Ultrazvučna kristalizacija i precipitacija

Ultrazvuk pokreće i potiče nukleaciju i kristalizaciju organskih molekula. Kontrola nad ovim procesom ključna je za osiguranje visokog kvaliteta konačnog proizvoda. Prednosti primjene ultrazvučne obrade (sonikacije) za kristalizaciju i dobivanje čvrstih tvari iz tekućina jesu to što proces postaje znatno brži, troši se manje materijala, a omogućeno je i upravljanje konačnom veličinom kristala. Hielscher nudi pouzdane i jednostavne za upotrebu sonikatore za uspješnu kristalizaciju i stvaranje čvrstih tvari, bilo u šaržnom načinu rada, inline ili in situ tokom reakcije.

Sonokristalizacija i sonoprecipitacija

Primjena ultrazvučnih talasa tokom kristalizacije i precipitacije ima različite pozitivne učinke na proces.
Ultrazvuk velike snage pomaže da se

• formiraju prezasićene/ supersaturirane otopine
• pokrene brza nukleacija
• kontrolira brzina rasta kristala
• kontrolira precipitacija
• kontroliraju polimorfi
• smanje nečistoće
• postigne ujednačena raspodjela veličine kristala
• postigne ujednačena morfologija
• spriječi neželjeno taloženje na površinama
• pokrene sekundarna nukleacija
• poboljša odvajanje čvrste i tečne faze

 

Razlika između kristalizacije i precipitacije

I kristalizacija i precipitacija procesi su vođeni topljivošću, pri kojima se čvrsta faza, bilo da je riječ o kristalu ili talogu, izdvaja iz otopine koja je premašila tačku zasićenja. Razlika između kristalizacije i precipitacije zavisi od mehanizma nastanka i prirode konačnog proizvoda.

Pri kristalizaciji dolazi do metodičnog i postepenog razvoja kristalne rešetke, koja se selektivno gradi od organskih molekula i na kraju daje čisto i jasno definirano kristalno ili polimorfno jedinjenje. Nasuprot tome, precipitacija podrazumijeva brzo stvaranje čvrstih faza iz prezasićene otopine, što rezultira nastankom kristalnih ili amorfnih čvrstih tvari. Važno je napomenuti da razlikovanje kristalizacije i precipitacije može biti zahtjevno, jer se mnoge organske tvari u početku pojavljuju kao amorfne, nekristalne čvrste tvari, koje potom prelaze u stvarno kristalno stanje. U takvim slučajevima razgraničenje između nukleacije i nastanka amorfne čvrste tvari tokom precipitacije postaje složeno.

Procese kristalizacije i precipitacije određuju dva temeljna koraka: nukleacija i rast kristala. Nukleacija počinje kada se molekule otopljene tvari u prezasićenoj otopini nakupljaju i tvore nakupine ili jezgre, koje zatim služe kao osnova za naknadni rast čvrstih faza.

Uobičajeni problemi kod procesa kristalizacije i precipitacije

Kristalizacija i precipitacija obično su procesi koji se odvijaju ili vrlo selektivno ili vrlo brzo, pa ih je stoga teško kontrolirati. Posljedica je da se nukleacija općenito odvija nasumično, tako da kvalitet nastalih kristala (precipitanata) nije kontroliran. Shodno tome, dobiveni kristali imaju neprilagođenu veličinu, neravnomjerno su raspoređeni i neujednačenog su oblika. Takvi nasumično istaloženi kristali uzrokuju velike probleme s kvalitetom jer su veličina kristala, raspodjela kristala i morfologija ključni kriteriji kvaliteta istaloženih čestica. Nekontrolirana kristalizacija i precipitacija znači loš proizvod.

Rješenje: kristalizacija i precipitacija uz ultrazvučnu obradu

Ultrazvučno potpomognuta kristalizacija (sonokristalizacija) i precipitacija (sonoprecipitacija) omogućavaju preciznu kontrolu nad uvjetima procesa. Na sve važne parametre ultrazvučne kristalizacije moguće je precizno utjecati – što rezultira kontroliranom nukleacijom i kristalizacijom. Ultrazvučno istaloženi kristali imaju ujednačeniju veličinu i kubičniju morfologiju. Kontrolirani uvjeti sonokristalizacije i sonoprecipitacije omogućavaju visoku ponovljivost i postojan kvalitet kristala. Svi rezultati postignuti u malom mjerilu mogu se povećati u potpunosti linearno. Ultrazvučna kristalizacija i precipitacija omogućavaju sofisticiranu proizvodnju kristalnih nanočestica – i u laboratorijskom i u industrijskom mjerilu.

Učinci ultrazvučne kavitacije na kristalizaciju i precipitaciju

Kada se visokoenergetski ultrazvučni talasi unose u tekućine, naizmjenični ciklusi visokog i niskog pritiska stvaraju mjehuriće ili šupljine u tekućini. Ti mjehurići rastu tokom nekoliko ciklusa dok ne mogu apsorbirati više energije, pa se tokom ciklusa visokog pritiska naglo urušavaju. Pojava takvih naglih implozija mjehurića poznata je kao akustična kavitacija i karakteriziraju je lokalni ekstremni uvjeti, poput vrlo visokih temperatura, velikih brzina hlađenja, velikih razlika pritiska, udarnih talasa i tečnih mlazeva.
Učinci ultrazvučne kavitacije potiču kristalizaciju i precipitaciju jer osiguravaju vrlo homogeno miješanje prekursora. Ultrazvučno otapanje dobro je utvrđena metoda za dobivanje prezasićenih/ supersaturiranih otopina. Intenzivno miješanje i time poboljšan prijenos mase poboljšavaju zasijavanje jezgri. Ultrazvučni udarni talasi pomažu stvaranju jezgri. Što je više jezgri zasijano, to će rast kristala biti finiji i brži. Budući da se ultrazvučna kavitacija može vrlo precizno kontrolirati, moguće je kontrolirati proces kristalizacije. Prirodno postojeće barijere za nukleaciju lako se savladavaju zahvaljujući ultrazvučnim silama.
Osim toga, ultrazvučna obrada pomaže tokom tzv. sekundarne nukleacije, jer snažne ultrazvučne smične sile lome i deaglomeriraju veće kristale ili aglomerate.
Uz ultrazvuk se može izbjeći prethodna obrada prekursora, jer ultrazvučna obrada poboljšava kinetiku reakcije.

Utjecaj na veličinu kristala ultrazvučnom obradom

Ultrazvuk omogućava proizvodnju kristala prilagođenih zahtjevima. Tri opće opcije ultrazvučne obrade imaju važne učinke na rezultat:

• Početna ultrazvučna obrada:
  Kratka primjena ultrazvučnih talasa na prezasićenu otopinu može pokrenuti zasijavanje i stvaranje jezgri. Budući da se ultrazvučna obrada primjenjuje samo u početnoj fazi, naknadni rast kristala odvija se neometano, što rezultira većim kristalima.
• Kontinuirana ultrazvučna obrada:
  Kontinuirano zračenje prezasićene otopine rezultira malim kristalima, jer ultrazvučna obrada bez pauza stvara mnogo jezgri, što dovodi do rasta mnogo malih kristala.

• Pulsna ultrazvučna obrada:
  Pulsni ultrazvuk znači primjenu ultrazvuka u određenim intervalima. Precizno kontroliran unos ultrazvučne energije omogućava utjecaj na rast kristala kako bi se dobila prilagođena veličina kristala.

Sonikatori za poboljšane procese kristalizacije i precipitacije

Procesi sonokristalizacije i sonoprecipitacije mogu se provoditi u šaržama ili zatvorenim reaktorima, kao kontinuirani inline proces ili kao in situ reakcija. Hielscher Ultrasonics isporučuje vam savršeno prikladan sonikator za vaš specifični proces sonokristalizacije i sonoprecipitacije – bilo u istraživačke svrhe u laboratorijskom i stolnom mjerilu ili u industrijskoj proizvodnji. Naš širok asortiman proizvoda pokriva vaše potrebe. Svi ultrazvučni uređaji mogu se podesiti na cikluse ultrazvučnog pulsiranja – funkciju koja omogućava utjecaj na prilagođenu veličinu kristala.
Da bi se prednosti ultrazvučne kristalizacije još više poboljšale, preporučuje se upotreba umetka protočne ćelije MultiPhaseCavitator kompanije Hielscher. Ovaj poseban umetak omogućava ubrizgavanje prekursora kroz 48 finih kanila, čime se poboljšava početno zasijavanje jezgri. Prekursori se mogu precizno dozirati, što rezultira visokom mogućnošću kontrole nad procesom kristalizacije.

Tabela u nastavku daje orijentacijski prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: