Kristályosodás és csapadék

A kristályosodás életünk minden területét érinti, az általunk fogyasztott ételektől és gyógyszerektől kezdve a közösségeink energiaellátására használt üzemanyagokig.

• Az agrokémiai és gyógyszeripari termékek többsége számos kristályosodási lépésen megy keresztül fejlesztése és gyártása során.
• Az élelmiszeriparban az olyan összetevőket, mint a laktóz és a lizin, kristályként szállítják az embereknek és az állatoknak fogyasztás céljából.
• A petrolkémiai ipar egyik fő biztonsági problémája a gázhidrátok nem kívánt kristályosodása a mélytengeri csővezetékekben.

Ez az oka annak, hogy a világ számos iparágában dolgozó tudósoknak és mérnököknek minden nap meg kell érteniük, optimalizálniuk és ellenőrizniük kell a kristályosodási folyamatokat. A hatékony és eredményes kristályosítás kiváló minőségű és biztonságos gyártást biztosít.

Termékminőség. A kristályosítás fontos a termékminőség szempontjából, mivel befolyásolja a szemcsék méretét, tisztaságát és a termék hozamát. Például a gyógyszeriparban egy gyógyszerhatóanyag (API) kristályosodását szigorúan ellenőrizni kell, hogy megfeleljen a kívánt termékspecifikációknak.

A folyamat minősége. A kristályosítás a folyamat minőségét is befolyásolja, például a szárítást, a folyékonyságot és a méretezhetőséget. Például az API-kristályosítási folyamat széles szemcseméret-eloszlása lassú szűrést és nem hatékony szárítást okozhat, így szűk keresztmetszetet hozhat létre a teljes gyártási folyamatban.

Bár a kristályok számos fontos tulajdonsággal rendelkeznek, valószínűleg a kristályméret-eloszlás van a legnagyobb hatással a végtermék minőségére és hatékonyságára (és a szállításához szükséges folyamatra). A kristály mérete és alakja közvetlenül befolyásolja a kristályosító utáni kulcsfontosságú lépéseket, a szűrési és szárítási teljesítmény különösen érzékeny ezeknek a fontos tulajdonságoknak a változásaira. Hasonlóképpen, a végső kristályméret is közvetlenül befolyásolhatja a végtermék minőségét. Egy gyógyszervegyületben a biológiai hozzáférhetőség és a hatékonyság gyakran összefügg a részecskemérettel, a kisebb részecskék gyakran kívánatosak a jobb oldhatóságuk és oldódási jellemzőik miatt.

A kristályméret-eloszlás optimalizálható és szabályozható a megfelelő kristályosítási feltételek és folyamatparaméterek gondos kiválasztásával. Annak megértése, hogy a folyamatparaméterek hogyan befolyásolják a kulcsfontosságú átalakulásokat, például a nukleációt, a növekedést és a törést, lehetővé teszi a tudósok számára, hogy olyan kristályokat fejlesszenek ki és gyártsanak, amelyek rendelkeznek a kívánt tulajdonságokkal és hatékonyak a piacra dobáshoz.

Míg a termék kristályosítására választott módszer számos tényezőtől függően változhat, a kristályosodásnak hat gyakori lépése van. A tudósok oldhatósági görbéket használnak a kívánt kristályosodási folyamat kidolgozásához szükséges keret létrehozásához. Az oldhatósági görbék a hőmérsékletet és az oldhatóságot ábrázolják, hogy meghatározzák a kristályosodási folyamat tényezőit. Az egyik tényező a kristályosítási folyamat 1. lépésében használandó megfelelő oldószer kiválasztása.

A megfelelő oldószer azért fontos, mert a kristályosodást általában a termék telített kiindulási oldatban való oldhatóságának csökkentésével érik el. Az oldószer kiválasztásakor néhány szempont a következő:

• Oldhatóság: Mennyi oldott anyag oldható?
• Biztonsági és környezeti hatás: Mennyire praktikus az oldószer kezelése?
• Ártalmatlanítási díjak: Hogyan dobják ki az oldószert?

Az oldószer mellett a hőmérséklet is fontos tényező annak meghatározásához, hogy kristályosodás következik be. Van egy adott hőmérséklet, ahol a termék maximális mennyisége feloldható oldószerben. E hőmérséklet elérésekor az oldat telített, és a forró oldatból oldhatatlan szennyeződések szűrhetők.

A kristályosodás általában úgy történik, hogy az oldott anyag oldhatóságát egy oldatban e négy módszer egyikével vagy kombinációjával csökkentjük. Ha az oldhatóság csökken, az oldat túltelítetté válik. A túltelítettség a kristálymagképződés és -növekedés hajtóereje. Ez egy létfontosságú kristályosítási lépés, mert meghatározza a kristálytermék tényezőit, például a méreteloszlást és a fázist. A kristályosítási módszer kiválasztása a kristályosításhoz rendelkezésre álló berendezésektől, a kristályosítási folyamat céljaitól és az oldott anyag oldhatóságától és stabilitásától függ a kiválasztott oldószerben.

• Hűtési kristályosodás: Magas hőmérsékleten oldva nagy mennyiségű oldott anyag kristályosodást indíthat el, amikor az oldat szabályozott hűtésen megy keresztül.
• Antiszolvens hozzáadás: Ha ellenőrzött módon antiszolvens kerül az oldatba, az csökkenti az oldat oldhatóságát és növeli a kristályosodáshoz szükséges túltelítettséget.
• Párolgás: Ha az oldhatóság nem függ sem a hőmérséklettől, sem az oldószer-összetételtől, párologtató kristályosításra van szükség. A jól oldódó oldatot forráspontra melegítjük, és az oldószert párologtatással eltávolítjuk. Ez kristályosodáshoz vezet. A végtermék tulajdonságait a párolgási sebesség alapján határozzuk meg.
• Reaktív (csapadék): Ha a terméket kémiai reakcióval, például sav/bázis semlegesítéssel állítják elő, a kristályosodás reakció vagy kicsapódás útján történhet.

Ahogy az oldhatóság csökken, elérünk egy pontot, ahol a kristályok nukleálódnak, majd növekednek. Azt a pontot, ahol a kristálymagképződés bekövetkezik, metastabil határnak nevezzük. A túltelítettség a tényleges koncentráció és az oldhatósági koncentráció közötti különbség egy adott hőmérsékleten. Amikor a termék kristályosodik, nagy tisztaságú termékkristályok képződnek és szennyeződések maradnak oldatban. A folyamatparaméterek, mint például a vetési stratégia beépítése, felhasználhatók a túltelítettség szabályozására, a gyártási tételek konzisztenciájának javítására és a képződött termék optimalizálására.

Az oldhatóság alapján egy vagy több kristályosítási módszert (hűtés, oldószerellenes, párologtató vagy reaktív kristályosítás) végzünk a magas termékhozam elérése érdekében. A hatékony kristályosítási folyamatok megtervezéséhez szükség van a túltelítettség mértékének ellenőrzésére és annak megértésére, hogy a kristályok milyen részecskemechanizmuson mennek keresztül.

A kristályosítási folyamatok többségénél a szilárd, tisztított részecskék a kívánt termék. A kristályokat szűréssel el kell választani az anyalúgtól. A termék előállításához a hatékony szűrési folyamat követelményei a következők:

• Kristályszuszpenzió szűréshez
• Hajtóerőként használt vákuumcsapda vagy nyomás
• Szűrőberendezés, például szűrőpapír, porózus lemez és tiszta lombik

Végül a tisztított kristályterméket atmoszférikus vagy vákuumos módszerrel szárítjuk. Az alkalmazott módszer olyan tényezőktől függ, mint az oldószer típusa, valamint az API termikus és mechanikai stabilitása.

A szemcsék mérete és száma, valamint a kémiai összetétel fontos szerepet játszik a folyamatok sikeres fejlesztésében, átadásában és működtetésében számos iparágban.

A minőségellenőrző laboratóriumban hagyományos offline szemcseméret-analizátorokat használnak a szemcsék tulajdonságainak pontos mérésére; Ügyelni kell azonban a minta előkészítésére a következetes mérés érdekében. A mintavétel és az elemzés közötti időkésleltetés és a szemcseváltozások lehetősége miatt a hagyományos szemcseméret-elemzési megközelítés kihívást jelent a folyamat optimalizálása és javítása szempontjából.

A folyamatközi mérőműszerek lehetőséget nyújtanak annak valós idejű nyomon követésére, hogy a szemcsék mérete, száma és összetétele hogyan változik közvetlenül a folyamatban. A részecskék viselkedésének megértésével a folyamat kezdetétől a végéig, valamint a részecskék változásainak a folyamatparaméterekkel való összehasonlításával a tudósok mélyreható megértést alakíthatnak ki a részecskerendszerekről. Ez lehetővé teszi a célnak megfelelő részecskék létrehozását és a folyamatok bizonyítékokon alapuló módszerekkel történő optimalizálását, valamint a hibaelhárítás végrehajtását a gyártás során.

A folyamaton belüli részecskemérés kiegészíti a hagyományos szemcseméret-elemzést azáltal, hogy további információkat szolgáltat arról, hogy a részecskék hogyan viselkednek természetesen a folyamat során. Ha egy minőség-ellenőrző laboratórium a specifikációtól való eltérést jelent, a folyamaton belüli részecskemérés felhasználható a kiváltó ok elemzésére. Hasonlóképpen, a folyamaton belüli részecskemérés előre jelezheti, hogy egy folyamat mikor tér el a specifikációtól, és segíthet azonosítani, hogy mikor kell mintát venni egy folyamatból offline elemzés és minőségellenőrzés céljából. A folyamatok megértését, optimalizálását és hibaelhárítását szolgáló folyamatközi részecskemérés és a minőség-ellenőrzés hagyományos szemcseméret-elemzésének kombinálásával a tudósok rövidebb idő alatt, alacsonyabb összköltség mellett fejleszthetnek jobb minőségű részecskefolyamatokat.

Ebben a példában a köteg végén a hűtési sebesség másodlagos nukleációt indukál, ami sok finom részecske képződését eredményezi szemcseméret-analizátorok segítségével . A hűtési sebesség növekedése gyorsabban generál túltelítettséget , amelyet a nukleáció fogyaszt, nem pedig a növekedés. A hűtési sebesség gondos szabályozása kritikus fontosságú a kívánt kristályméret-eloszlási specifikáció eléréséhez.

A jég kristályméret-eloszlása létfontosságú szerepet játszik a fagylalt ízében és állagában, az 50 μm-nél kisebb kristályok jobbak, mint a 100 μm-nél nagyobb kristályok. Az agrokémiai anyagok esetében létfontosságú annak biztosítása, hogy a részecskék elég kicsik legyenek ahhoz, hogy fúvókák blokkolása nélkül permetezhetők legyenek, miközben elég nagyok ahhoz, hogy ne sodródjanak a szomszédos mezőkre.

Bár gyakran kihívást jelent a kristályméret-eloszlás szabályozása a mérlegek között, lehetőség van a kristályosodási folyamatok megértésére annak érdekében, hogy optimalizált méret-, hozam- és alakeloszlást biztosítsunk, amely költséghatékony folyamatot biztosít a lehető legjobb minőség mellett.

A folyamatfeltételeknek az in-situ részecskeelemzésre való rávetítésével a tudósok könnyen megérthetik, hogy a folyamatparaméterek hogyan befolyásolják a koncentrációt, a méretet, az alakot és a szerkezetet, így jobb döntéseket hozhatnak, kiküszöbölhetik a folyamatkockázatokat és megoldhatják a problémákat – gyorsabban.

Az olyan folyamatparaméterek, mint a hőmérséklet, a keverési és adagolási sebesség közvetlen hatással vannak a részecskerendszerek termék- és folyamatminőségére.EasyMax, Az OptiMax, RC1 és RX-10 biztosítja a folyamatfeltételek pontos vezérlését és rögzítését a valódi részecsketechnika érdekében.

• Minden folyamatadat rögzítésre kerül, függetlenül attól, hogy előre programozza-e a receptlépéseket, például a hőmérsékletet vagy az adagolórámpákat, vagy a folyamat során módosításokat végez
• A folyamatanalitikai technológiai (PAT) eszközökből, például a ReactIR,a ReactRaman, az EasyViewer és/vagy a ParticleTrack eszközökből származó információk rávetíthetők a folyamatparaméterek trendjeire a részecskemechanizmusok gyors és egyszerű megértése érdekében
• A precíz kivitelezés lehetővé teszi a vegyészek és mérnökök számára, hogy felügyelet nélkül magabiztosan futtassák a folyamatokat

A szemcsék mérete, alakja és koncentrációja kritikus információk a kristályosodási folyamat minden szakaszában vagy szintjén, és ezért kritikus minőségi jellemzőket (CQA) hoznak létre. A szemcseméret-analizátorok gyorsan vizualizálják és számszerűsítik a részecskéket és a kritikus részecskemechanizmusokat a sikeres kristályosítási folyamat fejlesztése érdekében.

• A részecskék tulajdonságait és mechanizmusait mindig rögzítik felülvizsgálat és elemzés céljából, még akkor is, ha a tudósok nem lehetnek a laboratóriumban.
• Az automatizált reaktorok, valamint a ParticleTrack és az EasyViewer közötti interoperabilitás lehetővé teszi a tudósok számára, hogy visszacsatolás-szabályozó hurkokat hozzanak létre a részecskeméret vagy a darabszám szabályozott hűtéséhez, vagy beállítsák az antiszolvens adagolási sebességet a nem kívánt részecskepopulációk, például a túlzott bírságok minimalizálása érdekében.
• Az intuitív "Kísérlet indítása varázsló" megkönnyíti minden tudós számára, hogy gyorsan összegyűjtse a kiváló minőségű részecskeadatokat.

Az oldatkoncentráció, a túltelítettség és a kristályforma (polimorf) gyakran összefügg, és nagymértékben meghatározza a kristályosodási folyamat fejlesztésének sikerét.

A ReactIR és a ReactRaman szisztematikusan elemzi az oldat és a részecske összetételét, hogy minden alkalommal elérje a kívánt folyamatvégpontot.

• Az oldatösszetételt és a részecskeegység-cellakonfigurációt szisztematikusan, valós időben elemzik, rögzítik és vizualizálják.
• A spektroszkópiai PAT eszközök, például a ReactIR és a ReactRaman automatizált reaktorokkal való kombinációja lehetővé teszi a tudósok számára, hogy a túltelítettséget szabályozási paraméterré tegyék; A kristályosodási folyamatok állandó túltelítettségi szinteken futnak az egységesebb szemcseméret-eloszlás elérése érdekében.
• Az integrált One Click Analytics automatikusan megtalálja és megjeleníti a hasznos és könnyen érthető kémiai és szerkezeti információkat a gyors és bizonyítékokon alapuló döntéshozatal érdekében.

A kristályosodás ellenőrzése kritikus fontosságú a fontos minőségi jellemzők eléréséhez, és jelentős számú kölcsönhatásban álló tényező befolyásolja a kristályosságot, a kristályméretet, a szemcsék méreteloszlását, a polimorfizmust és így tovább. A Dynochem modellezés segít a kristályosítások mögötti tudomány megfejtésében, és lehetővé teszi a kristályosítási folyamatok érthető és praktikus tervezési terének kialakítását. A Dynochem in situ analitikai mérések adatait használja az oldhatósági/túltelítettségi profilok modellezésére kulcsfontosságú változók, például a hőmérséklet, a vetőmagterhelés és a hűtési sebesség tényezőjeként. A kristályosodás előidézésére használt módszerekhez kapcsolódó változók, beleértve a desztillációt és az antiszolvens hozzáadást, gyorsan modellezhetők, hogy meghatározzák például a hűtési profilok hatását a termék tisztasága és hozama közötti kompromisszumra. Amikor a kristályosítások felskálázásáról (vagy hibaelhárítási célból történő csökkentésről) van szó, a Dinochem-et a fizikai-kémiai változók megértésére és optimalizálására használják, beleértve a keverést, a keverési sebességet és a hőátadást, valamint ezek kristályosodásra gyakorolt hatását. A Dynochem modellezés gyorsan azonosítja a megfelelő folyamatkörülményeket annak biztosítása érdekében, hogy a kristályosodások jól szabályozottak és reprodukálhatók legyenek a skálákon.