Oppløselighet og metastabil sonebredde

• Innføring av krystallisering og utfelling
• Overmetning: Drivkraften bak krystallisering
• Slik måles krystallstørrelse

Krystallisering oppnås ved å redusere produktets løselighet i en mettet startløsning, ved

• kjøling
• tilsetning av antiløsemiddel
• fordampning
• en kombinasjon av de ovennevnte metodene

En annen vanlig metode for å starte krystallisering er via en kjemisk reaksjon, der to eller flere reaktanter blandes slik at de danner et fast produkt som ikke kan løses i reaksjonsblandingen. Et vanlig eksempel på dette er reaksjonen der en syre og en base danner et salt.

Hvilken metode som velges for å krystallisere produktet kan variere, avhengig av en rekke faktorer. For eksempel er proteinkrystaller temperaturfølsomme, slik at kjøling og fordampning ikke forekommer og tilsetning av antiløsemiddel er den vanligste krystalliseringsmetoden. I mange krystalliseringsprosessor kan avkjøling være fordelaktig, fordi det kan reverseres. Den mettede løsningen kan varmes igjen dersom operasjonen ikke var optimal.

Løselighetskurver (se figuren til høyre) brukes ofte til å illustrere forholdet mellom løselighet, temperatur og type løsemiddel. Ved å plotte temperatur mot løselighet oppretter forskere rammeverket som trengs for å utvikle ønsket krystalliseringsprosess. Her er løseligheten til materialet gitt i løsemiddel A høy – hvilket betyr at mer materiale kan krystalliseres per enhet løsemiddelmasse. Løsemiddel C har lav løselighet ved alle temperaturer, en indikasjon på at det kan være et nyttig antiløsemiddel for dette materialet.

Så snart et egnet løsemiddel er valgt, blir oppløselighetskurven et kritisk verktøy for utviklingen av en effektiv krystalliseringsprosess. Med denne informasjonen kan startkonsentrasjonen og -temperaturen for antiløsemiddelforholdet velges, en teoretiske produksjonen beregnes og de første viktige beslutningene om hvordan krystalliseringen skal utvikles foretas. 

Et probebasert instrument som sporer hastigheten og graden av endringer i partikkelstørrelse og -antall når partikler eksisterer i en prosess, ParticleTrack, kan brukes til å måle løselighetskurven og MSZW (metastabil sonebredde) ved å nøyaktig identifisere oppløsningspunktet (punktet på løselighetskurven) og kjernedannelsespunktet (punkt på MSZW) ved ulike konsentrasjonsgrader av stoff i løsningen.

I en studie utført av Barrett og Glennon (Trans ICHemE, vol. 80, 2002, s. 799-805) måles en umettet løsning i sakte, fast hastighet, til kjernedannelsespunktet, ved hjelp av ParticleTrack (Lasentec FBRM), som indikerer et punkt på MSZW. Deretter varmes løsningen sakte til oppløsningspunktet måles og indikerer et punkt på løselighetskurven. Løsemiddel tilføres deretter systemet, for å redusere konsentrasjonen, og prosessen gjentas. På denne måten kan løselighetskurven og MSZW måles raskt, over et bredt spekter av temperaturer.

I denne figuren vises løselighetskurven og metastabile sonebredder for kaliumaluminiumsulfat. Når løselighetskurven er termodynamisk fastsatt for et gitt system med løsemiddel-stoff, er MSZW en kinetisk grense som kan endres, avhengig av prosessparametere som kjølerate, agitasjon og skala. Ved å karakterisere MSZW under flere prosessforhold kan forskere forstå hvordan en krystalliseringsprosess kan oppføre seg ved ulike skalaer, eller dersom det oppstår prosessproblemer. Variabilitet i MSZW under ulike forhold kan være en indikasjon på at systemet ikke alltid vil være konsekvent med tanke på kjernedanningspunkt og kinetikk. Et slikt resultat kan tilsi at man bør undersøke muligheten for å seede prosessen for å fikse kjernedanningspunktet for hvert enkelt eksperiment eller parti.

Dynamiske tilnærminger for å finne løselighet, slik som denne, kan noen ganger har begrenset nøyaktighet, fordi en rask oppvarmingshastighet betyr at det er mulig å overestimere det nøyaktige oppløsningspunktet. Statiske metoder, som f.eks. gravimetrianalyse, kan være mer nøyaktige, men de er mer tidkrevende og tungvinte å implementere. Mange teknikker kan brukes til å måle løselighetskurver, og nyere forskning som tar sikte på å forutsi løselighet i ulike løsemidler har vist seg lovende.

Krystalliseringsprosessen gir en unik mulighet til å etterstrebe og kontrollere en optimal krystallstørrelse og formdistribusjon. Dette kan føre til en dramatisk redusert filtrerings- og tørketid, omgå problemer med lagring, transport og lagringstid, og sikre en konsekvent og repeterbar prosess til en lavere pris.

Denne fortsatte gjennomgangen av krystalliseringslitteraturen er kokt ned til en oppsummering som gir retningslinjer for hvordan forstå og optimere de utfordrende enhetsoperasjonene for krystallisering og utfelling.

Denne tekniske rapporten dekker grunnleggende og avanserte strategier for optimering av krystallstørrelse og formdistribusjon.

Oppdag hvordan bildebasert prosesstrending kan føre til reduserte syklustider for krystallisering og bedre kvaliteten, samtidig som krystallstørrelsen og -formen er den samme.