Optimierung und Prozessdesign der Chargenkristallisation

Die Chargenkristallisation ist ein Verfahren aus der Verfahrenstechnik und der Produktion, bei dem aus einer flüssigen Lösung feste Kristalle erzeugt werden. Dabei wird die Lösung erhitzt, bis sie übersättigt ist, das heißt, sie enthält mehr gelösten Stoff, als sie bei dieser Temperatur halten kann. Beim Abkühlen der Lösung beginnt der überschüssige gelöste Stoff aus der Lösung auszukristallisieren und feste Kristalle zu bilden. Dieses Verfahren wird typischerweise in Chargen durchgeführt, wobei die Kristalle von der verbleibenden Lösung getrennt und getrocknet werden, bevor die nächste Charge gestartet wird. Die Chargenkristallisation wird zur Herstellung einer breiten Palette von Produkten eingesetzt, darunter Arzneimittel, Lebensmittelzusatzstoffe und Industriechemikalien.

Im Allgemeinen können Batch-Kristallisatoren entweder als kontinuierliche oder als Batch-Kristallisatoren klassifiziert werden. Ein Batch-Kristallisator ist ein Kristallisationsbehälter, bei dem eine feste Menge an gelösten Stoffen in den Behälter gegeben wird, gefolgt vom Kristallisationsprozess, bis das gewünschte Kristallprodukt erhalten wird. Im Gegensatz zu einem kontinuierlichen Kristallisator werden gelöste Stoffe nicht kontinuierlich zugegeben, und Kristallprodukte werden nicht kontinuierlich entfernt. Darüber hinaus sind Batch-Kristallisatoren nicht so gleichmäßig durchmischt, und Temperatur- und Konzentrationsbedingungen können sich während des Kristallisationsprozesses ändern. 

Kontinuierliche Kristallisationsanordnungen sind in der Regel kleiner und ermöglichen die nahtlose Zugabe von gelösten Stoffen und Lösungsmitteln, während das Kristallprodukt ohne Unterbrechung kontinuierlich ausströmen kann. Kontinuierliche Kristallisationsprozesse bieten die einzigartige Möglichkeit, höhere gelöste Stoffkonzentrationen zu verarbeiten, sowie eine effizientere Kristallisation aufgrund ihrer überlegenen Wärmeübertragungseigenschaften im Vergleich zu Batch-Kristallisatoren. Auf diese Weise gilt ein kontinuierlicher Kristallisator als ein Werkzeug zur Unterstützung der strömungsinduzierten Kristallisation.

Ein gut ausgelegter Batch-Kristallisationsprozess ist ein Prozess, der erfolgreich auf Produktionsmaßstab skaliert werden kann – und die gewünschte Kristallgrößenverteilung, Ausbeute, Form und Reinheit liefert.

Die Aufrechterhaltung einer ausreichenden Kontrolle der Kristallisatortemperatur (oder der Lösungsmittelzusammensetzung) ist die grundlegendste Voraussetzung für die erfolgreiche Optimierung der Batch-Kristallisation. Synthese-Arbeitsstationen in Kombination mit FBRM- und PVM Kristallüberwachung gewährleisten ein klares Verständnis dafür, wie sich Änderungen grundlegender Prozessvariablen direkt auf das Kristallprodukt auswirken. Eine fortgeschrittenere Prozessentwicklung, einschließlich Impfung und Partikeldesign, wird nur dann erfolgreich sein, wenn wir in der Lage sind, diese zugrunde liegenden kritischen Prozessparameter der Kristallisation zu kontrollieren.

Ein noch fortgeschritteneres Design eines optimierten Kristallisationsprozesses geht noch weiter und erfordert ein Verständnis der Prozesskarte (Löslichkeit und Bestimmung der Breite der metastabilen Zone) sowie die Kontrolle der treibenden Kraft (Übersättigung) der Kristallisation.