التبلور وهطول الأمطار

يمس التبلور كل جانب من جوانب حياتنا من الأطعمة التي نتناولها والأدوية التي نتناولها إلى الوقود الذي نستخدمه لتشغيل مجتمعاتنا.

• تمر غالبية المنتجات الكيماوية الزراعية والصيدلانية بالعديد من خطوات التبلور أثناء تطويرها وتصنيعها.
• في صناعة المواد الغذائية ، يتم تسليم مكونات مثل اللاكتوز والليسين كبلورات للإنسان للاستهلاك.
• أحد المخاوف الرئيسية المتعلقة بالسلامة لصناعة البتروكيماويات هو التبلور غير المرغوب فيه لهيدرات الغاز في خطوط أنابيب أعماق البحار.

هذا هو السبب في أن العلماء والمهندسين في العديد من الصناعات في جميع أنحاء العالم مطالبون بفهم عمليات التبلور وتحسينها والتحكم فيها كل يوم. يضمن التبلور الفعال والكفء جودة عالية وإنتاج آمن.

جودة المنتج. التبلور مهم في جودة المنتج لأنه يؤثر على حجم الجسيمات ونقاوتها وإنتاجية المنتج. على سبيل المثال ، في صناعة المستحضرات الصيدلانية ، يجب التحكم في تبلور مكون صيدلاني نشط (API) بشكل صارم لتلبية مواصفات المنتج المطلوبة.

جودة العملية. يؤثر التبلور أيضا على جودة العملية ، مثل التجفيف وقابلية التدفق وقابلية التوسع. على سبيل المثال ، يمكن أن يتسبب التوزيع الواسع لحجم الجسيمات لعملية بلورة API في الترشيح البطيء والتجفيف غير الفعال ، مما يخلق عنق الزجاجة في عملية التصنيع بأكملها.

في حين أن البلورات لها العديد من السمات المهمة ، فمن المحتمل أن يكون لتوزيع حجم البلورة أكبر تأثير على جودة وفعالية المنتج النهائي (والعملية اللازمة لتسليمه). يؤثر حجم الكريستال وشكله بشكل مباشر على الخطوات الرئيسية في اتجاه مجرى جهاز التبلور ، حيث يكون أداء الترشيح والتجفيف عرضة بشكل خاص للتغيرات في هذه السمات المهمة. وبالمثل ، يمكن أن يؤثر حجم البلورة النهائي أيضا بشكل مباشر على جودة المنتج النهائي. في المركب الصيدلاني ، غالبا ما يرتبط التوافر البيولوجي والفعالية بحجم الجسيمات مع جزيئات أصغر مرغوبة بشكل متكرر لخصائصها المحسنة للذوبان والذوبان.

يمكن تحسين توزيع حجم الكريستال والتحكم فيه عن طريق اختيار ظروف التبلور الصحيحة ومعلمات العملية بعناية. إن فهم كيفية تأثير معلمات العملية على التحولات الرئيسية ، مثل التنوي والنمو والكسر ، يسمح للعلماء بتطوير وتصنيع بلورات تتمتع بالسمات المطلوبة وتكون فعالة في طرحها في السوق.

في حين أن الطريقة المختارة لبلورة المنتج يمكن أن تختلف بناء على عدة عوامل ، إلا أن هناك ست خطوات شائعة لحدوث التبلور. يستخدم العلماء منحنيات الذوبان لإنشاء إطار لتطوير عملية التبلور المطلوبة. ترسم منحنيات الذوبان درجة الحرارة مقابل الذوبانية لتحديد عوامل عملية التبلور. أحد العوامل هو اختيار المذيب المناسب لاستخدامه في الخطوة 1 من عملية التبلور.

المذيب المناسب مهم لأن التبلور يتحقق بشكل عام عن طريق تقليل قابلية ذوبان المنتج في محلول بدء مشبع. عند اختيار مذيب ، تشمل بعض الاعتبارات ما يلي:

• الذوبان: ما مقدار المذاب الذي يمكن إذابته؟
• السلامة والتأثير البيئي: ما مدى عملية المذيب للتعامل معه؟
• رسوم التخلص: كيف يتم التخلص من المذيب؟

بالإضافة إلى المذيب ، تعد درجة الحرارة أيضا عاملا مهما لتحديد ما إذا كان التبلور سيحدث أم لا. هناك درجة حرارة معينة حيث يمكن إذابة الكمية القصوى من المنتج في مذيب. عند الوصول إلى درجة الحرارة هذه ، يكون المحلول مشبعا ويمكن ترشيح الشوائب غير القابلة للذوبان من المحلول الساخن.

يحدث التبلور بوجه عام عن طريق اختزال ذوبانية المذاب في محلول بإحدى هذه الطرق الأربع أو بمزيج منها. عندما يتم تقليل الذوبان ، سيصبح المحلول مفرط التشبع. التشبع الفائق هو القوة الدافعة لنواة البلورات ونموها. إنها خطوة تبلور حيوية لأنها تحدد عوامل المنتج البلوري مثل توزيع الحجم والطور. يعتمد اختيار طريقة التبلور على المعدات المتاحة للتبلور ، وأهداف عملية التبلور وقابلية ذوبان واستقرار المذاب في المذيب المختار.

• تبلور التبريد: عند إذابته عند درجة حرارة عالية ، يمكن لكمية كبيرة من المذاب أن تبدأ التبلور عندما يخضع المحلول لتبريد متحكم فيه.
• إضافة مضاد للمذيبات: عند إضافة مضاد المذيبات بطريقة خاضعة للرقابة إلى المحلول ، فإنه يقلل من قابلية ذوبان المحلول ويزيد من التشبع الفائق المطلوب للتبلور.
• التبخر: عندما لا تكون الذوبان دالة لدرجة الحرارة أو تكوين المذيبات ، يلزم التبلور التبخيري. يتم تسخين المحلول عالي الذوبان إلى درجة الغليان ، ويتم إزالة المذيب من خلال التبخر. هذا يؤدي إلى التبلور. يتم تحديد خصائص المنتج النهائي بناء على معدل التبخر.
• رد الفعل (الترسيب): عندما يتم الحصول على المنتج من خلال تفاعل كيميائي مثل تحييد الحمض / القاعدة ، يمكن أن يحدث التبلور من خلال التفاعل أو الترسيب.

مع تقليل الذوبانية ، يتم الوصول إلى نقطة حيث تنوي البلورات ثم تنمو. النقطة التي يحدث فيها التنوي البلوري تسمى الحد شبه المستقر. التشبع الفائق هو الفرق بين التركيز الفعلي وتركيز الذوبانية عند درجة حرارة معينة. عندما يتبلور المنتج ، تتشكل بلورات المنتج عالية النقاء وتبقى الشوائب في المحلول. يمكن استخدام معلمات العملية مثل دمج استراتيجية البذر للتحكم في التشبع الفائق وتحسين اتساق الدفعات وتحسين المنتج المتكون.

بناء على قابلية الذوبان ، يتم تنفيذ طريقة تبلور واحدة أو أكثر (التبريد أو مضاد المذيبات أو التبلور التبخيري أو التفاعلي) للوصول إلى إنتاجية عالية للمنتج. من أجل تصميم عمليات تبلور فعالة ، هناك حاجة إلى التحكم في درجة التشبع الفائق وفهم ما تمر به بلورات آلية الجسيمات.

بالنسبة لغالبية عمليات التبلور ، فإن الجسيمات الصلبة المنقاة هي المنتج المطلوب. يجب فصل البلورات عن الخمور الأم عن طريق الترشيح. من أجل الحصول على المنتج ، فإن متطلبات عملية الترشيح الفعالة هي:

• تعليق الكريستال للترشيح
• مصيدة الفراغ أو الضغط المستخدم كقوة دافعة
• معدات الترشيح مثل ورق الترشيح واللوحة المسامية والقارورة النظيفة

أخيرا ، يتم تجفيف منتج الكريستال المنقى بطريقة الغلاف الجوي أو الفراغ. تعتمد الطريقة المستخدمة على عوامل مثل نوع المذيب والاستقرار الحراري والميكانيكي لواجهة برمجة التطبيقات.

يعد حجم الجسيمات وعددها ، وكذلك التركيب الكيميائي ، أمرا مهما للتوصيف الفعال للتطوير الناجح للعمليات ونقلها وتشغيلها في العديد من الصناعات.

تستخدم أجهزة تحليل حجم الجسيمات التقليدية غير المتصلة بالإنترنت في مختبر مراقبة الجودة لقياس خصائص الجسيمات بدقة ؛ ومع ذلك ، يجب توخي الحذر لإعداد العينة للسماح بقياس متسق. إن التأخير الزمني وإمكانية حدوث تغييرات في الجسيمات بين أخذ العينات والتحليل يجعل نهج تحليل حجم الجسيمات التقليدي يمثل تحديا لتحسين العملية وتحسينها.

توفر أدوات القياس أثناء العملية فرصة لتتبع كيفية تغير حجم الجسيمات وعددها وتكوينها مباشرة في العملية في الوقت الفعلي. من خلال فهم كيفية تصرف الجسيمات من البداية حتى نهاية العملية ، ومن خلال مقارنة تغيرات الجسيمات بمعلمات العملية ، يمكن للعلماء تطوير فهم عميق لأنظمة الجسيمات. وهذا يسمح بإنشاء جسيمات مناسبة للغرض ومراقبة العمليات ليتم تحسينها باستخدام الأساليب القائمة على الأدلة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها التي سيتم تنفيذها أثناء الإنتاج.

يكمل قياس الجسيمات أثناء العملية تحليل حجم الجسيمات التقليدي من خلال توفير معلومات إضافية حول كيفية تصرف الجسيمات بشكل طبيعي في العملية. إذا أبلغ مختبر مراقبة الجودة عن انحراف عن المواصفات ، فيمكن استخدام قياس الجسيمات أثناء العملية لإجراء تحليل السبب الجذري. وبالمثل ، يمكن أن يتنبأ قياس الجسيمات أثناء العملية بموعد خروج العملية عن المواصفات ويمكن أن يساعد في تحديد متى يجب أخذ عينة من عملية للتحليل دون اتصال بالإنترنت والتحقق من الجودة. من خلال الجمع بين قياس الجسيمات أثناء العملية لفهم العمليات وتحسينها واستكشاف الأخطاء وإصلاحها مع تحليل حجم الجسيمات التقليدي لمراقبة الجودة ، يمكن للعلماء تطوير عمليات الجسيمات بجودة أعلى في وقت أقل بتكلفة إجمالية أقل.

في هذا المثال ، يؤدي معدل التبريد في نهاية الدفعة إلى تحفيز التنوي الثانوي مما يؤدي إلى تكوين العديد من الجسيمات الدقيقة باستخدام أجهزة تحليل حجم الجسيمات. تؤدي الزيادة في معدل التبريد إلى توليد التشبع الفائق بشكل أسرع ، والذي يستهلكه التنوي بدلا من النمو. يعد التحكم الدقيق في معدل التبريد أمرا بالغ الأهمية لضمان تحقيق مواصفات توزيع حجم الكريستال المطلوبة.

يلعب توزيع حجم الكريستال للثلج دورا حيويا في طعم واتساق الآيس كريم ، حيث تكون البلورات الأصغر من 50 ميكرومتر أفضل من البلورات الأكبر من 100 ميكرومتر. بالنسبة للكيماويات الزراعية ، من الضروري التأكد من أن الجسيمات صغيرة بما يكفي لرشها دون سد الفوهات بينما تكون كبيرة بما يكفي لعدم الانجراف إلى الحقول المجاورة.

في حين أنه غالبا ما يكون من الصعب التحكم في توزيع حجم البلورة عبر المقاييس ، توجد فرصة لفهم عمليات التبلور من أجل تقديم توزيع محسن للحجم والعائد والشكل يضمن عملية فعالة من حيث التكلفة بأعلى جودة ممكنة.

من خلال تراكب ظروف العملية على تحليل الجسيمات في الموقع ، يمكن للعلماء بسهولة فهم كيفية تأثير معلمات العملية على التركيز والحجم والشكل والهيكل لاتخاذ قرارات أفضل والقضاء على مخاطر العملية وحل المشكلات - بشكل أسرع.

معلمات العملية مثل درجة الحرارة والتحريك ومعدل الجرعات لها تأثير مباشر على جودة المنتج والعملية لأنظمة الجسيمات.ايزي ماكس, تضمن OptiMaxوRC1وRX-10 التحكم الدقيق في ظروف العملية وتسجيلها للحصول على هندسة حقيقية للجسيمات.

