Ultraskaņas kristalizācija un nokrišņi

Ultraskaņa ierosina un veicina organisko molekulu nukleāciju un kristalizāciju. Kontrole pār šo procesu ir ļoti svarīga, lai pārliecinātos, ka galaprodukts ir augstas kvalitātes. Ultraskaņas izmantošanas priekšrocības kristalizācijai un cietvielu izgatavošanai no šķidrumiem ir tādas, ka tas padara procesu daudz ātrāku, izmanto mazāk materiālu un ļauj pārvaldīt galīgo kristālu izmēru. Hielscher nodrošina uzticamus un viegli lietojamus ultraskaņas aparātus veiksmīgai kristalizācijai un cietvielu veidošanai neatkarīgi no tā, vai reakcijas laikā tas notiek partijā, inline vai in situ.

Sono-kristalizācija un sono-nokrišņi

Ultraskaņas viļņu pielietošanai kristalizācijas un nokrišņu laikā ir dažāda pozitīva ietekme uz procesu.
Jaudas ultraskaņa palīdz

• veido pārsātinātus/ pārsātinātus šķīdumus
• uzsākt ātru nukleāciju
• kontrolēt kristāla augšanas ātrumu
• kontrolēt nokrišņus
• kontrolēt polimorfus
• samazināt piemaisījumus
• iegūt vienmērīgu kristāla izmēru sadalījumu
• iegūt vienmērīgu morfoloģiju
• novērstu nevēlamu nogulsnēšanos uz virsmām
• uzsākt sekundāro nukleāciju
• uzlabot cieto un šķidro vielu atdalīšanu

 

Atšķirība starp kristalizāciju un nokrišņiem

Gan kristalizācija, gan nogulsnēšanās ir šķīdības vadīti procesi, kuros no šķīduma, kas ir pārsniedzis piesātinājuma punktu, rodas cieta fāze, neatkarīgi no tā, vai tas ir kristāls vai nogulsnes. Atšķirība starp kristalizāciju un nokrišņiem ir atkarīga no veidošanās mehānisma un galaprodukta īpašībām.

Kristalizācijā notiek metodiska un pakāpeniska kristāliskā režģa attīstība, kas selektīvi samontēta no organiskām molekulām, galu galā iegūstot tīru un labi definētu kristālisku vai polimorfu savienojumu. Un otrādi, nokrišņi nozīmē ātru cieto fāžu veidošanos no pārsātināta šķīduma, kā rezultātā veidojas vai nu kristāliskas, vai amorfas cietas vielas. Ir svarīgi atzīmēt, ka kristalizācijas un nokrišņu atšķiršana var būt sarežģīta, jo daudzas organiskās vielas sākotnēji izpaužas kā amorfas, nekristāliskas cietas vielas, kas pēc tam tiek pārgātas, lai kļūtu patiesi kristāliskas. Šādos gadījumos robeža starp nukleāciju un amorfas cietas vielas veidošanos nokrišņu laikā kļūst sarežģīta.

Kristalizācijas un nokrišņu procesus nosaka divi būtiski soļi: nukleācija un kristāla augšana. Nukleācija sākas, kad izšķīdušās molekulas pārsātinātā šķīdumā uzkrājas, veidojot kopas vai kodolus, kas pēc tam kalpo par pamatu turpmākai cieto fāžu augšanai.

Bieži sastopamas problēmas ar kristalizācijas un nokrišņu procesiem

Kristalizācija un izgulsnēšanās parasti ir vai nu ļoti selektīvi, vai ļoti strauji pavairojoši procesi, un tāpēc tos ir grūti kontrolēt. Rezultāts ir tāds, ka kopumā notiek nukleācija Nejauši, lai iegūto kristālu (nogulšņu) kvalitāte būtu nekontrolēta. Attiecīgi ienākošajiem kristāliem ir nepielāgots kristāla izmērs, tie ir nevienmērīgi sadalīti un nav vienmērīgi veidoti. Šādi nejauši nogulsnēti kristāli izraisa lielus kvalitātes problēmas tā kā kristāla izmērs, kristālu sadalījums un morfoloģija ir izšķiroši nogulsnēto daļiņu kvalitātes kritēriji. Nekontrolēta kristalizācija un nokrišņi nozīmē sliktu produktu.

Risinājums: kristalizācija un nokrišņi ar ultraskaņu

Ultrasoniski atbalstīta kristalizācija (sonokristalizācija) un nokrišņi (sonoprecipitācija) ļauj precīzi kontrolēt procesa apstākļus. Visus svarīgos ultraskaņas kristalizācijas parametrus var precīzi ietekmēt – kā rezultātā notiek kontrolēta nukleācija un kristalizācija. Ultrasoniski nogulsnētajiem kristāliem ir vienveidīgāks izmērs un kubiskā morfoloģija. Kontrolētie sonokristalizācijas un sono-nokrišņu apstākļi nodrošina augstu reproducējamību un nepārtrauktu kristāla kvalitāti. Visus rezultātus, kas sasniegti nelielā mērogā, var palielināt pilnīgi lineāri. Ultraskaņas kristalizācija un nokrišņi ļauj sarežģīti ražot kristāliskas nanodaļiņas – gan laboratorijas, gan rūpnieciskā mērogā.

Ultraskaņas kavitācijas ietekme uz kristalizāciju un nokrišņiem

Ja ļoti enerģiski ultraskaņas viļņi tiek savienoti šķidrumos, mainīgi augsta spiediena / zema spiediena cikli šķidrumā rada burbuļus vai tukšumus. Šie burbuļi aug vairākos ciklos, līdz tie nespēj absorbēt vairāk enerģijas, lai augsta spiediena cikla laikā tie spēcīgi sabruktu. Šādu vardarbīgu burbuļu implosiju fenomens ir pazīstams kā akustiskā kavitācija, un to raksturo vietējie ekstremālie apstākļi, piemēram, ļoti augstas temperatūras, augsts dzesēšanas ātrums, augsta spiediena starpības, trieciena viļņi un šķidruma strūklas.
Ultraskaņas kavitācijas ietekme veicina kristalizāciju un nokrišņus, nodrošinot ļoti viendabīgu prekursoru sajaukšanu. Ultraskaņas izšķīdināšana ir labi austrumnieciski izstrādāta metode, lai ražotu pārsātinātus / pārsātinātus šķīdumus. Intensīva sajaukšana un tādējādi uzlabota masas pārnešana uzlabo kodolu sēšanu. Ultraskaņas triecienviļņi palīdz veidot kodolus. Jo vairāk kodolu tiek iesēti, jo smalkāks un ātrāks notiks kristāla augšana. Tā kā ultraskaņas kavitāciju var ļoti precīzi kontrolēt, ir iespējams kontrolēt kristalizācijas procesu. Dabiski esošās nukleācijas barjeras ir viegli pārvaramas ultraskaņas spēku dēļ.
Turklāt ultraskaņas apstrāde palīdz tā sauktās sekundārās nukleācijas laikā, jo spēcīgie ultraskaņas bīdes spēki saplīst un deagglomerē lielākus kristālus vai aglomerātus.
Ar ultraskaņu var izvairīties no prekursoru pirmapstrādes, jo ultraskaņas apstrāde uzlabo reakcijas kinētiku.

Kristāla izmēra ietekmēšana ar ultraskaņu

Ultraskaņa ļauj ražot kristālus, kas pielāgoti prasībām. Trīs vispārīgām ultraskaņas apstrādes iespējām ir svarīga ietekme uz produkciju:

• Sākotnējā ultraskaņas apstrāde:
  Īss ultraskaņas viļņu pielietojums pārsātinātam šķīdumam var sākt kodolu sēšanu un veidošanos. Tā kā ultraskaņas apstrāde tiek veikta tikai sākotnējā posmā, turpmākā kristāla augšana notiek netraucēti, kā rezultātā Lielāku Kristāli.
• Nepārtraukta ultraskaņas apstrāde:
  Nepārtraukta pārsātinātā šķīduma apstarošana rada mazus kristālus, jo neizmantotā ultrasonikācija rada daudz kodolu, kā rezultātā aug daudzi mazs Kristāli.

• Pulsējoša ultraskaņas apstrāde:
  Impulsu ultraskaņa nozīmē ultraskaņas pielietošanu noteiktos intervālos. Precīzi kontrolēta ultraskaņas enerģijas ieeja ļauj ietekmēt kristāla augšanu, lai iegūtu Pielāgoti kristāla izmērs.

Ultraskaņas apstrādātāji uzlabotiem kristalizācijas un nokrišņu procesiem

Sonokristalizācijas un sono-izgulsnēšanas procesus var veikt partijās vai slēgtos reaktoros kā nepārtrauktu inline procesu vai kā in situ reakciju. Hielscher Ultrasonics piegādā jums perfekti piemērotu sonikatoru jūsu īpašajam sonokristalizācijas un sono-nokrišņu procesam – vai nu pētniecības nolūkos laboratorijas un stenda mērogā, vai rūpnieciskajā ražošanā. Mūsu plašais produktu klāsts atbilst jūsu vajadzībām. Visus ultrasonikatorus var iestatīt uz ultraskaņas pulsācijas cikliem – funkcija, kas ļauj ietekmēt pielāgotu kristāla izmēru.
Lai vēl vairāk uzlabotu ultraskaņas kristalizācijas priekšrocības, ieteicams izmantot Hielscher plūsmas šūnu ieliktni MultiPhaseCavitator. Šis īpašais ieliktnis nodrošina prekursora injicēšanu caur 48 smalkām kanulām, uzlabojot kodolu sākotnējo sēšanu. Prekursorus var precīzi dozēt, kā rezultātā kristalizācijas process ir ļoti vadāms.

Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu: