Breite der metastabilen Zone (MSZW) in der Kristallisation

• Einführung in Kristallisation und Fällung
• Übersättigung: Die treibende Kraft der Kristallisation
• Wie man die Kristallgröße misst

Kristallisation wird erreicht, indem die Löslichkeit des Produkts in einer gesättigten Ausgangslösung verringert wird durch:

• Abkühlen
• Zusatz eines Antilösungsmittels
• Verdampfung
• Eine Kombination der oben genannten Methoden

Eine weitere gängige Methode zur Einleitung der Kristallisation ist eine chemische Reaktion, bei der zwei oder mehr Reaktanten gemischt werden, um ein festes Produkt zu bilden, das im Reaktionsgemisch unlöslich ist; ein typisches Beispiel hierfür ist die Reaktion einer Säure mit einer Base zur Bildung eines Salzes.

Die zur Kristallisation des Produkts gewählte Methode kann je nach einer Reihe von Faktoren variieren. So sind beispielsweise Proteinkristalle temperaturempfindlich, wodurch Abkühlen und Verdampfung ausgeschlossen sind und der Zusatz von Antilösungsmittel zur gebräuchlichsten Kristallisationsmethode wird. Bei vielen Kristallisationsprozessen kann Abkühlen vorteilhaft sein, da es reversibel ist; die gesättigte Lösung kann im Falle eines nicht optimalen Betriebs erneut erhitzt werden.

Löslichkeitskurven (Abbildung rechts) werden häufig verwendet, um den Zusammenhang zwischen Löslichkeit, Temperatur und Lösungsmitteltyp darzustellen. Durch das Auftragen von Temperatur gegen Löslichkeit erstellen Wissenschaftler den Rahmen, der zur Entwicklung des gewünschten Kristallisationsprozesses erforderlich ist. Hier ist die Löslichkeit des gegebenen Materials in Lösungsmittel A hoch – das bedeutet, dass pro Masseeinheit Lösungsmittel mehr Material kristallisiert werden kann. Lösungsmittel C hat bei allen Temperaturen eine geringe Löslichkeit, was darauf hindeutet, dass es für dieses Material ein geeignetes Antilösungsmittel sein könnte.

Sobald ein geeignetes Lösungsmittel ausgewählt wurde, wird die Löslichkeitskurve zu einem entscheidenden Hilfsmittel für die Entwicklung eines wirksamen Kristallisationsprozesses. Mit diesen Informationen können die Ausgangskonzentration und die Temperatur oder das Antilösungsmittelverhältnis gewählt, die theoretische Ausbeute berechnet und die ersten wichtigen Entscheidungen darüber getroffen werden, wie die Kristallisation entwickelt werden soll. 

Ein auf Sonden basierendes Instrument, das die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Änderung von Partikelgröße und Partikelanzahl erfasst, während sich Partikel im Prozess befinden, ParticleTrack, kann verwendet werden, um die Löslichkeitskurve und die MSZW (Metastable Zone Width) zu messen, indem der Lösungspunkt (Punkt auf der Löslichkeitskurve) und der Keimbildungspunkt (Punkt auf der MSZW) bei verschiedenen Konzentrationen des gelösten Stoffes präzise identifiziert werden.

In einer Studie von Barrett und Glennon (Trans ICHemE, Bd. 80, 2002, S. 799-805) wird eine ungesättigte Lösung langsam mit konstanter Rate abgekühlt, bis der Keimbildungspunkt von ParticleTrack (Lasentec FBRM) gemessen wird, was einen Punkt auf der MSZW anzeigt. Anschließend wird die Lösung langsam erhitzt, bis der Lösungspunkt gemessen wird, der einen Punkt auf der Löslichkeitskurve anzeigt. Danach wird dem System Lösungsmittel zugesetzt, um die Konzentration zu verringern, und der Vorgang wird wiederholt. Auf diese Weise können die Löslichkeitskurve und die MSZW über einen weiten Temperaturbereich schnell gemessen werden.

In dieser Abbildung sind die Löslichkeitskurve und die metastabile Zonbreite(n) für Kaliumaluminiumsulfat dargestellt. Während die Löslichkeitskurve für ein gegebenes Lösungsmittel-Stoff-System thermodynamisch festgelegt ist, ist die MSZW eine kinetische Grenze und kann sich je nach Prozessparametern wie Abkühlrate, Rühren oder Maßstab ändern. Die Charakterisierung der MSZW unter verschiedenen Prozessbedingungen kann Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie sich ein Kristallisationsprozess bei unterschiedlichen Maßstäben – oder im Falle einer Prozessstörung – verhalten kann. Schwankungen der MSZW unter unterschiedlichen Bedingungen können darauf hindeuten, dass sich das System in Bezug auf den Keimbildungspunkt und die Kinetik nicht konsistent verhält. Ein solches Ergebnis kann die Untersuchung der Möglichkeit rechtfertigen, den Prozess zu impfen, um den Keimbildungspunkt für jedes Experiment oder jede Charge festzulegen.

Dynamische Ansätze zur Bestimmung der Löslichkeit, wie dieser hier, sind in ihrer Genauigkeit mitunter eingeschränkt, da eine schnelle Erwärmungsrate bedeutet, dass der genaue Lösungspunkt überschätzt werden kann. Statische Methoden wie die gravimetrische Analyse bieten möglicherweise mehr Genauigkeit – sind jedoch zeitaufwendiger und umständlicher umzusetzen. Es können viele Techniken zur Messung von Löslichkeitskurven verwendet werden, und aktuelle Forschung zur Vorhersage der Löslichkeit in verschiedenen Lösungsmitteln zeigt vielversprechende Ergebnisse.

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