Kristalizacija in padavine

Kristalizacija se dotika vseh vidikov našega življenja, od hrane, ki jo jemo, in zdravil, ki jih jemljemo, do goriv, ki jih uporabljamo za napajanje naših skupnosti.

• Večina agrokemičnih in farmacevtskih izdelkov gre skozi številne kristalizacijske korake med razvojem in proizvodnjo.
• V živilski industriji se sestavine, kot sta laktoza in lizin, kot kristali dobavljajo ljudem in živalim za uživanje.
• Glavna varnostna skrb za petrokemično industrijo je neželena kristalizacija plinskih hidratov v globokomorskih cevovodih.

Zato morajo znanstveniki in inženirji v različnih panogah po vsem svetu vsak dan razumeti, optimizirati in nadzorovati procese kristalizacije. Uspešna in učinkovita kristalizacija zagotavlja visoko kakovost in varno proizvodnjo.

Kakovost izdelkov. Kristalizacija je pomembna za kakovost izdelka, saj vpliva na velikost delcev, čistost in donos izdelka. Na primer, v farmacevtski industriji je treba kristalizacijo aktivne farmacevtske sestavine (API) strogo nadzorovati, da ustreza želenim specifikacijam izdelka.

Kakovost procesa. Kristalizacija vpliva tudi na kakovost procesa, kot so sušenje, pretočnost in razširljivost. Na primer, široka porazdelitev velikosti delcev v procesu kristalizacije API lahko povzroči počasno filtracijo in neučinkovito sušenje, kar ustvarja ozko grlo v celotnem proizvodnem procesu.

Medtem ko imajo kristali veliko pomembnih lastnosti, ima porazdelitev velikosti kristalov verjetno največji vpliv na kakovost in učinkovitost končnega izdelka (in procesa, potrebnega za njegovo dostavo). Velikost in oblika kristalov neposredno vplivata na ključne korake v smeri toka od kristalizatorja, pri čemer sta filtracija in sušenje še posebej dovzetni za spremembe teh pomembnih lastnosti. Podobno lahko končna velikost kristalov neposredno vpliva tudi na kakovost končnega izdelka. V farmacevtski spojini sta biološka uporabnost in učinkovitost pogosto povezani z velikostjo delcev, pri čemer so manjši delci pogosto zaželeni zaradi izboljšane topnosti in raztapljanja.

Porazdelitev velikosti kristalov je mogoče optimizirati in nadzorovati s skrbno izbiro pravilnih kristalizacijskih pogojev in procesnih parametrov. Razumevanje, kako procesni parametri vplivajo na ključne transformacije, kot so nukleacija, rast in lom, omogoča znanstvenikom, da razvijejo in izdelajo kristale, ki bodo imeli želene lastnosti in bodo učinkoviti za trženje.

Medtem ko se metoda, izbrana za kristalizacijo izdelka, lahko razlikuje glede na več dejavnikov, obstaja šest skupnih korakov za kristalizacijo. Znanstveniki uporabljajo krivulje topnosti za ustvarjanje okvira za razvoj želenega procesa kristalizacije. Krivulje topnosti prikazujejo temperaturo proti topnosti, da se določijo faktorji za proces kristalizacije. Eden od dejavnikov je izbira ustreznega topila za uporabo v koraku 1 procesa kristalizacije.

Primerno topilo je pomembno, ker kristalizacijo običajno dosežemo z zmanjšanjem topnosti proizvoda v nasičeni izhodni raztopini. Pri izbiri topila nekateri premisleki vključujejo:

• Topnost: Koliko topljenca lahko raztopimo?
• Varnost in vpliv na okolje: Kako praktično je ravnanje s topilom?
• Pristojbine za odstranjevanje: Kako se topilo zavrže?

Poleg topila je temperatura tudi pomemben dejavnik za ugotavljanje, ali bo prišlo do kristalizacije. Obstaja določena temperatura, pri kateri se največja količina proizvoda lahko raztopi v topilu. Ko je ta temperatura dosežena, je raztopina nasičena in iz vroče raztopine se lahko filtrirajo netopne nečistoče.

Kristalizacija se običajno pojavi z zmanjšanjem topnosti topljenca v raztopini z eno ali kombinacijo teh štirih metod. Ko se topnost zmanjša, bo raztopina postala prezasičena. Prenasičenost je gonilna sila kristalne nukleacije in rasti. To je pomemben korak kristalizacije, saj določa dejavnike kristalnega izdelka, kot so porazdelitev velikosti in faza. Izbira metode kristalizacije je odvisna od opreme, ki je na voljo za kristalizacijo, ciljev procesa kristalizacije ter topnosti in stabilnosti topljenca v izbranem topilu.

• Hladilna kristalizacija: Ko se raztopi pri visoki temperaturi, lahko velika količina topljenca sproži kristalizacijo, ko je raztopina podvržena nadzorovanemu hlajenju.
• Dodatek antisolventa: Ko raztopini kontrolno dodamo antisolvent, to zmanjša topnost raztopine in poveča prenasičenost, ki je potrebna za kristalizacijo.
• Izhlapevanje: Kadar topnost ni odvisna od temperature ali sestave topila, je potrebna kristalizacija izhlapevanja. Zelo topna raztopina se segreje do vrelišča in topilo se odstrani z izhlapevanjem. To vodi do kristalizacije. Lastnosti končnega proizvoda se določijo na podlagi hitrosti izhlapevanja.
• Reaktivna (obarjanje): Kadar je proizvod pridobljen s kemično reakcijo, kot je nevtralizacija kisline/baze, lahko pride do kristalizacije z reakcijo ali obarjanjem.

Ko se topnost zmanjša, se doseže točka, kjer kristali jedro in nato rastejo. Točka, kjer pride do kristalne nukleacije, se imenuje metastabilna meja. Prenasičenost je razlika med dejansko koncentracijo in koncentracijo topnosti pri dani temperaturi. Ko je izdelek kristaliziran, nastanejo kristali zelo čistega izdelka in nečistoče ostanejo v raztopini. Procesni parametri, kot je vključitev strategije sejanja, se lahko uporabijo za nadzor prenasičenosti, izboljšanje konsistence serije in optimizacijo nastalega izdelka.

Na podlagi topnosti se izvede ena ali več metod kristalizacije (hlajenje, antisolvent, izhlapevanje ali reaktivna kristalizacija), da se doseže visok donos proizvoda. Za načrtovanje učinkovitih procesov kristalizacije je potreben nadzor nad stopnjo prenasičenosti in razumevanje, skozi kaj gredo kristali mehanizma delcev.

Za večino procesov kristalizacije so trdni, prečiščeni delci želeni izdelek. Kristale je treba ločiti od matične lužnice s filtracijo. Za pridobitev izdelka so zahteve za učinkovit postopek filtracije:

• Kristalna suspenzija za filtriranje
• Vakuumski lovilnik ali tlak, ki se uporablja kot gonilna sila
• Filtrirna oprema, kot so filtrirni papir, porozna plošča in čista bučka

Na koncu se prečiščeni kristalni produkt posuši z atmosfersko ali vakuumsko metodo. Uporabljena metoda bo odvisna od dejavnikov, kot so vrsta topila ter toplotna in mehanska stabilnost API-ja.

Velikost in število delcev ter kemična sestava so pomembni za učinkovito označevanje uspešnega razvoja, prenosa in delovanja procesov v številnih panogah.

V laboratoriju za nadzor kakovosti se uporabljajo tradicionalni analizatorji velikosti delcev brez povezave za natančno merjenje lastnosti delcev; Vendar je treba paziti, da se vzorec pripravi tako, da se omogoči dosledna meritev. Zaradi časovne zakasnitve in možnosti sprememb delcev med vzorčenjem in analizo je tradicionalni pristop analize velikosti delcev zahteven za optimizacijo in izboljšanje procesov.

Medfazni merilni instrumenti ponujajo priložnost za sledenje, kako se velikost, število in sestava delcev spreminjajo neposredno v procesu v realnem času. Z razumevanjem, kako se delci obnašajo od začetka do konca procesa, in s primerjavo sprememb delcev s procesnimi parametri lahko znanstveniki razvijejo globoko razumevanje sistemov delcev. To omogoča ustvarjanje delcev, ki ustrezajo svojemu namenu, in spremljanje procesov, ki jih je treba optimizirati z metodami, ki temeljijo na dokazih, in izvajanje odpravljanja težav med proizvodnjo.

Medprocesno merjenje delcev dopolnjuje tradicionalno analizo velikosti delcev z zagotavljanjem dodatnih informacij o tem, kako se delci dejansko obnašajo naravno v procesu. Če laboratorij za nadzor kakovosti poroča o odstopanju od specifikacije, se lahko za izvedbo analize temeljnega vzroka uporabi medprocesno merjenje delcev. Prav tako lahko medprocesno merjenje delcev napove, kdaj se bo postopek premaknil iz specifikacije, in lahko pomaga ugotoviti, kdaj je treba vzorec vzeti iz postopka za analizo brez povezave in preverjanje kakovosti. Z združevanjem medprocesnega merjenja delcev za razumevanje, optimizacijo in odpravljanje težav s tradicionalno analizo velikosti delcev za nadzor kakovosti lahko znanstveniki razvijejo procese delcev z višjo kakovostjo v krajšem času ob nižjih skupnih stroških.

V tem primeru hitrost hlajenja na koncu serije povzroči sekundarno nukleacijo, kar povzroči nastanek številnih drobnih delcev z analizatorji velikosti delcev. Povečanje hitrosti hlajenja hitreje ustvarja prenasičenost , ki jo porabi nukleacija in ne rast. Natančen nadzor hitrosti hlajenja je ključnega pomena za zagotovitev želene specifikacije porazdelitve velikosti kristalov.

Porazdelitev kristalne velikosti ledu igra ključno vlogo pri okusu in konsistenci sladoleda, saj so kristali, manjši od 50 μm, boljši od kristalov, večjih od 100 μm. Za agrokemikalije je pomembno zagotoviti, da so delci dovolj majhni, da jih je mogoče razpršiti brez blokiranja šob, medtem ko so dovolj veliki, da ne plavajo v sosednja polja.

Čeprav je pogosto izziv nadzorovati porazdelitev velikosti kristalov po lestvicah, obstaja priložnost za razumevanje procesov kristalizacije, da bi zagotovili optimizirano porazdelitev velikosti, donosa in oblike, ki bo zagotovila stroškovno učinkovit proces z najvišjo možno kakovostjo.

S prekrivanjem procesnih pogojev na analizo delcev na kraju samem lahko znanstveniki zlahka razumejo, kako procesni parametri vplivajo na koncentracijo, velikost, obliko in strukturo, da bi hitreje sprejemali boljše odločitve, odpravili procesna tveganja in reševali težave.

Procesni parametri, kot so temperatura, mešanje in hitrost odmerjanja, neposredno vplivajo na kakovost izdelka in procesa sistemov delcev.EasyMax, OptiMax, RC1 in RX-10 zagotavljajo natančen nadzor in beleženje procesnih pogojev za pravi inženiring delcev.

• Vsi procesni podatki se zabeležijo, ne glede na to, ali predprogramirate korake receptov, kot so temperatura ali dozirne rampe, ali med postopkom prilagodite
• Informacije iz orodij procesne analitične tehnologije (PAT), kot so ReactIR,ReactRaman, EasyViewer in/ali ParticleTrack, je mogoče prekriti s trendi procesnih parametrov za hitro in enostavno razumevanje mehanizmov delcev
• Natančna izvedba omogoča kemikom in inženirjem, da samozavestno vodijo nenadzorovane procese

Velikost, oblika in koncentracija delcev so kritični deli informacij na vsaki stopnji ali merilu med procesom kristalizacije in zato ustvarjajo kritične lastnosti kakovosti (CQA). Analizatorji velikosti delcev hitro vizualizirajo in kvantificirajo delce in kritične mehanizme delcev za uspešen razvoj procesa kristalizacije.

• Lastnosti delcev in mehanizmi delcev so ves čas zabeleženi za pregled in analizo, tudi če znanstveniki ne morejo biti v laboratoriju.
• Interoperabilnost med avtomatiziranimi reaktorji ter ParticleTrack in EasyViewer omogoča znanstvenikom, da vzpostavijo povratne nadzorne zanke za velikost delcev ali štejejo nadzorovano hlajenje ali nastavijo stopnje odmerjanja antisolventa, da zmanjšajo neželene populacije delcev, kot so prekomerne globe.
• Intuitiven "čarovnik za začetek eksperimentiranja" vsakemu znanstveniku olajša hitro zbiranje visokokakovostnih podatkov o delcih.

Koncentracija raztopine, prenasičenost in kristalna oblika (polimorf) so pogosto povezani in v veliki meri določajo uspeh razvoja procesa kristalizacije.

ReactIR in ReactRaman sistematično analizirata raztopino in sestavo delcev, da vsakič dosežeta želeno končno točko procesa.

• Sestava raztopine in konfiguracija celic enote delcev se sistematično analizirata, beležita in vizualizirata v realnem času.
• Kombinacija spektroskopskih orodij PAT, kot sta ReactIR in ReactRaman, z avtomatiziranimi reaktorji omogoča znanstvenikom, da naredijo superzasičenost kontrolni parameter; Procesi kristalizacije potekajo na konstantnih ravneh prenasičenosti, da se doseže bolj enakomerna porazdelitev velikosti delcev.
• Integrirana analitika z enim klikom samodejno poišče in prikaže smiselne in lahko razumljive kemijske in strukturne informacije za hitro odločanje na podlagi dokazov.

Nadzor nad kristalizacijo je ključnega pomena pri doseganju pomembnih kakovostnih lastnosti in obstaja veliko število medsebojno delujočih dejavnikov, ki vplivajo na kristalnost, velikost kristalov, porazdelitev velikosti delcev, polimorfizem in še več. Dynochem modeliranje pomaga pri razkrivanju znanosti, ki stoji za kristalizacijami, in omogoča razvoj razumljivega in praktičnega prostora za oblikovanje procesov kristalizacije. Dynochem uporablja podatke analitičnih meritev in situ za modeliranje profilov topnosti/prenasičenosti kot faktorja ključnih spremenljivk, vključno s temperaturo, obremenitvijo semena in hitrostjo hlajenja. Spremenljivke, povezane z metodami, ki se uporabljajo za induciranje kristalizacije, vključno z destilacijo in dodajanjem antisolventa, se hitro modelirajo, da se na primer ugotovi učinek hladilnih profilov na kompromis med čistostjo in donosom izdelka. Ko gre za povečanje kristalizacije (ali zmanjšanje za namene odpravljanja težav), se zdravilo Dynochem uporablja za razumevanje in optimizacijo fizikalno-kemijskih spremenljivk, vključno z mešanjem, hitrostjo mešanja in prenosom toplote ter njihovimi učinki na kristalizacijo. Dynochem modeliranje hitro prepozna ustrezne procesne pogoje, da zagotovi, da so kristalizacije dobro nadzorovane in ponovljive na različnih lestvicah.