Ultrazvočna kristalizacija in obarjanje

Ultrazvok sproži in spodbuja nukleacijo in kristalizacijo organskih molekul. Nadzor nad tem procesom je ključen za zagotavljanje visoke kakovosti končnega izdelka. Prednosti uporabe sonikacije za kristalizacijo in tvorbo trdnih snovi iz tekočin so bistveno hitrejši proces, manjša poraba materiala in možnost uravnavanja končne velikosti kristalov. Hielscher zagotavlja zanesljive sonikatorje, ki so preprosti za uporabo, za uspešno kristalizacijo in tvorbo trdnih snovi, bodisi pri šaržni obdelavi, v pretočnem sistemu ali in situ med reakcijo.

Sonokristalizacija in sonoprecipitacija

Uporaba ultrazvočnih valov med kristalizacijo in obarjanjem ima različne pozitivne učinke na proces.
Močnostni ultrazvok pomaga

• tvoriti prenasičene raztopine
• sprožiti hitro nukleacijo
• nadzorovati hitrost rasti kristalov
• nadzorovati obarjanje
• nadzorovati polimorfne oblike
• zmanjšati vsebnost nečistoč
• doseči enakomerno porazdelitev velikosti kristalov
• doseči enotno morfologijo
• preprečiti neželeno odlaganje na površinah
• sprožiti sekundarno nukleacijo
• izboljšati ločevanje trdne in tekoče faze

 

Razlika med kristalizacijo in obarjanjem

Kristalizacija in obarjanje sta procesa, ki ju določa topnost in pri katerih trdna faza, bodisi kristal bodisi oborina, nastane iz raztopine, ki je presegla točko nasičenja. Razlika med kristalizacijo in obarjanjem temelji na mehanizmu nastanka in naravi končnega izdelka.

Pri kristalizaciji poteka urejen in postopen razvoj kristalne mreže, ki se selektivno sestavlja iz organskih molekul, pri čemer na koncu nastane čista in jasno opredeljena kristalna ali polimorfna spojina. Nasprotno pa obarjanje vključuje hiter nastanek trdnih faz iz prenasičene raztopine, pri čemer nastanejo kristalne ali amorfne trdne snovi. Opozoriti je treba, da je razlikovanje med kristalizacijo in obarjanjem lahko zahtevno, saj se številne organske snovi sprva pojavijo kot amorfne, nekristalne trdne snovi, ki nato preidejo v pravo kristalno obliko. V takih primerih je razlikovanje med nukleacijo in nastankom amorfne trdne snovi med obarjanjem zapleteno.

Procesa kristalizacije in obarjanja določata dva temeljna koraka: nukleacija in rast kristalov. Nukleacija se začne, ko se molekule topljenca v prenasičeni raztopini kopičijo in tvorijo skupke ali jedra, ki nato služijo kot osnova za nadaljnjo rast trdnih faz.

Pogoste težave pri procesih kristalizacije in obarjanja

Kristalizacija in obarjanje sta običajno procesa, ki potekata bodisi zelo selektivno bodisi zelo hitro, zato ju je težko nadzorovati. Posledično nukleacija praviloma poteka naključno, zato kakovost nastalih kristalov (oborin) ni nadzorovana. Tako nastali kristali nimajo prilagojene velikosti, so neenakomerno porazdeljeni in imajo neenotno obliko. Takšni naključno oborjeni kristali povzročajo velike težave s kakovostjo , saj so velikost kristalov, njihova porazdelitev in morfologija ključna merila kakovosti oborjenih delcev. Nenadzorovana kristalizacija in obarjanje pomenita slab izdelek.

Rešitev: kristalizacija in obarjanje s sonikacijo

Ultrazvočno podprta kristalizacija (sonokristalizacija) in obarjanje (sonoprecipitacija) omogočata natančen nadzor nad procesnimi pogoji. Na vse pomembne parametre ultrazvočne kristalizacije je mogoče natančno vplivati – s tem dosežemo nadzorovano nukleacijo in kristalizacijo. Ultrazvočno oborjeni kristali imajo bolj enotno velikost in bolj kubično morfologijo. Nadzorovani pogoji sonokristalizacije in sonoprecipitacije omogočajo visoko ponovljivost in stalno kakovost kristalov. Vse rezultate, dosežene v majhnem merilu, je mogoče povsem linearno prenesti v večje merilo. Ultrazvočna kristalizacija in obarjanje omogočata zahtevno proizvodnjo kristalnih nanodelcev – tako v laboratorijskem kot v industrijskem merilu.

Učinki ultrazvočne kavitacije na kristalizacijo in obarjanje

Ko v tekočine vnašamo ultrazvočne valove z visoko energijo, izmenjujoči se cikli visokega in nizkega tlaka v tekočini ustvarjajo mehurčke ali votline. Ti mehurčki rastejo skozi več ciklov, dokler ne morejo več absorbirati energije, nato pa med ciklom visokega tlaka silovito kolapsirajo. Pojav takšnih silovitih implozij mehurčkov je znan kot akustična kavitacija, za katero so značilni lokalni ekstremni pogoji, kot so zelo visoke temperature, visoke hitrosti ohlajanja, velike razlike v tlaku, udarni valovi in tekočinski curki.
Učinki ultrazvočne kavitacije spodbujajo kristalizacijo in obarjanje, saj zagotavljajo zelo homogeno mešanje prekurzorjev. Ultrazvočno raztapljanje je dobro uveljavljena metoda za pripravo prenasičenih raztopin. Intenzivno mešanje in s tem izboljšan prenos snovi izboljšata zasejanje jeder. Ultrazvočni udarni valovi pomagajo pri nastanku jeder. Več ko je zasejanih jeder, drobnejši so kristali in hitrejša je njihova rast. Ker je ultrazvočno kavitacijo mogoče zelo natančno nadzorovati, je mogoče nadzorovati tudi proces kristalizacije. Ultrazvočne sile zlahka premagajo naravno prisotne ovire za nukleacijo.
Poleg tega sonikacija pomaga pri tako imenovani sekundarni nukleaciji, saj močne ultrazvočne strižne sile lomijo in deaglomerirajo večje kristale ali aglomerate.
Z ultrazvokom se je mogoče izogniti predobdelavi prekurzorjev, saj sonikacija izboljša reakcijsko kinetiko.

Vplivanje na velikost kristalov s sonikacijo

Ultrazvok omogoča proizvodnjo kristalov, prilagojenih zahtevam. Trije splošni načini sonikacije pomembno vplivajo na rezultat:

• Začetna sonikacija:
  Kratkotrajna uporaba ultrazvočnih valov v prenasičeni raztopini lahko sproži zasejanje in nastanek jeder. Ker se sonikacija uporablja samo v začetni fazi, nadaljnja rast kristalov poteka neovirano, pri čemer nastanejo večji kristali.
• Neprekinjena sonikacija:
  Neprekinjeno obsevanje prenasičene raztopine povzroči nastanek majhnih kristalov, saj neprekinjena ultrazvočna obdelava ustvari veliko jeder, kar vodi v rast številnih majhnih kristalov.

• Pulzna sonikacija:
  Pulzni ultrazvok pomeni uporabo ultrazvoka v določenih intervalih. Natančno nadzorovan vnos ultrazvočne energije omogoča vplivanje na rast kristalov, da dosežemo prilagojeno velikost kristalov.

Sonikatorji za izboljšane procese kristalizacije in obarjanja

Procesa sonokristalizacije in sonoprecipitacije je mogoče izvajati šaržno ali v zaprtih reaktorjih, kot neprekinjen proces v pretočnem sistemu ali kot reakcijo in situ. Hielscher Ultrasonics vam zagotavlja popolnoma ustrezen sonikator za vaš specifični proces sonokristalizacije in sonoprecipitacije – bodisi za raziskovalne namene v laboratorijskem merilu in z namiznimi napravami bodisi za industrijsko proizvodnjo. Naš širok nabor izdelkov pokriva vaše potrebe. Vse ultrazvočne naprave je mogoče nastaviti na cikle ultrazvočnega pulziranja – ta funkcija omogoča vplivanje na velikost kristalov, da jo prilagodimo zahtevam.
Za še večje koristi ultrazvočne kristalizacije priporočamo uporabo vložka MultiPhaseCavitator za pretočno celico Hielscher. Ta posebni vložek omogoča vbrizgavanje prekurzorja skozi 48 tankih kanil in s tem izboljša začetno zasejanje jeder. Prekurzorje je mogoče natančno odmerjati, kar omogoča visoko stopnjo nadzora nad procesom kristalizacije.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav: