Ultrazvučna kristalizacija i precipitacija

Ultrazvuk pokreće i potiče nukleaciju i kristalizaciju organskih molekula. Kontrola nad ovim procesom je od vitalnog značaja kako biste bili sigurni da je konačni proizvod visokog kvaliteta. Prednosti korištenja ultrazvuka za kristalizaciju i pravljenje čvrstih tvari iz tekućina su da proces čini mnogo bržim, koristi manje materijala i omogućava vam da upravljate konačnom veličinom kristala. Hielscher pruža pouzdane i jednostavne sonikatore za uspješnu kristalizaciju i formiranje čvrste tvari, bilo u serijama, u liniji ili in-situ tijekom reakcije.

Sono-kristalizacija i sono-precipitacija

Primena ultrazvučnih talasa tokom kristalizacije i taloženja ima različite pozitivne efekte na proces.
Snažni ultrazvuk pomaže

• formiraju prezasićene/prezasićene otopine
• inicira brzu nukleaciju
• kontroliraju brzinu rasta kristala
• kontrolisati padavine
• kontrolni polimorfi
• smanjiti nečistoće
• dobiti ujednačenu distribuciju veličine kristala
• dobiti ujednačenu morfologiju
• spriječiti neželjeno taloženje na površinama
• pokrenuti sekundarnu nukleaciju
• poboljšati odvajanje čvrstog i tečnog

 

Razlika između kristalizacije i taloženja

I kristalizacija i taloženje su procesi vođeni rastvorljivošću, pri čemu čvrsta faza, bilo da je kristal ili talog, izlazi iz rastvora koji je premašio svoju tačku zasićenja. Razlika između kristalizacije i taloženja zavisi od mehanizma formiranja i prirode konačnog proizvoda.

U kristalizaciji dolazi do metodičnog i postepenog razvoja kristalne rešetke, selektivno sastavljene od organskih molekula, dajući na kraju čisto i dobro definirano kristalno ili polimorfno jedinjenje. Suprotno tome, taloženje podrazumijeva brzo stvaranje čvrstih faza iz prezasićenog rastvora, što rezultira formiranjem kristalnih ili amorfnih čvrstih materija. Važno je napomenuti da razlikovanje između kristalizacije i taloženja može biti izazovno, jer se mnoge organske tvari u početku manifestiraju kao amorfne, nekristalne čvrste tvari, koje kasnije prolaze kroz prijelaz da bi postale istinski kristalne. U takvim slučajevima, razgraničenje između nukleacije i formiranja amorfne čvrste supstance tokom taloženja postaje zamršeno.

Proces kristalizacije i taloženja diktiraju dva osnovna koraka: nukleacija i rast kristala. Nukleacija počinje kada se molekuli otopljene tvari u prezasićenoj otopini akumuliraju, formirajući klastere ili jezgre, koji tada služe kao temelj za daljnji rast čvrstih faza.

Uobičajeni problemi sa procesima kristalizacije i precipitacije

Kristalizacija i precipitacija su obično ili vrlo selektivni ili vrlo brzo šireći procesi i stoga ih je teško kontrolisati. Rezultat je da generalno dolazi do nukleacije nasumično, tako da je kvalitet nastalih kristala (precipitanata) nekontrolisan. Shodno tome, izlazni kristali imaju neprilagođenu veličinu kristala, neravnomjerno su raspoređeni i neujednačenog oblika. Takvi nasumično istaloženi kristali uzrokuju velike problemi sa kvalitetom budući da su veličina kristala, distribucija i morfologija kristala ključni kriterijumi kvaliteta precipitiranih čestica. Nekontrolisana kristalizacija i taloženje znači loš proizvod.

Rješenje: Kristalizacija i precipitacija pod sonikacijom

Ultrazvučno potpomognuta kristalizacija (sonokristalizacija) i precipitacija (sonoprecipitacija) omogućava preciznu kontrolu nad uslovima procesa. Na sve važne parametre ultrazvučne kristalizacije može se precizno uticati – što rezultira kontroliranom nukleacijom i kristalizacijom. Ultrazvučno istaloženi kristali imaju ujednačeniju veličinu i kubičniju morfologiju. Kontrolisani uslovi sono-kristalizacije i sono-precipitacije omogućavaju visoku ponovljivost i kontinuirani kvalitet kristala. Svi rezultati postignuti u malom obimu, mogu se povećati u potpunosti linearno. Ultrazvučna kristalizacija i precipitacija omogućavaju sofisticiranu proizvodnju kristalnih nanočestica – u laboratorijskim i industrijskim razmjerima.

Efekti ultrazvučne kavitacije na kristalizaciju i precipitaciju

Kada su visokoenergetski ultrazvučni talasi spojeni u tečnosti, naizmenični ciklusi visokog pritiska/niskog pritiska stvaraju mehuriće ili praznine u tečnosti. Ti mjehurići rastu tokom nekoliko ciklusa sve dok ne mogu apsorbirati više energije, tako da se nasilno kolabiraju tokom ciklusa visokog pritiska. Fenomen takvih nasilnih implozija mjehurića poznat je kao akustična kavitacija i karakteriziraju ga lokalni ekstremni uvjeti kao što su vrlo visoke temperature, visoke stope hlađenja, visoki diferencijali tlaka, udarni valovi i mlazovi tekućine.
Efekti ultrazvučne kavitacije pospješuju kristalizaciju i taloženje osiguravajući vrlo homogeno miješanje prekursora. Ultrazvučno otapanje je dobro poznata metoda za proizvodnju prezasićenih/prezasićenih otopina. Intenzivno miješanje i samim tim poboljšan prijenos mase poboljšava zasijavanje jezgara. Ultrazvučni udarni talasi pomažu u formiranju jezgara. Što je više jezgri zasijano, to će se finiji i brži rast kristala odvijati. Kako se ultrazvučna kavitacija može vrlo precizno kontrolisati, moguće je kontrolisati proces kristalizacije. Prirodno postojeće barijere za nukleaciju lako se savladavaju zahvaljujući ultrazvučnim silama.
Dodatno, ultrazvučna obrada pomaže tokom takozvane sekundarne nukleacije budući da snažne ultrazvučne sile smicanja razbijaju i deaglomeriraju veće kristale ili aglomerate.
Ultrazvukom se može izbjeći prethodna obrada prekursora jer ultrazvuk poboljšava kinetiku reakcije.

Utjecaj na veličinu kristala ultrazvukom

Ultrazvuk omogućava proizvodnju kristala po mjeri. Tri opšte opcije sonikacije imaju važne efekte na izlaz:

• Inicijalna sonikacija:
  Kratka primjena ultrazvučnih valova na prezasićenu otopinu može pokrenuti zasijavanje i formiranje jezgara. Kako se sonikacija primjenjuje samo u početnoj fazi, naknadni rast kristala se odvija nesmetano što rezultira veći kristali.
• Kontinuirana sonikacija:
  Kontinuirano zračenje prezasićene otopine rezultira malim kristalima jer ultrazvučna obrada bez prekida stvara puno jezgri što rezultira rastom mnogih mala kristali.

• pulsna sonikacija:
  Impulsni ultrazvuk podrazumijeva primjenu ultrazvuka u određenim intervalima. Precizno kontrolisan unos ultrazvučne energije omogućava da se utiče na rast kristala kako bi se dobio a po meri veličina kristala.

Sonikatori za poboljšane procese kristalizacije i taloženja

Procesi sonokristalizacije i sonoprecipitacije mogu se izvoditi u serijama ili zatvorenim reaktorima, kao kontinuirani inline proces ili kao in situ reakcija. Hielscher Ultrasonics vam isporučuje savršeno prikladan sonikator za vaš specifični proces sono-kristalizacije i sono-precipitacije – bilo u svrhu istraživanja u laboratoriju i na stolu ili u industrijskoj proizvodnji. Naš širok asortiman proizvoda pokriva vaše potrebe. Svi ultrasonikatori se mogu podesiti na cikluse ultrazvučne pulsacije – karakteristika koja omogućava da se utiče na prilagođenu veličinu kristala.
Da bi se prednosti ultrazvučne kristalizacije još više poboljšale, preporučuje se upotreba Hielscherovog umetka za protočne ćelije MultiPhaseCavitator. Ovaj specijalni umetak omogućava ubrizgavanje prekursora kroz 48 finih kanila poboljšavajući početno zasijavanje jezgara. Prekursori se mogu tačno dozirati što rezultira visokom kontrolom procesa kristalizacije.

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: