Ultraschallgestützte Kristallisation und Fällung

Ultraschall initiiert und fördert die Keimbildung und Kristallisation organischer Moleküle. Die Kontrolle dieses Prozesses ist entscheidend, um eine hohe Qualität des Endprodukts sicherzustellen. Die Vorteile der Ultraschallbehandlung bei der Kristallisation und der Bildung von Feststoffen aus Flüssigkeiten bestehen darin, dass sie den Prozess erheblich beschleunigt, den Materialbedarf verringert und die Kontrolle der endgültigen Kristallgröße ermöglicht. Hielscher bietet zuverlässige und einfach zu bedienende Ultraschallgeräte für eine erfolgreiche Kristallisation und Feststoffbildung – im Batchbetrieb, inline oder in situ während einer Reaktion.

Sonokristallisation und Sonofällung

Der Einsatz von Ultraschallwellen während der Kristallisation und Fällung hat verschiedene positive Auswirkungen auf den Prozess.
Leistungsultraschall hilft dabei,

• übersättigte Lösungen herzustellen
• eine schnelle Keimbildung einzuleiten
• die Kristallwachstumsgeschwindigkeit zu kontrollieren
• die Fällung zu kontrollieren
• polymorphe Formen zu kontrollieren
• Verunreinigungen zu reduzieren
• eine gleichmäßige Kristallgrößenverteilung zu erzielen
• eine einheitliche Morphologie zu erzielen
• unerwünschte Ablagerungen auf Oberflächen zu verhindern
• die sekundäre Keimbildung einzuleiten
• die Fest-Flüssig-Trennung zu verbessern

 

Unterschied zwischen Kristallisation und Fällung

Sowohl Kristallisation als auch Fällung sind durch die Löslichkeit bestimmte Prozesse, bei denen eine feste Phase – ein Kristall oder ein Niederschlag – aus einer Lösung entsteht, die ihren Sättigungspunkt überschritten hat. Der Unterschied zwischen Kristallisation und Fällung liegt im Bildungsmechanismus und in der Beschaffenheit des Endprodukts.

Bei der Kristallisation entwickelt sich ein Kristallgitter geordnet und allmählich durch den selektiven Aufbau aus organischen Molekülen. Dabei entsteht schließlich eine reine und wohldefinierte kristalline oder polymorphe Verbindung. Bei der Fällung hingegen entstehen feste Phasen rasch aus einer übersättigten Lösung, wobei sich entweder kristalline oder amorphe Feststoffe bilden. Die Unterscheidung zwischen Kristallisation und Fällung kann schwierig sein, da viele organische Substanzen zunächst als amorphe, nichtkristalline Feststoffe auftreten, die anschließend in einen tatsächlich kristallinen Zustand übergehen. In solchen Fällen ist die Abgrenzung zwischen Keimbildung und der Bildung eines amorphen Feststoffs während der Fällung komplex.

Kristallisations- und Fällungsprozesse werden durch zwei grundlegende Schritte bestimmt: Keimbildung und Kristallwachstum. Die Keimbildung beginnt, wenn sich Moleküle des gelösten Stoffes in einer übersättigten Lösung zusammenlagern und Cluster oder Keime bilden, die anschließend als Grundlage für das weitere Wachstum fester Phasen dienen.

Häufige Probleme bei Kristallisations- und Fällungsprozessen

Kristallisation und Fällung sind normalerweise Prozesse, die entweder sehr selektiv ablaufen oder sich sehr schnell ausbreiten und daher schwer zu kontrollieren sind. Das führt dazu, dass die Keimbildung im Allgemeinen zufällig erfolgt, sodass die Qualität der entstehenden Kristalle (Niederschläge) unkontrolliert ist. Die entstehenden Kristalle weisen dementsprechend eine nicht gezielt eingestellte Kristallgröße auf, sind ungleichmäßig verteilt und uneinheitlich geformt. Solche zufällig ausgefällten Kristalle verursachen erhebliche Qualitätsprobleme, da Kristallgröße, Kristallverteilung und Morphologie entscheidende Qualitätskriterien der ausgefällten Partikel sind. Eine unkontrollierte Kristallisation und Fällung führt zu einem minderwertigen Produkt.

Lösung: Kristallisation und Fällung unter Ultraschallbehandlung

Ultraschallgestützte Kristallisation (Sonokristallisation) und Fällung (Sonofällung) ermöglichen eine präzise Kontrolle der Prozessbedingungen. Alle wichtigen Parameter der Ultraschallkristallisation lassen sich präzise beeinflussen – dadurch werden Keimbildung und Kristallisation kontrollierbar. Die unter Ultraschalleinwirkung ausgefällten Kristalle weisen eine gleichmäßigere Größe und eine stärker kubische Morphologie auf. Die kontrollierten Bedingungen der Sonokristallisation und Sonofällung ermöglichen eine hohe Reproduzierbarkeit und eine gleichbleibende Kristallqualität. Alle im kleinen Maßstab erzielten Ergebnisse lassen sich vollständig linear auf größere Maßstäbe übertragen. Ultraschallgestützte Kristallisation und Fällung ermöglichen die anspruchsvolle Herstellung kristalliner Nanopartikel – sowohl im Labor als auch im industriellen Maßstab.

Die Auswirkungen der Ultraschallkavitation auf Kristallisation und Fällung

Wenn energiereiche Ultraschallwellen in Flüssigkeiten eingekoppelt werden, erzeugen abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen Blasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Diese Blasen wachsen über mehrere Zyklen hinweg, bis sie keine weitere Energie aufnehmen können und während eines Hochdruckzyklus heftig kollabieren. Das Phänomen solcher heftigen Blasenimplosionen wird als akustische Kavitation bezeichnet und ist durch lokale Extrembedingungen wie sehr hohe Temperaturen, hohe Abkühlraten, hohe Druckdifferenzen, Stoßwellen und Flüssigkeitsstrahlen gekennzeichnet.
Die Auswirkungen der Ultraschallkavitation fördern die Kristallisation und Fällung, indem sie eine sehr homogene Durchmischung der Ausgangsstoffe bewirken. Das ultraschallgestützte Lösen ist eine etablierte Methode zur Herstellung übersättigter Lösungen. Die intensive Durchmischung und der dadurch verbesserte Stofftransport verbessern die Bildung von Kristallkeimen. Die Ultraschallstoßwellen unterstützen die Keimbildung. Je mehr Keime gebildet werden, desto feinere Kristalle entstehen und desto schneller verläuft das Kristallwachstum. Da sich die Ultraschallkavitation sehr präzise kontrollieren lässt, ist es möglich, den Kristallisationsprozess zu steuern. Natürlich vorhandene Barrieren für die Keimbildung werden durch die Ultraschallkräfte leicht überwunden.
Darüber hinaus unterstützt die Ultraschallbehandlung die sogenannte sekundäre Keimbildung, da die starken ultraschallbedingten Scherkräfte größere Kristalle oder Agglomerate zerbrechen und deagglomerieren.
Mit Ultraschall kann auf eine Vorbehandlung der Ausgangsstoffe verzichtet werden, da die Ultraschallbehandlung die Reaktionskinetik verbessert.

Beeinflussung der Kristallgröße durch Ultraschallbehandlung

Ultraschall ermöglicht die Herstellung von Kristallen, die auf die jeweiligen Anforderungen abgestimmt sind. Drei grundlegende Varianten der Ultraschallbehandlung haben wesentliche Auswirkungen auf das Ergebnis:

• Initiale Ultraschallbehandlung:
  Die kurzzeitige Anwendung von Ultraschallwellen auf eine übersättigte Lösung kann die Keimbildung und die Entstehung von Kristallkeimen einleiten. Da die Ultraschallbehandlung nur während der Anfangsphase erfolgt, verläuft das anschließende Kristallwachstum ungehindert, wodurch größere Kristalle entstehen.
• Kontinuierliche Ultraschallbehandlung:
  Die kontinuierliche Beschallung der übersättigten Lösung führt zu kleinen Kristallen, da die ununterbrochene Ultraschallbehandlung zahlreiche Keime erzeugt, aus denen viele kleine Kristalle wachsen.

• Gepulste Ultraschallbehandlung:
  Gepulster Ultraschall bedeutet die Anwendung von Ultraschall in festgelegten Intervallen. Ein präzise kontrollierter Eintrag von Ultraschallenergie ermöglicht es, das Kristallwachstum zu beeinflussen, um eine maßgeschneiderte Kristallgröße zu erzielen.

Ultraschallgeräte für verbesserte Kristallisations- und Fällungsprozesse

Sonokristallisations- und Sonofällungsprozesse können im Batchbetrieb oder in geschlossenen Reaktoren, als kontinuierlicher Inline-Prozess oder als In-situ-Reaktion durchgeführt werden. Hielscher Ultrasonics liefert Ihnen das optimal geeignete Ultraschallgerät für Ihren spezifischen Sonokristallisations- und Sonofällungsprozess – ob für Forschungszwecke im Labor- und Technikumsmaßstab oder für die industrielle Produktion. Unser breites Produktsortiment deckt Ihren Bedarf ab. Bei allen Ultraschallgeräten lassen sich Ultraschallpulszyklen einstellen – eine Funktion, mit der sich die Kristallgröße gezielt beeinflussen lässt.
Um den Nutzen der Ultraschallkristallisation weiter zu steigern, wird der Einsatz des Hielscher-Durchflusszelleneinsatzes MultiPhaseCavitator empfohlen. Dieser spezielle Einsatz ermöglicht die Injektion des Ausgangsstoffs durch 48 feine Kanülen und verbessert dadurch die anfängliche Keimbildung. Die Ausgangsstoffe lassen sich exakt dosieren, wodurch eine hohe Kontrollierbarkeit des Kristallisationsprozesses erreicht wird.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: