Ултразвукова кристализация и утаяване

Ултразвукът инициира и подпомага зародишообразуването и кристализацията на органични молекули. Контролът върху този процес е жизненоважен за гарантиране на високото качество на крайния продукт. Предимствата на ултразвуковата обработка при кристализация и образуване на твърди вещества от течности са значително ускоряване на процеса, използване на по-малко материал и възможност за управление на крайния размер на кристалите. Hielscher предлага надеждни и лесни за използване ултразвукови апарати за успешна кристализация и образуване на твърди вещества – при периодична обработка, в поточна линия или in situ по време на реакция.

Сонокристализация и сонопреципитация

Прилагането на ултразвукови вълни по време на кристализация и утаяване има различни положителни ефекти върху процеса.
Мощният ултразвук помага за

• образуване на преситени/ свръхнаситени разтвори
• иницииране на бързо зародишообразуване
• контролиране на скоростта на растеж на кристалите
• контролиране на утаяването
• контролиране на полиморфните форми
• намаляване на примесите
• получаване на равномерно разпределение на кристалите по размер
• получаване на еднородна морфология
• предотвратяване на нежелано отлагане върху повърхности
• иницииране на вторично зародишообразуване
• подобряване на разделянето на твърдата и течната фаза

 

Разлика между кристализация и утаяване

Кристализацията и утаяването са процеси, обусловени от разтворимостта, при които твърда фаза – кристал или утайка – се образува от разтвор, преминал точката си на насищане. Разликата между кристализацията и утаяването се определя от механизма на образуване и естеството на крайния продукт.

При кристализацията се осъществява последователно и постепенно изграждане на кристална решетка чрез селективно подреждане на органични молекули, което в крайна сметка води до получаване на чисто и ясно определено кристално или полиморфно съединение. Обратно, утаяването включва бързо образуване на твърди фази от преситен разтвор, като се получават кристални или аморфни твърди вещества. Важно е да се отбележи, че разграничаването между кристализация и утаяване може да бъде трудно, тъй като много органични вещества първоначално се появяват като аморфни, некристални твърди вещества, които впоследствие преминават в истинско кристално състояние. В такива случаи разграничаването между зародишообразуването и образуването на аморфно твърдо вещество при утаяване става сложно.

Процесите на кристализация и утаяване се определят от два основни етапа: зародишообразуване и растеж на кристалите. Зародишообразуването започва, когато молекулите на разтвореното вещество в преситен разтвор се натрупват и образуват клъстери или зародиши, които след това служат като основа за последващия растеж на твърдите фази.

Често срещани проблеми при процесите на кристализация и утаяване

Кристализацията и утаяването обикновено протичат или много селективно, или много бързо и поради това се контролират трудно. В резултат на това зародишообразуването обикновено протича случайно, така че качеството на получените кристали (утаени частици) е неконтролирано. Съответно получените кристали имат размер, който не е съобразен с изискванията, разпределени са неравномерно и имат нееднородна форма. Такива случайно утаени кристали причиняват сериозни проблеми с качеството , тъй като размерът на кристалите, тяхното разпределение и морфологията са решаващи критерии за качеството на утаените частици. Неконтролираните кристализация и утаяване означават некачествен продукт.

Решение: кристализация и утаяване при ултразвукова обработка

Подпомаганите с ултразвук кристализация (сонокристализация) и утаяване (сонопреципитация) позволяват прецизен контрол върху условията на процеса. Всички важни параметри на ултразвуковата кристализация могат да бъдат прецизно повлияни – което води до контролирано зародишообразуване и кристализация. Ултразвуково утаените кристали имат по-еднороден размер и морфология, по-близка до кубичната. Контролираните условия на сонокристализацията и сонопреципитацията позволяват висока възпроизводимост и постоянно качество на кристалите. Всички резултати, постигнати в малък мащаб, могат да бъдат пренесени в по-голям мащаб напълно линейно. Ултразвуковата кристализация и утаяване позволяват усъвършенствано производство на кристални наночастици – както в лабораторен, така и в промишлен мащаб.

Ефекти на ултразвуковата кавитация върху кристализацията и утаяването

Когато високоенергийни ултразвукови вълни се предават в течности, редуващите се цикли на високо/ ниско налягане създават мехурчета или кухини в течността. Тези мехурчета нарастват в продължение на няколко цикъла, докато вече не могат да поглъщат повече енергия, след което се сриват бурно по време на цикъл на високо налягане. Явлението на такива бурни имплозии на мехурчетата е известно като акустична кавитация и се характеризира с локални екстремни условия, като много високи температури, високи скорости на охлаждане, големи разлики в налягането, ударни вълни и течни струи.
Ефектите на ултразвуковата кавитация подпомагат кристализацията и утаяването, като осигуряват много хомогенно смесване на прекурсорите. Ултразвуковото разтваряне е утвърден метод за получаване на преситени/ свръхнаситени разтвори. Интензивното смесване и подобреният вследствие на него масопренос подобряват залагането на зародиши. Ултразвуковите ударни вълни подпомагат образуването на зародиши. Колкото повече зародиши се залагат, толкова по-фини кристали се получават и толкова по-бързо протича растежът им. Тъй като ултразвуковата кавитация може да се контролира много прецизно, е възможно да се контролира процесът на кристализация. Естествено съществуващите бариери пред зародишообразуването се преодоляват лесно благодарение на ултразвуковите сили.
Освен това ултразвуковата обработка подпомага така нареченото вторично зародишообразуване, тъй като мощните ултразвукови сили на срязване раздробяват и деагломерират по-големи кристали или агломерати.
С ултразвук може да се избегне предварителната обработка на прекурсорите, тъй като ултразвуковата обработка подобрява кинетиката на реакцията.

Влияние върху размера на кристалите чрез ултразвукова обработка

Ултразвукът позволява производството на кристали, съобразени с изискванията. Три основни режима на ултразвукова обработка оказват съществено влияние върху получения продукт:

• Начална ултразвукова обработка:
  Краткото прилагане на ултразвукови вълни към свръхнаситен разтвор може да инициира залагането и образуването на зародиши. Тъй като ултразвуковата обработка се прилага само в началния етап, последващият растеж на кристалите протича безпрепятствено, което води до получаване на по-големи кристали.
• Непрекъсната ултразвукова обработка:
  Непрекъснатото облъчване на свръхнаситения разтвор води до получаване на малки кристали, тъй като ултразвуковата обработка без паузи създава множество зародиши, което води до растежа на много малки кристали.

• Импулсна ултразвукова обработка:
  Импулсният ултразвук означава прилагане на ултразвук през определени интервали. Прецизно контролираното подаване на ултразвукова енергия позволява да се влияе върху растежа на кристалите, за да се получи съобразен с изискванията размер на кристалите.

Ултразвукови апарати за подобрени процеси на кристализация и утаяване

Процесите на сонокристализация и сонопреципитация могат да се извършват периодично или в затворени реактори, като непрекъснат процес в поточна линия или като реакция in situ. Hielscher Ultrasonics ви доставя идеално подходящия ултразвуков апарат за вашия конкретен процес на сонокристализация и сонопреципитация – независимо дали за изследователски цели в лабораторен мащаб и с настолни установки, или за промишлено производство. Нашата широка продуктова гама покрива вашите нужди. Всички ултразвукови апарати могат да бъдат настроени за цикли на ултразвукова пулсация – функция, която позволява да се влияе върху размера на кристалите, за да бъде съобразен с изискванията.
За допълнително увеличаване на ползите от ултразвуковата кристализация се препоръчва използването на вложката MultiphaseCavitator за проточна клетка на Hielscher. Тази специална вложка осигурява инжектиране на прекурсора през 48 фини канюли, което подобрява първоначалното залагане на зародиши. Прекурсорите могат да се дозират точно, което осигурява висока степен на контрол върху процеса на кристализация.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати: