Vplyv miešania na kryštalizáciu

• Predstavujeme kryštalizáciu a zrážanie
  
• Základy: Rozpustnosť a šírka metastabilnej zóny
• Ako zmerať veľkosť kryštálu
• Použitie antirozpúšťadla na kryštalizáciu

Zmena stupnice alebo podmienok miešania v kryštalizátore môže priamo ovplyvniť kinetiku procesu kryštalizácie a konečnú veľkosť kryštálov. Účinky prenosu tepla a hmoty je dôležité zvážiť pre chladiace a antisolventné systémy, kde teplotné alebo koncentračné gradienty môžu spôsobiť nehomogenitu v prevládajúcej úrovni presýtenia. To má často za následok vrecká s veľmi vysokým presýtením blízko stien nádoby pre chladiacu kryštalizáciu alebo v mieste pridania pre antirozpúšťadlové (a tiež reaktívne) kryštalizácie.

Vrecká s vysokým presýtením môžu spôsobiť veľmi vysokú rýchlosť nukleácie a rastu v určitých oblastiach kryštalizátora vo veľkom meradle, čo znamená, že konečná distribúcia veľkosti kryštálov sa môže dramaticky líšiť od distribúcie dosiahnutej v lepšie zmiešanom prostredí v laboratóriu počas vývoja. Ako je vidieť na grafe vpravo, zmena z 500 ml reaktora na 2 l reaktor pre rovnaký proces kryštalizácie má za následok neočakávané nukleačné udalosti charakterizované ParticleTrack. Tiež počet pokút generovaných v celej dávke je výrazne vyšší.

Tu je znázornený vplyv lokálneho nahromadenia presýtenia na kryštalizáciu, kde je znázornená opakovateľnosť nukleačného bodu pre nenasadenú kryštalizáciu pre antirozpúšťadlový kryštalizačný systém. Pri tomto procese (vpravo), keď sa antirozpúšťadlo pridáva nad povrch kvapaliny a blízko steny reaktora, najmä pri vyšších rýchlostiach pridávania, je nukleačný bod extrémne nekonzistentný, so širokými chybovými stĺpcami zobrazenými pre tieto experimenty, ktoré boli vykonané v troch vyhotoveniach (D. O'Grady, M. Barrett, E. Casey a B. Glennon). (2007) Vplyv miešania na šírku metastabilnej zóny a kinetiku nukleácie pri antirozpúšťadlovej kryštalizácii kyseliny benzoovej. Výskum a dizajn chemického inžinierstva, 85, 945 – 952). Okrem toho pri pridávaní anti-rozpúšťadla nad povrch a na stenu kryštalizátora dochádza k nukleácii konzistentne skôr, pri nižších koncentráciách anti-rozpúšťadiel. Dôvodom týchto dvoch znepokojujúcich výsledkov je, že keď sa anti-rozpúšťadlo pridá blízko steny, podmienky miešania v kryštalizátore sťažujú ľahké zapracovanie anti-rozpúšťadla a v mieste napájania sa vytvára presýtenie. 

Dôvodom tohto dramatického rozdielu v konzistencii je spôsob, akým je anti-rozpúšťadlo zabudované do nádoby. Toto video (vľavo) ukazuje experimenty so sledovačom výpočtovej dynamiky tekutín (CFD) pre obe miesta sčítania zobrazené vyššie (stred a stena). Keď sa anti-rozpúšťadlo pridá nad povrch a blízko steny, je ťažké účinne zapracovať kvapalinu do objemového roztoku. Keď sa anti-rozpúšťadlo pridá bližšie k obežnému kolesu, dôjde k okamžitému začleneniu anti-rozpúšťadla. Pre tento kryštalizačný systém tento rozdiel v inkorporácii antirozpúšťadiel – a s tým spojený rozdiel v homogenite presýtenia cez nádobu – spôsobuje významné rozdiely v nukleácii a konzistencii kryštalizačného procesu.

Okrem účinkov prenosu hmoty môže mať šmyková rýchlosť v kryštalizátore fyzický vplyv na kryštály rozbitím. Zlomenie kryštálu je funkciou koncentrácie pevných látok v systéme, ako aj šmykovej rýchlosti. So zmenou vodného kameňa a podmienok miešania sa môžu stať dôležitými gradienty koncentrácie pevných látok a šmykovej rýchlosti, čo znamená, že pri zvyšovaní procesu kryštalizácie môže dôjsť k väčšiemu alebo menšiemu rozbitiu. V tomto príklade (vpravo) sú rozdelenia  dĺžky tetivy získané pomocou technológie FBRM (ParticleTrack) pre proces kontinuálnej kryštalizácie znázornené pre tri rôzne intenzity miešania (E. Kougoulos, A.G. Jones a M.W. Wood-Kaczmar (2005) Estimation of Crystallization Kinetics for an Organic Fine Chemical Using a Modified Continuous Cooling Mixed Suspension Mixed Product Removal (MSMPR) Crystallizer, Journal of Crystal Growth, Zväzok 273, vydania 3 – 4, 3. január 2005, strany 520 – 528).  So zvyšujúcou sa miešaním a súvisiacou rýchlosťou šmyku sa distribúcie posúvajú doľava so zvyšujúcim sa počtom jemných kryštálov, čo naznačuje zlomenie kryštálu. Tento výsledok je bežný.  Takéto správanie je však ťažké predvídať, pretože intenzita miešania nie je škálovateľným parametrom. 

Tento článok pojednáva o bežných technikách analýzy veľkosti častíc a o tom, ako sa používajú na dodávanie vysokokvalitných častíc. Príklady zahŕňajú použitie offline analyzátorov veľkosti častíc v kombinácii s nástrojmi na charakterizáciu častíc v procese na optimalizáciu procesov. 

Operácie kryštalizačnej jednotky ponúkajú jedinečnú príležitosť zamerať sa a riadiť optimalizovanú distribúciu veľkosti a tvaru kryštálov na:

• Skráťte čas filtrácie a sušenia
• Vyhnite sa problémom so skladovaním, prepravou a trvanlivosťou
• Zabezpečte konzistentný a opakovateľný proces pri nižších nákladoch