Guide sur le développement de la cristallisation
Contrôle des taux d'ajout
Grâce à la cartographie in situ de la sursaturation
La sursaturation est obtenue en réduisant la solubilité du produit dans la solution, généralement par refroidissement ou par ajout d'un antisolvant. La vitesse à laquelle la solution est refroidie ou à laquelle l'antisolvant est ajouté influence directement le degré de sursaturation.
Dans cet exemple, des solutions sous-saturées d'acide benzoïque dans des mélanges éthanol-eau sont préparées et de l'eau est ajoutée à un débit fixe de 0,1 g/s et 0,2 g/s respectivement, à une température fixe de 25 °C. La concentration du liquide est mesurée en temps réel par spectroscopie FTIR in situ. La figure de droite présente la courbe de solubilité de l'acide benzoïque dans des mélanges éthanol-eau, ainsi que les profils de désursaturation pour chaque expérience. Le profil de désursaturation montre que la solution se trouve initialement dans la zone de sous-saturation. Au fur et à mesure de l'ajout d'eau, le processus dépasse la courbe de solubilité pour entrer dans la zone de sursaturation. La concentration du liquide diminue lors de la nucléation cristalline et reste proche de la courbe de solubilité. À la fin de la période d'ajout d'antisolvant, la concentration du liquide chute jusqu'à la courbe de solubilité. Lorsque l'antisolvant est ajouté à un débit plus rapide, le niveau de sursaturation est plus élevé tout au long du processus, en raison d'une accumulation qui ne peut être évacuée assez rapidement par la croissance et la nucléation cristallines.
Optimisation des paramètres de procédé
Pour contrôler la sursaturation et la taille
Dans cette expérience, la modification des paramètres de procédé et de la sursaturation influe à la fois sur la taille et la forme des cristaux. Les images capturées à l'aide de la technologie PVM (ParticleView) à la fin de chaque expérience illustrent ce point (voir à droite). Un débit d'ajout lent donne des plaques allongées, grandes et bien formées, tandis qu'un débit d'ajout rapide produit de fines aiguilles qui s'agglomèrent facilement. Ce résultat montre qu'en modifiant la sursaturation dans un système de cristallisation, il est possible de modifier la taille, la forme et le degré d'agglomération des cristaux. Cela démontre également l'importance de comprendre et de contrôler le niveau de sursaturation présent.
Cet exemple simple illustre un principe essentiel :
- Pour obtenir de gros cristaux, générez la sursaturation lentement
- Pour obtenir de petits cristaux, générez la sursaturation rapidement
Les défis liés à la sursaturation
Pureté et mise à l'échelle
Le contrôle des débits d'ajout d'antisolvant pour réguler la taille des cristaux est un principe bien compris et fondé sur des bases scientifiques solides. Cependant, le développement et l'amélioration efficaces et fondés sur des données probantes des procédés de cristallisation sont plus complexes. Par exemple, la génération d'une sursaturation à un rythme rapide peut entraîner la formation d'impuretés indésirables sous forme de phases huileuses transitoires (a), ou de formes polymorphes indésirables (b). De même, dans le but de générer de gros cristaux, on ne peut pas toujours sacrifier la durée du cycle, ce qui signifie qu'un refroidissement extrêmement lent ou des débits d'ajout d'antisolvant très faibles ne sont pas possibles.
Optimisation de la cristallisation par le contrôle de la sursaturation
Nous présentons ici une méthode qui permet d'utiliser sans étalonnage les spectres ATR-FTIR in situ pour générer et contrôler des trajectoires de sursaturation qualitatives.
Technologies de surveillance, d'optimisation et de contrôle
Les opérations unitaires de cristallisation offrent une occasion unique de cibler, de contrôler et d'optimiser la distribution de la taille et de la forme des cristaux afin de :
- Réduire les temps de filtration et de séchage
- Éviter les problèmes liés au stockage, au transport et à la durée de conservation
- Garantir un processus constant et reproductible à moindre coût
Applications
Applications de l'ajout d'antisolvant sur la sursaturation
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.
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.
Améliorez les expériences de cristallisation grâce à un contrôle précis
Le cristalliseur MSMPR (Mixed Suspension Mixed Product Removal) est un type de cristalliseur utilisé dans les processus industriels pour produire des cristaux de haute pureté.
Le contrôle de la sursaturation optimise la taille et la forme des cristaux
Les cinétiques de cristallisation sont caractérisées par deux processus dominants, la cinétique de nucléation et la cinétique de croissance, qui se produisent lors de la cristallisation à partir d’une solution. La cinétique de nucléation décrit la vitesse de formation d’un noyau stable. La cinétique de croissance définit la vitesse à laquelle un noyau stable croît pour devenir un cristal macroscopique. Les techniques avancées offrent un contrôle de la température permettant de modifier la sursaturation ainsi que la taille et la forme des cristaux.
Surveillance en temps réel pour la modélisation et le contrôle
La cristallisation continue est rendue possible par les progrès de la modélisation des procédés et de la conception des cristalliseurs, qui tirent parti de la capacité à contrôler en temps réel la distribution granulométrique des cristaux en surveillant directement la population cristalline.
Comment l'ajout de solvant permet de contrôler la taille et le nombre de cristaux
Lors d’une cristallisation par anti-solvant, le taux d’ajout du solvant, le point d’ajout et le mélange influencent la sursaturation locale dans un réacteur ou une conduite. Les scientifiques et les ingénieurs modifient la taille et le nombre de cristaux en ajustant les protocoles d’ajout d’anti-solvant ainsi que le niveau de sursaturation.
Générer la sursaturation et déterminer le produit cristallin final
Un procédé de cristallisation par lot bien conçu est un procédé qui peut être transposé avec succès à l’échelle de production, en offrant la distribution granulométrique, le rendement, la forme et la pureté souhaités des cristaux. L’optimisation de la cristallisation par lot exige de maintenir un contrôle adéquat de la température du cristalliseur (ou de la composition du solvant).
Les éléments constitutifs 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 représentant la température en fonction de la solubilité, les scientifiques peuvent créer le cadre nécessaire au développement du procédé de cristallisation souhaité. Une fois qu’un solvant approprié est choisi, la courbe de solubilité devient un outil essentiel pour le développement d’un procédé de cristallisation efficace.
Récupération du lactose avec un rendement élevé et un procédé évolutif
La cristallisation du lactose est une pratique industrielle visant à séparer le lactose des solutions de lactosérum par cristallisation contrôlée.
Créer des réseaux structurés et ordonnés pour des macromolécules complexes
La cristallisation des protéines est l'acte et la méthode de création de réseaux structurés et ordonnés pour des macromolécules souvent complexes.
Détecter et prévenir la séparation des huiles (séparation de phases liquide-liquide)
La séparation de phase liquide-liquide, ou séparation huileuse, est un mécanisme particulaire souvent difficile à détecter qui peut se produire lors des processus de cristallisation.
Optimiser la cristallisation grâce à la mesure en ligne de la taille, de la forme et du nombre de particules
Les technologies de sonde en cours de procédé sont utilisées pour suivre les changements de taille et de forme des particules à pleine concentration, sans aucune dilution ni extraction nécessaire. En suivant en temps réel le rythme et l'ampleur des changements des particules et des cristaux, il est possible d'optimiser les paramètres de procédé appropriés pour les performances de cristallisation.
Comprendre le polymorphisme et l'impact des paramètres de procédé
Le polymorphisme cristallin décrit la capacité d'un même composé chimique à cristalliser selon plusieurs configurations de maille, qui présentent souvent des propriétés physiques différentes.
Le moteur de la cristallisation
La sursaturation se produit lorsqu'une solution contient plus de soluté que ce qui devrait être thermodynamiquement possible, compte tenu des conditions du système. La sursaturation est considérée comme un moteur principal de la cristallisation.
Optimisation des propriétés cristallines et des performances du procédé
La recristallisation est une technique utilisée pour purifier des composés solides en les dissolvant dans un solvant chaud puis en laissant la solution refroidir. Au cours de ce processus, le composé forme des cristaux purs à mesure que le solvant refroidit, tandis que les impuretés sont exclues. Les cristaux sont ensuite collectés, lavés et séchés, ce qui donne un produit solide purifié. La recristallisation est une méthode essentielle pour atteindre des niveaux élevés de pureté dans les composés solides.
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.
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.
Les cinétiques de cristallisation sont caractérisées par deux processus dominants, la cinétique de nucléation et la cinétique de croissance, qui se produisent lors de la cristallisation à partir d’une solution. La cinétique de nucléation décrit la vitesse de formation d’un noyau stable. La cinétique de croissance définit la vitesse à laquelle un noyau stable croît pour devenir un cristal macroscopique. Les techniques avancées offrent un contrôle de la température permettant de modifier la sursaturation ainsi que la taille et la forme des cristaux.
Lors d’une cristallisation par anti-solvant, le taux d’ajout du solvant, le point d’ajout et le mélange influencent la sursaturation locale dans un réacteur ou une conduite. Les scientifiques et les ingénieurs modifient la taille et le nombre de cristaux en ajustant les protocoles d’ajout d’anti-solvant ainsi que le niveau de sursaturation.
Un procédé de cristallisation par lot bien conçu est un procédé qui peut être transposé avec succès à l’échelle de production, en offrant la distribution granulométrique, le rendement, la forme et la pureté souhaités des cristaux. L’optimisation de la cristallisation par lot exige de maintenir un contrôle adéquat de la température du cristalliseur (ou de la composition du solvant).
Les courbes de solubilité sont couramment utilisées pour illustrer la relation entre la solubilité, la température et le type de solvant. En représentant la température en fonction de la solubilité, les scientifiques peuvent créer le cadre nécessaire au développement du procédé de cristallisation souhaité. Une fois qu’un solvant approprié est choisi, la courbe de solubilité devient un outil essentiel pour le développement d’un procédé de cristallisation efficace.
Les technologies de sonde en cours de procédé sont utilisées pour suivre les changements de taille et de forme des particules à pleine concentration, sans aucune dilution ni extraction nécessaire. En suivant en temps réel le rythme et l'ampleur des changements des particules et des cristaux, il est possible d'optimiser les paramètres de procédé appropriés pour les performances de cristallisation.
La recristallisation est une technique utilisée pour purifier des composés solides en les dissolvant dans un solvant chaud puis en laissant la solution refroidir. Au cours de ce processus, le composé forme des cristaux purs à mesure que le solvant refroidit, tandis que les impuretés sont exclues. Les cristaux sont ensuite collectés, lavés et séchés, ce qui donne un produit solide purifié. La recristallisation est une méthode essentielle pour atteindre des niveaux élevés de pureté dans les composés solides.
Publications
Publications sur l'ajout d'antisolvant sur la sursaturation
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Citations
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