Ultralydskrystallisation og udfældning

Ultralyd initierer og fremmer kimdannelse og krystallisation af organiske molekyler. At have kontrol over denne proces er afgørende for at sikre, at det endelige produkt er af høj kvalitet. Fordelene ved at bruge sonikering til krystallisering og fremstilling af faste stoffer fra væsker er, at det gør processen meget hurtigere, bruger mindre materiale og lader dig styre den endelige krystallstørrelse. Hielscher leverer pålidelige og brugervenlige sonikere til vellykket krystallisation og dannelse af faste stoffer, uanset om det er i batch, inline eller in-situ under en reaktion.

Sono-krystallisation og sono-udfældning

Anvendelsen af ultralydsbølger under krystallisation og nedbør har forskellige positive effekter på processen.
Effekt ultralyd hjælper med at

• form overmættede / overmættede opløsninger
• Initiere en hurtig kernedannelse
• kontrollere hastigheden af krystalvækst
• kontrollere nedbøren
• kontrollere polymorfer
• reducere urenheder
• opnå en ensartet krystalstørrelsesfordeling
• opnå en jævn morfologi
• forhindre uønsket aflejring på overflader
• initiere sekundær kimdannelse
• forbedre adskillelsen af fast væske

 

Forskellen mellem krystallisation og nedbør

Både krystallisation og udfældning er opløselighedsdrevne processer, hvor en fast fase, det være sig en krystal eller bundfald, kommer ud af en opløsning, der har overskredet sit mætningspunkt. Sondringen mellem krystallisation og udfældning afhænger af dannelsesmekanismen og det endelige produkts art.

Ved krystallisation sker der en metodisk og gradvis udvikling af et krystallinsk gitter, selektivt samlet af organiske molekyler, hvilket i sidste ende giver en ren og veldefineret krystallinsk eller polymorf forbindelse. Omvendt indebærer udfældning hurtig generering af faste faser fra en overmættet opløsning, hvilket resulterer i dannelsen af enten krystallinske eller amorfe faste stoffer. Det er vigtigt at bemærke, at det kan være en udfordring at skelne mellem krystallisation og udfældning, da mange organiske stoffer oprindeligt manifesterer sig som amorfe, ikke-krystallinske faste stoffer, som efterfølgende gennemgår en overgang til at blive virkelig krystallinske. I sådanne tilfælde bliver afgrænsningen mellem kimdannelse og dannelsen af et amorft fast stof under nedbør indviklet.

Krystallisations- og udfældningsprocesserne er dikteret af to grundlæggende trin: kimdannelse og krystalvækst. Kimdannelse begynder, når opløste molekyler i en overmættet opløsning akkumuleres og danner klynger eller kerner, som derefter tjener som grundlag for den efterfølgende vækst af faste faser.

Almindelige problemer med krystallisations- og udfældningsprocesser

Krystallisation og udfældning er normalt enten meget selektivt eller meget hurtigt formeringsprocesser og dermed næppe at kontrollere. Resultatet er, at der generelt forekommer kimdannelse Tilfældigt, så kvaliteten af de resulterende krystaller (fældningsmidler) er ukontrolleret. Derfor har de udgående krystaller en uskræddersyet krystalstørrelse, er ujævnt fordelt og uensartet formet. Sådanne tilfældigt udfældede krystaller forårsager store Kvalitetsproblemer da krystalstørrelse, krystalfordeling og morfologi er afgørende kvalitetskriterier for de udfældede partikler. En ukontrolleret krystallisation og udfældning betyder et dårligt produkt.

Opløsning: Krystallisation og udfældning under sonikering

En ultralydassisteret krystallisation (sonokrystallisation) og udfældning (sonoprecipitation) giver mulighed for præcis kontrol over procesbetingelserne. Alle vigtige parametre for ultralydskrystallisationen kan påvirkes præcist – hvilket resulterer i en kontrolleret kimdannelse og krystallisation. De ultralydisk udfældede krystaller har en mere ensartet størrelse og mere kubisk morfologi. De kontrollerede betingelser for sono-krystallisation og sono-udfældning giver mulighed for høj reproducerbarhed og en kontinuerlig krystalkvalitet. Alle resultater opnået i lille skala kan opskaleres helt lineært. Ultralydskrystallisation og udfældning muliggør sofistikeret produktion af krystallinske nanopartikler – i både laboratorie- og industriel skala.

Virkningerne af ultralydkavitation på krystallisation og nedbør

Når meget energiske ultralydsbølger er koblet til væsker, skaber skiftende højtryk / lavtrykscyklusser bobler eller hulrum i væsken. Disse bobler vokser over flere cyklusser, indtil de ikke kan absorbere mere energi, så de kollapser voldsomt under en højtrykscyklus. Fænomenet med sådanne voldsomme bobleimplosioner er kendt som akustisk kavitation og er kendetegnet ved lokale ekstreme forhold såsom meget høje temperaturer, høje kølehastigheder, høje trykforskelle, chokbølger og væskestråler.
Virkningerne af ultralydskavitation fremmer krystallisation og udfældning, hvilket giver en meget homogen blanding af forløberne. Ultralydsopløsning er en vel-østblished metode til fremstilling af overmættede / overmættede opløsninger. Den intense blanding og den dermed forbedrede masseoverførsel forbedrer såningen af kernerne. Ultralydchokbølgerne hjælper dannelsen af kernerne. Jo flere kerner der sås, jo finere og hurtigere vil krystalvæksten ske. Da ultralydskavitation kan styres meget præcist, er det muligt at kontrollere krystallisationsprocessen. Naturligt eksisterende barrierer for kimdannelse overvindes let på grund af ultralydskræfterne.
Derudover hjælper sonikering under såkaldt sekundær kimdannelse, da de kraftige ultralydsforskydningskræfter bryder og deagglomererer større krystaller eller agglomerater.
Med ultralyd kan en forbehandling af forløberne undgås, da sonikering forbedrer reaktionskinetik.

Påvirkning af krystalstørrelse ved sonikering

Ultralyd muliggør produktion af krystaller, der er skræddersyet til behov. Tre generelle muligheder for sonikering har vigtige virkninger på outputtet:

• Indledende sonikering:
  Den korte påføring af ultralydbølger på en overmættet opløsning kan starte såning og dannelse af kerner. Da sonikering kun anvendes i den indledende fase, fortsætter den efterfølgende krystalvækst uhindret, hvilket resulterer i Større Krystaller.
• Kontinuerlig sonikering:
  Den kontinuerlige bestråling af den overmættede opløsning resulterer i små krystaller, da den ikke-pausede ultralydbehandling skaber en masse kerner, hvilket resulterer i vækst af mange lille Krystaller.

• Pulserende sonikering:
  Pulserende ultralyd betyder anvendelse af ultralyd i bestemte intervaller. En præcist kontrolleret input af ultralydsenergi gør det muligt at påvirke krystalvæksten for at opnå en skræddersyet krystal størrelse.

Sonikere til forbedrede krystallisations- og udfældningsprocesser

Sono-krystallisations- og sono-udfældningsprocesser kan udføres i batches eller lukkede reaktorer, som kontinuerlig inline-proces eller som in-situ-reaktion. Hielscher Ultrasonics giver dig den perfekt egnede soniker til din specifikke sono-krystallisations- og sono-udfældningsproces – Uanset om det er til forskningsformål i laboratorie- og bordskala eller i industriel produktion. Vores brede produktsortiment dækker dine behov. Alle ultralydapparater kan indstilles til ultralydspulseringscyklusser – en funktion, der gør det muligt at påvirke en skræddersyet krystalstørrelse.
For at forbedre fordelene ultralydskrystallisering endnu mere, anbefales brugen af Hielscher flowcelleindsats MultiPhaseCavitator. Denne specielle indsats giver injektion af forløberen gennem 48 fine kanyler, hvilket forbedrer den indledende såning af kernerne. Forløberne kan doseres nøjagtigt, hvilket resulterer i en høj kontrollerbarhed over krystallisationsprocessen.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: