용해도 곡선 및 준안정영역의 폭(MSZW)

용해도를 감소시키는 일반적인 방법

포화된 시작 용액에서 다음과 같이 제품의 용해도를 감소시킴으로써 결정화가 시작됩니다.

냉각
반용매 첨가
증발
위 방법의 조합

결정화를 유도하는 데 사용되는 또 다른 일반적인 방법은 화학 반응을 통해 이루어지며 두 개 이상의 반응 물질이 혼합되어 반응 혼합에서 불용성의 고체 제품을 형성하는데, 이 일반적인 사례는 염분을 형성하는 산과 염기의 반응입니다.

제품을 결정화하기 위해 선택된 방법은 다양한 요인에 따라 변할 수 있습니다. 예를 들어 단백질 결정은 온도에 민감해 냉각 및 증발이 불가능하며 반용매를 추가하는 것이 가장 일반적인 결정화 방법입니다. 대부분의 결정화 공정의 경우 냉각은 되돌릴 수 있으므로 유리할 수 있는데, 최적화되지 않은 작업일 경우 포화용액은 재가열할 수 있습니다.

용해도 곡선의 중요성

일반적으로 용해도 곡선(오른쪽 그림)은 용해도, 온도 및 용매 유형 사이의 관계를 보여주기 위해 사용됩니다. 온도에 따른 용해도를 표시함으로써 과학자들은 원하는 결정화 공정 개발에 필요한 워크프레임을 생성할 수 있습니다. 여기에서, 용매 A에서 주어진 물질의 용해도는 높은데 이는 단위 용매 질량당 보다 많은 물질이 결정화될 수 있음을 의미합니다. 용매 C는 모든 온도에서 낮은 용해도를 가지고 있는데 이는 이 물질에 대해 유용한 반용매가 될 수 있음을 알려줍니다.

적절한 용매가 선택되면 용해도 곡선은 효율적인 결정화 공정 개발을 위한 중요한 도구가 됩니다. 이 정보를 사용해 시작 농도 및 온도 또는 반용매 비율을 선택할 수 있고 이론적인 수율을 결정할 수 있으며 결정화가 어떻게 개발되는지에 대한 중요한 첫 결정을 내릴 수 있습니다.

용해도 측정 방법

공정 내 입자가 존재함에 따라 속도 및 입자 크기 변화 정도를 추적하는 프로브 기반 장비인 ParticleTrack은 다양한 용질 농도에서 용해 지점(용해도 곡선 내 지점) 및 핵형성 지점 (MSZW 내 지점)을 정확하게 식별함으로써 용해도 곡선과 MSZW(준안정영역의 폭)를 측정하기 위해 사용될 수 있습니다.

Barrett 및 Glennon(Trans ICHemE, 제80권, 2002년, 799-805페이지)이 수행한 연구에서 ParticleTrack(Lasentec FBRM)에 의해 핵형성 지점이 측정되어 MSZW에 지점이 표시될 때까지 불포화 용액은 느리고 고정된 속도로 냉각됩니다. 다음으로, 용해 지점이 측정되어 용해도 곡선 지점에 표시될 때까지 용액은 천천히 가열됩니다. 이후 농도를 감소시키기 위해 시스템에 용매가 추가되며 공정은 반복됩니다. 이런 방법으로 용해도 곡선 및 MSZW를 다양한 온도에 걸쳐 빠르게 측정할 수 있습니다.

이 그림은 황산 알루미늄 칼륨에 대한 용해도 곡선 및 준안정 구역 한계를 보여줍니다. 용해도 곡선은 주어진 용매 – 용질 시스템에 대해 열역학적으로 고정되지만 MSZW는 반응 속도론적 경계이며 냉각 속도, 교반 또는 스케일과 같은 공정 파라미터에 따라 변할 수 있습니다. 다양한 공정 조건에서의 MSZW 특성화를 통해 결정화 공정이 다양한 스케일에서 또는 공정 장애 시 어떻게 반응할 수 있는지 과학자가 이해할 수 있도록 도와드릴 수 있습니다. 핵형성 지점 및 반응 속도의 측면에서 시스템이 지속적으로 반응하지 않을 수 있다는 것을 다른 조건 하에서의 MSZW 내 편차를 통해 표시할 수 있습니다. 이런 결과는 모든 실험 또는 배치의 핵형성 지점을 고정하기 위해 공정에 결정핵 삽입을 한 것에 대한 조사를 정당화할 수 있습니다.

용해도 및 MSZW에 대한 사례 연구

이와 같은 용해도 측정에 대한 동적 접근은 간혹 그 정확성에 제한이 있을 수 있습니다. 빠른 가열 속도는 정확한 용해지점을 의미하기에는 한계가 있기 때문입니다. 중량 분석과 같은 정적 방법은 보다 나은 정확도를 제공하지만 보다 시간이 더 소모되며 사용이 번거로울 수 있습니다. 용해도 곡선을 측정하기 위해 많은 기술이 사용될 수 있으며 다양한 용매에서 용해도 예측을 목표로 한 최근 연구는 여러 가지 전망을 보여 주고 있습니다.

용해도 및 MSZW에 관한 기술