Ultrazvuková krystalizace a srážení

Ultrazvuk iniciuje a podporuje nukleaci a krystalizaci organických molekul. Kontrola nad tímto procesem je zásadní pro zajištění vysoké kvality konečného produktu. Výhodou použití sonikace pro krystalizaci a tvorbu pevných látek z kapalin je, že proces výrazně zrychluje, spotřebovává méně materiálu a umožňuje vám řídit velikost výsledných krystalů. Hielscher dodává spolehlivé a snadno ovladatelné sonikátory pro úspěšnou krystalizaci a tvorbu pevných látek – ať už vsádkově, inline, nebo in-situ během reakce.

Sonokrystalizace a sonoprecipitace

Aplikace ultrazvukových vln během krystalizace a srážení má na proces řadu pozitivních účinků.
Výkonový ultrazvuk pomáhá

• vytvářet přesycené/ supersaturované roztoky
• iniciovat rychlou nukleaci
• řídit rychlost růstu krystalů
• řídit srážení
• řídit polymorfní formy
• snižovat obsah nečistot
• dosáhnout jednotné distribuce velikosti krystalů
• dosáhnout rovnoměrné morfologie
• zabránit nežádoucímu usazování na površích
• iniciovat sekundární nukleaci
• zlepšit separaci pevné a kapalné fáze

 

Rozdíl mezi krystalizací a srážením

Krystalizace i srážení jsou procesy řízené rozpustností, při nichž z roztoku, který překročil bod nasycení, vzniká pevná fáze – ať už krystal, nebo sraženina. Rozdíl mezi krystalizací a srážením spočívá v mechanismu vzniku a v povaze konečného produktu.

Při krystalizaci dochází k metodickému a postupnému vývoji krystalové mřížky, selektivně sestavované z organických molekul, jejímž výsledkem je čistá a přesně definovaná krystalická nebo polymorfní sloučenina. Naproti tomu srážení zahrnuje rychlý vznik pevných fází z přesyceného roztoku, při němž vznikají buď krystalické, nebo amorfní pevné látky. Je důležité poznamenat, že rozlišení mezi krystalizací a srážením může být obtížné, protože mnoho organických látek se zpočátku vyskytuje jako amorfní, nekrystalické pevné látky, které následně procházejí přechodem do skutečně krystalického stavu. V takových případech se vymezení mezi nukleací a tvorbou amorfní pevné látky během srážení stává složitým.

Procesy krystalizace a srážení jsou určovány dvěma základními kroky: nukleací a růstem krystalů. Nukleace začíná, když se molekuly rozpuštěné látky v přesyceném roztoku shlukují a vytvářejí klastry neboli zárodky, které pak slouží jako základ pro následný růst pevných fází.

Běžné problémy procesů krystalizace a srážení

Krystalizace a srážení jsou obvykle buď velmi selektivně, nebo velmi rychle probíhající procesy, a proto se jen obtížně řídí. Výsledkem je, že nukleace obecně probíhá náhodně, takže kvalita vznikajících krystalů (precipitátů) není kontrolována. V důsledku toho mají vzniklé krystaly neřízenou velikost, jsou nerovnoměrně rozložené a mají nejednotný tvar. Takto náhodně vysrážené krystaly způsobují závažné problémy s kvalitou – velikost krystalů, jejich distribuce a morfologie jsou totiž klíčovými kritérii kvality vysrážených částic. Nekontrolovaná krystalizace a srážení znamenají nekvalitní produkt.

Řešení: krystalizace a srážení za sonikace

Ultrazvukem podporovaná krystalizace (sonokrystalizace) a srážení (sonoprecipitace) umožňují přesnou kontrolu nad podmínkami procesu. Všechny důležité parametry ultrazvukové krystalizace lze přesně ovlivňovat – výsledkem je řízená nukleace a krystalizace. Ultrazvukem vysrážené krystaly mají jednotnější velikost a kubičtější morfologii. Řízené podmínky sonokrystalizace a sonoprecipitace umožňují vysokou reprodukovatelnost a trvale stálou kvalitu krystalů. Všechny výsledky dosažené v malém měřítku lze zcela lineárně převést do většího měřítka. Ultrazvuková krystalizace a srážení umožňují sofistikovanou výrobu krystalických nanočástic – jak v laboratorním, tak v průmyslovém měřítku.

Účinky ultrazvukové kavitace na krystalizaci a srážení

Když jsou do kapalin přenášeny vysoce energetické ultrazvukové vlny, střídající se cykly vysokého a nízkého tlaku vytvářejí v kapalině bubliny neboli dutiny. Tyto bubliny rostou v průběhu několika cyklů, dokud nemohou absorbovat další energii, a poté během cyklu vysokého tlaku prudce kolabují. Jev takových prudkých implozí bublin se nazývá akustická kavitace a vyznačuje se lokálními extrémními podmínkami, jako jsou velmi vysoké teploty, vysoké rychlosti chlazení, vysoké tlakové rozdíly, rázové vlny a kapalinové proudy.
Účinky ultrazvukové kavitace podporují krystalizaci a srážení tím, že zajišťují velmi homogenní promíchání prekurzorů. Ultrazvukové rozpouštění je osvědčenou metodou pro přípravu přesycených/ supersaturovaných roztoků. Intenzivní míchání a tím zlepšený přenos hmoty zlepšují tvorbu zárodků. Ultrazvukové rázové vlny napomáhají vzniku zárodků. Čím více zárodků se vytvoří, tím jemnější krystaly vznikají a tím rychleji probíhá jejich růst. Protože ultrazvukovou kavitaci lze velmi přesně řídit, je možné řídit i proces krystalizace. Přirozeně existující bariéry nukleace jsou díky ultrazvukovým silám snadno překonány.
Sonikace navíc napomáhá při tzv. sekundární nukleaci, protože silné ultrazvukové smykové síly rozbíjejí a deaglomerují větší krystaly nebo aglomeráty.
S ultrazvukem se lze vyhnout předúpravě prekurzorů, protože sonikace zlepšuje reakční kinetiku.

Ovlivnění velikosti krystalů sonikací

Ultrazvuk umožňuje výrobu krystalů přizpůsobených požadavkům. Tři obecné varianty sonikace mají významný vliv na výsledek:

• Počáteční sonikace:
  Krátká aplikace ultrazvukových vln na přesycený roztok může iniciovat tvorbu a vznik zárodků. Protože se sonikace aplikuje pouze v počáteční fázi, následný růst krystalů probíhá nerušeně, což vede ke vzniku větších krystalů.
• Kontinuální sonikace:
  Kontinuální ozařování přesyceného roztoku vede ke vzniku malých krystalů, protože nepřerušovaná ultrasonikace vytváří velké množství zárodků, což vede k růstu mnoha malých krystalů.

• Pulzní sonikace:
  Pulzní ultrazvuk znamená aplikaci ultrazvuku v určených intervalech. Přesně řízený přísun ultrazvukové energie umožňuje ovlivňovat růst krystalů tak, aby bylo dosaženo na míru přizpůsobené velikosti krystalů.

Sonikátory pro zlepšené procesy krystalizace a srážení

Procesy sonokrystalizace a sonoprecipitace lze provádět vsádkově nebo v uzavřených reaktorech, jako kontinuální inline proces nebo jako reakci in-situ. Hielscher Ultrasonics vám dodá dokonale vhodný sonikátor pro váš konkrétní proces sonokrystalizace a sonoprecipitace – ať už pro výzkumné účely v laboratorním a stolním měřítku, nebo v průmyslové výrobě. Naše široká produktová řada pokryje vaše potřeby. Všechny ultrazvukové přístroje lze nastavit na ultrazvukové pulzní cykly – funkce, která umožňuje ovlivnit velikost krystalů na míru.
Pro ještě větší umocnění přínosů ultrazvukové krystalizace se doporučuje použití vložky průtokové cely Hielscher MultiPhaseCavitator. Tato speciální vložka zajišťuje vstřikování prekurzoru přes 48 jemných kanyl, což zlepšuje počáteční tvorbu zárodků. Prekurzory lze přesně dávkovat, což vede k vysoké řiditelnosti procesu krystalizace.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů: