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Qu'est-ce que la cristallisation ?
La cristallisation est le procédé de disposition des atomes ou molécules de façon à former un réseau cristallin rigide et bien défini afin de minimiser leur état énergétique. La plus petite entité du réseau cristallin, appelée cellule unitaire, peut accepter des atomes ou molécules pour permettre la croissance d'un cristal macroscopique. Lors de la cristallisation, les atomes et les molécules s'unissent avec des angles bien définis pour former une forme cristalline caractéristique présentant des surfaces et des facettes lisses. Bien que la cristallisation puisse se produire dans la nature, elle est également largement utilisée dans l'industrie en tant qu'étape de séparation et de purification dans les secteurs pharmaceutique et chimique.
Le choix des conditions de fonctionnement pendant une opération de cristallisation influe directement sur les caractéristiques importantes du produit, telles que la taille, la forme et la pureté des cristaux. Grâce à la compréhension du procédé de cristallisation et au choix des paramètres de procédé adaptés, il est possible de produire de manière répétée des cristaux de taille, de forme et de pureté conformes, tout en minimisant les problèmes rencontrés en aval tels que des durées de filtration longues ou un séchage inadéquat.
Pourquoi la cristallisation est-elle importante ?
La cristallisation touche chaque aspect de notre vie quotidienne, des aliments que nous consommons aux médicaments que nous prenons, jusqu'aux carburants utilisés pour générer de l'énergie. Les produits des industries agrochimiques et pharmaceutiques passent pour la plupart par de nombreuses étapes de cristallisation au cours de leur développement et de leur fabrication. Les principaux ingrédients alimentaires, tels que le lactose et la lysine, sont fabriqués en utilisant la cristallisation. La cristallisation indésirable des hydrates de gaz dans les pipelines situés dans les profondeurs de la mer est une préoccupation majeure de l'industrie pétrochimique en ce qui concerne la sécurité.
Principales définitions de la cristallisation
Cristallisation
La cristallisation est un procédé au cours duquel des cristaux solides sont formés à partir d'une autre phase, généralement une solution liquide ou une fusion.
Cristal
Un cristal est une particule solide dans laquelle les constituants des molécules, d'atomes ou d'ions, sont disposés au sein d'une certaine structure fixe et rigide, avec répétition d'un motif ou d'un réseau tridimensionnel.
Précipitation
La précipitation est un autre mot pour désigner la cristallisation, mais il est souvent utilisé lorsque la cristallisation se produit très rapidement par réaction chimique.
Solubilité
La solubilité est une mesure de la quantité de soluté qui peut être dissoute dans un solvant donné à une température donnée.
Solution saturée
Une quantité de soluté maximale peut être dissoute dans le solvant à une température donnée. À cette température, la solution est saturée et la quantité de soluté dissoute définit la solubilité.
Sursaturation
La sursaturation est la différence entre la concentration réelle et la concentration d'équilibre du soluté à une température donnée.
Types de cristallisation
La cristallisation se produit lorsque la solubilité d'un soluté dans une solution est réduite de quelque manière que ce soit. Méthodes courantes pour réduire la solubilité :
a. Refroidissement
b. Ajout d'antisolvant
c. Évaporation
d. Réaction (précipitation)
Le choix de la méthode de cristallisation dépend des équipements disponibles pour la cristallisation, des objectifs du procédé de cristallisation, ainsi que de la solubilité et de la stabilité dans le solvant choisi.
Défis courants de la cristallisation
La cristallisation se produit par le biais d'une série de mécanismes interdépendants qui sont chacun influencés de façon unique par le choix des paramètres de procédé :
- Nucléation
- Croissance
- Séparation de phase (oiling out)
- Agglomération
- Fragmentation
- Transition polymorphique
Ces mécanismes, qui échappent souvent au regard des scientifiques, jouent un rôle dominant dans la détermination des résultats d'un procédé de cristallisation.
Étapes de la cristallisation
- Choisissez un solvant approprié. Prenez en compte la quantité de soluté à dissoudre (solubilité) et la facilité de manipulation du solvant (sécurité).
- Dissolvez le produit dans le solvant en augmentant la température jusqu'à ce que la dernière molécule de produit disparaisse. À cette température, les impuretés insolubles peuvent être filtrées dans la solution chaude.
- Réduisez la solubilité par le biais du refroidissement, de l'ajout d'antisolvant, de l'évaporation ou d'une réaction. La solution deviendra sursaturée.
- Cristallisez le produit. Comme la solubilité est réduite, un point est atteint où les cristaux nucléent, puis croissent. Des cristaux de produit purs devraient se former et les impuretés devraient rester dans la solution.
- Laissez le système atteindre un équilibre après refroidissement (ou la fin d'une autre méthode de cristallisation).
- Filtrez et séchez le produit purifié.
Comment concevoir un procédé de cristallisation ?
La conception d'un procédé de cristallisation qui fournira des cristaux purs présentant un rendement et une taille optimisés, implique la prise en compte d'importants éléments :
- Choisissez un solvant approprié.
- Criblez les polymorphes stables et indésirables.
- Déterminez les cinétiques de croissance et de nucléation.
- Définissez une stratégie d'ensemencement.
- Optimisez les profils de refroidissement et d'antisolvant.
- Comprenez l'impact du mélange et du pesage.
Publications concernant la cristallisation
Découvrez une sélection de publications concernant la cristallisation ci-dessous :
Une étude phare sur la nucléation de cristaux à partir d'une solution
Jaroslav Nývlt, Kinetics of nucleation in solutions, Journal of Crystal Growth, Volumes 3-4, 1968.
Une excellente étude sur la formation de cristaux à partir d'une solution
Crystal Growth Kinetics, Material Science and Engineering, Volume 65, Issue 1, July 1984.
Une excellente description des raisons pour lesquelles les systèmes soluté-solvant présentent une séparation de phase (« oiling out ») au lieu d'une cristallisation
Kiesow et al., Experimental investigation of oiling out during crystallization process, Journal of Crystal Growth, Volume 310, Issue 18, 2008.
Un examen détaillé des raisons pour lesquelles l'agglomération se produit lors de la cristallisation
Brunsteiner et al., Toward a Molecular Understanding of Crystal Agglomeration, Crystal Growth & Design, 2005, 5 (1), pp 3-16.
Une étude des mécanismes de rupture lors de la cristallisation
Fasoli & Conti, Crystal breakage in a mixed suspension crystallizer, Volume 8, Issue8, 1973, Pages 931-946.
Un excellent aperçu de la conception de procédés de cristallisation efficaces dans l'industrie des produits chimiques de grande valeur
Paul et al., Organic Crystallization Processes, Powder Technology, Volume 150, Issue 2, 2005.
Techniques garantissant la cristallisation du bon polymorphe à chaque fois
Kitamura, Strategies for Control of Crystallization of Polymorphs, CrystEngComm, 2009,11, 949-964.
Paramètres et transformations courants de la cristallisation
Les cristaux présentent de nombreuses caractéristiques, mais c'est la distribution de la taille des cristaux qui a le plus fort impact sur la qualité et l'efficacité du produit final (et du procédé requis pour l'obtenir). La taille et la forme des cristaux influent directement sur les principales étapes en aval de la cristallisation, la filtration et les performances de séchage étant particulièrement sensibles à l'évolution de ces caractéristiques importantes. De la même façon, la taille finale des cristaux peut également influencer de façon directe la qualité du produit final. Dans un composé pharmaceutique, la biodisponibilité et l'efficacité sont souvent liées à la taille des particules : des particules plus petites sont souvent souhaitées pour leurs caractéristiques de solubilité et de dissolution améliorées.
La distribution de taille des cristaux peut être optimisée et contrôlée par le choix minutieux de conditions de cristallisation et de paramètres des procédés appropriés. Comprendre comment les paramètres de procédé influent sur les transformations clés, tels que la nucléation, la croissance et la rupture, permet aux scientifiques de développer et de fabriquer des cristaux qui présentent les caractéristiques souhaitées et l'efficacité requise pour être commercialisés.
Étude de cas : vitesses de refroidissement de la cristallisation
Dans cet exemple, la vitesse de refroidissement à la fin du lot induit une nucléation secondaire (contrôlée par ParticleTrack avec la technologie FBRM), ce qui entraîne la formation d'un grand nombre de particules fines, observées directement et en temps réel à l'aide de ParticleView avec la technologie PVM.
Une augmentation de la vitesse de refroidissement génère une sursaturation plus rapide, qui est consommée par la nucléation plutôt que par la croissance. Un contrôle soigneux de la vitesse de refroidissement est essentiel afin de veiller au respect de la spécification désirée de distribution de taille des cristaux.
La distribution de la taille des cristaux de glace joue un rôle essentiel dans le goût et la consistance de la crème glacée, les cristaux de taille inférieure à 50 μm étant meilleurs que les cristaux de taille supérieure à 100 μm. Pour les produits agrochimiques, il est essentiel de veiller à ce que les particules soient suffisamment petites pour être pulvérisées sans obturer les buses, tout en étant suffisamment grandes pour ne pas dériver vers les champs voisins.
Alors qu'il est souvent difficile de contrôler la distribution de taille des cristaux à diverses échelles, il existe une opportunité de comprendre les procédés de cristallisation afin de déterminer une taille optimisée et une distribution de forme qui garantira un procédé rentable avec la meilleure qualité possible.
Technologies de cristallisation
Les étapes élémentaires de la cristallisation offrent la possibilité unique de cibler et de contrôler la distribution de taille et de forme des cristaux, pour :
- réduire les durées de filtration et de séchage ;
- éviter les problèmes liés au stockage, au transport et à la durée de conservation des produits ;
- garantir des procédés cohérents et reproductibles pour un coût inférieur.
Applications
Guide d'application du développement et de l'extrapolation de la cristallisation
Comprendre le polymorphisme et l'impact des paramètres de procédé
Le polymorphisme est un phénomène courant chez de nombreux solides cristallins dans les secteurs de la chimie fine et de l'industrie pharmaceutique. Les scientifiques cristallisent volontairement un polymorphe souhaité pour améliorer les propriétés d'isolement, surmonter les défis liés aux procédés en aval, augmenter la biodisponibilité ou pour éviter des litiges associés aux brevets. L'identification des transformations morphologiques et polymorphiques in situ et en temps réel permet d'éliminer toute variation inattendue du procédé, les produits non conformes et le retraitement de matériaux coûteux.
Optimisation des propriétés cristallines et des performances de procédé
Les chercheurs recristallisent des composés chimiques onéreux pour obtenir un produit cristallin aux propriétés physiques souhaitées, avec un rendement de procédé optimal. Sept étapes sont requises pour concevoir le procédé de cristallisation idéal, du choix du solvant adapté à l'obtention d'un produit cristallin sec. Ce guide sur la recristallisation explique la procédure de développement d'un procédé de recristallisation, étape par étape. Il détaille les informations requises à chaque étape de recristallisation et explique comment contrôler les paramètres critiques du procédé.
Les composantes essentielles de la cristallisation
Les courbes de solubilité sont couramment utilisées pour illustrer la relation entre la solubilité, la température et le type de solvant. En disposant du tracé de la température en fonction de la solubilité, les scientifiques peuvent créer le cadre nécessaire pour développer le procédé de cristallisation désiré. Une fois qu'un solvant approprié a été choisi, la courbe de solubilité devient un outil essentiel dans le développement d'un procédé de cristallisation efficace.
L'élément moteur pour la nucléation et la croissance des cristaux
Les scientifiques et les ingénieurs prennent le contrôle des procédés de cristallisation en ajustant avec soin le niveau de sursaturation au cours du procédé. La sursaturation est l'élément moteur pour la nucléation et la croissance des cristaux et elle dicte la distribution finale de la taille des cristaux.
Améliorer la cristallisation grâce à la mesure en ligne de la taille, de la forme et du nombre des particules
Des technologies reposant sur l'utilisation d'une sonde en cours de fabrication sont appliquées pour contrôler la taille des particules et les modifications de forme à pleine concentration sans dilution ou extraction nécessaire. En suivant le taux et le degré de modification des particules et des cristaux en temps réel, les paramètres de procédés corrects pour le rendement de la cristallisation peuvent être optimisés.
Conception et optimisation du protocole d'ensemencement pour une plus grande homogénéité des lots
L'ensemencement est l'une des étapes cruciales de l'optimisation du comportement de cristallisation. Lors de la conception de la stratégie d'ensemencement, il faut tenir compte de paramètres tels que la taille des semences, la charge (masse) des semences et la température d'ajout. Ces paramètres sont généralement optimisés en fonction de la cinétique du procédé et des propriétés finales souhaitées des particules ; ils doivent rester constants pendant l'extrapolation et le transfert de technologie.
Control Particle Size With High Shear Wet Milling
Milling of dry powders can cause significant yield losses and can generate dust, creating health and safety hazards. In response to this, wet milling produces particles with a specifically designed size distribution. It is now common to employ high shear wet milling to break large primary crystals and agglomerates into fine particles.
Impact de l'ajout de solvant sur le contrôle de la taille et du nombre de cristaux
Lors d'une cristallisation avec antisolvant, la vitesse d'ajout de solvant, l'emplacement d'ajout et le mélange ont un impact sur la sursaturation dans une cuve ou une canalisation. Les scientifiques et les ingénieurs modifient la taille et le nombre de cristaux en ajustant le protocole d'ajout d'antisolvant et le niveau de sursaturation.
Le contrôle de la sursaturation optimise la taille et la forme des cristaux
Le profil de refroidissement a un impact important sur la sursaturation et la cinétique de cristallisation. La température du procédé est optimisée afin de correspondre à la surface des cristaux, pour une croissance optimale par rapport à la nucléation. Des techniques avancées permettent un contrôle de la température afin de modifier la sursaturation ainsi que la taille et la forme des cristaux.
Intensification de l'agitation, pesage et cristallisation
Le fait de changer d'échelle ou de conditions de mélange dans un malaxeur peut avoir un impact direct sur la cinétique du procédé de cristallisation et sur la taille finale des cristaux. Les effets du transfert de masse et de chaleur sont importants dans la prise en compte des systèmes respectifs de refroidissement et antisolvant, dans lesquels les gradients de température ou de concentration sont susceptibles de produire un manque d'homogénéité du niveau prédominant de sursaturation.
Procédés chimiques durables et robustes pour un transfert rapide vers l'usine pilote et la production
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Étude de la vitesse des réactions chimiques et mesure de la cinétique en ligne
Les études de la cinétique des réactions chimiques in situ permettent de mieux comprendre le mécanisme et le déroulement des réactions en décrivant la dépendance entre les concentrations des composants de réaction en temps réel. Les données obtenues tout au long d'une réaction permettent de calculer des lois gouvernant le taux de réaction grâce à un nombre réduit d'expériences, en raison de la nature exhaustive des données.L'analyse cinétique de la progression de la réaction (RPKA) utilise des données in situ dans des concentrations synthétiquement pertinentes et capture des données tout au long de l'expérience pour veiller à ce que le comportement de réaction complet puisse être décrit avec exactitude.
Le polymorphisme est un phénomène courant chez de nombreux solides cristallins dans les secteurs de la chimie fine et de l'industrie pharmaceutique. Les scientifiques cristallisent volontairement un polymorphe souhaité pour améliorer les propriétés d'isolement, surmonter les défis liés aux procédés en aval, augmenter la biodisponibilité ou pour éviter des litiges associés aux brevets. L'identification des transformations morphologiques et polymorphiques in situ et en temps réel permet d'éliminer toute variation inattendue du procédé, les produits non conformes et le retraitement de matériaux coûteux.
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Les courbes de solubilité sont couramment utilisées pour illustrer la relation entre la solubilité, la température et le type de solvant. En disposant du tracé de la température en fonction de la solubilité, les scientifiques peuvent créer le cadre nécessaire pour développer le procédé de cristallisation désiré. Une fois qu'un solvant approprié a été choisi, la courbe de solubilité devient un outil essentiel dans le développement d'un procédé de cristallisation efficace.
Les scientifiques et les ingénieurs prennent le contrôle des procédés de cristallisation en ajustant avec soin le niveau de sursaturation au cours du procédé. La sursaturation est l'élément moteur pour la nucléation et la croissance des cristaux et elle dicte la distribution finale de la taille des cristaux.
Des technologies reposant sur l'utilisation d'une sonde en cours de fabrication sont appliquées pour contrôler la taille des particules et les modifications de forme à pleine concentration sans dilution ou extraction nécessaire. En suivant le taux et le degré de modification des particules et des cristaux en temps réel, les paramètres de procédés corrects pour le rendement de la cristallisation peuvent être optimisés.
L'ensemencement est l'une des étapes cruciales de l'optimisation du comportement de cristallisation. Lors de la conception de la stratégie d'ensemencement, il faut tenir compte de paramètres tels que la taille des semences, la charge (masse) des semences et la température d'ajout. Ces paramètres sont généralement optimisés en fonction de la cinétique du procédé et des propriétés finales souhaitées des particules ; ils doivent rester constants pendant l'extrapolation et le transfert de technologie.
Milling of dry powders can cause significant yield losses and can generate dust, creating health and safety hazards. In response to this, wet milling produces particles with a specifically designed size distribution. It is now common to employ high shear wet milling to break large primary crystals and agglomerates into fine particles.
Lors d'une cristallisation avec antisolvant, la vitesse d'ajout de solvant, l'emplacement d'ajout et le mélange ont un impact sur la sursaturation dans une cuve ou une canalisation. Les scientifiques et les ingénieurs modifient la taille et le nombre de cristaux en ajustant le protocole d'ajout d'antisolvant et le niveau de sursaturation.
Le profil de refroidissement a un impact important sur la sursaturation et la cinétique de cristallisation. La température du procédé est optimisée afin de correspondre à la surface des cristaux, pour une croissance optimale par rapport à la nucléation. Des techniques avancées permettent un contrôle de la température afin de modifier la sursaturation ainsi que la taille et la forme des cristaux.
Le fait de changer d'échelle ou de conditions de mélange dans un malaxeur peut avoir un impact direct sur la cinétique du procédé de cristallisation et sur la taille finale des cristaux. Les effets du transfert de masse et de chaleur sont importants dans la prise en compte des systèmes respectifs de refroidissement et antisolvant, dans lesquels les gradients de température ou de concentration sont susceptibles de produire un manque d'homogénéité du niveau prédominant de sursaturation.
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