Cristallizzazione e precipitazione

La cristallizzazione riguarda tutti gli aspetti delle nostre vite dagli alimenti che mangiamo ai farmaci che assumiamo passando per i combustibili che usiamo per la nostra energia.

• La maggior parte dei prodotti dell'industria agrochimica e farmaceutica passa attraverso numerose fasi di cristallizzazione durante il suo sviluppo e la sua produzione.
• Nell'industria alimentare, ingredienti come il lattosio e la lisina vengono consegnati come cristalli agli esseri umani e agli animali per il consumo.
• Uno dei principali problemi per la sicurezza dell'industria petrolchimica è la cristallizzazione indesiderata degli idrati di gas nelle tubazioni in acque profonde.

Questo è il motivo per cui scienziati e ingegneri in più settori in tutto il mondo sono tenuti a comprendere, ottimizzare e controllare i processi di cristallizzazione ogni giorno. Una cristallizzazione efficace ed efficiente garantisce una produzione sicura e di alta qualità.

della qualità dei prodotti. La cristallizzazione è importante per la qualità del prodotto perché influenza la dimensione delle particelle, la purezza e la resa del prodotto. Ad esempio, nell'industria farmaceutica, la cristallizzazione di un ingrediente farmaceutico attivo (API) deve essere rigorosamente controllata per soddisfare le specifiche del prodotto desiderate.

qualità di processo. La cristallizzazione influenza anche la qualità del processo, come essiccamento, fluidità e scalabilità. Ad esempio, un'ampia distribuzione granulometrica del processo di cristallizzazione API potrebbe causare una filtrazione lenta e essiccamento inefficienti, creando così un collo di bottiglia nell'intero processo di produzione.

Mentre i cristalli hanno molti attributi importanti, la distribuzione granulometrica dei cristalli ha probabilmente il maggiore impatto sulla qualità e sull'efficacia del prodotto finale (e del processo necessario per consegnarlo). La dimensione e la forma dei cristalli influenzano direttamente i passaggi chiave a valle del cristallizzatore, con la filtrazione e la essiccamento prestazione particolarmente sensibili ai cambiamenti in questi importanti attributi. Allo stesso modo, la dimensione finale dei cristalli può anche influenzare direttamente la qualità del prodotto finale. In un composto farmaceutico, la biodisponibilità e l'efficacia sono spesso correlate alla dimensione delle particelle con particelle più piccole spesso desiderate per la loro maggiore solubilità e caratteristiche di dissoluzione.

La distribuzione granulometrica dei cristalli può essere ottimizzata e controllata scegliendo attentamente le condizioni di cristallizzazione e i parametri di processo più opportuni. Comprendere come i parametri di processo influenzano le trasformazioni chiave, come nucleazione, crescita e rottura, consente agli scienziati di sviluppare e produrre cristalli che avranno le caratteristiche desiderate e saranno efficienti da immettere sul mercato.

Mentre il metodo scelto per cristallizzare il prodotto può variare in base a diversi fattori, ci sono sei passaggi comuni per la cristallizzazione. Gli scienziati utilizzano le curve di solubilità per creare un quadro di riferimento per sviluppare il processo di cristallizzazione desiderato. Le curve di solubilità mostrano la temperatura e la solubilità per determinare i fattori che influenzano il processo di cristallizzazione. Un fattore è la scelta del solvente appropriato da utilizzare nella fase 1 del processo di cristallizzazione.

Un solvente appropriato è importante perché la cristallizzazione si ottiene generalmente riducendo la solubilità del prodotto in una soluzione di partenza satura. Quando si sceglie un solvente, alcune considerazioni includono:

• Solubilità: quanto soluto può essere disciolto?
• Sicurezza e impatto ambientale: quanto è pratico maneggiare il solvente?
• Tariffe di smaltimento: Come viene scartato il solvente?

Oltre al solvente, anche la temperatura è un fattore importante per determinare se si verificherà la cristallizzazione. Esiste una determinata temperatura in cui la quantità massima di prodotto può essere disciolta in un solvente. Quando viene raggiunta questa temperatura, la soluzione è satura e le impurità insolubili possono essere filtrate dalla soluzione calda.

La cristallizzazione generalmente avviene riducendo la solubilità di un soluto in una soluzione con uno o una combinazione di questi quattro metodi. Quando la solubilità è ridotta, la soluzione diventerà supersatura. La supersaturazione è la forza trainante per la nucleazione e la crescita dei cristalli. Si tratta di una fase fondamentale della cristallizzazione perché determina i fattori del prodotto cristallino come la dimensione la distribuzione e la fase. La scelta del metodo di cristallizzazione dipende dal macchina disponibile per la cristallizzazione, dagli obiettivi del processo di cristallizzazione e dalla solubilità e stabilità del soluto nel solvente scelto.

• Cristallizzazione di raffreddamento: quando disciolta ad alta temperatura, una grande quantità di soluto può avviare la cristallizzazione quando la soluzione subisce un raffreddamento controllato.
• Aggiunta di antisolvente: quando l'antisolvente viene aggiunto in modo controllato alla soluzione, riduce la solubilità della soluzione e aumenta la supersaturazione richiesta per la cristallizzazione.
• Evaporazione: Quando la solubilità non è né una funzione della temperatura né della composizione del solvente, è necessaria la cristallizzazione evaporativa. La soluzione altamente solubile viene riscaldata per punto di ebollizione e il solvente viene rimosso tramite evaporazione. Ciò leads alla cristallizzazione. Le proprietà del prodotto finale sono determinate in base alla velocità di evaporazione.
• Reattiva (precipitazione): quando il prodotto è ottenuto attraverso una reazione chimica come la neutralizzazione acido/base, la cristallizzazione può avvenire attraverso la reazione o la precipitazione.

Man mano che la solubilità si riduce, si raggiunge un punto in cui i cristalli nuclearanno e quindi cresceranno. Il punto in cui si verifica la nucleazione cristallina è chiamato limite metastabile. La supersaturazione è la differenza tra la concentrazione effettiva e la concentrazione di solubilità a una data temperatura. Quando il prodotto viene cristallizzato, si formano cristalli di prodotto altamente puri e le impurità rimangono nella soluzione. I parametri di processo come l'incorporazione di una strategia di germinazione possono essere utilizzati per controllare la supersaturazione, migliorare lotto consistenza e ottimizzare il prodotto formato.

In base alla solubilità, vengono eseguiti uno o più metodi di cristallizzazione (raffreddamento, antisolvente, cristallizzazione evaporativa o reattiva) per raggiungere un'elevata resa del prodotto. Al fine di progettare processi di cristallizzazione efficienti, è necessario un controllo sul grado di supersaturazione e una comprensione di ciò che i cristalli del meccanismo delle particelle attraversano.

Per la maggior parte dei processi di cristallizzazione, le particelle solide e purificate sono il prodotto desiderato. I cristalli devono essere separati dall'acqua madre mediante filtrazione. Per ottenere il prodotto, i requisiti per un processo di filtrazione efficiente sono:

• Sospensione di cristalli per filtraggio
• Trappola a vuoto o pressione utilizzata come forza motrice
• macchina di filtrazione come carta da filtro, un piastra poroso e un matraccio pulito

Infine, il prodotto cristallino purificato viene essiccato con il metodo atmosferico o sottovuoto. Il metodo utilizzato dipenderà da fattori quali il tipo di solvente e la stabilità termica e meccanica del API.

La dimensione e il conteggio delle particelle, così come pozzetto la composizione chimica, sono importanti per caratterizzare efficacemente lo sviluppo, il trasferimento e la processo di successo dei processi in numerosi settori.

I tradizionali analizzatori di granulometria offline vengono utilizzati nei laboratori di controllo qualità per misurare accuratezza le proprietà delle particelle Tuttavia, è necessario prestare attenzione alla preparazione del campione per consentire un misurazione coerente. Il ritardo e le potenziali modifiche delle particelle tra il campionamento e l'analisi rendono difficile l'approccio tradizionale all'analisi della granulometria per l'ottimizzazione e il miglioramento dei processi.

in linea misurazione strumenti offrono l'opportunità di monitorare come le dimensioni, il conteggio e la composizione delle particelle cambiano direttamente nel processo in tempo reale. Comprendendo come le particelle si comportano dall'inizio alla fine di un processo e confrontando le modifiche delle particelle con i parametri di processo, gli scienziati possono sviluppare una profonda comprensione dei sistemi di particelle. Ciò consente di ottimizzare la creazione di particelle adatte allo scopo e di monitorare i processi utilizzando metodi basati su prove scientifiche e di risolvere i problemi durante la produzione.

in linea misurazione particelle completa la tradizionale analisi della granulometria fornendo ulteriori informazioni sul comportamento naturale delle particelle durante il processo. Se un laboratorio di controllo qualità segnala una deviazione dalle specifiche, è possibile utilizzare misurazione particelle in linea per eseguire un'analisi della causa principale. Allo stesso modo, la misurazione di particelle in linea può prevedere quando un processo uscirà dalle specifiche e può aiutare a identificare quando un campione deve essere prelevato da un processo per l'analisi offline e la verifica della qualità. Combinando la misurazione delle particelle in linea per comprendere, ottimizzare e risolvere i problemi dei processi con l'analisi tradizionale della granulometria per il controllo qualità, gli scienziati possono sviluppare processi di particelle di qualità superiore in meno tempo a un costo totale inferiore.

In questo esempio, la velocità di raffreddamento alla fine del lotto induce nucleazione secondari con conseguente formatura di molti polveri sottili utilizzando analizzatori dimensionali di particelle. Un aumento della velocità di raffreddamento genera una supersaturazione più veloce, che viene consumata dalla nucleazione piuttosto che dalla crescita. Un controllo accurato della velocità di raffreddamento è essenziale per garantire il rispetto della specifica desiderata di distribuzione granulometrica dei cristalli.

La distribuzione granulometrica dei cristalli di ghiaccio svolge un ruolo vitale nel gusto e nella consistenza del gelato, con cristalli inferiori a 50 μm migliori dei cristalli più grandi di 100 μm. Per i prodotti agrochimici, è fondamentale garantire che le particelle siano abbastanza piccole da essere spruzzate senza ostruire gli ugelli mentre sono abbastanza grandi da non andare alla deriva nei campi vicini.

Mentre è spesso una sfida controllare la distribuzione granulometrica dei cristalli in tutta gradazioni, esiste l'opportunità di comprendere i processi di cristallizzazione al fine di fornire una distribuzione ottimizzata di dimensioni, resa e forma che garantisca un processo economico con la massima qualità possibile.

Sovrapponendo le condizioni di processo all'analisi delle particelle in situ, gli scienziati possono facilmente capire come i parametri di processo influenzano concentrazione, dimensioni, forma e struttura per prendere decisioni migliori, eliminare i rischi di processo e risolvere i problemi - più velocemente.

Parametri di processo come temperatura, agitazione e velocità di dosaggio hanno un impatto diretto sulla qualità del prodotto e del processo dei sistemi di particelle.EasyMax, OptiMax, RC1 e RX-10 garantiscono un controllo preciso e la registrazione delle condizioni di processo per una vera ingegneria delle particelle.

• Tutti i dati di processo vengono registrati sia che si prepianifichino i passaggi della ricetta come le rampe di temperatura o di dosaggio, sia che si effettuino regolazioni durante il processo
• Le informazioni provenienti dagli strumenti PAT (Process Analytical Technology), come ReactIR,ReactRaman, EasyViewer e/o ParticleTrack, possono essere sovrapposte alle tendenze dei parametri di processo per una comprensione rapida e semplice dei meccanismi delle particelle
• L'accuratezza dell'esecuzione consente a chimici e ingegneri di eseguire con sicurezza processi non presidiati

La dimensione, la forma e la concentrazione delle particelle sono informazioni critiche in ogni fase o sistema di pesatura durante un processo di cristallizzazione e quindi rendono critici gli attributi di qualità (CQA). Gli analizzatori dimensionali di particelle visualizzano e quantificano rapidamente le particelle e i meccanismi critici delle particelle per uno sviluppo del processo di cristallizzazione di successo.

• Le proprietà delle particelle e i meccanismi delle particelle vengono registrati per la revisione e l'analisi in ogni momento, anche se gli scienziati non possono essere in laboratorio.
• L'interoperabilità tra reattori automatici e ParticleTrack e EasyViewer consente agli scienziati di impostare loop di controllo tramite feedback per il raffreddamento controllato delle dimensioni o del conteggio delle particelle o di impostare le velocità di dosaggio degli antisolventi per ridurre al minimo le popolazioni di particelle indesiderate, come le multe eccessive.
• L'intuitiva procedura guidata per l'avvio dell'esperimento facilita e velocizza la raccolta di dati di alta qualità sulle particelle.

La concentrazione della soluzione, la supersaturazione e la forma del cristallo (polimorfismo) sono spesso collegate e determinano in gran parte il successo dello sviluppo del processo di cristallizzazione.

ReactIR e ReactRaman analizzano in modo sistematico la composizione della soluzione e delle particelle per raggiungere ogni volta senza eccezioni il punto finale desiderato.

• La composizione della soluzione e la configurazione della cella unitaria delle particelle vengono sistematicamente analizzate, registrate e visualizzate in tempo reale.
• La combinazione di strumenti PAT spettroscopici, come ReactIR e ReactRaman, con reattori automatici consente agli scienziati di rendere la supersaturazione un parametro di controllo; I processi di cristallizzazione avvengono a livelli costanti di soprasaturazione per ottenere distribuzioni granulometriche più uniformi.
• L'analitica con interfaccia One Click integrata individua e visualizza automaticamente le informazioni chimiche e strutturali significative e di immediata comprensione per processi decisionali rapidi e basati sull'evidenza.

Il controllo sulle cristallizzazioni è fondamentale per ottenere importanti attributi di qualità e vi è un numero significativo di fattori interagenti che influenzano la cristallinità, la dimensione dei cristalli, la distribuzione granulometrica delle particelle polimorfismo e altro ancora. La modellazione Dynochem aiuta a svelare la scienza alla base della cristallizzazione e consente lo sviluppo di spazi di progettazione comprensibili e pratici per i processi di cristallizzazione. Dynochem utilizza i dati delle misurazioni analitiche in situ per modellare i profili di solubilità/supersaturazione come fattore di variabili chiave, tra cui temperatura, caricamento dei germi e velocità di raffreddamento. Le variabili associate ai metodi utilizzati per indurre la cristallizzazione, compresa l'aggiunta di distillazione e antisolvente, vengono rapidamente modellate per determinare, ad esempio, l'effetto dei profili di raffreddamento sul compromesso tra purezza e resa del prodotto. Quando si tratta di scalare le cristallizzazioni (o ridimensionare per scopi di risoluzione dei problemi), Dynochem viene utilizzato per comprendere e ottimizzare le variabili fisico-chimiche, tra cui miscelazione, velocità di agitazione e trasferimento di calore, e i loro effetti sulla cristallizzazione. La modellazione Dynochem identifica rapidamente le condizioni di processo appropriate per garantire che le cristallizzazioni siano controllate in pozzetto e riproducibili nell'intero gradazioni.