Informatiegids voor kristallisatieontwikkeling
Oververzadiging definiëren
De drijvende kracht
Wetenschappers kunnen kristallisatieprocessen beheersen door het overheersende niveau van oververzadiging tijdens het proces zorgvuldig te regelen. Wanneer een verzadigde oplossing is afgekoeld, komt het systeem in een metastabiele zone terecht waar de oplossing oververzadigd raakt. Dat wil zeggen dat er meer opgeloste stof in de oplossing aanwezig is dan de oplosbaarheidscurve voorspelt. Bij verdere afkoeling wordt een bepaalde temperatuur bereikt waarbij kristalnucleatie optreedt, de metastabiele limiet.
Zodra de metastabiele limiet is bereikt en de kristallisatie start, wordt de oververzadiging verbruikt en komt de concentratie in de vloeistoffase uiteindelijk in evenwicht met de oplosbaarheidscurve.
Waarom in oververzadiging belangrijk?
Omdat oververzadiging de drijvende kracht is voor kristalnucleatie en -groei en de uiteindelijke verdeling van de kristalgrootte zal bepalen, is het cruciaal om het concept van oververzadiging te begrijpen.
Nucleatie is de geboorte van nieuwe kristalkernen, hetzij spontaan vanuit de oplossing (primaire nucleatie) of bij aanwezigheid van bestaande kristallen (secundaire nucleatie). Kristalgroei is de toename in grootte (of beter gezegd, de 'karakteristieke lengte') van kristallen doordat opgeloste stof vanuit de oplossing wordt afgezet. De relatie tussen oververzadiging, nucleatie en groei is gedefinieerd met behulp van een bekende set (enigszins vereenvoudigde) vergelijkingen die werden geïntroduceerd door Nyvlt (Journal of Crystal Growth, deel 3-4, 1968, pagina 377-383).
Kristalnucleatie en -groei
Voor organische kristallisatiesystemen ligt de waarde van de groeiorde (g) typisch tussen 1 en 2, terwijl de waarde van de nucleatieorde (b) typisch tussen 5 en 10 ligt. Als we deze vergelijkingen plotten voor een theoretisch organisch kristallisatieproces, wordt het belang van oververzadiging duidelijk. Bij een lage oververzadiging groeien kristallen sneller dan dat ze nieuwe kernen vormen, wat resulteert in een grotere verdeling van de kristalgrootte. Bij een hogere oververzadiging, daarentegen, domineert de nucleatie ten opzichte van de kristalgrootte, wat uiteindelijk resulteert in kleinere kristallen. De afbeelding rechts, die de relatie tussen nucleatie, groei en kristalgrootte aangeeft, maakt goed duidelijk hoe cruciaal het beheersen van oververzadiging is om kristallen met de gewenste grootte en verdeling te creëren.
Moderne technieken zoals ReactIR, zoals beschreven door Barett et al (Chemical Engineering Research and Design, Volume 88, Issue 8, augustus 2010, pagina 1108-1119), maken het mogelijk om oplosbaarheidssporen snel en eenvoudig te ontwikkelen en het overheersende niveau van oververzadiging gedurende een kristallisatie-experiment continu te bewaken. Hogere koelsnelheden resulteren in nucleatie bij lagere temperaturen en het hoogste niveau van oververzadiging tijdens het proces. Een zeer langzame afkoeling resulteert in een hogere nucleatietemperatuur en een lage oververzadiging tijdens het proces. Bij kubieke afkoeling (langzaam aan het begin en snel aan de einde) gedurende één uur treedt tijdens het gehele proces een middelhoog niveau van oververzadiging op. De invloed van gevarieerde oververzadiging op de verdeling van kristalgrootte en -vorm is goed te zien door de beelden van ParticleView (een sondegebaseerde realtimemicroscoop) voor elk experiment te vergelijken. Een hogere oververzadiging resulteert in kleinere kristallen, aangezien er eerder nucleatie optreedt dan groei.
Casestudy over bewaking en beheersing
Experimentele gegevens hebben ons veel geleerd over de bewaking van oververzadiging en het schatten van de kristallisatiekinetiek. Deze aanpak is ook toegepast om een modelgebaseerde beheersing van kristallisatieprocessen mogelijk te maken.
Technologieën voor bewaking, optimalisatie en controle
Bewerkingen met kristallisatie-eenheden bieden een unieke mogelijkheid om een geoptimaliseerde verdeling van de kristalgrootte en -vorm te verkrijgen en te beheersen. Dat kan de filtratie- en droogtijden drastisch verkorten, problemen met opslag, transport en houdbaarheid helpen voorkomen en zorgen voor een consistent en herhaalbaar proces tegen lagere kosten.
Oververzadiging bewaken en controleren
Deze poster beschrijft het gebruik van een kalibratievrije methode waarbij de temperatuur tijdens kristallisatie door afkoeling automatisch wordt geregeld in een water-IPA-oplosmiddel, om een constant niveau van oververzadiging te handhaven.
Kristallisatie optimaliseren door controle van oververzadiging
Er wordt een methode gepresenteerd die een kalibratievrij gebruik van in situ ATR-FTIR-spectra mogelijk maakt voor de productie en controle van kwalitatieve oververzadigingstrajecten.
Informatiegids voor effectieve procesontwikkeling
Deze serie white papers behandelt elementaire en geavanceerde strategieën om de verdeling van de kristalgrootte en -vorm te optimaliseren
Applicaties
Toepassingen voor de drijvende kracht voor kristalnucleatie en -groei
Understand Polymorphism and the Impact of Process Parameters
Crystal polymorphism describes the ability of one chemical compound to crystallize in multiple unit cell configurations, which often show different physical properties.
Optimalisatie van kristaleigenschappen en procesprestaties
Herkristallisatie zorgt voor kristalproducten met de gewenste fysieke eigenschappen. Hier vindt u alle informatie ende zeven stappen van het ideale herkristallisatieproces.
The Building Blocks of Crystallization
Solubility curves are commonly used to illustrate the relationship between solubility, temperature, and solvent type. By plotting temperature vs. solubility, scientists can create the framework needed to develop the desired crystallization process. Once an appropriate solvent is chosen, the solubility curve becomes a critical tool for the development of an effective crystallization process.
De drijvende kracht voor kristalnucleatie en -groei
Wetenschappers en technici kunnen kristallisatieprocessen beheersen door het niveau van oververzadiging tijdens het proces zorgvuldig aan te passen. Oververzadiging is de drijvende kracht voor kristalnucleatie en -groei en bepaalt de uiteindelijke verdeling van de kristalgrootte.
Improve Crystallization with Inline Particle Size, Shape, and Count Measurement
In-process probe-based technologies are applied to track particle size and shape changes at full concentration with no dilution or extraction necessary. By tracking the rate and degree of change to particles and crystals in real time, the correct process parameters for crystallization performance can be optimized.
Design and Optimize Seeding Protocol for Improved Batch Consistency
Seeding is one of the most critical steps in optimizing crystallization behavior. When designing a seeding strategy, parameters such as seed size, seed loading (mass), and seed addition temperature must be considered. These parameters are generally optimized based on process kinetics and the desired final particle properties, and must remain consistent during scale-up and technology transfer.
Detect and Prevent Oiling Out (Liquid-Liquid Phase Separation)
Liquid-Liquid phase separation, or oiling out, is an often difficult to detect particle mechanism that can occur during crystallization processes.
How Solvent Addition Can Control Crystal Size and Count
In an antisolvent crystallization, the solvent addition rate, addition location and mixing impact local supersaturation in a vessel or pipeline. Scientists and engineers modify crystal size and count by adjusting antisolvent addition protocol and the level of supersaturation.
Supersaturation Control Optimizes Crystal Size and Shape
Crystallization kinetics are characterized in terms of two dominant processes, nucleation kinetics and growth kinetics, occurring during crystallization from solution. Nucleation kinetics describe the rate of formation of a stable nuclei. Growth kinetics define the rate at which a stable nuclei grows to a macroscopic crystal. Advanced techniques offer temperature control to modify supersaturation and crystal size and shape.
Scaling-Up Agitation, Dosing, and Crystallization
Changing the scale or mixing conditions in a crystallizer can directly impact the kinetics of the crystallization process and the final crystal size. Heat and mass transfer effects are important to consider for cooling and antisolvent systems respectively, where temperature or concentration gradients can produce inhomogeneity in the prevailing level of supersaturation.
Create Structured, Ordered Lattices for Complex Macromolecules
Protein crystallization is the act and method of creating structured, ordered lattices for often-complex macromolecules.
Recover Lactose with High Yield and Scalable Process
Lactose crystallization is an industrial practice to separate lactose from whey solutions via controlled crystallization.
Generate Supersaturation and Determine Final Crystal Product
A well-designed batch crystallization process is one that can be scaled successfully to production scale - giving the desired crystal size distribution, yield, form and purity. Batch crystallization optimization requires maintaining adequate control of the crystallizer temperature (or solvent composition).
Real-Time Monitoring for Modeling and Control
Continuous crystallization is made possible by advances in process modeling and crystallizer design, which leverage the ability to control crystal size distribution in real time by directly monitoring the crystal population.
Improve Crystallization Experiments with Precise Control
The MSMPR (Mixed Suspension Mixed Product Removal) crystallizer is a type of crystallizer used in industrial processes to produce high-purity crystals.
Solubility curves are commonly used to illustrate the relationship between solubility, temperature, and solvent type. By plotting temperature vs. solubility, scientists can create the framework needed to develop the desired crystallization process. Once an appropriate solvent is chosen, the solubility curve becomes a critical tool for the development of an effective crystallization process.
In-process probe-based technologies are applied to track particle size and shape changes at full concentration with no dilution or extraction necessary. By tracking the rate and degree of change to particles and crystals in real time, the correct process parameters for crystallization performance can be optimized.
Seeding is one of the most critical steps in optimizing crystallization behavior. When designing a seeding strategy, parameters such as seed size, seed loading (mass), and seed addition temperature must be considered. These parameters are generally optimized based on process kinetics and the desired final particle properties, and must remain consistent during scale-up and technology transfer.
Crystallization kinetics are characterized in terms of two dominant processes, nucleation kinetics and growth kinetics, occurring during crystallization from solution. Nucleation kinetics describe the rate of formation of a stable nuclei. Growth kinetics define the rate at which a stable nuclei grows to a macroscopic crystal. Advanced techniques offer temperature control to modify supersaturation and crystal size and shape.
Changing the scale or mixing conditions in a crystallizer can directly impact the kinetics of the crystallization process and the final crystal size. Heat and mass transfer effects are important to consider for cooling and antisolvent systems respectively, where temperature or concentration gradients can produce inhomogeneity in the prevailing level of supersaturation.
A well-designed batch crystallization process is one that can be scaled successfully to production scale - giving the desired crystal size distribution, yield, form and purity. Batch crystallization optimization requires maintaining adequate control of the crystallizer temperature (or solvent composition).
Publicaties
Publicaties over de drijvende kracht voor kristalnucleatie en -groei
Gerelateerde producten
Technologie voor de drijvende kracht voor kristalnucleatie en -groei
ReactIR
In-situ FTIR spectrometers enable scientists to gain insight into their reactions and processes in a wide range of applications. Optimize reaction variables with inline FTIR instru...
Particle Size Analyzers
Understand, optimize, and control particles and droplets in real time with in-situ particle size analyzers.
Chemical Synthesis Reactors
Increase productivity in your lab with chemical synthesis reactors featuring built-in automation tools.
ReactRaman
ReactRaman enables scientists to measure reaction and process trends in real time, providing highly specific information about kinetics, polymorph transitions, and mechanisms.
Scale‑up Suite
The world’s leading process development and scale-up software for scientists and engineers.