Ultrazvučna kristalizacija i taloženje

Ultrazvuk pokreće i potiče nukleaciju i kristalizaciju organskih molekula. Kontrola nad tim procesom ključna je kako bi se osigurala visoka kvaliteta konačnog proizvoda. Prednosti primjene sonikacije za kristalizaciju i stvaranje krutina iz tekućina jesu znatno ubrzavanje procesa, manja potrošnja materijala i mogućnost upravljanja konačnom veličinom kristala. Hielscher nudi pouzdane sonikatore jednostavne za uporabu za uspješnu kristalizaciju i stvaranje krutina, bilo u šaržnom postupku, u protočnom postupku ili in situ tijekom reakcije.

Sonokristalizacija i sonotaloženje

Primjena ultrazvučnih valova tijekom kristalizacije i taloženja ima različite pozitivne učinke na proces.
Ultrazvuk visokog intenziteta pomaže

• stvoriti prezasićene otopine
• pokrenuti brzu nukleaciju
• kontrolirati brzinu rasta kristala
• kontrolirati taloženje
• kontrolirati polimorfne oblike
• smanjiti nečistoće
• postići ujednačenu raspodjelu veličine kristala
• postići ujednačenu morfologiju
• spriječiti neželjeno taloženje na površinama
• pokrenuti sekundarnu nukleaciju
• poboljšati odvajanje krute i tekuće faze

 

Razlika između kristalizacije i taloženja

I kristalizacija i taloženje procesi su uvjetovani topljivošću, u kojima kruta faza, bilo kristal ili talog, nastaje iz otopine koja je premašila svoju točku zasićenja. Razlika između kristalizacije i taloženja ovisi o mehanizmu nastanka i prirodi konačnog proizvoda.

Pri kristalizaciji dolazi do sustavnog i postupnog razvoja kristalne rešetke, koja se selektivno izgrađuje od organskih molekula, čime u konačnici nastaje čist i jasno definiran kristalni ili polimorfni spoj. Nasuprot tome, taloženje podrazumijeva brzo nastajanje krutih faza iz prezasićene otopine, što dovodi do stvaranja kristalnih ili amorfnih krutina. Važno je napomenuti da razlikovanje kristalizacije i taloženja može biti zahtjevno jer se mnoge organske tvari u početku pojavljuju kao amorfne, nekristalne krutine, koje naknadno prelaze u pravo kristalno stanje. U takvim slučajevima razgraničavanje nukleacije i nastanka amorfne krutine tijekom taloženja postaje složeno.

Procese kristalizacije i taloženja određuju dva temeljna koraka: nukleacija i rast kristala. Nukleacija započinje kada se molekule otopljene tvari u prezasićenoj otopini nakupljaju, tvoreći nakupine ili jezgre, koje zatim služe kao temelj za daljnji rast krutih faza.

Uobičajeni problemi u procesima kristalizacije i taloženja

Kristalizacija i taloženje obično su procesi koji se odvijaju ili vrlo selektivno ili vrlo brzo te ih je stoga teško kontrolirati. Posljedica je da se nukleacija općenito odvija nasumično, pa kvaliteta nastalih kristala (taloga) nije kontrolirana. U skladu s tim, nastali kristali imaju neprilagođenu veličinu, neravnomjerno su raspodijeljeni i neujednačenog su oblika. Takvi nasumično istaloženi kristali uzrokuju velike probleme s kvalitetom jer su veličina kristala, raspodjela kristala i morfologija ključni kriteriji kvalitete istaloženih čestica. Nekontrolirana kristalizacija i taloženje znače proizvod loše kvalitete.

Rješenje: kristalizacija i taloženje uz sonikaciju

Ultrazvučno potpomognuta kristalizacija (sonokristalizacija) i taloženje (sonotaloženje) omogućuju preciznu kontrolu procesnih uvjeta. Na sve važne parametre ultrazvučne kristalizacije može se precizno utjecati – što rezultira kontroliranom nukleacijom i kristalizacijom. Ultrazvučno istaloženi kristali imaju ujednačeniju veličinu i izraženiju kubičnu morfologiju. Kontrolirani uvjeti sonokristalizacije i sonotaloženja omogućuju visoku ponovljivost i postojanu kvalitetu kristala. Svi rezultati postignuti u malom mjerilu mogu se potpuno linearno prenijeti na veće mjerilo. Ultrazvučna kristalizacija i taloženje omogućuju sofisticiranu proizvodnju kristalnih nanočestica – i u laboratorijskom i u industrijskom mjerilu.

Učinci ultrazvučne kavitacije na kristalizaciju i taloženje

Kada se ultrazvučni valovi visoke energije uvode u tekućine, izmjenični ciklusi visokog i niskog tlaka stvaraju mjehuriće ili šupljine u tekućini. Ti mjehurići rastu tijekom više ciklusa sve dok više ne mogu apsorbirati energiju, nakon čega se silovito urušavaju tijekom ciklusa visokog tlaka. Pojava takvih silovitih implozija mjehurića poznata je kao akustična kavitacija i obilježena je lokalnim ekstremnim uvjetima kao što su vrlo visoke temperature, velike brzine hlađenja, velike razlike tlakova, udarni valovi i mlazovi tekućine.
Učinci ultrazvučne kavitacije potiču kristalizaciju i taloženje osiguravajući vrlo homogeno miješanje prekursora. Ultrazvučno otapanje dobro je utvrđena metoda za pripremu prezasićenih otopina. Intenzivno miješanje i time poboljšan prijenos tvari poboljšavaju stvaranje jezgara. Ultrazvučni udarni valovi pomažu stvaranju jezgara. Što se više jezgara stvori, to su kristali sitniji, a njihov rast brži. Budući da se ultrazvučna kavitacija može vrlo precizno kontrolirati, moguće je kontrolirati proces kristalizacije. Prirodno postojeće prepreke nukleaciji lako se prevladavaju zahvaljujući ultrazvučnim silama.
Osim toga, sonikacija pomaže tijekom takozvane sekundarne nukleacije jer snažne ultrazvučne smične sile lome i deaglomeriraju veće kristale ili aglomerate.
Primjenom ultrazvuka može se izbjeći prethodna obrada prekursora jer sonikacija poboljšava kinetiku reakcije.

Utjecaj sonikacije na veličinu kristala

Ultrazvuk omogućuje proizvodnju kristala prilagođenih zahtjevima. Tri osnovna načina sonikacije imaju važne učinke na konačni proizvod:

• Početna sonikacija:
  Kratkotrajna primjena ultrazvučnih valova na prezasićenu otopinu može pokrenuti zametanje i stvaranje jezgara. Budući da se sonikacija primjenjuje samo tijekom početne faze, naknadni rast kristala odvija se nesmetano, što rezultira nastankom većih kristala.
• Kontinuirana sonikacija:
  Kontinuirano izlaganje prezasićene otopine ultrazvuku rezultira malim kristalima jer neprekidna ultrazvučna obrada stvara mnogo jezgara, što dovodi do rasta mnogih malih kristala.

• Pulsna sonikacija:
  Pulsni ultrazvuk podrazumijeva primjenu ultrazvuka u određenim intervalima. Precizno kontroliran unos ultrazvučne energije omogućuje utjecaj na rast kristala kako bi se postigla prilagođena veličina kristala.

Sonikatori za poboljšane procese kristalizacije i taloženja

Procesi sonokristalizacije i sonoprecipitacije mogu se provoditi šaržno ili u zatvorenim reaktorima, kao kontinuirani protočni proces ili kao reakcija in situ. Hielscher Ultrasonics isporučuje sonikator koji je savršeno prikladan za vaš specifični proces sonokristalizacije i sonoprecipitacije – bilo za istraživanja u laboratorijskom mjerilu i na stolnim uređajima ili za industrijsku proizvodnju. Naš široki asortiman proizvoda zadovoljava vaše potrebe. Svi ultrazvučni uređaji mogu se postaviti na cikluse ultrazvučnog pulsiranja – značajku koja omogućuje utjecanje na veličinu kristala radi njezine prilagodbe.
Kako bi se prednosti ultrazvučne kristalizacije dodatno povećale, preporučuje se uporaba umetka MultiPhaseCavitator za protočnu ćeliju tvrtke Hielscher. Ovaj posebni umetak omogućuje ubrizgavanje prekursora kroz 48 tankih kanila, čime se poboljšava početno stvaranje kristalizacijskih jezgri. Prekursori se mogu precizno dozirati, što omogućuje visok stupanj kontrole nad procesom kristalizacije.

Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: