ความสามารถในการละลายและความกว้างของโซน Metastable

• ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับการตกผลึกและการตกตะกอน
• การอิ่มตัวยวดยิ่ง: แรงผลักดันสำคัญสำหรับการตกผลึก
• วิธีการวัดค่าขนาดผลึก

การตกผลึกเกิดขึ้นได้โดยการลดความสามารถในการละลายของผลิตภัณฑ์ในสารละลายที่เริ่มต้นอิ่มตัว โดย:

• การเย็นตัว
• การเติมสารต้านการละลาย
• การระเหย
• การเลือกใช้วิธีการข้างต้นบางวิธีร่วมกัน

วิธีการทั่วไปอื่นที่ใช้ในการทำให้เกิดการตกผลึกคือ ผ่านทางปฏิกิริยาเคมีที่มีสารทำปฏิกิริยาตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปผสมกันเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ชนิดแข็งที่ไม่ละลายในส่วนผสมที่ทำปฏิกิริยา ตัวอย่างทั่วไปของวิธีการนี้อาจเป็นปฏิกิริยาของกรดและด่างเพื่อทำให้เกิดเกลือ

วิธีการที่เลือกใช้เพื่อตกผลึกผลิตภัณฑ์อาจแตกต่างกันไปขึ้นกับจำนวนของตัวประกอบ ตัวอย่างเช่น ผลึกโปรตีนที่ไวต่ออุณหภูมิ เลือกตัดวิธีการเย็นตัวและการระเหยออก และเหลือเพียงวิธีการเติมสารต้านการละลายเนื่องจากเป็นวิธีการตกผลึกที่พบได้ส่วนใหญ่ สำหรับกระบวนการตกผลึกจำนวนมาก การเย็นตัวลงเป็นวิธีการที่มีประโยชน์เนื่องจากเปลี่ยนแปลงย้อนกลับได้ โดยการให้ความร้อนซ้ำแก่สารละลายที่อิ่มตัวในกรณีที่ยังไม่ใช่สภาวะสูงสุด (non-optimal operation)

กราฟความสามารถในการละลาย (ภาพทางขวา) ใช้ทั่วไปเพื่อแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความสามารถในการละลาย อุณหภูมิ และประเภทตัวทำละลาย โดยการพล็อตจุดอุณหภูมิเทียบกับความสามารถในการทำละลาย นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างกรอบการทำงานที่ต้องการในการพัฒนากระบวนการตกผลึกที่ต้องการ ในที่นี้ สารที่มีในตัวทำละลาย A มีความสามารถในการละลายสูง หมายถึงว่าสารสามารถตกผลึกได้มากขึ้นต่อหน่วยมวลของตัวทำละลาย ตัวทำละลาย C มีความสามารถในการละลายต่ำที่อุณหภูมิทั้งหมด หมายความว่าวิธีสารต้านการละลายอาจมีประโยชน์สำหรับสารนี้

เมื่อเลือกตัวทำละลายที่เหมาะสมได้แล้ว กราฟความสามารถในการละลายจะกลายเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการพัฒนากระบวนการตกผลึกที่มีประสิทธิภาพ ด้วยข้อมูลนี้ จึงสามารถเลือกความเข้มข้นและอุณหภูมิเริ่มต้นหรืออัตราสารต้านการละลาย คำนวณผลได้ตามทฤษฎี และสามารถดำเนินการตัดสินใจที่สำคัญแรกเกี่ยวกับวิธีการที่จะพัฒนาการตกผลึก 

เครื่องมือแบบใช้หัววัดที่ติดตามอัตราและระดับของการเปลี่ยนแปลงของขนาดและจำนวนอนุภาคเมื่อมีอนุภาคอยู่ในกระบวนการ ParticleTrack สามารถใช้เพื่อวัดค่ากราฟความสามารถในการละลายและ MSZW (Metastable Zone Width) โดยการระบุจุดละลายอย่างถูกต้อง (จุดบนกราฟความสามารถในการละลาย) และจุดเกิดนิวคลีเอชัน (จุดบน MSZW) ที่ความเข้มข้นตัวถูกละลายแตกต่างกัน

ในการศึกษาโดย Barrett และ Glennon (Trans ICHemE, vol. 80, 2002, pp. 799-805) สารละลายที่ไม่อิ่มตัวถูกทำให้เย็นตัวลงที่อัตราแน่นอนอย่างช้าๆ จนกระทั่งวัดค่าจุดเกิดนิวคลีเอชันได้โดยใช้เครื่อง ParticleTrack (Lasentec FBRM) ซึ่งบ่งบอกจุดบน MSZW จากนั้น สารละลายจะถูกทำให้ร้อนอย่างช้าๆ จนกระทั่งวัดค่าจุดละลายซึ่งบ่งบอกจุดบนกราฟความสามารถในการละลาย แล้วเติมตัวทำละลายลงในระบบเพื่อลดความเข้มข้นและดำเนินกระบวนการซ้ำ ด้วยวิธีการนี้ จึงวัดค่ากราฟความสามารถในการละลายและ MSZW ได้อย่างรวดเร็วตลอดช่วงค่าอุณหภูมิ

ในภาพนี้ กราฟแสดงความสามารถในการละลายและความกว้างของโซน Metastable สำหรับโปแตสเซียมอลูมิเนียมซัลเฟต แม้ว่ากราฟความสามารถในการละลายกำหนดไว้แน่นอนในเชิงเทอร์โมไดนามิกสำหรับระบบตัวทำละลาย-ตัวถูกละลายที่ระบุ MSZW เป็นขอบเขตพลังงานจลน์ และสามารถเปลี่ยนแปลงขึ้นกับพารามิเตอร์กระบวนการ เช่น อัตราการเย็นตัว การเขย่า หรือสเกล การวิเคราะห์ลักษณะ MSZW ภายใต้ช่วงของสภาวะกระบวนการต่างๆ ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจลักษณะที่กระบวนการตกผลึกอาจแสดงที่ระดับสเกลแตกต่างกัน หรือในกรณีของการเปลี่ยนแปลงกระบวนการอย่างสิ้นเชิง ความผันแปรใน MSZW ภายใต้สภาวะที่แตกต่างกันอาจบ่งชี้ว่าระบบไม่ได้ปฏิบัติตัวอย่างสม่ำเสมอในแง่ของจุดเกิดนิวคลีเอชันและพลังงานจลน์ ผลลัพธ์ดังกล่าวอาจแสดงให้เห็นถึงการตรวจสอบความเป็นไปได้ของการเติบโตของกระบวนการเพื่อที่จะแก้ไขจุดนิวคลีเอชันสำหรับทุกการทดลองหรือทุกแบทช์

วิธีการแบบไดนามิกเพื่อการวัดค่าความสามารถในการละลายเช่นในกรณีนี้ บางครั้งอาจมีความถูกต้องจำกัด เนื่องจากอัตราการให้ความร้อนที่รวดเร็วหมายถึงอาจประเมินจุดละลายที่แน่นอนสูงเกินไปได้ วิธีการแบบสแตติก เช่น การวิเคราะห์กราวิเมตริกอาจให้ความถูกต้องมากกว่า แต่ใช้เวลามากกว่าและวิธีการยุ่งยากกว่า เทคนิคหลายๆ อย่างอาจใช้เพื่อวัดค่ากราฟความสามารถในการละลาย และงานวิจัยล่าสุดมุ่งไปที่การทำนายความสามารถในการละลายในตัวทำละลายแตกต่างกัน

การทำงานของชุดการตกผลึกนำเสนอโอกาสที่โดดเด่นในการมุ่งสร้างและควบคุมการกระจายขนาดและรูปทรงผลึกที่ดีที่สุด การดำเนินการดังกล่าวช่วยลดเวลาในการกรองและการทำให้แห้งได้มาก หลีกเลี่ยงปัญหาการจัดเก็บ การขนส่ง และอายุการเก็บรักษา และช่วยให้มั่นใจถึงกระบวนการที่สม่ำเสมอและทำซ้ำได้ที่ต้นทุนต่ำกว่า

บทความรีวิวการตกผลึกนี้ รวบรวมมาเป็นบทสรุปที่ให้แนวทางสำหรับการทำความเข้าใจและการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานที่ท้าทายของการตกผลึกและการตกตะกอน

เอกสารไวท์เปเปอร์ชุดนี้ครอบคลุมถึงกลยุทธ์เบื้องต้นและขั้นสูง เพื่อการกระจายของขนาดและรูปทรงผลึกที่ดีที่สุด

ค้นพบว่าแนวโน้มกระบวนการที่แสดงด้วยภาพช่วยลดเวลาในรอบการตกผลึกได้อย่างไร และช่วยปรับปรุงคุณภาพพร้อมทั้งยังรักษาขนาดและรูปทรงของผลึกให้ใกล้เคียงกันได้อย่างไร