Bredde af metastabil zone (MSZW) i krystallisation

• Introduktion til krystallisering og udfældning
• Overmætning: drivkraften bag krystallisering
• Sådan måles krystalstørrelse

Krystallisering opnås ved at reducere produktets opløselighed i en mættet startopløsning ved at:

• Nedkøling
• Tilsætning af antisolvent
• Fordampning
• En kombination af ovenstående metoder

En anden almindelig metode til at fremkalde krystallisering er via en kemisk reaktion, hvor to eller flere reaktanter blandes for at danne et fast produkt, som er uopløseligt i reaktionsblandingen; et almindeligt eksempel på dette er reaktionen mellem en syre og en base, der danner et salt.

Den valgte metode til at krystallisere produktet kan variere afhængigt af en række faktorer. For eksempel er proteinkrystaller temperaturfølsomme, hvilket udelukker nedkøling og fordampning og gør tilsætning af antisolvent til den mest almindelige krystalliseringsmetode. For mange krystalliseringsprocesser kan nedkøling være fordelagtig, da den er reversibel; den mættede opløsning kan genopvarmes i tilfælde af en ikke-optimal drift.

Opløselighedskurver (figuren til højre) bruges ofte til at illustrere sammenhængen mellem opløselighed, temperatur og opløsningsmiddeltype. Ved at afbilde temperatur mod opløselighed skaber forskere det grundlag, der er nødvendigt for at udvikle den ønskede krystalliseringsproces. Her er opløseligheden af det givne materiale i Opløsningsmiddel A høj – hvilket betyder, at der kan krystalliseres mere materiale pr. masseenhed opløsningsmiddel. Opløsningsmiddel C har en lav opløselighed ved alle temperaturer, hvilket indikerer, at det kan være et nyttigt antisolvent for dette materiale.

Når et passende opløsningsmiddel er valgt, bliver opløselighedskurven et afgørende værktøj til udviklingen af en effektiv krystalliseringsproces. Med disse oplysninger kan startkoncentrationen og temperaturen eller antisolventforholdet vælges, det teoretiske udbytte kan beregnes, og de første vigtige beslutninger om, hvordan krystalliseringen skal udvikles, kan træffes. 

Et probe-baseret instrument, der registrerer hastigheden og graden af ændring i partikelstørrelse og -antal, mens partikler findes i processen, ParticleTrack, kan bruges til at måle opløselighedskurven og MSZW (Metastable Zone Width) ved nøjagtigt at identificere opløsningspunktet (punktet på opløselighedskurven) og nukleationspunktet (punktet på MSZW) ved forskellige koncentrationer af opløst stof.

I en undersøgelse af Barrett og Glennon (Trans ICHemE, bind 80, 2002, s. 799-805) afkøles en umættet opløsning ved en langsom, fast hastighed, indtil nukleationspunktet måles af ParticleTrack (Lasentec FBRM), hvilket angiver et punkt på MSZW. Derefter opvarmes opløsningen langsomt, indtil opløsningspunktet måles, hvilket angiver et punkt på opløselighedskurven. Der tilsættes derefter opløsningsmiddel til systemet for at reducere koncentrationen, og processen gentages. På denne måde kan opløselighedskurven og MSZW måles hurtigt over et bredt temperaturområde.

I denne figur vises opløselighedskurven og den/de metastabile zonebredde(r) for kaliumaluminiumsulfat. Mens opløselighedskurven er termodynamisk fast for et givet opløsningsmiddel-opløst stof-system, er MSZW en kinetisk grænse og kan ændre sig afhængigt af procesparametre som afkølingshastighed, omrøring eller skala. Karakterisering af MSZW under en række procesforhold kan hjælpe forskere med at forstå, hvordan en krystallisationsproces kan opføre sig ved forskellige skalaer - eller i tilfælde af en procesforstyrrelse. Variation i MSZW under forskellige forhold kan tyde på, at systemet ikke opfører sig konsekvent med hensyn til nukleationspunkt og kinetik. Et sådant resultat kan begrunde en undersøgelse af muligheden for at tilsætte kim til processen for at fastlægge nukleationspunktet for hvert forsøg eller batch.

Dynamiske metoder til bestemmelse af opløselighed, som denne, er undertiden begrænsede i deres nøjagtighed, da en høj opvarmningshastighed betyder, at det nøjagtige opløsningspunkt kan overvurderes. Statiske metoder, såsom gravimetrisk analyse, kan tilbyde større nøjagtighed – men er mere tidskrævende og besværlige at implementere. Mange teknikker kan bruges til at måle opløselighedskurver, og nyere forskning med henblik på at forudsige opløselighed i forskellige opløsningsmidler ser lovende ud.

Krystallisationsenhedsoperationer giver en enestående mulighed for at målrette og styre en optimeret fordeling af krystalstørrelse og -form. Dette kan dramatisk reducere filtrerings- og tørringstider, undgå problemer med opbevaring, transport og holdbarhed og sikre en ensartet og gentagelig proces til en lavere omkostning.

Denne løbende gennemgang af litteraturen om krystallisering er destilleret til et sammendrag, der giver retningslinjer til at forstå og optimere de udfordrende enhedsoperationer ved krystallisering og udfældning.

Denne hvidbogsserie dækker grundlæggende og avancerede strategier til at optimere fordelingen af krystalstørrelse og -form.

Opdag, hvordan billedbaseret procestrending kan reducere krystalliseringscyklustiden og forbedre kvaliteten, samtidig med at der opretholdes en lignende krystalstørrelse og -form.