• يتم تسجيل جميع بيانات العملية سواء قمت ببرمجة خطوات الوصفة مسبقا مثل درجة الحرارة أو منحدرات الجرعات ، أو إجراء تعديلات أثناء العملية
• يمكن تراكب المعلومات من أدوات التكنولوجيا التحليلية للعملية (PAT) ، مثل ReactIR و ReactRaman و EasyViewer و / أو ParticleTrack ، على اتجاهات معلمات العملية لفهم سريع وسهل لآليات الجسيمات
• يسمح التنفيذ الدقيق للكيميائيين والمهندسين بتشغيل العمليات غير المراقبة بثقة

يعد حجم الجسيمات وشكلها وتركيزها أجزاء مهمة من المعلومات في كل مرحلة أو مقياس أثناء عملية التبلور ، وبالتالي فهي تجعل سمات الجودة الحرجة (CQA). يقوم محللو حجم الجسيمات بتصور وقياس الجسيمات وآليات الجسيمات الحرجة بسرعة لتطوير عملية التبلور بنجاح.

• يتم تسجيل خصائص الجسيمات وآليات الجسيمات للمراجعة والتحليل في جميع الأوقات ، حتى لو لم يتمكن العلماء من التواجد في المختبر.
• تمكن قابلية التشغيل البيني بين المفاعلات الآلية و ParticleTrack و EasyViewer العلماء من إعداد حلقات تحكم في التغذية المرتدة لحجم الجسيمات أو التبريد المتحكم فيه ، أو تحديد معدلات الجرعات المضادة للمذيبات لتقليل أعداد الجسيمات غير المرغوب فيها ، مثل الغرامات المفرطة.
• يسهل "معالج بدء التجربة" البديهي على كل عالم جمع بيانات الجسيمات عالية الجودة بسرعة.

غالبا ما يرتبط تركيز المحلول والتشبع الفائق والشكل البلوري (متعدد الأشكال) ويحدد إلى حد كبير نجاح تطوير عملية التبلور.

يقوم ReactIR و ReactRaman بتحليل المحلول وتكوين الجسيمات بشكل منهجي لتحقيق نقطة نهاية العملية المطلوبة في كل مرة.

• يتم تحليل تكوين المحلول وتكوين خلية وحدة الجسيمات بشكل منهجي وتسجيلها وتصورها في الوقت الفعلي.
• إن الجمع بين أدوات PAT الطيفية ، مثل ReactIR و ReactRaman ، مع المفاعلات الآلية يمكن العلماء من جعل التشبع الفائق معلمة تحكم. تعمل عمليات التبلور عند مستويات تشبع فائقة ثابتة لتحقيق توزيعات أكثر اتساقا لحجم الجسيمات.
• تقوم التحليلات المتكاملة بنقرة واحدة تلقائيا بالعثور على معلومات كيميائية وهيكلية ذات مغزى وسهلة الفهم وعرضها لاتخاذ قرارات سريعة وقائمة على الأدلة.

يعد التحكم في التبلورات أمرا بالغ الأهمية في تحقيق سمات الجودة المهمة ، وهناك عدد كبير من العوامل المتفاعلة التي تؤثر على التبلور وحجم البلورة وتوزيع حجم الجسيمات وتعدد الأشكال والمزيد. تساعد نمذجة Dynochem في كشف العلم وراء التبلورات وتمكن من تطوير مساحة تصميم مفهومة وعملية لعمليات التبلور. يستخدم Dynochem بيانات من القياسات التحليلية في الموقع لنمذجة ملامح الذوبان / التشبع الفائق كعامل للمتغيرات الرئيسية ، بما في ذلك درجة الحرارة وتحميل البذور ومعدل التبريد. يتم نمذجة المتغيرات المرتبطة بالطرق المستخدمة للحث على التبلور ، بما في ذلك التقطير وإضافة مضادات المذيبات ، بسرعة لتحديد ، على سبيل المثال ، تأثير ملفات تعريف التبريد على المفاضلة بين نقاء المنتج والعائد. عندما يتعلق الأمر بتوسيع نطاق التبلورات (أو التصغير لأغراض استكشاف الأخطاء وإصلاحها) ، يتم استخدام Dynochem لفهم المتغيرات الفيزيائية والكيميائية وتحسينها ، بما في ذلك الخلط وسرعة التحريك ونقل الحرارة وتأثيراتها على التبلور. تحدد نمذجة Dynochem بسرعة ظروف العملية المناسبة لضمان التحكم الجيد في التبلورات وقابليتها للتكرار عبر المقاييس.