Les cinétiques de cristallisation sont caractérisées en termes de deux processus dominants, la cinétique de nucléation et la cinétique de croissance, se produisant lors de la cristallisation à partir d’une solution.
Les équations qui régissent la croissance cristalline et de la nucléation, également décrites dans (J. Nývlt (1968) Kinetics of Nucleation in Solutions. Journal of Crystal Growth, 3 – 4, 377 – 383), montrent que la surface de la bouillie cristalline joue un rôle important dans la détermination de la nucléation et de la cinétique de croissance des cristaux. Au début d’un processus de cristallisation, la surface des cristaux présents dans la boue est faible – ce qui signifie que la nucléation peut dominer la croissance, indépendamment d’autres facteurs cinétiques. Au fur et à mesure que la cristallisation progresse, la surface augmente et il est possible que la cinétique de croissance devienne plus favorable. Lorsqu’un taux de refroidissement linéaire est appliqué (comme indiqué à droite) à un processus de cristallisation, il est possible que la sursaturation s’accumule initialement lorsqu’il n’y a pas de surface disponible pour la croissance. Cette accumulation conduit à une cinétique de cristallisation rapide et souvent imprévisible – avec une nucléation souvent dominante.
Une technique astucieuse pour favoriser la croissance est de refroidir très lentement au début, lorsque la surface est limitée (comme indiqué à droite). Cela maintient la sursaturation faible et permet à la croissance de dominer. Après un certain temps, lorsque la surface a augmenté, le taux de refroidissement peut être augmenté, réduisant ainsi le temps de traitement par lots, tout en favorisant la croissance. Cette technique permet de trouver le bon équilibre entre le contrôle de la sursaturation et une nucléation excessive, tout en évitant des temps de traitement par lots très longs (P. Barrett, B. Smith, J. Worlitschek, V. Bracken, B. O’Sullivan et D. O’Grady 2005) Examen de l’utilisation de la technologie analytique des procédés pour comprendre et optimiser les processus de cristallisation par lots en production. Organic Process Research & Development, 9(3), 348 – 355). Un inconvénient de cette approche est que la mise en œuvre d’un refroidissement non linéaire ou d’un profil d’addition anti-solvant dans l’usine peut être difficile et ajoute de la complexité à un processus. Cependant, le succès peut encore être atteint en utilisant un petit nombre de rampes linéaires, qui atteignent un résultat similaire.
La valeur de l’implémentation de vitesses de refroidissement non linéaires pour maintenir une sursaturation constante au cours d’un processus a été prouvée par la mise en œuvre d’une boucle de contrôle qui ajuste la température du processus afin de maintenir une sursaturation constante. Un tel résultat a été décrit dans V. Liotta et V. Sabesan (2004), Monitoring and Feedback Control of Supersaturation Using ATR-FTIR to Produce an Active Pharmaceutical Ingredient of a Desired Crystal Size. Organic Process Research & Development, 8(3), 488 – 494. Copyright (2004) American Chemical Society, où un algorithme de contrôle est utilisé pour effectuer un processus de cristallisation à sursaturation constante (montré à gauche). Dans cet exemple, la sursaturation est surveillée à l’aide de la surveillance FTIR in situ et le profil de température qui en résulte est non linéaire : lent au début et rapide vers la fin.
Cet article traite des techniques courantes d’analyse de la taille des particules et de la façon dont elles sont utilisées pour fournir des particules de haute qualité. Des exemples incluent l’utilisation d’analyseurs de taille de particules hors ligne en combinaison avec des outils de caractérisation de particules en cours de procédé pour optimiser les procédés.
Les opérations des unités de cristallisation offrent l’opportunité unique de cibler et de contrôler une distribution optimisée de la taille et de la forme des cristaux pour :
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.
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.
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.
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.
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.
La cristallisation du lactose est une pratique industrielle visant à séparer le lactose des solutions de lactosérum par cristallisation contrôlée.
La cristallisation des protéines est l'acte et la méthode de création de réseaux structurés et ordonnés pour des macromolécules souvent complexes.
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.
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.
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.
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.
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.
