Cristallizzazione e precipitazione a ultrasuoni

Gli ultrasuoni avviano e favoriscono la nucleazione e la cristallizzazione delle molecole organiche. Il controllo di questo processo è fondamentale per garantire un prodotto finale di alta qualità. I vantaggi dell’impiego della sonicazione per la cristallizzazione e la formazione di solidi a partire da liquidi sono una notevole accelerazione del processo, un minore consumo di materiale e la possibilità di controllare le dimensioni finali dei cristalli. Hielscher offre sonicatori affidabili e facili da usare per una cristallizzazione e una formazione di solidi efficaci, sia in modalità batch, sia in linea, sia in situ durante una reazione.

Sonocristallizzazione e sonoprecipitazione

L’applicazione di onde ultrasoniche durante la cristallizzazione e la precipitazione ha diversi effetti positivi sul processo.
Gli ultrasuoni di potenza aiutano a

• formare soluzioni sovrasature/ supersature
• avviare una nucleazione rapida
• controllare la velocità di crescita dei cristalli
• controllare la precipitazione
• controllare i polimorfi
• ridurre le impurità
• ottenere una distribuzione uniforme delle dimensioni dei cristalli
• ottenere una morfologia uniforme
• prevenire la deposizione indesiderata sulle superfici
• avviare la nucleazione secondaria
• migliorare la separazione solido-liquido

 

Differenza tra cristallizzazione e precipitazione

Sia la cristallizzazione sia la precipitazione sono processi governati dalla solubilità, nei quali una fase solida, che sia un cristallo o un precipitato, si forma da una soluzione che ha superato il proprio punto di saturazione. La distinzione tra cristallizzazione e precipitazione dipende dal meccanismo di formazione e dalla natura del prodotto finale.

Nella cristallizzazione si verifica uno sviluppo ordinato e graduale di un reticolo cristallino, assemblato selettivamente a partire da molecole organiche, che produce infine un composto cristallino o polimorfico puro e ben definito. La precipitazione, invece, comporta la rapida generazione di fasi solide da una soluzione sovrasatura, con conseguente formazione di solidi cristallini o amorfi. Occorre osservare che distinguere tra cristallizzazione e precipitazione può essere difficile, poiché molte sostanze organiche si presentano inizialmente come solidi amorfi, non cristallini, che successivamente subiscono una transizione diventando realmente cristallini. In questi casi, la distinzione tra nucleazione e formazione di un solido amorfo durante la precipitazione diventa complessa.

I processi di cristallizzazione e precipitazione sono governati da due fasi fondamentali: la nucleazione e la crescita dei cristalli. La nucleazione inizia quando le molecole di soluto in una soluzione sovrasatura si accumulano, formando aggregati o nuclei, che fungono poi da base per la successiva crescita delle fasi solide.

Problemi comuni nei processi di cristallizzazione e precipitazione

La cristallizzazione e la precipitazione sono normalmente processi che procedono in modo molto selettivo oppure molto rapido e sono quindi difficili da controllare. Di conseguenza, in genere la nucleazione avviene in modo casuale, per cui la qualità dei cristalli risultanti (precipitati) non è controllata. I cristalli ottenuti hanno pertanto dimensioni non adattate alle esigenze, una distribuzione irregolare e forme non uniformi. Questi cristalli precipitati casualmente causano gravi problemi di qualità , poiché le dimensioni dei cristalli, la loro distribuzione e la morfologia sono criteri fondamentali per la qualità delle particelle precipitate. Una cristallizzazione e una precipitazione non controllate producono un prodotto di scarsa qualità.

Soluzione: cristallizzazione e precipitazione mediante sonicazione

La cristallizzazione assistita da ultrasuoni (sonocristallizzazione) e la precipitazione assistita da ultrasuoni (sonoprecipitazione) consentono un controllo preciso delle condizioni di processo. Tutti i parametri importanti della cristallizzazione a ultrasuoni possono essere regolati con precisione – ottenendo una nucleazione e una cristallizzazione controllate. I cristalli precipitati mediante ultrasuoni presentano dimensioni più uniformi e una morfologia più cubica. Le condizioni controllate della sonocristallizzazione e della sonoprecipitazione consentono un’elevata riproducibilità e una qualità costante dei cristalli. Tutti i risultati ottenuti su piccola scala possono essere trasferiti a una scala maggiore in modo completamente lineare. La cristallizzazione e la precipitazione a ultrasuoni consentono una produzione sofisticata di nanoparticelle cristalline – sia su scala di laboratorio sia su scala industriale.

Gli effetti della cavitazione ultrasonica sulla cristallizzazione e sulla precipitazione

Quando onde ultrasoniche ad alta energia vengono accoppiate ai liquidi, cicli alternati di alta pressione/ bassa pressione creano bolle o cavità nel liquido. Queste bolle crescono nel corso di diversi cicli finché non possono più assorbire energia e collassano quindi violentemente durante un ciclo di alta pressione. Il fenomeno di queste violente implosioni delle bolle è noto come cavitazione acustica ed è caratterizzato da condizioni locali estreme, quali temperature molto elevate, elevate velocità di raffreddamento, elevate differenze di pressione, onde d’urto e getti di liquido.
Gli effetti della cavitazione ultrasonica favoriscono la cristallizzazione e la precipitazione, assicurando una miscelazione molto omogenea dei precursori. La dissoluzione mediante ultrasuoni è un metodo consolidato per produrre soluzioni sovrasature/ supersature. La miscelazione intensa e il conseguente miglioramento del trasferimento di massa favoriscono la formazione iniziale dei nuclei. Le onde d’urto ultrasoniche agevolano la formazione dei nuclei. Quanto più numerosi sono i nuclei formati, tanto più fini saranno i cristalli e tanto più rapida sarà la loro crescita. Poiché la cavitazione ultrasonica può essere controllata con grande precisione, è possibile controllare il processo di cristallizzazione. Le barriere alla nucleazione naturalmente presenti vengono facilmente superate grazie alle forze ultrasoniche.
Inoltre, la sonicazione favorisce la cosiddetta nucleazione secondaria, poiché le potenti forze di taglio ultrasoniche frammentano e deagglomerano i cristalli più grandi o gli agglomerati.
Con gli ultrasuoni è possibile evitare un pretrattamento dei precursori, poiché la sonicazione migliora la cinetica di reazione.

Regolare le dimensioni dei cristalli mediante sonicazione

Gli ultrasuoni consentono di produrre cristalli con dimensioni adattate alle esigenze. Tre modalità generali di sonicazione hanno effetti importanti sul prodotto ottenuto:

• Sonicazione iniziale:
  L’applicazione per breve tempo di onde ultrasoniche a una soluzione supersatura può avviare la formazione iniziale dei nuclei. Poiché la sonicazione viene applicata soltanto nella fase iniziale, la successiva crescita dei cristalli procede senza impedimenti, dando origine a cristalli più grandi .
• Sonicazione continua:
  L’irradiazione continua della soluzione supersatura produce cristalli piccoli, poiché la sonicazione ininterrotta genera molti nuclei, portando alla crescita di numerosi piccoli cristalli.

• Sonicazione pulsata:
  Gli ultrasuoni pulsati consistono nell’applicazione di ultrasuoni a intervalli prestabiliti. Un apporto di energia ultrasonica controllato con precisione consente di regolare la crescita dei cristalli per ottenere una dimensione dei cristalli adattata alle esigenze .

Sonicatori per migliorare i processi di cristallizzazione e precipitazione

I processi di sonocristallizzazione e sonoprecipitazione possono essere eseguiti in modalità batch o in reattori chiusi, come processo continuo in linea o come reazione in situ. Hielscher Ultrasonics fornisce il sonicatore perfettamente adatto al vostro specifico processo di sonocristallizzazione e sonoprecipitazione – sia per la ricerca su scala di laboratorio e da banco sia per la produzione industriale. La nostra ampia gamma di prodotti soddisfa le vostre esigenze. Tutti i sonicatori possono essere impostati su cicli di pulsazione ultrasonica – una funzione che consente di regolare le dimensioni dei cristalli in base alle esigenze.
Per migliorare ulteriormente i vantaggi della cristallizzazione a ultrasuoni, si raccomanda l’impiego dell’inserto Hielscher MultiPhaseCavitator per celle di flusso. Questo speciale inserto consente di iniettare il precursore attraverso 48 cannule sottili, migliorando la formazione iniziale dei nuclei. I precursori possono essere dosati con precisione, consentendo un elevato controllo del processo di cristallizzazione.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: