Vliv míchání na krystalizaci

V tomto krátkém videu bych rád představil jeden ze způsobů, jak může míchání ovlivňovat procesy crystallization. Pro tuto studii byl charakterizován anti-solvent crystallization process. Konkrétně se jedná o crystallization kyseliny benzoové z ethanol-vodných roztoků s použitím vody jako samotného anti-solventu. A jedním z původních cílů této studie bylo skutečně se pokusit zmapovat návrhový prostor a vyvinout strategii naočkování pro tento crystallization process. Konfigurace krystalizátoru je zde znázorněna na pravé straně a vidíme, že tento crystallization skutečně zkoumáme pomocí řady analytických technik, včetně ReactIR a Particle Track. Jedna z věcí, která se stala zřejmou velmi brzy při charakterizaci tohoto procesu, byl vliv rychlosti přidávání anti-solventu na šířku metastabilní zóny. Obvykle by se u klasického crystallization očekávalo, že s rostoucí rychlostí přidávání a s rostoucí rychlostí generování přesycení by se šířka metastabilní zóny zvětšovala. U tohoto systému jsme však ve skutečnosti nepozorovali, že by k tomu docházelo. To, co jsme ve skutečnosti viděli, bylo, že se šířka metastabilní zóny s rostoucí rychlostí přidávání jen velmi málo měnila. A také jsme pozorovali, že konzistence měřené šířky metastabilní zóny se při vyšších rychlostech přidávání výrazně zhoršovala. A co to pro tento proces znamená, je, že se stává velmi obtížným proces naočkovat, protože může potenciálně nastat situace, kdy začnou krystaly nukleovat v časech, které nelze předpovědět, což znamená, že seed může být přidán až poté, co krystaly již nukleovaly. Znamená to, že proces nebude opakovatelný a může to vést k problémům s čistotou a particle size distribution. Na základě tohoto výsledku počáteční charakterizace tedy vyvstala otázka, jak lze tento proces scale. Jak lze implementovat strategii naočkování? A můžeme toto chování modelovat? Jedním ze způsobů, jak se dívat na crystallization s přídavkem anti-solventu, je z pohledu míchání, a v rámci tohoto videa se nelze podrobně zabývat teorií míchání pro crystallization processes, ale uvedl jsem zde řadu skutečně zásadních prací v této oblasti, které velmi podrobně rozebírají, jak lze crystallization processes modelovat z hlediska míchání. Nicméně v úplném přehledu na vysoké úrovni je třeba pro crystallization zohlednit tři různé typy míchání. Prvním je makromíchání na úrovni objemu samotného krystalizátoru. Druhým je časová škála mezomíchání, která se vztahuje k oblasti kolem místa, kde je anti-solvent přidáván, tedy v podstatě k oblaku anti-solventu, který se přidává do objemového roztoku. A nakonec mikromíchání, které probíhá na mnohem menší škále. U crystallization s přídavkem anti-solventu jsme si stanovili hypotézu, že právě tato časová škála mezomíchání bude pro tento crystallization process důležitá, protože právě v této škále dochází k přidání anti-solventu do objemového roztoku. Otázkou tedy bylo, zda lze použít CFD, tedy výpočetní fluidní dynamiku, k lepšímu pochopení časových škál mezomíchání v našem systému. A jeden ze způsobů, jak to lze poměrně názorně ukázat, je podívat se na crystallization kyseliny benzoové přidáním vody jako anti-solventu do ethanol-vodných roztoků. A co zde vidíme, je, že jak přidáváme vodu do nasyceného roztoku, crystallization v tomto případě nastává poměrně okamžitě. Poté jsme provedli druhý experiment, v němž jsme v podstatě zopakovali tentýž experiment, kdy přidáváme stejné množství vody stejnou rychlostí do stejného nasyceného roztoku, ale místo přidání přes trubku s velmi velkým průměrem jsme použili trubku s malým průměrem a voda je do roztoku vstřikována proudem. V tomto případě však skutečně nepozorujeme, že by ve druhém případě docházelo ke crystallization. Ve skutečnosti zde vidíme, že se při vstupu proudu tvoří bubliny, ty však brzy vyplavou k hladině a v tomto případě ze roztoku nevystupují žádné skutečné krystaly. Takže přestože s tímto procesem děláme úplně to samé, jediná změna, kterou provádíme, je průměr přídavné trubky. Právě toto mezomíchání zásadně ovlivňuje náš crystallization process a to, zda dojde ke crystallization, nebo ne. Toto chování lze modelovat pomocí výpočetní fluidní dynamiky. A co zde můžeme vidět, je, že chování našeho crystallization process modelujeme pomocí tracer experimentů, které ukazují, jak je anti-solvent začleňován do našeho krystalizátoru. A právě zde je anti-solvent, stejně jako v našich dříve ukázaných experimentech, přidáván v blízkosti stěny krystalizátoru. Nyní pomocí těchto modelů výpočetní fluidní dynamiky můžeme skutečně vypočítat různé časové škály míchání, a tou, na kterou se zde chceme zaměřit, je jedna z těchto časových škál mezomíchání, a pokusíme se zjistit, zda tyto časové škály mezomíchání skutečně předpovídají výkon našeho crystallization. Víme tedy, že při těchto nízkých rychlostech přidávání máme konzistentní crystallization process, a také víme, že při těchto velmi vysokých rychlostech přidávání máme velmi nekonzistentní crystallization process. Právě zde se začínají výrazně zvětšovat chybové úsečky těchto měření. Pokusili jsme se to tedy korelovat s časovou škálou mezomíchání. Mohli jsme říci, že pod určitou časovou škálou mezomíchání byl náš crystallization konzistentní a nad určitou časovou škálou mezomíchání byl náš crystallization pro tuto konkrétní modelovou podmínku nekonzistentní. Podařilo se nám tedy určit prahovou hodnotu pro předčasnou nukleaci nebo nekonzistentní nukleaci, která je spojena s touto časovou škálou mezomíchání, a to z čistě teoretického hlediska, ale také v kombinaci s tímto experimentálním výsledkem z naší počáteční charakterizace. Nyní tedy můžeme tyto modely výpočetní fluidní dynamiky spustit za jiných experimentálních podmínek. Takže místo přidávání anti-solventu v blízkosti stěny přidáváme v tomto modelu vpravo náš anti-solvent v blízkosti hřídele míchadla. A to, co se domníváme, je, že můžeme zaručit mnohem rychlejší začlenění anti-solventu tím, že jej přidáme blízko míchadla, protože jde o míchadlo s prouděním směrem dolů, které anti-solvent vtáhne mnohem rychleji. A nyní můžeme opět vypočítat tyto časové škály mezomíchání, a co pozorujeme, je, že přidáním anti-solventu v blízkosti hřídele míchadla můžeme časovou škálu mezomíchání u každé jednotlivé rychlosti přidávání, kterou bychom si mohli zvolit, výrazně snížit, a to pod tuto prahovou hodnotu pro předčasnou nukleaci. Odtud už to bylo jednoduché: zopakovali jsme naše experimenty, ale místo přidávání anti-solventu u stěny nádoby jsme v těchto experimentech přidávali anti-solvent do středu nádoby v blízkosti hřídele míchadla, a nyní lze jasněji vidět mnohem konzistentnější chování tohoto crystallization process, který je mnohem předvídatelnější a mnohem více odpovídá tomu, co by se očekávalo podle klasické teorie. Jak tedy zvyšujeme rychlost přidávání, můžete vidět, že se šířka metastabilní zóny zvětšuje, a také tyto chybové úsečky jsou při vyšších rychlostech přidávání mnohem méně výrazné. Přešli jsme tedy od případu, kdy máme vysoce nepředvídatelný, nekonzistentní crystallization process v širokém rozsahu rychlostí přidávání anti-solventu, k takovému, který je vysoce konzistentní napříč všemi rychlostmi přidávání. A ve skutečnosti je to jen výsledek velmi malého posunu místa přidávání pro tento crystallization process od stěny krystalizátoru do středu krystalizátoru. Tady se vlastně nic jiného nezměnilo. Toto modelování, které jsme provedli, nám však velmi pomohlo potvrdit, že tato změna bude fungovat, a také nám poskytuje určité poznatky o alternativních strategiích přidávání anti-solventu, které bychom mohli implementovat, abychom se pokusili náš crystallization dále řídit. Krátce ještě poděkování. Velmi rád bych poděkoval svému bývalému kolegovi z University College Dublin, Marku Barrishovi. Na této práci jsme úzce spolupracovali a on provedl velkou část modelování pomocí výpočetní fluidní dynamiky. V této oblasti byly publikovány dvě pěkné práce, které jdou do mnohem větších detailů, než jaké můžeme pokrýt v rámci tohoto krátkého videa. A pokud má někdo zájem, doporučuji se na ně podívat. Děkuji.