Comment mesurer la distribution de la taille des cristaux

• Introduction à la cristallisation et à la précipitation
• Notions fondamentales : solubilité et largeur de la zone métastable
• Sursaturation : la force motrice de la cristallisation

L'analyse hors ligne est couramment utilisée pour déterminer la distribution cristalline à la fin d'une expérience ou au cours d'un cycle de production. Bien que cette approche soit courante, l'analyse hors ligne présente des limites qui sont particulièrement pertinentes dans le cas des cristaux :

• Les cristaux sont fragiles et leur composition varie en fonction de la température, ce qui rend l'échantillonnage et l'analyse représentatifs particulièrement difficiles
• De nombreux systèmes cristallins sont toxiques et ne se prêtent pas bien à l’échantillonnage
• Il est difficile de prélever suffisamment d’échantillons hors ligne pour déterminer comment un processus évoluant rapidement, tel que la cristallisation, se comporte au fil du temps.
• Le délai entre l’échantillonnage et l’analyse hors ligne est souvent trop long, en particulier en production, pour permettre de prendre des décisions pertinentes susceptibles d’améliorer la qualité du produit

Cette série d’images ParticleView illustre parfaitement la complexité de la taille, de la forme et de la structure de divers cristaux. Des gros « blocs » ronds aux « dendrites » d’une délicate beauté, les cristaux présentent souvent une grande diversité, ce qui pose des défis pour une séparation efficace et leur traitement en aval.

• Les cristaux de l’image A se filtreront probablement rapidement et de manière homogène. Les gros blocs laisseront suffisamment d’espace pour que le filtrat puisse passer rapidement.
• Les plaques plates comme celles de l’image B peuvent compter parmi les plus difficiles à filtrer. Les plaques ont tendance à s’empiler les unes sur les autres, créant ainsi une couche de cristaux que le filtrat ne peut traverser. Cela entraîne des temps de filtration longs et potentiellement variables, selon la manière dont les cristaux sont évacués du cristallisoir.
• L’image C illustre un autre cas où les temps de filtration peuvent être longs. Les petits cristaux bouchent les interstices laissés par les plus gros cristaux, ce qui rend difficile le passage du filtrat à travers le lit de cristaux. Il s’agit d’un problème courant, car de nombreux procédés de cristallisation sont conçus avec une étape de refroidissement rapide ou d’ajout d’anti-solvant à la fin de la cristallisation (pour augmenter le rendement), ce qui entraîne une nucléation secondaire excessive. De plus, dans de nombreux cas, l’agitation est intensifiée en fin de cuvée pour faciliter l’évacuation, ce qui entraîne la rupture des cristaux.
• L’image D est plus courante qu’on ne le pense, du moins dans les systèmes de cristallisation organique ensemencés. Une structure comme celle-ci serait difficile à observer à l’aide d’un microscope classique, car elle serait écrasée lors de l’échantillonnage et de la préparation. Cependant, ParticleView révèle une magnifique structure dendritique. Une dendrite de ce type se forme souvent lorsque la cristallisation est amorcée avec des germes broyés. Les imperfections à la surface du cristal entraînent une croissance cristalline à partir de ces zones et la formation de longues ramifications cristallines partant d’un noyau de germe. Il est difficile de prédire comment un tel cristal se comportera lors de la filtration, mais il est probable qu’il se brise, ce qui entraînera des temps de filtration variables.

En étudiant les cristaux en temps réel, les scientifiques peuvent acquérir au quotidien une compréhension détaillée et fiable des procédés. ParticleView V19, doté de la technologie PVM, permet aux scientifiques d’observer directement les cristaux et leurs structures au cours du procédé, sans avoir à prélever d’échantillon.

Les mécanismes de cristallisation, tels que la nucléation, la croissance, la rupture et les changements de forme, peuvent être observés dans des conditions de processus en évolution dynamique, ce qui permet de choisir en toute confiance les paramètres de processus les plus adaptés. Une simple tendance basée sur l'image, indiquant l'évolution de la taille, de la forme et du nombre de cristaux, vient compléter les images en temps réel à haute résolution et permet d'identifier et d'étudier immédiatement les événements importants du processus.

• Étudier le nombre de cristaux dans chaque classe de taille – afin d’optimiser les extrémités fines et grossières de la distribution granulométrique
• Identifier la cause première d’un processus de cristallisation peu performant
• Choisir les paramètres de processus appropriés pour une performance de cristallisation optimale en s’appuyant sur des données issues du processus
• Surveiller les processus pour garantir leur répétabilité et leur cohérence
• Établir une corrélation entre les mesures en cours de processus et l’analyse granulométrique hors ligne
• Modéliser l’influence de la taille et du nombre de cristaux sur la qualité du produit et du processus

Une sonde ParticleTrack dotée de la technologie FBRM est immergée dans un système de suspension ou de gouttelettes en écoulement, sans qu’aucune dilution ne soit nécessaire. Un laser focalisé balaye la surface de la fenêtre de la sonde et suit les longueurs de corde individuelles, ce qui permet de mesurer la taille, la forme et le nombre des particules. Cette mesure en temps réel est présentée sous forme de distribution, et les statistiques (par exemple, la moyenne, le nombre) sont représentées sous forme de courbes de tendance dans le temps.

Les opérations unitaires de cristallisation offrent une opportunité unique de cibler et de contrôler la distribution optimale de la taille et de la forme des cristaux. Cela permet de réduire considérablement les temps de filtration et de séchage, d’éviter les problèmes liés au stockage, au transport et à la durée de conservation, et de garantir un processus cohérent et reproductible à moindre coût.

Cette série de livres blancs présente des stratégies de base et avancées visant à optimiser la distribution de la taille et de la forme des cristaux.

Découvrez comment le suivi des tendances des procédés basé sur l'analyse d'images peut réduire la durée des cycles de cristallisation et améliorer la qualité, tout en conservant une taille et une forme de cristaux similaires.

Ce livre blanc aborde les meilleures pratiques en matière de conception d'une stratégie d'ensemencement et les paramètres à prendre en compte lors de la mise en œuvre d'un protocole d'ensemencement. Bien que la compréhension du processus de cristallisation se soit améliorée au cours des trente dernières années, l'étape d'ensemencement continue de poser des défis.