentrasjon, uten at det er nødvendig med fortynning eller raffinering. Ved å spore hastigheten og graden av endringer i partikler og krystaller i sanntid, kan de riktige prosessparameterne for krystalliseringsytelse 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).
Publikasjoner
Publications For The Driving Force For Crystal Nucleation and Growth
Relaterte produkter
Technology For The Driving Force For Crystal Nucleation and Growth
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
ReactRaman enables scientists to measure reaction and process trends in real time, providing highly specific information about kinetics, polymorph transitions, and mechanisms.
Scale‑up Suite
The world’s leading process development and scale-up software for scientists and engineers.