Кристаллизация и осаждение

Кристаллизация — процесс выстраивания атомов и молекул в жесткую кристаллическую решетку с хорошо определенной энергетически устойчивой структурой. Мельчайший структурный элемент кристаллической решетки — ячейка. Она способна принимать атомы и молекулы, и благодаря этому свойству формируется макроскопический кристалл. В процессе кристаллизации атомы и молекулы соединяются между собой под определенными углами, образуя характерную форму кристалла с гладкими поверхностями и гранями. Хотя кристаллизация происходит в природе, у нее также есть широкое промышленное применение. Она используется на этапе разделения и очистки при производстве фармацевтических и химических продуктов.

Условия процесса кристаллизации напрямую влияют на размер и форму кристаллов и чистоту кристаллического продукта. Важно понимать сущность процесса кристаллизации и правильно подбирать его параметры. Это позволит получать однородные кристаллы нужного размера, формы и чистоты, а также предотвратить проблемы на последующих этапах, такие как слишком долгое время фильтрации или недостаточная сушка.

Кристаллизация широко применяется для производства различных необходимых нам продуктов — начиная от пищи и лекарств и заканчивая топливом. Большинство продуктов агрохимической и фармацевтической промышленности в ходе разработки и производства подвергается нескольким этапам кристаллизации. С помощью этого процесса получают такие ключевые пищевые ингредиенты, как лактоза и лизин. Однако нежелательная кристаллизация может быть опасна — например, кристаллизация газовых гидратов в глубоководных трубопроводах.

Кристаллизация
— это процесс образования твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов.

Кристалл
— тело, частицы которого (атомы, ионы или молекулы) расположены в трехмерной периодической структуре, принимающей естественную форму многогранника.

Осаждение
— синоним кристаллизации, однако этот термин чаще всего употребляется в отношении кристаллизации, которая происходит очень быстро в результате химической реакции.

Растворимость
— свойство вещества, его количество, которое способно раствориться в данном растворителе при данной температуре.

Насыщенный раствор
— раствор, содержащий максимальное количество вещества, которое способно раствориться в данном растворителе при данной температуре. Кристаллизация происходит в насыщенном растворе. Количество растворенного на тот момент вещества определяется его растворимостью.

Пересыщение
— разница между реальной и равновесной концентрациями растворенного вещества при данной температуре.

Кристаллизация происходит, когда растворимость вещества в растворе понижается каким-либо способом. Стандартные методы снижения растворимости:

a) охлаждение;

b) добавление антирастворителя;

c. испарение;

d) реакция (осаждение).

Выбор метода кристаллизации зависит от имеющегося оборудования, целей процесса кристаллизации, растворимости и стабильности растворенного вещества в выбранном растворителе.

Кристаллизация происходит за счет нескольких взаимосвязанных процессов, на протекание которых влияют выбранные параметры. Основные этапы:

• образование активных центров (нуклеация);
• рост;
• образование новой жидкой фазы;
• агломерация;
• распад агломератов;
• образование полиморфных модификаций.

Данные процессы, которые часто протекают в скрытом виде, оказывают ключевое влияние на результат кристаллизации.

1. Выберите подходящий растворитель. Ключевые моменты, на которые нужно обратить внимание, — количество вещества, которое можно в нем растворить (растворимость), и безопасность работы с растворителем.
2. Повышая температуру, полностью растворите продукт в растворителе. Нерастворенные примеси можно удалить из горячего раствора с помощью фильтрования.
3. Чтобы уменьшить растворимость, используйте охлаждение, добавление антирастворителя, испарение или реакцию осаждения. Раствор станет пересыщенным.
4. Кристаллизируйте продукт. При уменьшении растворимости до определенной точки начинается нуклеация и рост кристаллов. В ходе этого процесса формируются кристаллы продукта высокой степени чистоты. Примеси останутся в растворе.
5. Позвольте системе достигнуть равновесия после охлаждения (или применения другого метода кристаллизации).
6. Проведите фильтрацию и сушку готового продукта.

Ознакомьтесь с подборкой статей по теме кристаллизации:

Классическая работа по нуклеации кристаллов из растворов
Jaroslav Nývlt, Kinetics of nucleation in solutions, Journal of Crystal Growth, Volumes 3–4, 1968.

Исследование механизмов выращивания кристаллов из раствора
Crystal Growth Kinetics, Material Science and Engineering, Volume 65, Issue 1, July 1984.

Описание причин, по которым в системах «растворенное вещество — растворитель» вместо кристаллизации происходит образование новой жидкой фазы
Kiesow et al., Experimental investigation of oiling out during crystallization process, Journal of Crystal Growth, Volume 310, Issue 18, 2008.

Подробное исследование причин агломерации кристаллов в процессе кристаллизации
Brunsteiner et al., Toward a Molecular Understanding of Crystal Agglomeration, Crystal Growth & Design, 2005, 5 (1), pp 3–16.

Исследование механизмов распада агломератов в процессе кристаллизации
Fasoli & Conti, Crystal breakage in a mixed suspension crystallizer, Volume 8, Issue 8, 1973, Pages 931–946.

Обзор алгоритмов разработки эффективных процессов кристаллизации в высокотехнологичных сегментах химической промышленности
Paul et al., Organic Crystallization Processes, Powder Technology, Volume 150, Issue 2, 2005.

Технологии, которые гарантируют получение нужной полиморфной формы в процессе кристаллизации
Kitamura, Strategies for Control of Crystallization of Polymorphs, CrystEngComm, 2009,11, 949–964.

Кристаллы обладают множеством характеристик, но, пожалуй, важнейшая из них — это распределение кристаллов по размерам. От этого параметра в значительной степени зависят качество конечного продукта и эффективность процесса его получения. Размер и форма кристаллов непосредственно влияют на основные технологические этапы, следующие за кристаллизацией, — фильтрацию и сушку. Конечный размер кристаллов также определяет качество кристаллического продукта. Например, биологическая доступность и эффективность фармацевтических составов тем выше, чем мельче получаемые кристаллы, так как они лучше растворяются.

Оптимизировать дисперсность кристаллов можно путем тщательного подбора условий и параметров процесса кристаллизации. Чтобы кристаллический продукт приобрел нужные свойства, важно понимать, как параметры процесса влияют на основные превращения в ходе кристаллизации — образование зародышей (нуклеацию), рост и распад кристаллов.

В этом примере охлаждение в конце цикла вызывает вторичную нуклеацию, которая приводит к образованию множества мелких частиц. Исследование проведено с использованием анализаторов размера частиц.

Увеличение скорости охлаждения раствора ведет к более быстрому пересыщению, в результате скорость образования зародышей кристаллов будет выше скорости их роста. Следовательно, чтобы получить нужное распределение кристаллов по размеру, чрезвычайно важно контролировать скорость охлаждения.

Дисперсность кристаллов льда, например, влияет на вкус и консистенцию мороженого: так, кристаллы размером менее 50 мкм предпочтительнее кристаллов, которые больше 100 мкм. Она влияет и на технологические свойства распыляемых агрохимикатов: их частицы должны быть малы настолько, чтобы не засорять сопла при распылении, но при этом достаточно большими, чтобы их не уносило на соседние поля.

При масштабировании получить кристаллический продукт нужного размера и формы с наименьшими издержками возможно лишь в случае понимания всех нюансов кристаллизации.

Рабочая станция кристаллизации позволяет ученым получать максимум информации из каждого эксперимента с помощью централизованного программного решения. Средства процессно-аналитической технологии (PAT):

• Автоматизированные реакторы EasyMax, OptiMax и RX-10, а также реакционный калориметр RC1 обеспечивают непрерывное (24/7) и точное регулирование и регистрацию параметров процесса, включая значения энтальпии кристаллизации, благодаря чему ученые могут точно определять критические параметры процесса (CPP).
  
  
• EasyViewer — это зондовый прибор для получения изображений с высоким разрешением и их анализа. EasyViewer рассчитывает характеристики дисперсий кристаллов, частиц и капель в том естественном виде, в каком они находятся в технологической среде.
  
  
• ParticleTrack — анализатор размера и количества частиц. Полученная с его помощью статистически достоверная характеристика свойств дисперсных систем способствует успешному масштабированию процесса от лаборатории до производства при полном соблюдении требований ATEX.
  
  
• ReactRaman — рамановская спектроскопия in situ позволяет получать информацию химического и структурного характера, которая необходима для комплексного изучения полиморфных систем и выбора параметров процесса, обеспечивающих получение кристаллов требуемой формы.
  
  
• ReactIR — спектроскопия ИКФС в режиме реального времени предоставляет важные сведения о концентрации и уровне пересыщения, ширине зоны метастабильности, кинетике снятия пересыщения и конечной точке кристаллизации. Эти данные необходимы для обеспечения повторяемости процесса кристаллизации и гарантированного достижения заданной конечной точки.
  
  
• Программное обеспечение iC — обеспечивает взаимодействие между всеми средствами PAT. Все датчики и реакторы могут обмениваться информацией, а все аналитические данные (размер, форма, пересыщение и т. д.) могут быть использованы в качестве контрольных параметров процесса.

В дисперсных системах такие параметры, как температура, интенсивность перемешивания или режим дозирования, непосредственно влияют на качество процесса и конечного продукта. Приборы EasyMax, OptiMax, RC1 и RX-10 обеспечивают точное регулирование и регистрацию условий процесса для гибкого конструирования дисперсных систем.

• Регистрируются все данные: начиная от порядка добавления ингредиентов, программы дозирования и подъема температуры до регулирующих воздействий в ходе процесса.
  
  
• Информацию, собранную с помощью средств PAT (ReactIR, ReactRaman, EasyViewer и ParticleTrack), можно сопоставить с графиками изменения параметров процесса, чтобы выявить механизмы формирования частиц.
  
  
• Точность автоматического управления позволяет ученым и инженерам уверенно запускать процессы без участия оператора.

Размер, форма и концентрация — это важнейшие свойства частиц на каждой стадии процесса кристаллизации и на всех этапах масштабирования, поэтому они считаются критическими показателями качества (CQA). Анализаторы размера частиц оперативно отображают и количественно характеризуют частицы и важнейшие механизмы их формирования, что существенно облегчает разработку процессов кристаллизации.

• Свойства частиц и механизмы их формирования регистрируются автоматически для последующего анализа.
  
  
• Обмен данными между автоматизированными реакторами и системами ParticleTrack и EasyViewer способствует созданию замкнутых автоматических систем. В такой системе ученые могут регулировать режим охлаждения или добавление антирастворителя в зависимости от размера или количества частиц, чтобы избежать формирования нежелательных фракций, например слишком мелких.
  
  
• Интуитивно понятная функция «Мастер запуска эксперимента» позволяет ученым быстро накапливать высококачественные данные о свойствах дисперсных систем.

Такие характеристики среды, как концентрация раствора, степень пересыщения и кристаллическая (полиморфная) модификация, часто связаны между собой и в совокупности определяют успех разработки технологического процесса кристаллизации. Системы ReactIR и ReactRaman анализируют состояние раствора и дисперсии для безошибочного достижения заданной конечной точки процесса.

• Они непрерывно контролируют состав раствора и форму отдельных частиц, регистрируют и отображают результаты в режиме реального времени.
  
  
• Сочетание спектроскопических средств PAT, таких как ReactIR и ReactRaman, с автоматизированными реакторами позволяет ученым использовать степень пересыщения в качестве параметра регулирования. Процессы кристаллизации проводятся при постоянном пересыщении для достижения более равномерного распределения частиц по размерам.
  
  
• Аналитические функции One Click автоматически находят и наглядно отображают химическую и структурную информацию, предоставляя фактические данные для быстрого принятия решений.

Разработка процесса кристаллизации для получения чистого продукта с оптимальным выходом и размером частиц включает в себя ряд важных элементов:

• выбор подходящего растворителя;
• выявление нежелательных полиморфных форм для обеспечения стабильности;
• определение кинетики нуклеации и роста;
• разработка схемы затравливания;
• оптимизация профилей охлаждения и добавления антирастворителя;
• учет влияния смешивания и масштабирования.