Studi di semina per la cristallizzazione

• Introduzione alla cristallizzazione e alla precipitazione
  
• Fondamenti: Solubilità e Ampiezza della Zona Metastabile
• Come misurare la dimensione dei cristalli
• Utilizzo di un anti-solvente per la cristallizzazione

La semina è uno dei metodi più semplici utilizzati per controllare la sovrasaturazione.  Durante la semina, una piccola massa di cristalli viene aggiunta a una sovrasaturazione al fine di:

• Avviare la cristallizzazione al livello di sovrasaturazione desiderato
• Fornire una superficie sufficiente per garantire che la sovrasaturazione venga consumata in modo controllato

La scelta del corretto carico di semi (massa) e della dimensione del seme può aiutare a produrre un prodotto cristallino finale di una dimensione specifica. Se consideriamo un sistema di cristallizzazione teorica in cui avviene solo la crescita e i cristalli sono sferici, è possibile sviluppare un modello semplice in cui la dimensione finale del cristallo può essere prevista semplicemente in base alla dimensione iniziale del seme e al carico (a destra). Consideriamo il caso in cui seminiamo una cristallizzazione con l'1% di seme. In questo caso, l'1% è semplicemente il rapporto tra la massa del seme e la massa finale del prodotto prevista. Poiché il seme e il prodotto finale hanno densità identiche, è semplice convertire il rapporto di massa nel rapporto di volume. Quindi, il passo logico successivo consiste nel convertire il rapporto di volume nel rapporto di diametro.

Sebbene questo semplice modello sia utile per dimostrare come la dimensione e il carico del seme influenzino la distribuzione finale delle dimensioni dei cristalli, le ipotesi non sono comunemente osservate nei sistemi reali. I cristalli sono raramente sferici, il che significa che sono necessari modelli più complessi per prevedere le dimensioni degli aghi. I processi di cristallizzazione sono raramente, se non mai, completamente dominati dalla crescita.  Un certo grado di nucleazione e attrito si verifica quasi sempre al fine di sviluppare un'efficace cristallizzazione seminata. Come dimostra questo esempio, la microscopia in tempo reale offre un'opportunità unica per comprendere meglio gli eventi di seeding.  Nelle immagini a destra, il processo di semina viene osservato direttamente durante una cristallizzazione organica utilizzando la microscopia in tempo reale. Dopo che i cristalli del seme sono stati aggiunti alla soluzione supersatura (a), diventa evidente che la nucleazione superficiale sui cristalli del seme avviene (b). Nel tempo, la crescita dendritica si verifica con piccoli "rami" cristallini che crescono ortogonalmente dal cristallo del seme (c). Dopo trenta minuti, è presente una distribuzione bimodale delle dimensioni e della forma, indicando che il prodotto cristallino finale potrebbe filtrare e asciugarsi male (d).

La conoscenza del processo può essere facilmente ottenuta visualizzando i meccanismi di semina durante lo sviluppo della cristallizzazione.

Il livello di supersaturazione al quale verrà aggiunto il seme è un'altra variabile critica da considerare quando si progetta un processo di cristallizzazione seminato. In una cristallizzazione di raffreddamento, questo potrebbe essere indicato come "temperatura di semina", ma in realtà è il livello di sovrasaturazione che viene considerato. La semina ad alti livelli di sovrasaturazione può provocare un'eccessiva nucleazione secondaria, rendendo ridondante il processo di semina stesso, a meno che l'obiettivo non sia una distribuzione fine delle dimensioni dei cristalli. Se si desidera la crescita dei cristalli, la semina più vicina alla curva di solubilità, a una sovrasaturazione inferiore, può essere una scelta saggia. Questo approccio è mostrato nel grafico a destra, dove tre processi di cristallizzazione vengono confrontati utilizzando ParticleTrack con la tecnologia FBRM a tre diverse temperature di semina. Confrontando il numero di particelle compreso tra 0 μm e 10 μm per ciascuna cristallizzazione, è possibile confrontare i tassi di nucleazione relativi a diverse temperature di semina. La temperatura di semina più bassa (sovrasaturazione più alta) si traduce nel più alto grado di nucleazione e cristalli fini alla fine del processo. 

Durante la semina, un altro fattore importante da considerare è che durante la preparazione e la conservazione, i cristalli di semi possono aderire e formare aggregati. Spesso, è necessaria una presa isotermica dopo la semina per garantire che i cristalli del seme siano in grado di disperdersi completamente e che l'intera superficie sia disponibile per il progresso della cristallizzazione. Una tale presa isotermica può anche aiutare i cristalli dei semi a crescere, aumentando la superficie disponibile per la crescita. Nell'esempio a destra, una tendenza del processo ParticleTrack che descrive un processo di cristallizzazione in cui i semi impiegano quattro ore per disperdersi completamente. Questo esempio, insieme agli altri forniti sopra, indica che un'attenta caratterizzazione del processo di semina, in termini di una serie di variabili critiche del processo, è vitale per garantire la coerenza e la qualità del prodotto.

Sebbene la cristallizzazione sia migliorata nel corso degli anni, la fase di semina presenta ancora delle sfide. Questo articolo esamina come progettare una strategia di seeding e quali parametri dovrebbero essere considerati quando si implementa un protocollo di seeing.  

Le operazioni dell'unità di cristallizzazione offrono l'opportunità unica di mirare e controllare una distribuzione ottimizzata delle dimensioni e della forma dei cristalli per:

• Ridurre i tempi di filtrazione e asciugatura
• Evita problemi di stoccaggio, trasporto e durata di conservazione
• Garantisci un processo coerente e ripetibile a costi inferiori