超音波結晶化と沈殿

超音波は有機分子の核生成と結晶化を開始し、促進します。このプロセスを制御することは、最終製品の高品質を確保するうえで不可欠です。結晶化や液体からの固体生成に超音波処理を使用する利点は、プロセスを大幅に高速化し、材料の使用量を削減し、最終的な結晶サイズを管理できることです。Hielscherは、バッチ処理、インライン処理、反応中のその場処理のいずれにおいても、結晶化と固体生成を成功させるための、信頼性が高く使いやすい超音波処理装置を提供しています。

超音波結晶化と超音波沈殿

結晶化と沈殿の際に超音波を適用すると、プロセスにさまざまな好ましい効果がもたらされます。
高出力超音波は、以下に役立ちます。

• 過飽和溶液の形成
• 迅速な核生成の開始
• 結晶成長速度の制御
• 沈殿の制御
• 結晶多形の制御
• 不純物の低減
• 均一な結晶サイズ分布の実現
• 均一な形態の実現
• 表面への不要な付着の防止
• 二次核生成の開始
• 固液分離の改善

 

結晶化と沈殿の違い

結晶化と沈殿はいずれも溶解度によって駆動されるプロセスであり、飽和点を超えた溶液から、結晶または沈殿物という固相が生じます。結晶化と沈殿の違いは、形成のメカニズムと最終製品の性質にあります。

結晶化では、有機分子が選択的に組み合わされ、結晶格子が秩序正しく徐々に発達し、最終的に純粋で構造が明確な結晶性化合物または多形を有する化合物が得られます。一方、沈殿では、過飽和溶液から固相が急速に生成され、結晶性または非晶質の固体が形成されます。多くの有機物質は、最初は結晶性を持たない非晶質固体として現れ、その後に転移して真に結晶性となるため、結晶化と沈殿を区別することが難しい場合がある点に注意が必要です。このような場合、沈殿中の核生成と非晶質固体の形成との区別は複雑になります。

結晶化と沈殿のプロセスは、核生成と結晶成長という二つの基本的な段階によって決まります。核生成は、過飽和溶液中の溶質分子が集まり、クラスターまたは核を形成すると始まります。これらは、その後の固相成長の基盤となります。

結晶化・沈殿プロセスでよく生じる問題

結晶化と沈殿は通常、極めて選択的に、または極めて急速に進行するプロセスであるため、制御が困難です。その結果、一般に核生成が ランダムに起こり、生成する結晶（沈殿物）の品質を制御できません。そのため、得られる結晶のサイズは目的に合わせて調整されておらず、分布が不均一で、形状も均一ではありません。このようにランダムに沈殿した結晶は、重大な 品質上の問題 を引き起こします。結晶サイズ、結晶の分布、形態は、沈殿粒子の品質を左右する重要な基準だからです。結晶化と沈殿を制御できなければ、製品の品質は低くなります。

解決策：超音波処理下での結晶化と沈殿

超音波を利用した結晶化（超音波結晶化）と沈殿（超音波沈殿）では、プロセス条件を精密に制御できます。超音波結晶化の重要なパラメーターはすべて精密に調整でき、核生成と結晶化を制御できます。超音波によって沈殿した結晶は、サイズがより均一で、形態がより立方体状になります。超音波結晶化と超音波沈殿の条件を制御することで、高い再現性と継続的に安定した結晶品質を実現できます。小規模で得られた結果はすべて、完全に線形にスケールアップできます。超音波結晶化と超音波沈殿により、実験室規模と工業規模の両方で、結晶性ナノ粒子を高度に制御して製造できます。

超音波キャビテーションが結晶化と沈殿に及ぼす効果

高エネルギーの超音波を液体に結合すると、高圧と低圧が交互に繰り返され、液体中に気泡や空洞が生じます。これらの気泡は、エネルギーをそれ以上吸収できなくなるまで数サイクルにわたって成長し、高圧サイクル中に激しく崩壊します。このような激しい気泡の内破現象は音響キャビテーションと呼ばれ、非常に高い温度、高い冷却速度、大きな圧力差、衝撃波、液体ジェットといった局所的な極限条件を特徴とします。
超音波キャビテーションの効果は、前駆体を非常に均一に混合することで、結晶化と沈殿を促進します。超音波による溶解は、過飽和溶液を生成するための確立された方法です。強力な混合と、それによって改善される物質移動が、核の生成を促進します。超音波の衝撃波は核の形成を助けます。生成する核が多いほど、より微細な結晶が得られ、結晶成長も速くなります。超音波キャビテーションは非常に精密に制御できるため、結晶化プロセスを制御できます。核生成に対して自然に存在する障壁は、超音波の力によって容易に乗り越えられます。
さらに、強力な超音波せん断力が大きな結晶や凝集体を破砕し、解凝集するため、超音波処理はいわゆる二次核生成にも役立ちます。
超音波処理は反応速度を高めるため、超音波を使用すれば前駆体の前処理を省くことができます。

超音波処理による結晶サイズの調整

超音波により、要件に合わせて調整した結晶を製造できます。超音波処理の三つの一般的な方法は、得られる生成物に重要な影響を及ぼします。

• 初期の超音波処理：
  過飽和溶液に短時間超音波を適用すると、核生成と核の形成を開始できます。超音波処理は初期段階にのみ適用されるため、その後の結晶成長は妨げられることなく進み、 より大きな 結晶が得られます。
• 連続超音波処理：
  過飽和溶液に連続的に超音波を照射すると、小さな結晶が得られます。中断せずに超音波処理を行うことで多数の核が生成され、多くの 小さな 結晶が成長するためです。

• パルス超音波処理：
  パルス超音波とは、定められた間隔で超音波を適用することです。超音波エネルギーの投入を精密に制御することで、結晶成長を調整し、 目的に合わせた 結晶サイズを得ることができます。

結晶化・沈殿プロセスを改善する超音波処理装置

超音波結晶化と超音波沈殿のプロセスは、バッチ処理や密閉型リアクター内での処理、連続インラインプロセス、またはその場反応として実施できます。Hielscher Ultrasonicsは、実験室規模やベンチトップ規模での研究から工業生産まで、お客様固有の超音波結晶化・超音波沈殿プロセスに最適な超音波処理装置を提供します。幅広い製品ラインアップでお客様のニーズに対応します。すべての超音波処理装置で超音波のパルスサイクルを設定できます。この機能により、結晶サイズを目的に合わせて調整できます。
超音波結晶化の利点をさらに高めるには、Hielscherのフローセル用インサートMultiphaseCavitatorの使用を推奨します。この特殊なインサートは、48本の細いカニューレを通して前駆体を注入し、初期の核生成を改善します。前駆体を正確に定量供給できるため、結晶化プロセスを高度に制御できます。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています。