Výsevné štúdie na kryštalizáciu

• Predstavujeme kryštalizáciu a zrážanie
  
• Základy: Rozpustnosť a šírka metastabilnej zóny
• Ako zmerať veľkosť kryštálu
• Použitie antirozpúšťadla na kryštalizáciu

Výsev je jednou z najjednoduchších metód používaných na kontrolu presýtenia.  Počas výsevu sa k presýteniu pridá malá hmotnosť kryštálov, aby:

• Spustite kryštalizáciu na požadovanej úrovni presýtenia
• Zabezpečte dostatočnú plochu na zabezpečenie kontrolovanej spotreby presýtenia

Výber správneho zaťaženia osiva (hmotnosti) a veľkosti semien môže pomôcť vytvoriť konečný kryštálový produkt špecifikovanej veľkosti. Ak vezmeme do úvahy teoretický kryštalizačný systém, kde dochádza iba k rastu a kryštály sú guľovité, je možné vyvinúť jednoduchý model, kde je možné predpovedať konečnú veľkosť kryštálov jednoducho na základe počiatočnej veľkosti semena a zaťaženia (vpravo). Zvážte prípad, keď vysievame kryštalizáciu s 1% semenom. V tomto prípade je 1% jednoducho pomer hmotnosti semien k konečnej predpokladanej hmotnosti produktu. Keďže osivo a konečný produkt majú rovnakú hustotu, je jednoduché previesť hmotnostný pomer na objemový pomer. Potom je ďalším logickým krokom prevod pomeru objemu na pomer priemeru.

Aj keď je tento jednoduchý model užitočný na demonštráciu toho, ako veľkosť a zaťaženie semien ovplyvňujú konečnú distribúciu veľkosti kryštálov, predpoklady sa v reálnych systémoch bežne nedodržiavajú. Kryštály sú zriedka sférické, čo znamená, že na predpovedanie veľkosti ihiel sú potrebné zložitejšie modely. Kryštalizačným procesom zriedka, ak vôbec, úplne dominuje rast.  Takmer vždy dochádza k určitému stupňu nukleácie a opotrebovania, aby sa vyvinula účinná kryštalizácia semen. Ako ukazuje tento príklad, mikroskopia v reálnom čase ponúka jedinečnú príležitosť lepšie pochopiť udalosti výsevu.  Na obrázkoch vpravo je proces výsevu pozorovaný priamo počas organickej kryštalizácie pomocou mikroskopie v reálnom čase. Po pridaní kryštálov semien do prenasýteného roztoku (a) je zrejmé, že dochádza k povrchovej nukleácii na kryštáloch semien (b). V priebehu času dochádza k dendritickému rastu s malými kryštálovými "vetvami" rastúcimi ortogonálne zo semenného kryštálu (c). Po tridsiatich minútach je prítomná bimodálna distribúcia veľkosti a tvaru, čo naznačuje, že konečný kryštálový produkt sa môže filtrovať a zle schnúť (d).

Poznatky o procesoch možno ľahko získať vizualizáciou mechanizmov výsevu počas vývoja kryštalizácie.

Úroveň presýtenia, pri ktorej sa semeno pridá, je ďalšou kritickou premennou, ktorú treba zvážiť pri navrhovaní procesu kryštalizácie semen. Pri kryštalizácii chladenia by sa to mohlo označiť ako "teplota výsevu", ale v skutočnosti sa berie do úvahy úroveň presýtenia. Výsev pri vysokých úrovniach presýtenia môže mať za následok nadmernú sekundárnu nukleáciu, čím sa samotný proces výsevu stane nadbytočným, pokiaľ cieľom nie je jemné rozloženie veľkosti kryštálov. Ak je požadovaný rast kryštálov, potom môže byť múdrou voľbou výsev bližšie ku krivke rozpustnosti pri nižšom presýtení. Tento prístup je znázornený v grafe vpravo, kde sa porovnávajú tri kryštalizačné procesy pomocou technológie ParticleTrack s technológiou FBRM pri troch rôznych teplotách výsevu. Porovnaním počtu častíc medzi 0 μm a 10 μm pre každú kryštalizáciu je možné porovnať relatívne rýchlosti nukleácie pri rôznych teplotách výsevu. Najnižšia teplota výsevu (najvyššie presýtenie) má za následok najvyšší stupeň nukleácie a jemné kryštály na konci procesu. 

Pri sejbe je ďalším dôležitým faktorom, ktorý je potrebné vziať do úvahy, to, že počas prípravy a skladovania sa kryštály semien môžu zlepiť a vytvárať agregáty. Často je potrebné izotermické zadržiavanie po zasiatí, aby sa kryštály semien mohli úplne rozptýliť a aby bola k dispozícii celá plocha na pokračovanie kryštalizácie. Takéto izotermické držanie môže tiež pomôcť rastu kryštálov semien a zväčšiť povrch dostupný pre rast. V príklade vpravo je trend procesu ParticleTrack, ktorý popisuje proces kryštalizácie, pri ktorom trvá štyri hodiny, kým sa semená úplne rozptýlia. Tento príklad spolu s ostatnými uvedenými vyššie naznačuje, že starostlivá charakterizácia procesu výsevu z hľadiska množstva kritických procesných premenných je nevyhnutná na zabezpečenie konzistencie a kvality produktu.

Hoci sa kryštalizácia v priebehu rokov zlepšila, krok výsevu stále predstavuje výzvy. Tento článok skúma, ako navrhnúť stratégiu výsevu a aké parametre by sa mali brať do úvahy pri implementácii protokolu videnia.  

Operácie kryštalizačnej jednotky ponúkajú jedinečnú príležitosť zamerať sa a riadiť optimalizovanú distribúciu veľkosti a tvaru kryštálov na:

• Skráťte čas filtrácie a sušenia
• Vyhnite sa problémom so skladovaním, prepravou a trvanlivosťou
• Zabezpečte konzistentný a opakovateľný proces pri nižších nákladoch