Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschall-gestützte Kristallisation und Fällung

  • Ultraschall initiiert und fördert die Keimbildung und Kristallisation von organischen Molekülen.
  • Die Kontrolle über Kristallisations- und Fällungsprozess ist wichtig, um eine hohe Produktqualität zu gewährleisten.
  • Die wichtigsten Vorteile der ultraschall-gestützten Kristallisation und Fällung sind, neben der vollständigen Prozesskontrolle, die deutlich schnellere Induktionszeit, ein geringeres Übersättigungsniveau und die Kontrolle über das Kristallwachstum.
  • Hielscher bietet Ihnen zuverlässige und bedienerfreundliche Ultraschallgeräte für die erfolgreiche Sonokristallisation und Sonopräzipitation im Batch, sowie als kontinuierliche oder In-Situ-Reaktion.

Sono-Kristallisation & Sono-Präzipitation

Die Anwendung von Ultraschall während der Kristallisation und Fällung hat verschiedene positive Auswirkungen auf den Prozess.
Hochleistungs-Ultraschall unterstützt die

  • Formulierung übersättigter Lösungen
  • Initiierung einer schnelleren Keimbildung
  • Steuerung des Kristallwachstums
  • Kontrolle über Ausfällung/ Niederschlag
  • Kontrolle über Polymorphe
  • Reduktion von Verunreinigungen
  • einheitliche Kristallgrößenverteilung
  • uniforme Morphologie
  • Reduktion unerwünschter Ablagerungen auf Oberflächen
  • sekundäre Keimbildung
  • Verbesserung der Fest-Flüssig-Trennung

Unterschied zwischen Kristallisation und Fällung

Sowohl bei der Kristallisation als auch der Fällung handelt es sich um Löslichkeits-bezogenen Prozesse. D.h., dass ein Feststoff – entweder Kristalle oder ein Präzipitat (Niederschlag) – aus einer übersättigten Lösung entsteht. Der Unterschied zwischen Kristallisation und Fällung liegt im jeweiligen Formationsprozess und dem jeweiligen Endprodukt, welches während des Prozesses entsteht.
Bei der Kristallisation bildet sich aus organischen Molekülen selektiv und langsam ein Kristall-Netzwerk, welches sich zu einer rein kristallinen, polymorphen Verbindung zusammensetzt. Fällung zeichnen sich durch die schnelle Bildung von Partikeln aus einer übersättigten Lösung aus, wodurch kristalline oder amorphe Festkörper entstehen. Oftmals lassen sich Kristallisations- und Fällungsprozesse kaum voneinander unterscheiden, das viele organische Stoffe zunächst einmal als amorphe, nicht-kristalline Festkörper erscheinen, welche sich später in kristalline Strukturen verwandeln. In diesen Fällen ist die Keimbildung schwierig nur schwierig von der Präzipitation eines amorphen Festkörpers zu trennen.
Kristallisation und Fällung zeichnen sich durch zwei Hauptschritte aus - die Nukleierung und Kristallwachstum. Um Keimbildung zu initiieren, formen die gelösten Stoffe in der übersättigten Lösung Cluster. Diese Cluster bilden den Kern, aus welchem dann Feststoffe wachsen können.

Problemstellung

Kristallisation und Fällung sind normalerweise entweder sehr selektive oder sehr rasch ablaufende Prozesse und daher schwer kontrollierbar. Das bedeutet, dass die Keimbildung meistens nach dem Zufallsprinzipauftritt, so dass die Qualität der resultierenden Kristalle (Präzipitat) nicht beeinflusst und kontrolliert werden kann. Dementsprechend weisen die Kristalle haben eine nicht normierte Größe aufweisen, ungleichmäßig verteilt und nicht einheitlich geformt sind. Solche zufällig ausgefällten Kristalle verursachen große Qualitätsprobleme da Kristallgröße, -verteilung und -morphologie entscheidende Qualitätskriterien der ausgefällten Partikel sind. Eine unkontrollierter Kristallisations- und Fällungsprozess bedeutet ein minderwertiges Produkt.

Lösung

Eine ultraschallgestützte Kristallisation (Sonokristallisation) und Fällung (Sonopreäzipitation) ermöglichen die genaue Kontrolle über die Prozessbedingungen. Alle wichtigen Parameter der Ultraschall Kristallisation genau beeinflusst werden kann – un resultieren in einer kontrollierten Keimbildung und Kristallisation. Die mittels Ultraschall ausgefällten Kristalle haben eine einheitliche Größe und kubischere Morphologie. Die kontrollierten Bedingungen der Sonokristallisation ermöglichen die Reproduzierbarkeitdes Prozesses. Alle Ergebnisse, welche in kleinem Maßstab erreicht wurden, können einfach und komplett linearhochskaliert werden. Mittels ultraschall-gestützter Kristallisation und Fällung wird es möglich, qualitativ hochwertige kristallinen Nanopartikel – im Labor und Industriell Maßstab - zu produzieren.

Effekte der Ultraschallkavitation

Werden hochenergetische Ultraschallwellen in Flüssigkeiten eingetragen, entstehen abwechselnde Hochdruck- und Niederdruck-Zyklen, durch die Blasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit erzeugt werden. Diese Blasen wachsen über mehrere Zyklen an, bis sie nicht mehr Energie absorbieren können, so dass sie heftig während eines Hochdruck-Zyklusses implodieren. Das Phänomen einer solchen Blasenimplosionen ist als Kavitation bekannt und ist durch extreme Bedingungen wie sehr hohe Temperaturen, hohe Kühlgeschwindigkeiten, hohe Druckunterschiede, Stoßwellen und Flüssigkeitsstrahlen gekennzeichnet.
Die Effekte der Ultraschall- Kavitation beeinflussen die Kristallisation und Fällung positiv, da die Präkursoren sehr homogen vermischt werden. Das ultraschall-gestützte Lösen ist eine bewährte Technik, um übersättigte Lösungen herzustellen. Das intensive Durchmischen und der dadurch verbesserte Stoffaustausch unterstützt das Heranzüchten der Kristallkeime. Die durch Ultraschall generierten Schockwellen unterstützen die Bildung der Keime. Je mehr Keime gebildet werden, desto feiner und schneller können die Kristalle wachsen. Da die Ultraschall- Kavitation sehr präzise gesteuert werden kann, ist es möglich, den Prozess der Kristallisation zu kontrollieren. Bestehende Barrieren, welche eine Keimbildung verhindern oder verzögern, lassen sich durch Ultraschall problemlos überwinden.
Ultraschall unterstützt auch die sogenannte sekundäre Keimbildung, da die intensive Ultraschallkavitation größere Kristalle und Agglomerate aufbricht und desagglomeriert .
Durch den Einsatz von Ultraschall wird die Vorbehandlung der Präkursoren normalerweise überflüssig, da sich die Beschallung positiv auf die Reaktionskinetik auswirkt.

Ultraschall Kavitation erzeugt hochintensive Kräfte, die die Kristallisation und Fällungsverfahren fördert (Anklicken zum Vergrößern!)

Entstehung und Implosion von Ulötraschallkavitationsblasen

Mittels Ultraschall die Kristallgröße beeinflussen

Ultraschall ermöglicht die Synthese maßgeschneiderter Kristalle, dadurch auf spezielle Anforderungen angepasst sind. Bei einer Kristallisation- oder Fällungsreaktion gibt generell drei Möglichkeiten, Ultraschall einzusetzen und dadurch den Prozess maßgeblich zu beeinflussen:

    1. Ultraschall zur Initiierung:

Durch die kurzzeitige Beschallung einer übersättigten Lösung kann die Keimbildung und Nukleierung initiiert werden. Wird die Beschallung nur während der Anfangsphase angewendet, verläuft das spätere Kristallwachstum ungehindert, so dass sich größere Kristalle heranwachsen.

    1. Kontinuierliche Beschallung:

Die kontinuierliche Beschallung einer übersättigten Lösung führt zu kleineren Kristallen, da durch den ununterbrochenen Ultraschalleintrag viele Keime entstehen, wodurch zahlreiche kleine Kristalle heranwachsen.

    1. Gepulster Ultraschall

Eine Beschallung im Pulsmodus bedeutet die Anwendung von Ultraschall in voreingestellten Zeitintervallen. Ein präzise kontrollierter Eintrag der Ultraschallenergie ermöglicht es, das Kristallwachstum so zu beeinflussen, dass maßgeschneiderte Kristallgrößen erzielt werden.

Ultraschallgeräte

Die Prozesse der Sono-Kristallisation und Sono-Präzipitation können in Batches oder in geschlossenen Reaktoren als kontinuierlicher Inline-Prozess oder als In-Situ -Reaktion ablaufen. Hielscher Ultrasonics bietet Ihnen das optimale Ultraschallgerät für Ihren spezifischen Sonokristallisations- & Sonopräzipitations-Prozess – egal ob für Forschungszwecke im Labor und Bench-Top oder für die Industriell Produktion. Mit unserer breiten Produktpalette erfüllen wir Ihre Prozessbedürfnisse. Alle Hielscher Ultraschallsysteme verfügen über einen Pulsregler, so dass die Beschallung entweder kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitintervallen erfolgen kann – mit diesem Feature können Sie maßgeschneiderte Kristall größen herstellen.
Um die Vorteile der Ultraschallkristallisation noch zusätzlich zu verstärken, empfehlen wir Hielscher's speziellen Durchflusszellen-Insert MultiPhaseCavitator . Mit diesem speziellen Einsatz wird der Präkursor über 48 feine Kanülen direkt in die Kavitationszone eingespritzt, wodurch die Keimbildung deutlich verbessert wird. Der Präkursor kann genau dosiert werden, wodurch eine hohe Steuerbarkeit des Kristallisationsprozesses gewährleistet wird.

Ultraschallgerät mit Reaktor zur Kristallisation und Fällung

Ultraschallgerät UIP1500hd

InsertMPC48 mit 48 feinen Kanülen ist ideal für sono-Kristallisation und sono-Fällung

InsertMPC48 – für die optimierte Sono-Kristallisation

Ultraschall-Kristallisation

 

  • Schnelle
  • effizient
  • exakt reproduzierbar
  • qualitativ hochwertige Kristalle
  • hohe Erträge
  • steuerbar
  • Zuverlässig
  • verschiedene Setup-Optionen
  • sicher
  • einfache Bedienung
  • leicht zu reinigen (CIP/SIP)
  • Geringer Wartungsaufwand

 

Ultraschall-Homogenisatoren zur Herstellung von übersättigten Lösungen und der anschließenden Kristallisation und Ausfällung von Feststoffen

Ultraschallgerät UP200S

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Kontinuierliche Behandlung mit Ultraschall mit einer Glasdurchflusszelle (Anklicken zum Vergrößern!)

Beschallung im Ultraschallreaktor

Literatur

  • Deora, N.S.; Misra, N.N.; Deswal, A.; Mishra, H.N.; Cullen, P.J.; Tiwari B.K. (2013): Ultrasound for Improved Crystallisation in Food Processing. Food Engineering Reviews, 5/1, 2013. 36-44.
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  • Jiang, Siyi (2012): An Examination of Sonocrystallization Kinetics of L-Glutamic Acid. Doctoral Thesis at University of Leeds 2012.
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  • Ruecroft, Graham; Hipkiss, David; Ly, Tuan; Maxted, Neil; Cains, Peter W. (2005): Sonocrystallization: The Use of Ultrasound for Improved Industrial Crystallization. Organic Process Research and Development 9/6, 2005. 923–932.
  • Sander, John R.G.; Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (2014): Sonocrystallization and sonofragmentation. Ultrasonics Sonochemistry 21/6, 2014. 1908-1915.

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Wissenswertes

Der Eintrag intensiver Ultraschallwellen in Flüssigkeiten, Flüssig-Fest- sowie Flüssig-Gas-Gemische trägt dazu bei, viele Prozesse in der Werkstoffkunde, Chemie, Biologie und Biotechnologie zu initiieren und/oder intensivieren. Ähnlich zahlreich wie die Anwendungen sind auch die Begrifflichkeiten, welche das Einkoppeln von Ultraschallwellen in Flüssigkeiten oder Slurries beschreiben. Häufig verwendete Begriffe für die Anwendung von Ultraschall sind Beschallung Sonorisierung, Sonifikation, Insonation, und Sonorisation.