L'impatto della miscelazione sulla 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 modifica della scala o delle condizioni di miscelazione in un cristallizzatore può influire direttamente sulla cinetica del processo di cristallizzazione e sulla dimensione finale del cristallo. Gli effetti del trasferimento di calore e di massa sono importanti da considerare rispettivamente per i sistemi di raffreddamento e anti-solvente, dove i gradienti di temperatura o concentrazione possono produrre disomogeneità nel livello prevalente di sovrasaturazione. Ciò si traduce spesso in sacche di sovrasaturazione molto elevata vicino alle pareti del recipiente per una cristallizzazione di raffreddamento, o nel punto di aggiunta per cristallizzazioni anti-solvente (e anche reattive).

Sacche di elevata sovrasaturazione possono causare nucleazione e tassi di crescita molto elevati in alcune regioni di un cristallizzatore su larga scala, il che significa che la distribuzione finale delle dimensioni dei cristalli potrebbe variare notevolmente da quella ottenuta in un ambiente meglio miscelato in laboratorio durante lo sviluppo. Come si vede nel grafico a destra, il passaggio da un reattore da 500 mL a un reattore da 2 L per lo stesso processo di cristallizzazione provoca eventi di nucleazione inaspettati caratterizzati da ParticleTrack. Inoltre, il numero di multe generate in tutto il lotto è significativamente più alto.

L'effetto dell'accumulo di sovrasaturazione locale sulla cristallizzazione è mostrato qui, dove la ripetibilità del punto di nucleazione per una cristallizzazione non seminata è mostrata per un sistema di cristallizzazione anti-solvente. Per questo processo (a destra), quando l'anti-solvente viene aggiunto sopra la superficie del liquido e vicino alla parete del reattore, specialmente a velocità di aggiunta più elevate, il punto di nucleazione è estremamente incoerente, con ampie barre di errore mostrate per questi esperimenti che sono stati condotti in triplice copia (D. O'Grady, M. Barrett, E. Casey e B. Glennon). (2007) L'effetto della miscelazione sulla larghezza della zona metastabile e sulla cinetica di nucleazione nella cristallizzazione anti-solvente dell'acido benzoico. Ricerca e progettazione di ingegneria chimica, 85, 945 – 952). Inoltre, quando si aggiunge l'anti-solvente sopra la superficie e sulla parete del cristallizzatore, la nucleazione avviene sempre prima, a concentrazioni di anti-solvente più basse. La ragione di questi due risultati preoccupanti è che quando l'anti-solvente viene aggiunto vicino alla parete, le condizioni di miscelazione nel cristallizzatore rendono difficile l'incorporazione dell'anti-solvente e la sovrasaturazione si accumula nel punto di alimentazione. 

La ragione di questa drammatica disparità di consistenza è dovuta al modo in cui l'anti-solvente è incorporato nel recipiente. Questo video (a sinistra) mostra esperimenti di traccianti di fluidodinamica computazionale (CFD), per entrambe le posizioni di addizione mostrate sopra (centro e parete). Quando l'anti-solvente viene aggiunto sopra la superficie e vicino al muro, è difficile incorporare efficacemente il liquido nella soluzione sfusa. Quando l'anti-solvente viene aggiunto più vicino alla girante, l'incorporazione dell'anti-solvente avviene immediatamente. Per questo sistema di cristallizzazione, questa differenza nell'incorporazione dell'anti-solvente - e la differenza associata nell'omogeneità della sovrasaturazione attraverso il recipiente - provoca differenze significative nella nucleazione e nella consistenza del processo di cristallizzazione.

Oltre agli effetti del trasferimento di massa, la velocità di taglio in un cristallizzatore può avere un impatto fisico sui cristalli attraverso la rottura. La rottura dei cristalli è una funzione della concentrazione di solidi nel sistema e della velocità di taglio. Al variare delle condizioni di scala e di miscelazione, la concentrazione dei solidi e i gradienti della velocità di taglio possono diventare importanti, il che significa che potrebbero verificarsi più o meno rotture man mano che un processo di cristallizzazione viene scalato. In questo esempio (a destra), le distribuzioni della lunghezza della corda acquisite utilizzando la  tecnologia FBRM (ParticleTrack) per un processo di cristallizzazione continua, sono mostrate per tre diverse intensità di agitazione (E. Kougoulos, A.G. Jones, and M.W. Wood-Kaczmar (2005) Estimation of Crystallization Kinetics for an Organic Fine Chemical Using a Modified Continuous Cooling Mixed Suspension Mixed Product Removal (MSMPR) Crystallizer, Journal of Crystal Growth, Volume 273, numeri 3 – 4, 3 gennaio 2005, pagine 520 – 528).  All'aumentare dell'agitazione e della velocità di taglio associata, le distribuzioni si spostano a sinistra con un aumento del numero di cristalli fini, indicando la rottura dei cristalli. Questo risultato è comune.  Tuttavia, tale comportamento è difficile da prevedere al variare del volume, poiché l'intensità dell'agitazione non è un parametro scalabile. 

Questo documento illustra le tecniche comuni di analisi granulometrica e il modo in cui vengono utilizzate per la somministrazione di particelle di alta qualità. Gli esempi includono l'uso di analizzatori granulometrici offline in combinazione con strumenti di caratterizzazione delle particelle in-process per ottimizzare i processi. 

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