Ultralydskrystallisation og udfældning

Ultralyd igangsætter og fremmer kimdannelse og krystallisation af organiske molekyler. Kontrol over denne proces er afgørende for at sikre, at slutproduktet er af høj kvalitet. Fordelene ved at bruge sonikering til krystallisation og dannelse af faste stoffer fra væsker er, at processen bliver meget hurtigere, bruger mindre materiale og giver mulighed for at styre de endelige krystallers størrelse. Hielscher leverer pålidelige og brugervenlige sonikatorer til vellykket krystallisation og dannelse af faste stoffer, hvad enten det foregår i batch, inline eller in situ under en reaktion.

Sonokrystallisation og sonoudfældning

Anvendelse af ultralydsbølger under krystallisation og udfældning har forskellige positive virkninger på processen.
Effektultralyd hjælper med at

• danne overmættede/ supersaturerede opløsninger
• igangsætte hurtig kimdannelse
• styre krystalvækstens hastighed
• styre udfældningen
• styre polymorfe former
• reducere urenheder
• opnå en ensartet krystalstørrelsesfordeling
• opnå en ensartet morfologi
• forhindre uønsket aflejring på overflader
• igangsætte sekundær kimdannelse
• forbedre separationen af faste stoffer fra væsker

 

Forskellen mellem krystallisation og udfældning

Både krystallisation og udfældning er processer, der drives af opløselighed, hvor en fast fase, enten en krystal eller et bundfald, dannes fra en opløsning, som har overskredet sit mætningspunkt. Forskellen mellem krystallisation og udfældning afhænger af dannelsesmekanismen og slutproduktets beskaffenhed.

Ved krystallisation sker der en systematisk og gradvis udvikling af et krystalgitter, som opbygges selektivt af organiske molekyler og i sidste ende giver en ren og veldefineret krystallinsk eller polymorf forbindelse. Udfældning indebærer derimod hurtig dannelse 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 vanskeligt at skelne mellem krystallisation og udfældning, da mange organiske stoffer først forekommer som amorfe, ikke-krystallinske faste stoffer, som efterfølgende gennemgår en overgang og bliver egentligt krystallinske. I sådanne tilfælde bliver afgrænsningen mellem kimdannelse og dannelsen af et amorft fast stof under udfældning kompliceret.

Krystallisations- og udfældningsprocesserne bestemmes af to grundlæggende trin: kimdannelse og krystalvækst. Kimdannelse begynder, når molekyler af det opløste stof i en overmættet opløsning samles og danner klynger eller kim, som derefter danner grundlag for den efterfølgende vækst af faste faser.

Almindelige problemer med krystallisations- og udfældningsprocesser

Krystallisation og udfældning er normalt processer, der forløber enten meget selektivt eller meget hurtigt, og som derfor er vanskelige at styre. Resultatet er, at kimdannelsen generelt sker tilfældigt, så kvaliteten af de resulterende krystaller (bundfald) ikke er under kontrol. De dannede krystaller har derfor en krystalstørrelse, der ikke er tilpasset, er ujævnt fordelt og har uensartet form. Sådanne tilfældigt udfældede krystaller medfører store kvalitetsproblemer da krystalstørrelse, krystalfordeling og morfologi er afgørende kvalitetskriterier for de udfældede partikler. Ukontrolleret krystallisation og udfældning giver et dårligt produkt.

Løsning: Krystallisation og udfældning under sonikering

Ultralydsassisteret krystallisation (sonokrystallisation) og udfældning (sonoudfældning) giver mulighed for præcis kontrol over procesbetingelserne. Alle vigtige parametre ved ultralydskrystallisation kan påvirkes præcist – hvilket resulterer i kontrolleret kimdannelse og krystallisation. De krystaller, der udfældes ved hjælp af ultralyd, har en mere ensartet størrelse og en mere kubisk morfologi. De kontrollerede betingelser ved sonokrystallisation og sonoudfældning muliggør høj reproducerbarhed og vedvarende krystalkvalitet. Alle resultater, der opnås i lille skala, kan opskaleres fuldstændigt lineært. Ultralydskrystallisation og udfældning muliggør avanceret fremstilling af krystallinske nanopartikler – både i laboratorie- og industriskala.

Ultralydskavitationens virkninger på krystallisation og udfældning

Når ultralydsbølger med høj energi kobles ind i væsker, skaber skiftende højtryks-/ lavtrykscyklusser bobler eller hulrum i væsken. Disse bobler vokser over flere cyklusser, indtil de ikke kan absorbere mere energi og derfor kollapser voldsomt under en højtrykscyklus. Fænomenet med sådanne voldsomme bobleimplosioner kaldes akustisk kavitation og er kendetegnet ved lokale ekstreme forhold såsom meget høje temperaturer, høje afkølingshastigheder, store trykforskelle, chokbølger og væskestråler.
Virkningerne af ultralydskavitation fremmer krystallisation og udfældning ved at sikre en meget homogen blanding af prækursorerne. Opløsning ved hjælp af ultralyd er en veletableret metode til at fremstille overmættede/ supersaturerede opløsninger. Den intense blanding og den deraf følgende forbedrede masseoverførsel fremmer dannelsen af krystalkim. Ultralydschokbølgerne understøtter dannelsen af kim. Jo flere kim der dannes, desto finere bliver krystallerne, og desto hurtigere sker krystalvæksten. Da ultralydskavitation kan styres meget præcist, er det muligt at styre krystallisationsprocessen. Naturligt forekommende barrierer for kimdannelse overvindes let ved hjælp af ultralydskræfterne.
Desuden understøtter sonikering den såkaldte sekundære kimdannelse, da de kraftige forskydningskræfter fra ultralyden bryder større krystaller eller agglomerater op og deagglomererer dem.
Med ultralyd kan forbehandling af prækursorerne undgås, da sonikering forbedrer reaktionskinetikken.

Påvirkning af krystalstørrelse ved sonikering

Ultralyd muliggør fremstilling af krystaller, der er tilpasset kravene. Tre generelle former for sonikering har væsentlige virkninger på resultatet:

• Indledende sonikering:
  Kortvarig anvendelse af ultralydsbølger på en overmættet opløsning kan igangsætte kimdannelse. Da sonikering kun anvendes i den indledende fase, fortsætter den efterfølgende krystalvækst uhindret, hvilket resulterer i større krystaller.
• Kontinuerlig sonikering:
  Kontinuerlig bestråling af den overmættede opløsning resulterer i små krystaller, da den uafbrudte ultralydsbehandling skaber mange kim, hvilket fører til vækst af mange små krystaller.

• Pulseret sonikering:
  Pulseret ultralyd betyder, at ultralyd anvendes med bestemte intervaller. Et præcist kontrolleret input af ultralydsenergi gør det muligt at påvirke krystalvæksten for at opnå en tilpasset krystalstørrelse.

Sonikatorer til forbedrede krystallisations- og udfældningsprocesser

Sonokrystallisations- og sonoudfældningsprocesser kan udføres i batch eller lukkede reaktorer, som en kontinuerlig inlineproces eller som en reaktion in situ. Hielscher Ultrasonics leverer den perfekt egnede sonikator til din specifikke sonokrystallisations- og sonoudfældningsproces – hvad enten det er til forskning i laboratorie- og bordskala eller til industriel produktion. Vores brede produktsortiment dækker dine behov. Alle ultralydsapparater kan indstilles til ultralydspulsationscyklusser – en funktion, der gør det muligt at påvirke krystalstørrelsen, så den kan tilpasses.
For at øge fordelene ved ultralydskrystallisation yderligere anbefales det at bruge Hielschers flowcelleindsats MultiPhaseCavitator. Denne særlige indsats injicerer prækursoren gennem 48 fine kanyler og forbedrer dermed den indledende kimdannelse. Prækursorerne kan doseres præcist, hvilket giver høj styrbarhed af krystallisationsprocessen.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: