Gieo hạt sự kết tinh

• Introducing Crystallization and Precipitation
  
• Fundamentals: Solubility and Metastable Zone Width
• How to Measure Crystal Size
• Using Anti-Solvent for Crystallization

Gieo hạt (gieo mầm) là một trong những phương pháp đơn giản nhất được sử dụng để kiểm soát siêu bão hòa. Trong quá trình gieo hạt, một lượng tinh thể nhỏ được thêm vào quá trình siêu bão hòa để:

• Bắt đầu quá trình kết tinh ở mức siêu bão hòa quá mong muốn 
• Cung cấp đủ diện tích bề mặt để đảm bảo siêu bão hòa được sử dụng một cách có kiểm soát

Chọn tải hạt giống đúng (khối lượng) và kích thước hạt có thể giúp sản xuất sản phẩm tinh thể cuối cùng với kích thước cụ thể. Nếu chúng ta xem xét một hệ thống kết tinh lý thuyết trong đó chỉ có sự tăng trưởng diễn ra và các tinh thể có hình cầu, có thể phát triển một mô hình đơn giản mà kích thước tinh thể cuối cùng có thể được tiên đoán đơn giản chỉ dựa trên kích thước và tải lượng hạt giống bắt đầu (phải). Hãy xem xét trường hợp chúng tôi gieo hạt một kết tinh với 1% hạt giống. Trong trường hợp này, 1% chỉ đơn giản là tỷ lệ của hạt giống cho khối lượng sản phẩm dự kiến cuối cùng. Do hạt giống và sản phẩm cuối cùng có tỷ trọng giống hệt nhau, nên đơn giản để chuyển đổi tỷ lệ khối lượng thành tỷ lệ thể tích. Sau đó, bước hợp lý tiếp theo là chuyển đổi tỷ lệ thể tích thành đường kính

Mặc dù mô hình đơn giản này rất hữu ích cho việc mô tả kích thước hạt và tải ảnh hưởng đến việc phân phối kích thước tinh thể cuối cùng, các giả định không thường thấy trong các hệ thống thực. Tinh thể hiếm khi có hình cầu, có nghĩa là các mô hình phức tạp hơn là cần thiết để dự đoán kích thước của kim. Quá trình kết tinh hiếm khi, nếu từng, tăng trưởng hoàn toàn chiếm ưu thế. Một số mức độ nhân tạo và tiêu hao hầu như luôn luôn xảy ra để phát triển sự kết tinh hạt giống hiệu quả. Như ví dụ này chứng minh, kính hiển vi thời gian thực cung cấp một cơ hội duy nhất để hiểu rõ hơn về các sự kiện gieo hạt. Trong hình ảnh bên phải, quá trình gieo hạt được quan sát trực tiếp trong quá trình kết tinh hữu cơ sử dụng kính hiển vi thời gian thực. Sau khi các tinh thể hạt được thêm vào dung dịch bão hòa (a), sẽ trở nên rõ ràng rằng sự tạo mầm bề mặt trên tinh thể hạt sẽ xảy ra (b). Theo thời gian, sự tăng trưởng dendritic xảy ra với các “nhánh” tinh thể nhỏ phát triển trực tiếp từ tinh thể hạt (c). Sau ba mươi phút, có sự phân bố kích cỡ và hình dạng hai mốt, chỉ ra rằng sản phẩm tinh thể cuối cùng có thể lọc và làm khô kém (d).

Kiến thức quá trình có thể dễ dàng thu được bằng cách hình dung cơ chế gieo hạt giống trong quá trình kết tinh.

Mức độ siêu bão hòa tại đó mầm sẽ được thêm vào là một biến số quan trọng cần xem xét khi thiết kế quá trình kết tinh hạt. Trong quá trình kết tinh làm nguội, điều này có thể được gọi là “nhiệt độ gieo hạt”, nhưng nó thực ra là mức độ siêu bão hòa đang được xem xét. Gieo hạt ở các mức siêu bão hòa có thể dẫn đến quá trình gieo hạt thứ cấp quá mức, làm cho quá trình gieo hạt tự nó trở nên dư thừa, trừ khi mục tiêu là sự phân bố kích thước tinh thể tốt. Nếu tăng trưởng tinh thể là như mong muốn, sau đó gieo hạt gần hơn tới đường cong độ hòa tan, ở độ siêu bão hòa thấp hơn, có thể là một sự lựa chọn khôn ngoan. Cách tiếp cận này được thể hiện trong đồ thị bên phải, trong đó ba quy trình kết tinh được so sánh bằng ParticleTrack với công nghệ FBRM ở ba nhiệt độ gieo hạt khác nhau. Bằng cách so sánh giữa 0 μm và 10 μm cho mỗi lần kết tinh, có thể so sánh tốc độ tạo mầm tương đối ở nhiệt độ gieo hạt khác nhau. Nhiệt độ gieo hạt thấp nhất (siêu bão hòa cao nhất) dẫn đến mức độ tạo mầm cao nhất và tinh thể tốt vào cuối của quá trình.

Khi gieo hạt, một yếu tố quan trọng khác cần lưu ý là trong quá trình chuẩn bị và bảo quản, tinh thể mầm có thể dính chặt với nhau và hình thành các cốt liệu. Thông thường, giữ đẳng nhiệt sau khi gieo hạt được yêu cầu để đảm bảo tinh thể mầm có thể phân tán hoàn toàn, và toàn bộ diện tích bề mặt có sẵn để thực hiện kết tinh. Sự giữ nhiệt như vậy cũng có thể giúp tinh thể mầm mọc, làm tăng diện tích bề mặt có sẵn để tăng trưởng. Trong ví dụ bên phải, xu hướng quy trình ParticleTrack mô tả quá trình kết tinh, trong đó phải mất bốn giờ để mầm phân tán hoàn toàn. Ví dụ này, cùng với các tài liệu khác cung cấp ở trên, chỉ ra rằng đặc tính cẩn trọng của quá trình gieo hạt, khi nói đến một số các biến quy trình quan trọng, rất quan trọng để đảm bảo tính nhất quán và chất lượng sản phẩm.

Mặc dù sự kết tinh đã được cải thiện qua nhiều năm, nhưng bước gieo hạt vẫn còn là một thách thức. Bài viết này xem xét làm thế nào để thiết kế một chiến lược gieo hạt và những tham số nào nên được xem xét đến khi thực hiện một giao thức nhìn thấy

Hoạt động của các đơn vị kết tinh đưa ra  cơ hội độc nhất nhắm tới và kiểm soát kích thước tinh thể tối ưu và phân bố hình dạng để:

• Giảm thời gian lọc và làm khô
• Tránh các vấn đề về Lưu trữ, Vận chuyển và Hạn sử dụng
• Đảm bảo một quy trình nhất quán và lặp lại với chi phí thấp hơn