Såningsundersøgelser til krystallisation

• Introduktion til krystallisering og nedbør
  
• Grundlæggende principper: Opløselighed og metastabil zonebredde
• Sådan måles krystalstørrelse
• Brug af anti-opløsningsmiddel til krystallisering

Såning er en af de mest ligetil metoder, der bruges til at kontrollere overmætning.  Under såning tilsættes en lille masse krystaller til en overmætning for at:

• Start krystallisationen ved det ønskede overmætningsniveau
• Sørg for tilstrækkeligt overfladeareal til at sikre, at overmætning forbruges på en kontrolleret måde

Valg af den korrekte frøbelastning (masse) og frøstørrelse kan hjælpe med at producere et endeligt krystalprodukt af en bestemt størrelse. Hvis vi betragter et teoretisk krystallisationssystem, hvor kun vækst finder sted, og krystallerne er kugleformede, er det muligt at udvikle en simpel model, hvor den endelige krystalstørrelse kan forudsiges blot baseret på startfrøstørrelsen og belastningen (til højre). Overvej det tilfælde, hvor vi sår en krystallisation med 1% frø. I dette tilfælde er 1% simpelthen forholdet mellem frømasse og den endelige forventede produktmasse. Da frøet og slutproduktet har identiske tætheder, er det nemt at konvertere masseforholdet til volumenforholdet. Derefter er det næste logiske trin at konvertere volumenforholdet til diameterforholdet.

Selvom denne enkle model er nyttig til at demonstrere, hvordan frøstørrelse og belastning påvirker den endelige krystalstørrelsesfordeling, er antagelserne ikke almindeligt observeret i virkelige systemer. Krystaller er sjældent sfæriske, hvilket betyder, at der er behov for mere komplekse modeller for at forudsige størrelsen af nåle. Krystallisationsprocesser er sjældent, hvis nogensinde, fuldstændig vækstdomineret.  En vis grad af kimdannelse og nedslidning forekommer næsten altid for at udvikle en effektiv frøkrystallisation. Som dette eksempel viser, giver mikroskopi i realtid en unik mulighed for bedre at forstå seeding-begivenheder.  På billederne til højre observeres såningsprocessen direkte under en organisk krystallisation ved hjælp af realtidsmikroskopi. Efter at frøkrystaller er tilsat til den overmættede opløsning (a), bliver det tydeligt, at overfladekernen på frøkrystallerne forekommer (b). Over tid forekommer dendritisk vækst med små krystal "grene", der vokser ortogonalt fra frøkrystallen (c). Efter tredive minutter er en bimodal størrelses- og formfordeling til stede, hvilket indikerer, at det endelige krystalprodukt kan filtrere og tørre dårligt (d).

Procesviden kan let opnås ved at visualisere såmekanismer under krystallisationsudvikling.

Overmætningsniveauet, hvor frøet vil blive tilføjet, er en anden kritisk variabel at overveje, når man designer en frøkrystallisationsproces. I en afkølende krystallisering kan dette omtales som "såtemperaturen", men det er faktisk overmætningsniveauet, der overvejes. Såning ved høje overmætningsniveauer kan resultere i overdreven sekundær kimdannelse, hvilket gør selve såningsprocessen overflødig, medmindre målet er en fin krystalstørrelsesfordeling. Hvis krystalvækst ønskes, kan såning tættere på opløselighedskurven ved lavere overmætning være et klogt valg. Denne fremgangsmåde er vist i grafen til højre, hvor tre krystallisationsprocesser sammenlignes ved hjælp af ParticleTrack med FBRM-teknologi ved tre forskellige såningstemperaturer. Ved at sammenligne partikeltal mellem 0 μm og 10 μm for hver krystallisation er det muligt at sammenligne relative kimdannelseshastigheder ved forskellige såningstemperaturer. Den laveste såningstemperatur (højeste overmætning) resulterer i den højeste grad af kimdannelse og fine krystaller i slutningen af processen. 

Ved såning er en anden vigtig faktor at overveje, at frøkrystaller under forberedelse og opbevaring kan klæbe sammen og danne aggregater. Ofte kræves et isotermisk hold efter såning for at sikre, at frøkrystaller er i stand til at sprede sig fuldt ud, og det fulde overfladeareal er tilgængeligt for krystallisering at skride frem. Et sådant isotermisk hold kan også hjælpe frøkrystaller med at vokse, hvilket øger det overfladeareal, der er tilgængeligt for vækst. I eksemplet til højre er en ParticleTrack-procestrend, der beskriver en krystallisationsproces, hvor det tager fire timer for frø at sprede sig helt. Dette eksempel, sammen med de andre ovenfor anførte, indikerer, at omhyggelig karakterisering af såningsprocessen i form af en række kritiske procesvariabler er afgørende for at sikre konsistens og produktkvalitet.

Selvom krystalliseringen er blevet bedre gennem årene, giver såningstrinnet stadig udfordringer. Denne artikel gennemgår, hvordan man designer en seeding-strategi, og hvilke parametre der skal overvejes, når man implementerer en see-protokol.  

Krystalliseringsenhedsoperationer giver den unikke mulighed for at målrette og kontrollere en optimeret krystalstørrelse og formfordeling for at:

• Reducer filtrerings- og tørretider
• Undgå problemer med opbevaring, transport og holdbarhed
• Sørg for en ensartet og gentagelig proces til lavere omkostninger