Krystalliseringskinetik karakteriseres ud fra to dominerende processer, nukleationskinetik og vækstkinetik, som forekommer under krystallisering fra opløsning.
De styrende ligninger for krystalvækst og nukleation, også beskrevet i (J. Nývlt (1968) Kinetics of Nucleation in Solutions. Journal of Crystal Growth, 3 – 4, 377 – 383), viser, at krystalslurryens overfladeareal spiller en vigtig rolle for bestemmelsen af krystallernes nukleations- og vækstkinetik. I starten af en krystalliseringsproces er overfladearealet af de krystaller, der er til stede i slurryen, lavt – hvilket betyder, at nukleation kan dominere over vækst, uanset andre kinetiske faktorer. Efterhånden som krystalliseringen skrider frem, øges overfladearealet, og det er muligt, at vækstkinetikken bliver mere gunstig. Når der anvendes en lineær kølehastighed (som vist til højre) i en krystalliseringsproces, kan det være muligt, at overmætning opbygges i starten, når der ikke er noget overfladeareal til rådighed for vækst. Denne opbygning resulterer i hurtig og ofte uforudsigelig krystalliseringskinetik – hvor nukleation ofte dominerer.
En smart teknik til at fremme vækst er at køle meget langsomt i begyndelsen, når overfladearealet er begrænset (som vist til højre). Dette holder overmætningen lav og gør det muligt for vækst at dominere. Efter nogen tid, når overfladearealet er øget, kan kølehastigheden øges, hvilket reducerer batchtiden, samtidig med at vækst stadig favoriseres. Denne teknik rammer den rette balance mellem kontrol af overmætning og overdreven nukleation, samtidig med at meget lange batchtider undgås (P. Barrett, B. Smith, J. Worlitschek, V. Bracken, B. O’Sullivan, and D. O’Grady 2005) A Review of the Use of Process Analytical Technology for the Understanding and Optimization of Production Batch Crystallization Processes. Organic Process Research & Development, 9(3), 348 – 355). En ulempe ved denne tilgang er, at det kan være vanskeligt at implementere en ikke-lineær køle- eller antisolventtilførselsprofil i anlægget, og det øger processens kompleksitet. Ikke desto mindre kan der stadig opnås succes ved at anvende et lille antal lineære ramper, som giver et lignende resultat.
Værdien af at implementere ikke-lineære kølehastigheder for at holde supersaturation konstant gennem en proces er blevet påvist ved at implementere en reguleringssløjfe, der justerer procestemperaturen for at holde supersaturation konstant. Et sådant resultat blev beskrevet af V. Liotta og V. Sabesan (2004) i 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, hvor en reguleringsalgoritme bruges til at udføre en krystallisationsproces ved konstant supersaturation (vist til venstre). I dette eksempel overvåges supersaturation ved hjælp af in situ FTIR-overvågning og den resulterende temperaturprofil er ikke-lineær: langsom i starten og hurtig mod slutningen.
Denne artikel gennemgår almindelige teknikker til analyse af partikelstørrelse og hvordan de anvendes til fremstilling af partikler af høj kvalitet. Eksempler omfatter brugen af offline partikelstørrelsesanalyzere i kombination med værktøjer til in-process partikelkarakterisering til at optimere processer.
Krystallisationsenhedsoperationer giver den unikke mulighed for at sigte mod og kontrollere en optimeret fordeling af krystalstørrelse og -form for at:
Krystallisationskinetik karakteriseres ved to dominerende processer, kimdannelse og vækstkinetik, som forekommer under krystallisation fra opløsning. Kimdannelseskinetik beskriver hastigheden, hvormed en stabil kim dannes. Vækstkinetik definerer hastigheden, hvormed en stabil kim vokser til en makroskopisk krystal. Avancerede teknikker giver temperaturkontrol til at ændre overmætning samt krystalstørrelse og -form.
Kontinuerlig krystallisation muliggøres af fremskridt inden for procesmodellering og krystallisatordesign, som udnytter muligheden for at styre krystalstørrelsesfordelingen i realtid ved direkte at overvåge krystalpopulationen.
Ved antisolventkrystallisering påvirker hastigheden for tilsætning af opløsningsmiddel, tilsætningsstedet og blandingen den lokale supersaturation i en beholder eller et rør. Forskere og ingeniører ændrer krystallernes størrelse og antal ved at justere protokoller for tilsætning af antisolvent og niveauet af supersaturation.
En veludviklet batchkrystallisationsproces er en proces, der med succes kan opskaleres til produktionsskala - og dermed give den ønskede krystalstørrelsesfordeling, udbytte, form og renhed. Optimering af batchkrystallisation kræver, at man opretholder tilstrækkelig kontrol over krystalliserens temperatur (eller opløsningssammensætning).
Krystalliseringskurver for opløselighed bruges ofte til at illustrere forholdet mellem opløselighed, temperatur og typen af opløsningsmiddel. Ved at afbilde temperatur mod opløselighed kan forskere skabe det grundlag, der er nødvendigt for at udvikle den ønskede krystallisationsproces. Når et passende opløsningsmiddel er valgt, bliver opløselighedskurven et vigtigt værktøj til udviklingen af en effektiv krystallisationsproces.
MSMPR-krystallisatoren (Mixed Suspension Mixed Product Removal) er en type krystallisator, der bruges i industrielle processer til at fremstille krystaller med høj renhed.
Laktosekrystallisering er en industriel praksis til at adskille laktose fra valleopløsninger via kontrolleret krystallisering.
Proteinkrystallisering er handlingen og metoden til at skabe strukturerede, ordnede gitterstrukturer for ofte komplekse makromolekyler.
Såning er et af de mest kritiske trin i optimering af krystalliseringsadfærd. Ved udformning af en såningsstrategi skal parametre som frøstørrelse, frøbelastning (masse) og frøtilsætningstemperatur tages i betragtning. Disse parametre optimeres generelt baseret på proceskinetik og de ønskede endelige partikelegenskaber og skal forblive konsistente under opskalering og teknologioverførsel.
Væske-væske faseadskillelse, eller oliering, er en ofte svær at opdage partikelmekanisme, der kan forekomme under krystalliseringsprocesser.
In-process probe-baserede teknologier anvendes til at følge ændringer i partikelstørrelse og -form ved fuld koncentration uden behov for fortynding eller ekstraktion. Ved at følge hastigheden og graden af ændringer i partikler og krystaller i realtid kan de korrekte procesparametre til krystallisationsydelse optimeres.
Ændring af skalaen eller blandingsforholdene i en krystallisator kan direkte påvirke kinetik af krystallisationsprocessen og den endelige krystalstørrelse. Varme- og masseoverførselseffekter er vigtige at overveje for henholdsvis køle- og antiopløsningsmiddelsystemer, hvor temperatur- eller koncentrationsgradienter kan producere inhomogenitet i det fremherskende niveau af overmætning.
Krystalpolymorfi beskriver et stofs evne til at krystallisere i flere enhedscellekonfigurationer, som ofte har forskellige fysiske egenskaber.
Oversaturation opstår, når en opløsning indeholder mere opløst stof, end der termodynamisk burde være muligt under systemets betingelser. Oversaturation betragtes som en vigtig drivkraft for krystallisering.
Genkrystallisering er en teknik, der bruges til at rense faste forbindelser ved at opløse dem i et varmt opløsningsmiddel og lade opløsningen køle af. Under denne proces danner forbindelsen rene krystaller, når opløsningsmidlet køler af, mens urenheder udelukkes. Krystallerne opsamles derefter, vaskes og tørres, hvilket resulterer i et renset fast produkt. Genkrystallisering er en væsentlig metode til at opnå høje renhedsniveauer i faste forbindelser.
Krystallisationskinetik karakteriseres ved to dominerende processer, kimdannelse og vækstkinetik, som forekommer under krystallisation fra opløsning. Kimdannelseskinetik beskriver hastigheden, hvormed en stabil kim dannes. Vækstkinetik definerer hastigheden, hvormed en stabil kim vokser til en makroskopisk krystal. Avancerede teknikker giver temperaturkontrol til at ændre overmætning samt krystalstørrelse og -form.
Ved antisolventkrystallisering påvirker hastigheden for tilsætning af opløsningsmiddel, tilsætningsstedet og blandingen den lokale supersaturation i en beholder eller et rør. Forskere og ingeniører ændrer krystallernes størrelse og antal ved at justere protokoller for tilsætning af antisolvent og niveauet af supersaturation.
En veludviklet batchkrystallisationsproces er en proces, der med succes kan opskaleres til produktionsskala - og dermed give den ønskede krystalstørrelsesfordeling, udbytte, form og renhed. Optimering af batchkrystallisation kræver, at man opretholder tilstrækkelig kontrol over krystalliserens temperatur (eller opløsningssammensætning).
Krystalliseringskurver for opløselighed bruges ofte til at illustrere forholdet mellem opløselighed, temperatur og typen af opløsningsmiddel. Ved at afbilde temperatur mod opløselighed kan forskere skabe det grundlag, der er nødvendigt for at udvikle den ønskede krystallisationsproces. Når et passende opløsningsmiddel er valgt, bliver opløselighedskurven et vigtigt værktøj til udviklingen af en effektiv krystallisationsproces.
Såning er et af de mest kritiske trin i optimering af krystalliseringsadfærd. Ved udformning af en såningsstrategi skal parametre som frøstørrelse, frøbelastning (masse) og frøtilsætningstemperatur tages i betragtning. Disse parametre optimeres generelt baseret på proceskinetik og de ønskede endelige partikelegenskaber og skal forblive konsistente under opskalering og teknologioverførsel.
In-process probe-baserede teknologier anvendes til at følge ændringer i partikelstørrelse og -form ved fuld koncentration uden behov for fortynding eller ekstraktion. Ved at følge hastigheden og graden af ændringer i partikler og krystaller i realtid kan de korrekte procesparametre til krystallisationsydelse optimeres.
Ændring af skalaen eller blandingsforholdene i en krystallisator kan direkte påvirke kinetik af krystallisationsprocessen og den endelige krystalstørrelse. Varme- og masseoverførselseffekter er vigtige at overveje for henholdsvis køle- og antiopløsningsmiddelsystemer, hvor temperatur- eller koncentrationsgradienter kan producere inhomogenitet i det fremherskende niveau af overmætning.
Genkrystallisering er en teknik, der bruges til at rense faste forbindelser ved at opløse dem i et varmt opløsningsmiddel og lade opløsningen køle af. Under denne proces danner forbindelsen rene krystaller, når opløsningsmidlet køler af, mens urenheder udelukkes. Krystallerne opsamles derefter, vaskes og tørres, hvilket resulterer i et renset fast produkt. Genkrystallisering er en væsentlig metode til at opnå høje renhedsniveauer i faste forbindelser.
