Ultrazvuková kryštalizácia a zrážanie

Ultrazvuk iniciuje a podporuje nukleáciu a kryštalizáciu organických molekúl. Riadenie tohto procesu je nevyhnutné na zabezpečenie vysokej kvality konečného produktu. Výhodami použitia sonikácie na kryštalizáciu a tvorbu tuhých látok z kvapalín sú výrazné zrýchlenie procesu, nižšia spotreba materiálu a možnosť riadiť konečnú veľkosť kryštálov. Hielscher poskytuje spoľahlivé a ľahko použiteľné sonikátory na úspešnú kryštalizáciu a tvorbu tuhých látok, či už vo vsádzkovom režime, v prietokovom režime alebo in situ počas reakcie.

Sonokryštalizácia a sonoprecipitácia

Pôsobenie ultrazvukových vĺn počas kryštalizácie a zrážania má na proces rôzne pozitívne účinky.
Výkonový ultrazvuk pomáha

• vytvárať presýtené/supersaturované roztoky
• iniciovať rýchlu nukleáciu
• riadiť rýchlosť rastu kryštálov
• riadiť zrážanie
• riadiť polymorfné formy
• znižovať obsah nečistôt
• dosiahnuť rovnomernú distribúciu veľkosti kryštálov
• dosiahnuť jednotnú morfológiu
• predchádzať nežiaducemu usadzovaniu na povrchoch
• iniciovať sekundárnu nukleáciu
• zlepšovať separáciu tuhej a kvapalnej fázy

 

Rozdiel medzi kryštalizáciou a zrážaním

Kryštalizácia aj zrážanie sú procesy riadené rozpustnosťou, pri ktorých z roztoku, ktorý prekročil bod nasýtenia, vzniká tuhá fáza, či už ide o kryštál alebo zrazeninu. Rozdiel medzi kryštalizáciou a zrážaním spočíva v mechanizme vzniku a povahe konečného produktu.

Pri kryštalizácii dochádza k usporiadanému a postupnému vývoju kryštálovej mriežky, ktorá sa selektívne zostavuje z organických molekúl, pričom napokon vzniká čistá a dobre definovaná kryštalická alebo polymorfná zlúčenina. Naopak, zrážanie zahŕňa rýchly vznik tuhých fáz z presýteného roztoku, čo vedie k tvorbe kryštalických alebo amorfných tuhých látok. Je dôležité poznamenať, že rozlíšenie medzi kryštalizáciou a zrážaním môže byť náročné, pretože mnohé organické látky sa spočiatku vyskytujú ako amorfné, nekryštalické tuhé látky, ktoré následne prechádzajú do skutočne kryštalického stavu. V takýchto prípadoch je rozlíšenie medzi nukleáciou a tvorbou amorfnej tuhej látky počas zrážania zložité.

Procesy kryštalizácie a zrážania určujú dva základné kroky: nukleácia a rast kryštálov. Nukleácia sa začína, keď sa molekuly rozpustenej látky v presýtenom roztoku hromadia a vytvárajú zhluky alebo zárodky, ktoré potom slúžia ako základ pre následný rast tuhých fáz.

Bežné problémy pri procesoch kryštalizácie a zrážania

Kryštalizácia a zrážanie sú zvyčajne procesy, ktoré prebiehajú buď veľmi selektívne, alebo veľmi rýchlo, a preto sa ťažko riadia. Výsledkom je, že nukleácia vo všeobecnosti prebieha náhodne, takže kvalita výsledných kryštálov (precipitátov) nie je riadená. Vznikajúce kryštály preto majú neprispôsobenú veľkosť, sú nerovnomerne rozložené a majú nejednotný tvar. Takéto náhodne vyzrážané kryštály spôsobujú závažné problémy s kvalitou , pretože veľkosť kryštálov, ich distribúcia a morfológia sú rozhodujúcimi kritériami kvality vyzrážaných častíc. Neriadená kryštalizácia a zrážanie znamenajú nekvalitný produkt.

Riešenie: kryštalizácia a zrážanie pri sonikácii

Ultrazvukom podporovaná kryštalizácia (sonokryštalizácia) a zrážanie (sonoprecipitácia) umožňujú presné riadenie procesných podmienok. Všetky dôležité parametre ultrazvukovej kryštalizácie možno presne ovplyvňovať – výsledkom je riadená nukleácia a kryštalizácia. Kryštály vyzrážané ultrazvukom majú rovnomernejšiu veľkosť a kubickejšiu morfológiu. Riadené podmienky sonokryštalizácie a sonoprecipitácie umožňujú vysokú reprodukovateľnosť a stálu kvalitu kryštálov. Všetky výsledky dosiahnuté v malom meradle možno úplne lineárne preniesť do väčšieho meradla. Ultrazvuková kryštalizácia a zrážanie umožňujú sofistikovanú výrobu kryštalických nanočastíc – v laboratórnom aj priemyselnom meradle.

Účinky ultrazvukovej kavitácie na kryštalizáciu a zrážanie

Pri prenose vysokoenergetických ultrazvukových vĺn do kvapalín vytvárajú striedajúce sa cykly vysokého a nízkeho tlaku v kvapaline bubliny alebo dutiny. Tieto bubliny rastú počas niekoľkých cyklov, až kým už nedokážu absorbovať viac energie, a potom počas cyklu vysokého tlaku prudko skolabujú. Jav takýchto prudkých implózií bublín je známy ako akustická kavitácia a vyznačuje sa lokálnymi extrémnymi podmienkami, ako sú veľmi vysoké teploty, vysoké rýchlosti ochladzovania, veľké tlakové rozdiely, rázové vlny a prúdy kvapaliny.
Účinky ultrazvukovej kavitácie podporujú kryštalizáciu a zrážanie tým, že zabezpečujú veľmi homogénne premiešanie prekurzorov. Ultrazvukové rozpúšťanie je osvedčenou metódou na prípravu presýtených roztokov. Intenzívne miešanie a ním zlepšený prenos hmoty zlepšujú tvorbu kryštalizačných zárodkov. Ultrazvukové rázové vlny napomáhajú tvorbe zárodkov. Čím viac zárodkov vznikne, tým jemnejšie kryštály rastú a tým rýchlejšie prebieha ich rast. Keďže ultrazvukovú kavitáciu možno veľmi presne riadiť, je možné riadiť proces kryštalizácie. Prirodzene existujúce bariéry nukleácie sa pôsobením ultrazvukových síl ľahko prekonávajú.
Sonikácia navyše napomáha takzvanej sekundárnej nukleácii, pretože silné ultrazvukové šmykové sily rozbíjajú a deaglomerujú väčšie kryštály alebo aglomeráty.
Pomocou ultrazvuku možno predísť potrebe predbežného spracovania prekurzorov, pretože sonikácia zlepšuje reakčnú kinetiku.

Ovplyvňovanie veľkosti kryštálov sonikáciou

Ultrazvuk umožňuje výrobu kryštálov prispôsobených požiadavkám. Tri základné režimy sonikácie majú významný vplyv na výsledný produkt:

• Počiatočná sonikácia:
  Krátke pôsobenie ultrazvukových vĺn na presýtený roztok môže iniciovať vznik kryštalizačných zárodkov. Keďže sonikácia sa používa iba v počiatočnej fáze, následný rast kryštálov prebieha bez prekážok, čím vznikajú väčšie kryštály.
• Nepretržitá sonikácia:
  Nepretržité ožarovanie presýteného roztoku vedie k vzniku malých kryštálov, pretože neprerušované pôsobenie ultrazvuku vytvára veľa zárodkov, čo vedie k rastu mnohých malých kryštálov.

• Pulzná sonikácia:
  Pulzný ultrazvuk znamená aplikáciu ultrazvuku v stanovených intervaloch. Presne riadený prívod ultrazvukovej energie umožňuje ovplyvňovať rast kryštálov s cieľom dosiahnuť požadovanú veľkosť kryštálov.

Sonikátory na zlepšenie procesov kryštalizácie a zrážania

Procesy sonokryštalizácie a sonoprecipitácie možno vykonávať vsádzkovo alebo v uzavretých reaktoroch, ako kontinuálny prietokový proces alebo ako reakciu in situ. Hielscher Ultrasonics vám dodá sonikátor dokonale vhodný pre váš konkrétny proces sonokryštalizácie a sonoprecipitácie – či už na výskumné účely v laboratórnom a stolovom meradle, alebo v priemyselnej výrobe. Náš široký sortiment produktov pokrýva vaše potreby. Na všetkých ultrazvukových zariadeniach možno nastaviť cykly ultrazvukovej pulzácie – funkciu, ktorá umožňuje ovplyvňovať veľkosť kryštálov podľa požiadaviek.
Na ďalšie zvýšenie prínosov ultrazvukovej kryštalizácie sa odporúča použiť vložku MultiPhaseCavitator do prietokovej cely Hielscher. Táto špeciálna vložka umožňuje vstrekovanie prekurzora cez 48 jemných kanýl, čím zlepšuje počiatočnú tvorbu kryštalizačných zárodkov. Prekurzory možno presne dávkovať, čo umožňuje vysokú mieru kontroly nad procesom kryštalizácie.

Nasledujúca tabuľka uvádza orientačnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových zariadení: