Såstudier for krystallisering

• Vi introduserer krystallisering og nedbør
  
• Grunnleggende: Løselighet og metastabil sonebredde
• Hvordan måle krystallstørrelse
• Bruk av anti-løsemiddel for krystallisering

Såing er en av de enkleste metodene som brukes for å kontrollere overmetning.  Under såing tilsettes en liten masse krystaller til en overmetning for å:

• Start krystalliseringen på ønsket overmetningsnivå
• Gi tilstrekkelig overflateareal for å sikre at overmetning forbrukes på en kontrollert måte

Å velge riktig frøbelastning (masse) og frøstørrelse kan bidra til å produsere et endelig krystallprodukt av en spesifisert størrelse. Hvis vi vurderer et teoretisk krystalliseringssystem der bare vekst skjer og krystallene er sfæriske, er det mulig å utvikle en enkel modell der den endelige krystallstørrelsen kan forutsies ganske enkelt basert på startfrøstørrelsen og belastningen (høyre). Tenk på tilfellet der vi sår en krystallisering med 1% frø. I dette tilfellet er 1% ganske enkelt forholdet mellom frømasse og den endelige forventede produktmassen. Siden frøet og sluttproduktet har identiske tettheter, er det enkelt å konvertere masseforholdet til volumforholdet. Deretter er det neste logiske trinnet å konvertere volumforholdet til diameterforholdet.

Selv om denne enkle modellen er nyttig for å demonstrere hvordan frøstørrelse og belastning påvirker den endelige krystallstørrelsesfordelingen, er det ikke vanlig å observere forutsetningene i reelle systemer. Krystaller er sjelden sfæriske, noe som betyr at mer komplekse modeller er nødvendig for å forutsi størrelsen på nåler. Krystalliseringsprosesser er sjelden, om noensinne, fullstendig vekstdominert.  En viss grad av kjernedannelse og slitasje forekommer nesten alltid for å utvikle en effektiv frøkrystallisering. Som dette eksemplet viser, gir sanntidsmikroskopi en unik mulighet til å bedre forstå seeding-hendelser.  På bildene til høyre observeres såprosessen direkte under en organisk krystallisering ved hjelp av sanntidsmikroskopi. Etter at frøkrystaller er tilsatt den overmettede løsningen (a), blir det tydelig at overflatekjernedannelsen på frøkrystallene oppstår (b). Over tid skjer dendrittisk vekst med små krystall "grener" som vokser ortogonalt fra frøkrystallen (c). Etter tretti minutter er en bimodal størrelses- og formfordeling tilstede, noe som indikerer at det endelige krystallproduktet kan filtrere og tørke dårlig (d).

Prosesskunnskap kan enkelt oppnås ved å visualisere såmekanismer under krystalliseringsutvikling.

Overmetningsnivået som frøet vil bli tilsatt ved er en annen kritisk variabel å vurdere når du designer en sådd krystalliseringsprosess. I en avkjølende krystallisering kan dette refereres til som "såtemperaturen", men det er faktisk overmetningsnivået som vurderes. Såing ved høye overmetningsnivåer kan resultere i overdreven sekundær kjernedannelse, noe som gjør selve såprosessen overflødig, med mindre målet er en fin krystallstørrelsesfordeling. Hvis krystallvekst er ønsket, kan såing nærmere løselighetskurven, ved lavere overmetning, være et klokt valg. Denne tilnærmingen er vist i grafen til høyre, der tre krystalliseringsprosesser sammenlignes ved hjelp av ParticleTrack med FBRM-teknologi ved tre forskjellige såtemperaturer. Ved å sammenligne partikkeltall mellom 0 μm og 10 μm for hver krystallisering, er det mulig å sammenligne relative kjernedannelseshastigheter ved forskjellige såtemperaturer. Den laveste såtemperaturen (høyeste overmetning) resulterer i den høyeste graden av kjernedannelse og fine krystaller på slutten av prosessen. 

Ved såing er en annen viktig faktor å vurdere at frøkrystaller under tilberedning og lagring kan feste seg sammen og danne aggregater. Ofte er det nødvendig med et isotermisk hold etter såing for å sikre at frøkrystaller er i stand til å spre seg helt, og hele overflatearealet er tilgjengelig for krystallisering å fortsette. Et slikt isotermisk hold kan også hjelpe frøkrystaller til å vokse, noe som øker overflatearealet som er tilgjengelig for vekst. I eksemplet til høyre, en ParticleTrack-prosesstrend som beskriver en krystalliseringsprosess der det tar fire timer før frø sprer seg helt. Dette eksemplet, sammen med de andre som er gitt ovenfor, indikerer at nøye karakterisering av såprosessen, i form av en rekke kritiske prosessvariabler, er avgjørende for å sikre konsistens og produktkvalitet.

Selv om krystalliseringen har blitt bedre med årene, byr såtrinnet fortsatt på utfordringer. Denne artikkelen gjennomgår hvordan man utformer en såstrategi og hvilke parametere som bør vurderes når man implementerer en seing-protokoll.  

Krystalliseringsenhetsoperasjoner gir den unike muligheten til å målrette og kontrollere en optimalisert krystallstørrelse og formfordeling for å:

• Reduser filtrerings- og tørketider
• Unngå problemer med lagring, transport og holdbarhet
• Sikre en konsistent og repeterbar prosess til lavere kostnader