Löslighet och bredd för den metastabila zonen

• Introduktion till kristallisation och utfällning
• Övermättnad: Drivkraften för kristallisation
• Hur man mäter kristallstorlek

Kristallisation uppnås genom att minska produktens löslighet i en övermättad startlösning genom:

• Kylning
• Tillsätta anti-lösningsmedel
• Avdunstning
• Vissa kombinationer av ovanstående metoder

En annan vanlig metod som används för att inducera kristallisation är via en kemisk reaktion där två eller fler reaktanter blandas för att bilda en fast produkt som är olöslig i reaktionsblandningen. Ett vanligt exempel på detta skulle vara reaktionen mellan en syra och en bas för att bilda ett salt.

Metoden som används för att kristallisera en produkt kan variera beroende på ett antal faktorer. Proteinkristaller är exempelvis temperaturkänsliga, vilket utesluter kylning och avdunstning och kvarlämnar tillsättning av antilösningsmedel som den vanligaste kristallisationsmetoden. För många kristallisationsprocesser kan kylning vara fördelaktigt, eftersom det är reversibelt. Den mättade lösningen kan värmas upp på nytt i händelse av icke-optimal drift.

Det är vanligt att använda löslighetskurvor (figuren till höger) för att illustrera relationen mellan löslighet, temperatur och typ av lösningsmedel. Genom att kartlägga temperatur kontra löslighet, kan vetenskapsmän skapa det ramverk som krävs för att utveckla önskad kristallisationsprocess. Här är lösligheten för materialet i Lösningsmedel A hög – vilket innebär att mer material kan kristalliseras per viktenhet av lösningsmedel. Lösningsmedel C har en låg löslighet vid alla temperaturer, vilket anger att det skulle kunna vara ett användbart anti-lösningsmedel för detta material.

Så snart som ett lämpligt lösningsmedel har valts, blir löslighetskurvan ett viktigt verktyg för utvecklingen av en effektiv kristallisationsprocess. Med denna information, kan startkoncentrationen och temperaturen eller anti-lösningsmedelförhållandet väljas, den teoretiska avkastningen kan beräknas och de första viktiga besluten angående hur kristallisationen kommer att utvecklas kan tas. 

ParticleTrack, som är ett sondbaserat instrument som övervakar hastighet och förändringsgrad för partikelstorlek samt antal partiklar finns i processen, kan användas för att mäta löslighetskurvan och MSZW (metastabil zonbredd) genom att på ett korrekt sätt identifiera upplösningspunkten (punkt på löslighetskurvan) och kärnbildningspunkten (punkt på MSZW) vid olika lösningskoncentrationer.

I en studie av Barrett och Glennon (Trans ICHemE, vol. 80, 2002, pp. 799-805), kyls en omättad lösning ner med en långsam, stadig hastighet tills kärnbildningspunkten mäts av ParticleTrack (Lasentec FBRM) och anger en punkt på MSZW. Därefter värms lösningen upp långsamt tills upplösningspunkten uppmäts och anger en punkt på löslighetskurvan. Lösningsmedel tillsätts sedan systemet för att minska koncentrationen och processen upprepas. På så sätt kan löslighetskurvan och MSZW mätas snabbt över ett brett temperaturintervall.

I denna figur visas löslighetskurvan och metastabil zonbredd för kaliumaluminiumsulfat. Medan löslighetskurvan är termodynamiskt fixerad för ett bestämt lösningsmedel-lösningssystem, är MSZW ett kinetiskt gränsvärde och kan ändras beroende på processparametrar som kylningshastighet, omrörning eller skala. Karakterisering av MSZW under olika processförhållanden kan hjälpa vetenskapsmän att förstå hur en kristallisationsprocess kan bete sig vid olika skalor - eller i händelse av en processtörning. Variabilitet hos MSZW under olika förhållanden kan vara ett tecken på att systemet kanske inte beter sig konsekvent vad gäller kärnbildningspunkter och kinetik. Ett sådant resultat kan motivera undersökning av möjligheten att justera processen för att fixera kärnbildningspunkten för varje experiment eller sats.

Dynamiska tillvägagångssätt för fastställande av löslighet, som i detta fall, har ibland begränsad precision eftersom en snabb uppvärmningshastighet innebär att den exakta upplösningspunkten kan överskattas. Statiska metoder, som gravimetrisk analys, kan erbjuda högre precision – men är mera tidskrävande och besvärliga att implementera. Många tekniker kan användas för att mäta löslighetskurvor och ny forskning med inriktning på att förutsäga löslighet i olika lösningsmedel uppvisar lovande resultat.

Användning av kristallisationsenheter erbjuder en unik möjlighet att rikta in sig på och kontrollera en optimerad kristallstorlek och formfördelning. Detta kan minska filtrerings- och torktiderna dramatiskt, undvika problem med förvaring, transport och hållbarhet och säkerställa en konsekvent och repeterbar process till lägre kostnad.

Denna granskning av kristallisationslitteratur som följer har koncentrerats till en sammanfattning som tillhandahåller riktlinjer för förståelse och optimering av den komplicerade enhetsdriften vid kristallisation och utfällning.

Denna white paper-serie täcker grundläggande och avancerade strategier för optimering av kristallstorlek och formfördelning.

Upptäck hur bildbaserad processtrendning kan minska kristallisationscykeltiden och förbättra kvaliteten, samtidigt som man bibehåller en enhetlig kristallstorlek och form.