Guide till kristallisationsutveckling
Överväga processskala
Påverkan av blandningsförhållanden
Att ändra skalan eller blandningsförhållandena i en kristallisator kan direkt påverka kristallisationsprocessens kinetik och den slutliga kristallstorleken. Värme- och massöverföringseffekter är viktiga att ta hänsyn till för kyl- respektive antilösningsmedelssystem, där temperatur- eller koncentrationsgradienter kan ge inhomogenitet i den rådande övermättnadsnivån. Detta resulterar ofta i fickor med mycket hög övermättnad nära kärlets väggar för en kylande kristallisation, eller vid tillsatsplatsen för anti-lösningsmedel (och även reaktiva) kristalliseringar.
Jämföra blandning i olika skalor
Fickor med hög övermättnad kan orsaka mycket hög kärnbildning och tillväxthastigheter i vissa regioner av en storskalig kristallisator, vilket innebär att den slutliga kristallstorleksfördelningen kan variera dramatiskt från den som uppnås i en bättre blandad miljö i laboratoriet under utvecklingen. Som framgår av grafen till höger resulterar en förändring från en 500 ml reaktor till en 2 l reaktor för samma kristallisationsprocess i oväntade kärnbildningshändelser som kännetecknas av ParticleTrack. Dessutom är antalet finmaterial som genereras i hela batchen betydligt högre.
Repeterbarhet för kristallisation
Varierande nukleationskinetik
Effekten av lokal övermättnadsuppbyggnad på kristallisation visas här, där repeterbarheten av kärnbildningspunkten för en osådd kristallisation visas för ett anti-lösningsmedelskristallisationssystem. För denna process (till höger), när anti-lösningsmedel tillsätts ovanför vätskeytan och nära reaktorns vägg, särskilt vid högre tillsatshastigheter, är kärnbildningspunkten extremt inkonsekvent, med breda felstaplar som visas för dessa experiment som utfördes i tre exemplar (D. O'Grady, M. Barrett, E. Casey och B. Glennon. (2007) Effekten av blandning på den metastabila zonbredden och kärnbildningskinetiken i anti-lösningsmedelskristallisationen av bensoesyra. Kemiteknisk forskning och design, 85, 945 – 952). Dessutom, när man tillsätter anti-lösningsmedel över ytan och vid kristallisatorns vägg, sker kärnbildning konsekvent tidigare, vid lägre anti-lösningsmedelskoncentrationer. Anledningen till dessa två oroande resultat är att när anti-lösningsmedel tillsätts nära väggen, gör blandningsförhållandena i kristallisatorn det svårt för anti-lösningsmedlet att inkorporeras lätt, och övermättnad byggs upp vid matningsplatsen.
Inkorporering av lösningsmedel
Effekten på kristallisationskinetiken
Anledningen till denna dramatiska skillnad i konsistens beror på hur anti-lösningsmedel inkorporeras i kärlet. Den här videon (till vänster) visar CFD-spårämnesexperiment (Computational Fluid Dynamics), för båda additionsplatserna som visas ovan (mitten och väggen). När antilösningsmedel tillsätts ovanför ytan och nära väggen är det svårt att effektivt införliva vätskan i bulklösningen. När antilösningsmedel tillsätts närmare pumphjulet sker inkorporering av antilösningsmedlet omedelbart. För detta kristallisationssystem orsakar denna skillnad i inkorporering av anti-lösningsmedel - och den associerade skillnaden i homogeniteten av övermättnad genom kärlet - signifikanta skillnader i kärnbildningen och konsistensen i kristallisationsprocessen.
Effekt av blandning på brott
Skjuvhastigheter
Förutom massöverföringseffekter kan skjuvhastigheten i en kristallisator ha en fysisk inverkan på kristallerna genom brott. Kristallbrott är en funktion av koncentrationen av fasta ämnen i systemet samt skjuvhastigheten. I takt med att skalan och blandningsförhållandena förändras kan koncentrationen av fasta ämnen och skjuvhastighetsgradienter bli viktiga, vilket innebär att mer eller mindre brott kan inträffa när en kristallisationsprocess skalas upp. I det här exemplet (till höger) visas ackordlängdsfördelningarna som förvärvats med hjälp av FBRM-teknik (ParticleTrack) för en kontinuerlig kristallisationsprocess för tre olika omrörningsintensiteter (E. Kougoulos, A.G. Jones och 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, Volym 273, nummer 3 – 4, 3 januari 2005, sidorna 520 – 528). När omrörning och den tillhörande skjuvhastigheten ökar, förskjuts fördelningarna åt vänster med en ökning av antalet fina kristaller, vilket indikerar kristallbrott. Det här resultatet är vanligt. Ett sådant beteende är dock svårt att förutsäga när volymen ändras, eftersom omrörningsintensitet inte är en skalbar parameter.
Partikelstorleksanalys för processoptimering
I det här dokumentet diskuteras vanliga tekniker för analys av partikelstorlek och hur de används för att leverera partiklar av hög kvalitet. Exempel på detta är användningen av offline-partikelstorleksanalysatorer i kombination med verktyg för partikelkarakterisering i processen för att optimera processer.
Teknik för att övervaka, optimera och kontrollera
Kristallisationsenhetsoperationer erbjuder en unik möjlighet att rikta in sig på och kontrollera en optimerad kristallstorlek och formfördelning för att:
- Minska filtrerings- och torktider
- Undvik problem med förvaring, transport och hållbarhet
- Säkerställ en konsekvent och repeterbar process till lägre kostnader
Applikationer
Applikationer för att optimera kristallstorlek och form med temperaturkontroll
Optimering av kristallegenskaper och processprestanda
Rekristallisation är en teknik som används för att rena fasta föreningar genom att lösa upp dem i ett hett lösningsmedel och låta lösningen svalna. Under denna process bildar föreningen rena kristaller när lösningsmedlet svalnar, medan föroreningar utesluts. Kristallerna samlas sedan in, tvättas och torkas, vilket resulterar i en renad fast produkt. Omkristallisation är en viktig metod för att uppnå höga renhetsnivåer i fasta föreningar.
Byggnadsstenarna för kristallisation
Det är vanligt att använda löslighetskurvor 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. Så snart som ett lämpligt lösningsmedel har valts, blir löslighetskurvan ett viktigt verktyg för utvecklingen av en effektiv kristallisationsprocess.
Drivkraften för kristallkärnbildning och tillväxt
Forskare och tekniker får kontroll över kristallisationsprocesserna genom att omsorgsfullt justera övermättnadsnivån under processen. Övermättnad är drivkraften för kärnbildning och tillväxt under kristallisationen och styr den slutgiltiga kristallstorleksfördelningen.
Förbättra kristallisationen med inlinemätning av partikelstorlek, form och antal
Sondbaserade teknologier som används medan processen pågår tillämpas för att spåra storleks- och formförändringar för partiklar vid full koncentration utan behov av utspädning eller extraktion. Genom att spåra hastighet och förändringsgrad för partiklar och kristaller i realtid, kan de korrekta processparametrarna för kristallationsprestandan optimeras.
Utforma och optimera seeding-protokollet för förbättrad batchkonsistens
Sådd är ett av de mest kritiska stegen för att optimera kristallisationsbeteendet. Vid utformning av en såddstrategi måste parametrar som fröstorlek, fröbelastning (massa) och frötillsatstemperatur beaktas. Dessa parametrar är i allmänhet optimerade baserat på processkinetik och de önskade slutliga partikelegenskaperna, och måste förbli konsekventa under uppskalning och tekniköverföring.
Detektera och förhindra oljning (fasseparation mellan vätska och vätska)
Vätske-vätskefasseparation, eller oljning ut, är en ofta svår att upptäcka partikelmekanism som kan uppstå under kristallisationsprocesser.
Hur tillsats av lösningsmedel kan kontrollera kristallstorlek och antal
Vid kristallisering av antilösningsmedel påverkar lösningsmedelstillsatshastigheten, tillsatsplatsen och blandningen den lokala övermättnaden i ett kärl eller en rörledning. Forskare och ingenjörer modifierar kristallstorlek och antal genom att justera protokoll för tillsats av antilösningsmedel och nivån av övermättnad.
Övermättnadskontroll optimerar kristallstorlek och form
Kristallisationskinetik karakteriseras i termer av två dominerande processer, kärnbildningskinetik och tillväxtkinetik, som sker under kristallisation från lösning. Kärnbildningskinetik beskriver bildningshastigheten för en stabil kärna. Tillväxtkinetik definierar den hastighet med vilken en stabil kärna växer till en makroskopisk kristall. Avancerade tekniker erbjuder temperaturkontroll för att modifiera övermättnad och kristallstorlek och form.
Uppskalning av omrörning, dosering och kristallisation
Att ändra skalan eller blandningsförhållandena i en kristallisator kan direkt påverka kristallisationsprocessens kinetik och den slutliga kristallstorleken. Värme- och massöverföringseffekter är viktiga att ta hänsyn till för kyl- respektive antilösningsmedelssystem, där temperatur- eller koncentrationsgradienter kan ge inhomogenitet i den rådande övermättnadsnivån.
Förstå polymorfism och inverkan av processparametrar
Kristallpolymorfism beskriver förmågan hos en kemisk förening att kristallisera i konfigurationer med flera enhetsceller, som ofta uppvisar olika fysikaliska egenskaper.
Skapa strukturerade, ordnade gitter för komplexa makromolekyler
Proteinkristallisation är handlingen och metoden för att skapa strukturerade, ordnade gitter för ofta komplexa makromolekyler.
Återvinn laktos med hög avkastning och skalbar process
Laktoskristallisation är en industriell metod för att separera laktos från vasslelösningar via kontrollerad kristallisation.
Generera övermättnad och bestämma den slutliga kristallprodukten
En väldesignad batchkristallisationsprocess är en process som framgångsrikt kan skalas upp till produktionsskala - vilket ger den önskade kristallstorleksfördelningen, utbytet, formen och renheten. Optimering av satskristallisation kräver att man upprätthåller tillräcklig kontroll av kristallisatorns temperatur (eller lösningsmedelssammansättning).
Realtidsövervakning för modellering och styrning
Kontinuerlig kristallisation möjliggörs av framsteg inom processmodellering och kristalliseringsdesign, som utnyttjar förmågan att kontrollera kristallstorleksfördelningen i realtid genom att direkt övervaka kristallpopulationen.
Förbättra kristallisationsexperiment med exakt kontroll
MSMPR-kristallisatorn (Mixed Suspension Mixed Product Removal) är en typ av kristallisatorn som används i industriella processer för att producera kristaller med hög renhet.
Rekristallisation är en teknik som används för att rena fasta föreningar genom att lösa upp dem i ett hett lösningsmedel och låta lösningen svalna. Under denna process bildar föreningen rena kristaller när lösningsmedlet svalnar, medan föroreningar utesluts. Kristallerna samlas sedan in, tvättas och torkas, vilket resulterar i en renad fast produkt. Omkristallisation är en viktig metod för att uppnå höga renhetsnivåer i fasta föreningar.
Det är vanligt att använda löslighetskurvor 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. Så snart som ett lämpligt lösningsmedel har valts, blir löslighetskurvan ett viktigt verktyg för utvecklingen av en effektiv kristallisationsprocess.
Sondbaserade teknologier som används medan processen pågår tillämpas för att spåra storleks- och formförändringar för partiklar vid full koncentration utan behov av utspädning eller extraktion. Genom att spåra hastighet och förändringsgrad för partiklar och kristaller i realtid, kan de korrekta processparametrarna för kristallationsprestandan optimeras.
Sådd är ett av de mest kritiska stegen för att optimera kristallisationsbeteendet. Vid utformning av en såddstrategi måste parametrar som fröstorlek, fröbelastning (massa) och frötillsatstemperatur beaktas. Dessa parametrar är i allmänhet optimerade baserat på processkinetik och de önskade slutliga partikelegenskaperna, och måste förbli konsekventa under uppskalning och tekniköverföring.
Vid kristallisering av antilösningsmedel påverkar lösningsmedelstillsatshastigheten, tillsatsplatsen och blandningen den lokala övermättnaden i ett kärl eller en rörledning. Forskare och ingenjörer modifierar kristallstorlek och antal genom att justera protokoll för tillsats av antilösningsmedel och nivån av övermättnad.
Kristallisationskinetik karakteriseras i termer av två dominerande processer, kärnbildningskinetik och tillväxtkinetik, som sker under kristallisation från lösning. Kärnbildningskinetik beskriver bildningshastigheten för en stabil kärna. Tillväxtkinetik definierar den hastighet med vilken en stabil kärna växer till en makroskopisk kristall. Avancerade tekniker erbjuder temperaturkontroll för att modifiera övermättnad och kristallstorlek och form.
Att ändra skalan eller blandningsförhållandena i en kristallisator kan direkt påverka kristallisationsprocessens kinetik och den slutliga kristallstorleken. Värme- och massöverföringseffekter är viktiga att ta hänsyn till för kyl- respektive antilösningsmedelssystem, där temperatur- eller koncentrationsgradienter kan ge inhomogenitet i den rådande övermättnadsnivån.
En väldesignad batchkristallisationsprocess är en process som framgångsrikt kan skalas upp till produktionsskala - vilket ger den önskade kristallstorleksfördelningen, utbytet, formen och renheten. Optimering av satskristallisation kräver att man upprätthåller tillräcklig kontroll av kristallisatorns temperatur (eller lösningsmedelssammansättning).
Trycksaker
Publikationer om kristallisationstemperaturkontroll
Vitböcker
Dynamiska mekanismer som är viktiga för att förstå kristalliseringsprocesser kan nu observeras med mikroskopi in situ. Ett White Paper förklarar hur l...
This white paper introduces you to the fundamentals of crystallization process development and provides guidance for the design of a high quality crys...
I detta white paper behandlas strategier för att optimera fördelning av kristallstorlek under processutveckling och tillverkning.
Industriell kristallisering är ett viktigt separations och reningssteg i kemiindustrin. Detta white paper visar hur inbyggd partikelteknik används för...
Sådd är ett viktigt steg för att optimera en kristallisationsprocess, vilket säkerställer en konsekvent filtreringshastighet, avkastning, polymorf for...
Scale-up of crystallization is notoriously complicated and companies are under pressure to develop scalable crystallization processes faster - at lowe...
This white paper demonstrates the methodology chemists use to optimize critical crystallization parameters such as temperature profile, addition rates...
I det här faktabladet diskuteras analys av partikelstorlek och traditionella offlinemetoder jämförs med nyare tekniker i processen. Processmetoder möj...
Webbinarier
Eric Fang of Snapdragon discusses how continuous flow chemistry is applicable across the entire value chain. Early implementation of continuous flow...
Crystal engineering is applied when the crystal size distribution is too large to meet downstream specifications. By designing the crystallization to...
The quantitative use of in situ ATR-FTIR for real time supersaturation assessment has been extremely well defined within the literature. However, thes...
The webinar focuses on a semi-quantitative method for the optimization and scale-up of hydrodynamically limited anti-solvent crystallization process....
This webinar introduces case studies and highlights best practices used to overcome crystallization and precipitation challenges. The focus will be on...
Citat
Crystallization and precipitation citation list and publications