Largeur de la zone métastable en cristallisation (MSZW)

• Introduction à la cristallisation et à la précipitation
• Sursaturation : la force motrice de la cristallisation
• Comment mesurer la taille des cristaux

La cristallisation est obtenue en réduisant la solubilité du produit dans une solution de départ saturée par :

• refroidissement
• ajout d’un antisolvant
• évaporation
• une combinaison de ces méthodes

Une autre méthode couramment utilisée pour induire la cristallisation consiste en une réaction chimique où deux réactifs ou plus sont mélangés pour former un produit solide insoluble dans le milieu réactionnel ; un exemple courant est la réaction d’un acide et d’une base pour former un sel.

La méthode choisie pour cristalliser le produit peut varier en fonction d’un certain nombre de facteurs. Par exemple, les cristaux protéiques sont sensibles à la température, ce qui exclut le refroidissement et l’évaporation et fait de l’ajout d’antisolvant la méthode de cristallisation la plus courante. Pour de nombreux procédés de cristallisation, le refroidissement peut être avantageux car il est réversible ; la solution saturée peut être réchauffée en cas de fonctionnement non optimal.

Les courbes de solubilité (figure à droite) sont couramment utilisées pour illustrer la relation entre la solubilité, la température et le type de solvant. En traçant la température en fonction de la solubilité, les scientifiques créent le cadre nécessaire au développement du procédé de cristallisation souhaité. Ici, la solubilité du matériau donné dans le solvant A est élevée – ce qui signifie qu’une plus grande quantité de matériau peut être cristallisée par unité de masse de solvant. Le solvant C présente une faible solubilité à toutes les températures, ce qui indique qu’il pourrait constituer un antisolvant utile pour ce matériau.

Une fois un solvant approprié choisi, la courbe de solubilité devient un outil essentiel pour le développement d’un procédé de cristallisation efficace. Grâce à ces informations, la concentration et la température de départ ou le rapport d’antisolvant peuvent être choisis, le rendement théorique peut être calculé et les premières décisions importantes concernant la manière dont la cristallisation sera développée peuvent être prises. 

Un instrument à sonde qui suit la vitesse et l'ampleur des variations de la taille et du nombre de particules lorsque des particules sont présentes dans le procédé, ParticleTrack, peut être utilisé pour mesurer la courbe de solubilité et la largeur de zone métastable (MSZW) en identifiant avec précision le point de dissolution (point sur la courbe de solubilité) et le point de nucléation (point sur la MSZW) à différentes concentrations de soluté.

Dans une étude de Barrett et Glennon (Trans ICHemE, vol. 80, 2002, p. 799-805), une solution non saturée est refroidie à une vitesse lente et fixe jusqu'à ce que le point de nucléation soit mesuré par ParticleTrack (Lasentec FBRM), indiquant un point sur la MSZW. Ensuite, la solution est chauffée lentement jusqu'à ce que le point de dissolution soit mesuré, indiquant un point sur la courbe de solubilité. Du solvant est alors ajouté au système pour réduire la concentration, puis le processus est répété. De cette manière, la courbe de solubilité et la MSZW peuvent être mesurées rapidement sur une large plage de températures.

Dans cette figure, la courbe de solubilité et la ou les largeurs de zone métastable pour le sulfate d'aluminium et de potassium sont présentées. Alors que la courbe de solubilité est thermodynamiquement fixée pour un système solvant-soluté donné, la MSZW est une frontière cinétique et peut varier selon des paramètres de procédé tels que la vitesse de refroidissement, l'agitation ou l'échelle. La caractérisation de la MSZW dans un éventail de conditions de procédé peut aider les scientifiques à comprendre comment un procédé de cristallisation peut se comporter à différentes échelles — ou en cas de perturbation du procédé. Une variabilité de la MSZW dans différentes conditions peut indiquer que le système peut ne pas se comporter de manière constante en termes de point de nucléation et de cinétique. Un tel résultat peut justifier d'étudier la possibilité d'ensemencer le procédé afin de fixer le point de nucléation pour chaque expérience ou lot.

Les approches dynamiques de détermination de la solubilité, comme celle-ci, sont parfois limitées dans leur précision, car une vitesse de chauffage rapide peut conduire à surestimer le point exact de dissolution. Les méthodes statiques, telles que l'analyse gravimétrique, peuvent offrir davantage de précision, mais elles sont plus longues et plus lourdes à mettre en œuvre. De nombreuses techniques peuvent être utilisées pour mesurer les courbes de solubilité, et les recherches récentes visant à prédire la solubilité dans différents solvants sont prometteuses.

Les opérations unitaires de cristallisation offrent l'occasion unique de cibler et de contrôler une distribution optimisée de la taille et de la forme des cristaux. Cela peut réduire considérablement les temps de filtration et de séchage, éviter les problèmes de stockage, de transport et de durée de conservation, et garantir un processus cohérent et reproductible à moindre coût.

Cette revue continue de la littérature sur la cristallisation est condensée en un résumé qui fournit des lignes directrices pour comprendre et optimiser les opérations unitaires difficiles que sont la cristallisation et la précipitation.

Cette série de livres blancs couvre des stratégies de base et avancées pour optimiser la distribution de la taille et de la forme des cristaux.

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