Руководство по разработке процесса кристаллизации
Что такое пересыщение?
Движущая сила
Ученые и инженеры управляют процессом кристаллизации, регулируя степень пересыщения раствора. Если охладить насыщенный раствор, то он станет неустойчивым и перейдет в состояние пересыщения. Другими словами, концентрация растворенного вещества в растворе становится выше растворимости этого вещества в данных условиях. Если продолжить охлаждение, то вскоре будет достигнута температура, при которой начнется образование зародышей кристаллов, то есть степень пересыщения превысит предел метастабильности.
Как только этот предел достигнут и кристаллизация началась, пересыщение снимается, концентрация жидкой фазы на кривой растворимости постепенно выравнивается.
Важность пересыщения
Пересыщение — это движущая сила зарождения и роста кристаллов, именно от нее зависит окончательное распределение кристаллов по размеру. Поэтому очень важно понимать, что это такое.
Зародышеобразование — это образование зародышей новых кристаллов самопроизвольно в растворе (первичное) или в присутствии уже существующих кристаллов (вторичное). Рост кристаллов — увеличение размера (или точнее, характерной длины) кристаллов за счет растворенных веществ. Зависимость между пересыщением, зародышеобразованием и ростом впервые показал Я. Нывлт с помощью хорошо известной (несколько упрощенной) системы уравнений (Journal of Crystal Growth, № 3–4, 1968, стр. 377–383).
Образование зародышей и рост кристаллов
Для органических систем кристаллизации степень роста (g) обычно лежит между 1 и 2, а степень образования зародышей (b) — между 5 и 10. Если с помощью этих уравнений описать процесс кристаллизации органических веществ, то важность пересыщения станет очевидной. При низком пересыщении скорость роста кристаллов больше скорости образования их зародышей, а значит, больше и размер получаемых кристаллов. При высоком пересыщении скорость образования зародышей кристаллов больше скорости их роста, в результате размер кристаллов будет меньше. На изображении справа, где показана зависимость между пересыщением, скоростью образования зародышей, скоростью роста и размером кристаллов, ясно видно, насколько важно регулировать пересыщение раствора, чтобы получить кристаллы нужного размера и формы.
Современные методики, например ReactIR, описанная Бареттом и др. (Chemical Engineering Research and Design, т. 88, № 8, август 2010 г., стр. 1108–1119), позволяют легко и быстро строить кривые растворимости и непрерывно контролировать степень пересыщения в ходе эксперимента по кристаллизации. Чем быстрее идет охлаждение, тем ниже температура зародышеобразования и выше степень пересыщения раствора в ходе кристаллизации. Медленное охлаждение приводит к тому, что зародыши образуются при более высокой температуре, а степень пересыщения раствора в ходе кристаллизации ниже. В случае одночасового объемного охлаждения (медленно в начале, быстро в конце) степень пересыщения в ходе кристаллизации будет средней. На снимках зондового видеомикроскопа ParticleView, которые делаются во время эксперимента, хорошо видно, как степень пересыщения раствора влияет на распределение кристаллов по размеру и форме. Выше степень пересыщения — меньше размер образующихся кристаллов, поскольку скорость образования зародышей больше скорости роста.
Контроль и регулирование: примеры из практики
С началом активного применения экспериментальных данных контроль пересыщения в растворах и оценка кинетики кристаллизации усовершенствовались. Этот подход сделал возможным регулирование процесса кристаллизации по эталонной модели.
Технологии контроля, оптимизации и регулирования
Применяя типовые операции в ходе кристаллизации, можно добиться оптимального распределения кристаллов по размеру и форме. В результате резко сокращается длительность фильтрации и сушки, решаются проблемы, связанные с хранением и транспортировкой продукта, обеспечивается воспроизводимость процессов кристаллизации и снижаются издержки.
Как контролировать и регулировать кристаллизацию
Этот плакат содержит сведения о том, как использовать безкалибровочный метод кристаллизации охлаждением. Метод заключается в том, что температура автоматически регулируется подачей охлаждающей среды (воды или изопропилового растворителя) для того, чтобы поддерживать постоянную степень пересыщения.
Оптимизация кристаллизации с помощью регулирования степени пересыщения
Представленный метод позволяет использовать без калибровки ИК-спектроскопию нарушенного полного отражения с преобразованием Фурье (ATR-FTIR) для получения и регулирования качественных кривых перенасыщения.
Руководство по разработке эффективного процесса кристаллизации
В этих информационных документах рассмотрены базовые и расширенные методики, позволяющие оптимизировать распределение кристаллов по размеру и форме.
Применение
Движущая сила зарождения и роста кристаллов: области применения
Обнаружение, изучение и контроль полиморфизма. Выявление и анализ полиморфных превращений.
Полиморфизм часто наблюдается в кристаллических твердых веществах, используемых в фармацевтической промышленности и тонком органическом синтезе. Иногда ученые стремятся намеренно создать определенную полиморфную модификацию вещества, например, чтобы улучшить его выделяемость, предотвратить трудности на последующих этапах процесса, увеличить биодоступность или избежать нарушения авторских прав. Выявление полиморфных и морфологических превращений in situ и в режиме реального времени исключает такие риски, как неожиданные сбои в процессе, получение некондиционного продукта и дорогостоящая переработка материалов.
Оптимизация свойств кристаллов и параметров процесса
Перекристаллизация ценных химических соединений позволяет получить кристаллический продукт с нужными физическими свойствами при оптимальной эффективности процесса. Для разработки наилучшего процесса перекристаллизации требуется семь шагов, которые охватывают все этапы — от выбора подходящего растворителя до получения сухого кристаллического продукта. В настоящем руководстве по перекристаллизации описана пошаговая процедура разработки процесса перекристаллизации. Читатели узнают, какие данные нужны на каждом этапе перекристаллизации и как контролировать важнейшие параметры процесса.
Методы определения и современные технологии
Кривые растворимости широко применяются для графического выражения взаимосвязи между растворимостью, температурой и типом растворителя. Опираясь на них, ученые создают процессы кристаллизации. Когда подходящий растворитель выбран, кривая растворимости позволяет определить наиболее эффективный метод кристаллизации.
Движущая сила зарождения и роста кристаллов
Ученые и инженеры управляют процессом кристаллизации, регулируя степень пересыщения в растворе. Пересыщение — это движущая сила зарождения и роста кристаллов, и именно от нее зависит их распределение по размерам.
Улучшите процесс кристаллизации, измеряя форму, размер и количество кристаллов в потоке
Современные методики, основанные на применении датчиков, позволяют контролировать изменение размера и формы кристаллов в концентрированных растворах, не прибегая к разбавлению или экстракции. С их помощью можно оптимизировать параметры кристаллизации.
Разработка и оптимизация процедур введения затравки для повышения стабильности партии
Введение затравки — критически важный фактор, который необходимо учесть при оптимизации процесса кристаллизации. При разработке схемы затравливания следует учитывать такие параметры, как количество (масса) затравки, размеры частиц и температура при добавлении. Эти параметры, которые обычно оптимизируются с учетом кинетики процесса и требуемых конечных свойств частиц, должны оставаться стабильными в ходе масштабирования и технологического переноса.
Обнаружение и предотвращение образования новой жидкой фазы (разделения фаз в системе жидкость — жидкость)
В реальной технологической среде трудно наблюдать процессы образования новой жидкой фазы или разделения фаз в системе жидкость — жидкость, происходящие во время кристаллизации. Подробнее.
Каким образом добавление растворителя позволяет регулировать размер и количество кристаллов?
При кристаллизации с противорастворителем на локальное пересыщение в резервуаре или трубопроводе влияют место и скорость добавления растворителя, а также перемешивание. Ученые и технологи изменяют размер и количество кристаллов путем коррекции протокола добавления противорастворителя и степени пересыщения.
Регулировка пересыщения оптимизирует размер и форму кристаллов
Профиль охлаждения оказывает большое влияние на пересыщение и кинетику кристаллизации. Выбор правильного температурного режима в зависимости от площади поверхности кристаллов обеспечивает оптимальные параметры зарождения и роста кристаллов. Современные методы обеспечивают контроль температуры, позволяющий менять уровень пересыщения, размеры и форму кристаллов.
Масштабирование перемешивания, дозирования и кристаллизации
Изменение масштаба или условий перемешивания в кристаллизаторе может напрямую влиять на кинетику процесса кристаллизации и на окончательный размер кристалла. Тепло- и массоперенос — важные факторы, влияющие на охлаждение и действие противорастворителей. Температурные и концентрационные градиенты могут стать причиной неодинаковых уровней пересыщения.
Формирование структурированных упорядоченных решеток для сложных макромолекул
Кристаллизация белков — это процесс и метод формирования структурированных упорядоченных решеток для макромолекул, зачастую имеющих сложное строение.
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.
Полиморфизм часто наблюдается в кристаллических твердых веществах, используемых в фармацевтической промышленности и тонком органическом синтезе. Иногда ученые стремятся намеренно создать определенную полиморфную модификацию вещества, например, чтобы улучшить его выделяемость, предотвратить трудности на последующих этапах процесса, увеличить биодоступность или избежать нарушения авторских прав. Выявление полиморфных и морфологических превращений in situ и в режиме реального времени исключает такие риски, как неожиданные сбои в процессе, получение некондиционного продукта и дорогостоящая переработка материалов.
Перекристаллизация ценных химических соединений позволяет получить кристаллический продукт с нужными физическими свойствами при оптимальной эффективности процесса. Для разработки наилучшего процесса перекристаллизации требуется семь шагов, которые охватывают все этапы — от выбора подходящего растворителя до получения сухого кристаллического продукта. В настоящем руководстве по перекристаллизации описана пошаговая процедура разработки процесса перекристаллизации. Читатели узнают, какие данные нужны на каждом этапе перекристаллизации и как контролировать важнейшие параметры процесса.
Кривые растворимости широко применяются для графического выражения взаимосвязи между растворимостью, температурой и типом растворителя. Опираясь на них, ученые создают процессы кристаллизации. Когда подходящий растворитель выбран, кривая растворимости позволяет определить наиболее эффективный метод кристаллизации.
Введение затравки — критически важный фактор, который необходимо учесть при оптимизации процесса кристаллизации. При разработке схемы затравливания следует учитывать такие параметры, как количество (масса) затравки, размеры частиц и температура при добавлении. Эти параметры, которые обычно оптимизируются с учетом кинетики процесса и требуемых конечных свойств частиц, должны оставаться стабильными в ходе масштабирования и технологического переноса.
При кристаллизации с противорастворителем на локальное пересыщение в резервуаре или трубопроводе влияют место и скорость добавления растворителя, а также перемешивание. Ученые и технологи изменяют размер и количество кристаллов путем коррекции протокола добавления противорастворителя и степени пересыщения.
Профиль охлаждения оказывает большое влияние на пересыщение и кинетику кристаллизации. Выбор правильного температурного режима в зависимости от площади поверхности кристаллов обеспечивает оптимальные параметры зарождения и роста кристаллов. Современные методы обеспечивают контроль температуры, позволяющий менять уровень пересыщения, размеры и форму кристаллов.
Изменение масштаба или условий перемешивания в кристаллизаторе может напрямую влиять на кинетику процесса кристаллизации и на окончательный размер кристалла. Тепло- и массоперенос — важные факторы, влияющие на охлаждение и действие противорастворителей. Температурные и концентрационные градиенты могут стать причиной неодинаковых уровней пересыщения.
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).
Публикации
Движущая сила зарождения и роста кристаллов: публикации
Другое оборудование
Движущая сила зарождения и роста кристаллов
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.