Partikelgrößenverteilung

Partikel, einschließlich Kristalle, Tröpfchen und Blasen, sind in der überwiegenden Mehrheit der Herstellungsprozesse und ihrer Endprodukte enthalten. Das gründliche Verständnis und die richtige Kontrolle der Partikelgrößenverteilung ist oft ein kritischer Faktor für die Qualität des Endprodukts und kann die Prozesseffizienz stark beeinflussen.

So hat sich beispielsweise gezeigt, dass die Wirksamkeit von Arzneimitteln zur Behandlung von Lungenerkrankungen stark von der Partikelgröße abhängt. Große Tröpfchen (Abbildung A) geben das Medikament in einer Salbe langsamer ab als kleine Tröpfchen (Abbildung B). Es wurde auch berichtet, dass Partikelprozessanlagen länger brauchen, um in Betrieb zu gehen, und dass es weniger wahrscheinlich ist, dass sie die gewünschten Produktionsraten erreichen, als solche, die Flüssigkeiten oder Gase verarbeiten. Mehrphasensysteme mit Kombinationen aus Partikeln, Tröpfchen und Blasen führen zu zusätzlicher Komplexität und erhöhen die Herausforderung, die Prozesse zu verstehen, zu optimieren und zu steuern, die zu ihrer Herstellung, Modifizierung oder Trennung verwendet werden. Insbesondere die Kristallisation ist ein anspruchsvoller Prozess der Partikelbildung, bei dem die Partikelgröße nach der Isolierung einen dramatischen Einfluss auf alle nachgelagerten Verarbeitungsvorgänge haben kann. Die Trennzeit einer Aufschlämmung (Abbildung C) kann stark verlängert werden, wenn kleine Partikel nebeneinander vorhanden sind (Abbildung D).

Die genaue Offline-Analyse von Partikel- und Tröpfchensystemen hängt von der erfolgreichen Entnahme und Aufbereitung einer repräsentativen Probe aus dem Prozessstrom ab. Dieses Verfahren ist oft komplex, da die meisten Offline-Techniken strenge Beschränkungen für den messbaren Bereich der Partikelkonzentration, -größe und -form auferlegen.

Die Probenvorbereitung kann ein arbeitsintensiver und teurer mehrstufiger Prozess sein, der möglicherweise zu Fehlern führt, die sich auf die endgültigen Daten zur Partikelgrößenverteilung auswirken. Gängige Vorbereitungsmethoden wie Filtrieren, Trocknen, Unterprobenahme, Redispergierung und Verdünnung müssen sorgfältig kontrolliert werden, um Veränderungen an der Probe zu vermeiden.

Veränderte Probenform/-größe aufgrund einer veränderten Partikelumgebung

Diese Schritte zur Probenvorbereitung können die interessierenden Partikel oder Tröpfchen erheblich verändern. Selbst bei größter Sorgfalt und Präzision bei der Probenahme und Probenvorbereitung können sich die tatsächlich analysierten Partikel deutlich von den Partikeln unterscheiden, die ursprünglich im Prozessgefäß vorhanden waren. Zum Beispiel unterscheidet sich das Bild von Mannitolkristallen, das mit Echtzeitmikroskopie aufgenommen wurde (Abbildung A), signifikant von dem, das mit einem Standard-Offline-Lichtmikroskop aufgenommen wurde (Abbildung B). Die Probenahme und Vorbereitung für die Offline-Mikroskopanalyse hat zu erheblichen Brüchen geführt, und empfindliche dendritische Strukturen, die während des Prozesses beobachtet werden, bleiben unentdeckt.

Annehmen einer sphärischen Form

Die Partikelgröße von nicht-sphärischen Partikeln wird oft mit einem äquivalenten Durchmesser angegeben. In den rechten Figuren sind zum Beispiel Partikel mit unterschiedlichen Formen, aber gleichwertigen Volumina dargestellt. Wenn die Partikelgröße auf der Grundlage des Volumens angegeben wird, sind die kugelförmige Probe und die nadelförmige Probe identisch. Das Verhalten und der Durchsatz beim Sieben der beiden Proben können jedoch sehr unterschiedlich sein, da ihre Siebdurchmesser und -formen bei weitem nicht identisch sind. Daher sollte darauf geachtet werden, wie sich die Form auf die Ergebnisse der Partikelgrößenanalyse auswirkt, und, wenn möglich, die Partikelform mit einer Technik wie der EasyViewer-Bildgebung zu bestimmen.

Auswirkungen der Zeitverzögerung

Da die meisten Partikelprozessströme mit einer Feststoffbelastung arbeiten, die viel höher ist als bei herkömmlichen Partikelgrößenanalysatoren, ist eine sorgfältige und zeitaufwändige Probenvorbereitung für die Messung erforderlich. Auch die Messung und Analyse nimmt Zeit in Anspruch, von minimalen Minuten (z.B. durch Lichtstreumethoden) bis hin zu noch längeren (z.B. durch Siebung und Offline-Mikroskopie).

Um kontinuierliche Informationen zu erhalten, müssten die Proben häufig manuell entnommen und on-the-fly analysiert werden. Dieser Ansatz kann auch ein inakzeptables Maß an Risiken mit sich bringen, insbesondere bei Prozessen bei erhöhten Temperaturen und Drücken mit giftigen oder explosiven Schlämmen und Lösungsmitteln. Die unvermeidliche Zeitverzögerung zwischen der Probenahme und dem Erhalt der Ergebnisse mit Offline-Tools macht es schwierig, sie für eine echte Echtzeitmessung zu implementieren, und macht sie ungeeignet für die kontinuierliche Überwachung des Prozesses, da er sich im Laufe der Zeit ändert. Inline-Partikelgrößenanalysatoren sind die empfohlene Alternative.

Partikelgröße, -form und -konzentration sind in jeder Phase und Größenordnung eines Kristallisationsprozesses wichtige Informationen und machen daher kritische Qualitätsattribute (CQA) aus. Partikelgrößenanalysatoren visualisieren und quantifizieren schnell Partikel und kritische Partikelmechanismen für eine erfolgreiche Entwicklung von Kristallisationsprozessen.

• Partikeleigenschaften und Partikelmechanismen werden zur Überprüfung und Analyse jederzeit aufgezeichnet, auch wenn die Wissenschaftler nicht im Labor sein können.
• Die Interoperabilität zwischen automatisierten Reaktoren und ParticleTrack und EasyViewer ermöglicht es Wissenschaftlern, Rückkopplungsregelkreise für die kontrollierte Kühlung der Partikelgröße oder -anzahl einzurichten oder Lösungsmitteldosierraten einzustellen, um unerwünschte Partikelpopulationen, wie z. B. übermäßige Feinanteile, zu minimieren.
• Der intuitive "Start Experiment Wizard" macht es jedem Wissenschaftler leicht, schnell hochwertige Teilchendaten zu sammeln.

ReactIR™ und ReactRaman™ ermöglichen es Wissenschaftlern, katalytische Reaktionstrends und -profile in Echtzeit zu verfolgen und präzise Informationen über Kinetik, Mechanismus, Wege und den Einfluss von Reaktionsvariablen auf die Leistung zu liefern. Mit Hilfe der Molekularspektroskopie messen diese Analysatoren Reaktanden, Reagenzien, katalytische Zwischenprodukte, Produkte und Nebenprodukte, während sie sich während der Reaktion verändern. Datenreiche Experimente mit in-situ-Echtzeit-Tracking dieser Reaktionsspezies beschleunigen die Entwicklung kinetischer Parameter, unterstützen vorgeschlagene Reaktionsmechanismen und katalytische Zyklen und klären den Einfluss von Variablen auf das Reaktionsergebnis auf. ReactIR und ReactRaman verfügen über eine Reihe von Einstechsonden und Durchflusszellen, die den breiten Temperatur- und Druckbereich abdecken, der häufig für katalytische Reaktionsuntersuchungen für Batch- oder kontinuierliche Durchflussreaktionen erforderlich ist. 

EasySampler ist ein vollautomatisches, unbeaufsichtigtes Probenahmesystem, das für die Lieferung hochwertiger, repräsentativer Proben optimiert ist, die für die Partikelcharakterisierung und detaillierte Analyse unerlässlich sind. Sein sondenbasiertes Design ermöglicht die selektive Extraktion der Lösungsphase auch in Gegenwart von Schwebstoffen und gewährleistet eine präzise und nicht kontaminierte Probenahme, die für genaue Kristallisations- und Partikelbildungsstudien entscheidend ist.

Wenn EasySampler in eine Partikeltechnik-Workstation integriert ist, bietet es unschätzbare Einblicke in die Dynamik der Lösungsphase, indem es umfassende Verunreinigungsprofile erstellt, aufzeigt, wie die Übersättigung den Einbau von Verunreinigungen beeinflusst, und die Bestimmung der kinetischen und thermodynamischen Parameter erleichtert, die die Kristallisation steuern. Diese Funktionalität verbessert das Verständnis der Keimbildung, des Wachstums und der Morphologie von Partikeln erheblich, indem sie die Lösungschemie mit den Festphaseneigenschaften korreliert und so die rigorose wissenschaftliche Untersuchung und Prozessoptimierung in der Partikeltechnikforschung unterstützt.