Cristallizzazione e precipitazione a ultrasuoni

Gli ultrasuoni avviano e promuovono la nucleazione e la cristallizzazione delle molecole organiche. Il controllo di questo processo è fondamentale per garantire che il prodotto finale sia di alta qualità. I vantaggi dell'uso della sonicazione per la cristallizzazione e la produzione di solidi da liquidi sono che il processo è molto più veloce, utilizza meno materiale e consente di gestire le dimensioni dei cristalli finali. Hielscher fornisce sonicatori affidabili e facili da usare per cristallizzare e formare solidi con successo, sia in batch che in linea o in-situ durante una reazione.

Sono-cristallizzazione e sono-precipitazione

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

• formano soluzioni sovrasature/ supersature
• avviare una rapida nucleazione
• controllare la velocità di crescita dei cristalli
• controllare le precipitazioni
• polimorfi di controllo
• ridurre le impurità
• ottenere una distribuzione uniforme delle dimensioni dei cristalli
• ottenere una morfologia uniforme
• prevenire depositi indesiderati sulle superfici
• avviare la nucleazione secondaria
• migliorare la separazione solido-liquido

 

Differenza tra cristallizzazione e precipitazione

Sia la cristallizzazione che la precipitazione sono processi guidati dalla solubilità, in cui una fase solida, sia essa un cristallo o un precipitato, emerge da una soluzione che ha superato il suo 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 metodico e graduale di un reticolo cristallino, assemblato selettivamente da molecole organiche, che alla fine produce un composto cristallino o polimorfo puro e ben definito. Al contrario, la precipitazione comporta la rapida generazione di fasi solide da una soluzione sovrasatura, con conseguente formazione di solidi cristallini o amorfi. È importante notare che distinguere tra cristallizzazione e precipitazione può essere difficile, poiché molte sostanze organiche si manifestano inizialmente come solidi amorfi, non cristallini, che successivamente subiscono una transizione per diventare realmente cristallini. In questi casi, la delimitazione tra nucleazione e formazione di un solido amorfo durante la precipitazione diventa intricata.

I processi di cristallizzazione e precipitazione sono dettati 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 cluster o nuclei, che servono come base per la successiva crescita delle fasi solide.

Problemi comuni con i processi di cristallizzazione e precipitazione

La cristallizzazione e la precipitazione sono normalmente processi molto selettivi o a propagazione molto rapida e quindi difficilmente controllabili. Il risultato è che, in generale, la nucleazione avviene casualmente, in modo che la qualità dei cristalli risultanti (precipitanti) sia incontrollata. Di conseguenza, i cristalli che ne derivano hanno dimensioni non personalizzate, sono distribuiti in modo disomogeneo e di forma non uniforme. Tali cristalli precipitati in modo casuale causano importanti problemi di qualità poiché la dimensione, la distribuzione e la morfologia dei cristalli sono criteri di qualità cruciali per le particelle precipitate. Una cristallizzazione e una precipitazione incontrollate significano un prodotto scadente.

Soluzione: Cristallizzazione e precipitazione sotto sonicazione

La cristallizzazione (sonocristallizzazione) e la precipitazione (sonoprecipitazione) assistite da ultrasuoni consentono un controllo preciso delle condizioni di processo. Tutti i parametri importanti della cristallizzazione a ultrasuoni possono essere influenzati con precisione. – con conseguente nucleazione e cristallizzazione controllata. I cristalli precipitati con gli ultrasuoni hanno dimensioni più uniformi e una morfologia più cubica. Le condizioni controllate di sono-cristallizzazione e sono-precipitazione consentono un'elevata riproducibilità e una qualità costante dei cristalli. Tutti i risultati ottenuti su piccola scala possono essere scalati in modo completamente lineare. La cristallizzazione e la precipitazione a ultrasuoni consentono una produzione sofisticata di nano-particelle cristalline. – sia in laboratorio che su scala industriale.

Effetti della cavitazione a ultrasuoni su cristallizzazione e precipitazione

Quando le onde ultrasoniche altamente energetiche vengono accoppiate ai liquidi, i cicli alternati di alta e bassa pressione creano bolle o vuoti nel liquido. Queste bolle crescono per diversi cicli fino a quando non possono più assorbire energia e collassano violentemente durante un ciclo di alta pressione. Il fenomeno di queste violente implosioni di bolle è noto come cavitazione acustica ed è caratterizzato da condizioni locali estreme, come temperature molto elevate, alti tassi di raffreddamento, elevati differenziali di pressione, onde d'urto e getti di liquido.
Gli effetti della cavitazione ultrasonica favoriscono la cristallizzazione e la precipitazione, garantendo una miscelazione molto omogenea dei precursori. La dissoluzione a ultrasuoni è un metodo ben collaudato per produrre soluzioni sovrasature o supersature. L'intensa miscelazione e il conseguente miglioramento del trasferimento di massa migliorano la semina dei nuclei. Le onde d'urto ultrasoniche favoriscono la formazione dei nuclei. Più nuclei vengono seminati, più fine e veloce sarà la crescita dei cristalli. Poiché la cavitazione ultrasonica può essere controllata in modo molto preciso, è possibile controllare il processo di cristallizzazione. Le barriere naturalmente esistenti per la nucleazione vengono facilmente superate grazie alle forze ultrasoniche.
Inoltre, la sonicazione aiuta nella cosiddetta nucleazione secondaria, poiché le potenti forze di taglio degli ultrasuoni rompono e deagglomerano i cristalli o gli agglomerati più grandi.
Con gli ultrasuoni è possibile evitare un pre-trattamento dei precursori, poiché la sonicazione aumenta la cinetica di reazione.

Influenza delle dimensioni dei cristalli mediante sonicazione

Gli ultrasuoni consentono di produrre cristalli su misura. Tre opzioni generali di sonicazione hanno effetti importanti sulla produzione:

• Sonizzazione iniziale:
  La breve applicazione di onde ultrasonore a una soluzione supersatura può avviare la semina e la formazione di nuclei. Poiché la sonicazione è applicata solo durante la fase iniziale, la successiva crescita dei cristalli procede senza ostacoli, dando origine a più grande cristalli.
• Sonicazione continua:
  L'irradiazione continua della soluzione supersatura dà luogo a cristalli di piccole dimensioni, poiché l'ultrasuonazione non interrotta crea molti nuclei che danno luogo alla crescita di numerosi piccolo cristalli.

• Sonicazione pulsata:
  Per ultrasuoni pulsati si intende l'applicazione di ultrasuoni a intervalli determinati. L'immissione di energia ultrasonica, controllata con precisione, consente di influenzare la crescita dei cristalli per ottenere una su misura dimensione del cristallo.

Sonicatori per migliorare i processi di cristallizzazione e precipitazione

I processi di sono-cristallizzazione e sono-precipitazione possono essere eseguiti in lotti o reattori chiusi, come processo continuo in linea o come reazione in-situ. Hielscher Ultrasonics vi fornisce il sonicatore perfettamente adatto al vostro specifico processo di sono-cristallizzazione e sono-precipitazione. – sia per scopi di ricerca su scala di laboratorio e da banco, sia per la produzione industriale. La nostra ampia gamma di prodotti copre le vostre esigenze. Tutti gli ultrasuonatori possono essere impostati su cicli di pulsazioni ultrasoniche – una caratteristica che permette di influenzare la dimensione del cristallo su misura.
Per migliorare ulteriormente i benefici della cristallizzazione a ultrasuoni, si raccomanda l'uso dell'inserto Hielscher per celle a flusso MultiPhaseCavitator. Questo speciale inserto consente di iniettare il precursore attraverso 48 cannule sottili, migliorando la semina iniziale dei nuclei. I precursori possono essere dosati con precisione, garantendo un'elevata controllabilità del processo di cristallizzazione.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: