Ultrasone kristallisatie en precipitatie

Ultrageluid initieert en bevordert de kiemvorming en kristallisatie van organische moleculen. Beheersing van dit proces is essentieel om ervoor te zorgen dat het eindproduct van hoge kwaliteit is. De voordelen van sonicatie voor kristallisatie en het vormen van vaste stoffen uit vloeistoffen zijn dat het proces veel sneller verloopt, minder materiaal verbruikt en de uiteindelijke kristalgrootte kan worden gestuurd. Hielscher levert betrouwbare en gebruiksvriendelijke sonicatoren voor succesvolle kristallisatie en vorming van vaste stoffen, zowel in batches als inline of in situ tijdens een reactie.

Sonokristallisatie en sonoprecipitatie

Het toepassen van ultrasone golven tijdens kristallisatie en precipitatie heeft verschillende positieve effecten op het proces.
Ultrageluid met hoog vermogen helpt bij het

• vormen van oververzadigde/ supersatureerde oplossingen
• initiëren van snelle kiemvorming
• beheersen van de kristalgroeisnelheid
• beheersen van de precipitatie
• beheersen van polymorfen
• verminderen van onzuiverheden
• verkrijgen van een uniforme kristalgrootteverdeling
• verkrijgen van een gelijkmatige morfologie
• voorkomen van ongewenste afzetting op oppervlakken
• initiëren van secundaire kiemvorming
• verbeteren van de scheiding van vaste stoffen en vloeistoffen

 

Verschil tussen kristallisatie en precipitatie

Zowel kristallisatie als precipitatie zijn door oplosbaarheid gedreven processen, waarbij een vaste fase, hetzij een kristal of een neerslag, ontstaat uit een oplossing die haar verzadigingspunt heeft overschreden. Het onderscheid tussen kristallisatie en precipitatie hangt af van het vormingsmechanisme en de aard van het eindproduct.

Bij kristallisatie ontwikkelt zich op een geordende en geleidelijke manier een kristalrooster, dat selectief uit organische moleculen wordt opgebouwd en uiteindelijk een zuivere en goed gedefinieerde kristallijne of polymorfe verbinding oplevert. Precipitatie daarentegen omvat de snelle vorming van vaste fasen uit een oververzadigde oplossing, waarbij kristallijne of amorfe vaste stoffen ontstaan. Het is belangrijk om te beseffen dat het onderscheid tussen kristallisatie en precipitatie moeilijk kan zijn, omdat veel organische stoffen aanvankelijk verschijnen als amorfe, niet-kristallijne vaste stoffen, die vervolgens een overgang ondergaan en daadwerkelijk kristallijn worden. In dergelijke gevallen wordt de afbakening tussen kiemvorming en de vorming van een amorfe vaste stof tijdens precipitatie complex.

De kristallisatie- en precipitatieprocessen worden bepaald door twee fundamentele stappen: kiemvorming en kristalgroei. Kiemvorming begint wanneer moleculen van de opgeloste stof zich in een oververzadigde oplossing ophopen en clusters of kiemen vormen, die vervolgens als basis dienen voor de verdere groei van vaste fasen.

Veelvoorkomende problemen bij kristallisatie- en precipitatieprocessen

Kristallisatie en precipitatie zijn doorgaans processen die zich zeer selectief of zeer snel voortzetten en daardoor moeilijk te beheersen zijn. Het gevolg is dat kiemvorming over het algemeen plaatsvindt op willekeurige wijze, waardoor de kwaliteit van de resulterende kristallen (neerslagen) onbeheerst is. De gevormde kristallen hebben daardoor een niet op de eisen afgestemde kristalgrootte, zijn ongelijkmatig verdeeld en hebben geen uniforme vorm. Dergelijke willekeurig neergeslagen kristallen veroorzaken grote kwaliteitsproblemen omdat kristalgrootte, kristalverdeling en morfologie cruciale kwaliteitscriteria zijn voor de neergeslagen deeltjes. Onbeheerste kristallisatie en precipitatie betekenen een product van slechte kwaliteit.

Oplossing: kristallisatie en precipitatie onder sonicatie

Ultrasoon ondersteunde kristallisatie (sonokristallisatie) en precipitatie (sonoprecipitatie) maken een nauwkeurige beheersing van de procesomstandigheden mogelijk. Alle belangrijke parameters van ultrasone kristallisatie kunnen nauwkeurig worden beïnvloed – wat resulteert in beheerste kiemvorming en kristallisatie. De ultrasoon neergeslagen kristallen hebben een uniformere grootte en een meer kubische morfologie. De beheerste omstandigheden van sonokristallisatie en sonoprecipitatie maken een hoge reproduceerbaarheid en een constante kristalkwaliteit mogelijk. Alle resultaten die op kleine schaal worden bereikt, kunnen volledig lineair worden opgeschaald. Ultrasone kristallisatie en precipitatie maken de geavanceerde productie van kristallijne nanodeeltjes mogelijk – zowel op laboratoriumschaal als op industriële schaal.

De effecten van ultrasone cavitatie op kristallisatie en precipitatie

Wanneer ultrasone golven met hoge energie in vloeistoffen worden gekoppeld, ontstaan door afwisselende cycli van hoge en lage druk bellen of holten in de vloeistof. Deze bellen groeien gedurende meerdere cycli totdat ze geen energie meer kunnen opnemen en tijdens een hogedrukcyclus heftig instorten. Het verschijnsel van dergelijke heftige belimplosies staat bekend als akoestische cavitatie en wordt gekenmerkt door plaatselijke extreme omstandigheden, zoals zeer hoge temperaturen, hoge afkoelsnelheden, grote drukverschillen, schokgolven en vloeistofstralen.
De effecten van ultrasone cavitatie bevorderen kristallisatie en precipitatie doordat ze voor een zeer homogene menging van de precursoren zorgen. Ultrasoon oplossen is een beproefde methode om oververzadigde/ supersatureerde oplossingen te produceren. De intensieve menging en de daardoor verbeterde massaoverdracht verbeteren het ontstaan van kiemen. De ultrasone schokgolven ondersteunen de vorming van de kiemen. Hoe meer kiemen ontstaan, hoe fijner de kristallen worden en hoe sneller de kristalgroei verloopt. Omdat ultrasone cavitatie zeer nauwkeurig kan worden beheerst, is het mogelijk om het kristallisatieproces te beheersen. Van nature aanwezige barrières voor kiemvorming worden door de ultrasone krachten gemakkelijk overwonnen.
Daarnaast ondersteunt sonicatie de zogenaamde secundaire kiemvorming, doordat de krachtige ultrasone afschuifkrachten grotere kristallen of agglomeraten breken en deagglomereren.
Met ultrageluid kan een voorbehandeling van de precursoren worden vermeden, omdat sonicatie de reactiekinetiek verbetert.

Kristalgrootte beïnvloeden door sonicatie

Ultrageluid maakt de productie mogelijk van kristallen die op de eisen zijn afgestemd. Drie algemene sonicatiemethoden hebben belangrijke effecten op het resultaat:

• Sonicatie in de beginfase:
  Het kort toepassen van ultrasone golven op een oververzadigde oplossing kan het ontstaan en de vorming van kiemen initiëren. Omdat sonicatie alleen tijdens de beginfase wordt toegepast, verloopt de daaropvolgende kristalgroei ongehinderd, wat resulteert in grotere kristallen.
• Continue sonicatie:
  De continue bestraling van de oververzadigde oplossing resulteert in kleine kristallen, omdat de ononderbroken ultrasone behandeling veel kiemen creëert, wat leidt tot de groei van veel kleine kristallen.

• Gepulseerde sonicatie:
  Gepulseerd ultrageluid betekent dat ultrageluid met vastgelegde intervallen wordt toegepast. Een nauwkeurig beheerste toevoer van ultrasone energie maakt het mogelijk de kristalgroei te beïnvloeden om een op de eisen afgestemde kristalgrootte te verkrijgen.

Sonicatoren voor verbeterde kristallisatie- en precipitatieprocessen

Sonokristallisatie- en sonoprecipitatieprocessen kunnen worden uitgevoerd in batches of gesloten reactoren, als continu inlineproces of als reactie in situ. Hielscher Ultrasonics levert u de perfect passende sonicator voor uw specifieke sonokristallisatie- en sonoprecipitatieproces – zowel voor onderzoek op laboratorium- en tafelmodelschaal als voor industriële productie. Ons brede productassortiment voorziet in uw behoeften. Alle sonicatoren kunnen worden ingesteld op ultrasone pulsatiecycli – een functie waarmee de kristalgrootte gericht kan worden beïnvloed.
Om de voordelen van ultrasone kristallisatie nog verder te vergroten, wordt het gebruik van het inzetstuk MultiPhaseCavitator van Hielscher voor de doorstroomcel aanbevolen. Deze speciale inzet injecteert de precursor via 48 fijne canules, waardoor de aanvankelijke kiemvorming wordt verbeterd. De precursoren kunnen exact worden gedoseerd, wat resulteert in een hoge mate van beheersbaarheid van het kristallisatieproces.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: