Ultraljudsassisterad kristallisation och utfällning

Ultraljud initierar och främjar kärnbildning och kristallisation av organiska molekyler. Att ha kontroll över denna process är avgörande för att säkerställa att slutprodukten håller hög kvalitet. Fördelarna med att använda ultraljudsbehandling för kristallisation och bildning av fasta ämnen ur vätskor är att processen går mycket snabbare, kräver mindre material och gör det möjligt att styra de slutliga kristallernas storlek. Hielscher tillhandahåller tillförlitliga och lättanvända ultraljudsapparater för framgångsrik kristallisation och bildning av fasta ämnen, oavsett om processen sker satsvis, inline eller in situ under en reaktion.

Sonokristallisation och sonoutfällning

Användning av ultraljudsvågor under kristallisation och utfällning har flera positiva effekter på processen.
Högeffektultraljud hjälper till att

• bilda övermättade/ supersaturerade lösningar
• initiera snabb kärnbildning
• styra kristalltillväxtens hastighet
• styra utfällningen
• styra polymorfa former
• minska föroreningar
• uppnå en jämn kristallstorleksfördelning
• uppnå en enhetlig morfologi
• förhindra oönskad avlagring på ytor
• initiera sekundär kärnbildning
• förbättra separationen mellan fast fas och vätska

 

Skillnaden mellan kristallisation och utfällning

Både kristallisation och utfällning är löslighetsdrivna processer där en fast fas, antingen en kristall eller en fällning, bildas ur en lösning som har överskridit sin mättnadspunkt. Skillnaden mellan kristallisation och utfällning beror på bildningsmekanismen och slutproduktens beskaffenhet.

Vid kristallisation sker en systematisk och gradvis utveckling av ett kristallgitter som byggs upp selektivt av organiska molekyler och slutligen ger en ren och väldefinierad kristallin eller polymorf förening. Utfällning innebär däremot en snabb bildning av fasta faser ur en övermättad lösning, vilket leder till att antingen kristallina eller amorfa fasta ämnen bildas. Det är viktigt att observera att det kan vara svårt att skilja mellan kristallisation och utfällning, eftersom många organiska ämnen först uppträder som amorfa, icke-kristallina fasta ämnen, som därefter genomgår en övergång och blir verkligt kristallina. I sådana fall blir gränsdragningen mellan kärnbildning och bildning av ett amorft fast ämne under utfällning komplicerad.

Kristallisations- och utfällningsprocesserna styrs av två grundläggande steg: kärnbildning och kristalltillväxt. Kärnbildning börjar när molekyler av det lösta ämnet i en övermättad lösning ansamlas och bildar kluster eller kärnor, som sedan utgör grunden för den fortsatta tillväxten av fasta faser.

Vanliga problem med kristallisations- och utfällningsprocesser

Kristallisation och utfällning är normalt processer som fortskrider antingen mycket selektivt eller mycket snabbt och därför är svåra att styra. Resultatet är att kärnbildningen i allmänhet sker slumpmässigt, så att kvaliteten på de bildade kristallerna (fällningarna) är okontrollerad. De bildade kristallerna har följaktligen en kristallstorlek som inte är anpassad efter kraven, är ojämnt fördelade och har oenhetlig form. Sådana slumpmässigt utfällda kristaller orsakar stora kvalitetsproblem eftersom kristallstorlek, kristallfördelning och morfologi är avgörande kvalitetskriterier för de utfällda partiklarna. Okontrollerad kristallisation och utfällning innebär en undermålig produkt.

Lösning: kristallisation och utfällning under ultraljudsbehandling

Ultraljudsassisterad kristallisation (sonokristallisation) och utfällning (sonoutfällning) möjliggör exakt kontroll över processförhållandena. Alla viktiga parametrar för ultraljudskristallisation kan påverkas exakt – vilket resulterar i kontrollerad kärnbildning och kristallisation. De kristaller som fälls ut med ultraljud har en jämnare storlek och en mer kubisk morfologi. De kontrollerade förhållandena vid sonokristallisation och sonoutfällning möjliggör hög reproducerbarhet och jämn kristallkvalitet. Alla resultat som uppnås i liten skala kan skalas upp helt linjärt. Ultraljudskristallisation och ultraljudsutfällning möjliggör avancerad framställning av kristallina nanopartiklar – både i laboratorieskala och i industriell skala.

Effekterna av ultraljudskavitation på kristallisation och utfällning

När ultraljudsvågor med hög energi kopplas in i vätskor skapar växlande högtrycks- och lågtryckscykler bubblor eller hålrum i vätskan. Dessa bubblor växer under flera cykler tills de inte kan absorbera mer energi och därför kollapsar våldsamt under en högtryckscykel. Fenomenet med sådana våldsamma bubbelimplosioner kallas akustisk kavitation och kännetecknas av lokala extrema förhållanden såsom mycket höga temperaturer, höga kylningshastigheter, stora tryckskillnader, stötvågor och vätskestrålar.
Effekterna av ultraljudskavitation främjar kristallisation och utfällning genom att ge en mycket homogen blandning av prekursorerna. Upplösning med ultraljud är en väletablerad metod för att framställa övermättade lösningar. Den intensiva blandningen och den därigenom förbättrade massöverföringen förbättrar bildningen av kristallkärnor. Ultraljudets stötvågor underlättar bildningen av kristallkärnor. Ju fler kristallkärnor som bildas, desto finare blir kristallerna och desto snabbare sker kristalltillväxten. Eftersom ultraljudskavitation kan styras mycket exakt är det möjligt att kontrollera kristallisationsprocessen. Naturligt förekommande barriärer för kärnbildning övervinns lätt tack vare ultraljudskrafterna.
Dessutom underlättar ultraljudsbehandling så kallad sekundär kärnbildning eftersom ultraljudets kraftiga skjuvkrafter bryter sönder och deagglomererar större kristaller eller agglomerat.
Med ultraljud kan förbehandling av prekursorerna undvikas eftersom ultraljudsbehandling förbättrar reaktionskinetiken.

Påverkan på kristallstorleken genom ultraljudsbehandling

Ultraljud möjliggör framställning av kristaller som är anpassade till kraven. Tre generella alternativ för ultraljudsbehandling har betydande effekter på resultatet:

• Inledande ultraljudsbehandling:
  Kortvarig behandling av en övermättad lösning med ultraljudsvågor kan initiera kärnbildningen och bildningen av kristallkärnor. Eftersom ultraljudsbehandling endast används under det inledande stadiet fortsätter den efterföljande kristalltillväxten obehindrat, vilket resulterar i större kristaller.
• Kontinuerlig ultraljudsbehandling:
  Kontinuerlig bestrålning av den övermättade lösningen resulterar i små kristaller eftersom ultraljudsbehandlingen utan avbrott skapar många kristallkärnor, vilket leder till att många små kristaller växer fram.

• Pulsad ultraljudsbehandling:
  Pulsat ultraljud innebär att ultraljud appliceras med bestämda intervall. En exakt kontrollerad tillförsel av ultraljudsenergi gör det möjligt att påverka kristalltillväxten för att uppnå en anpassad kristallstorlek.

Ultraljudsapparater för förbättrade kristallisations- och utfällningsprocesser

Processer för ultraljudskristallisation och ultraljudsutfällning kan genomföras satsvis eller i slutna reaktorer, som en kontinuerlig inlineprocess eller som en reaktion in situ. Hielscher Ultrasonics förser dig med en perfekt lämpad sonikator för din specifika process för ultraljudskristallisation och ultraljudsutfällning – oavsett om det gäller forskning i laboratorie- och bänkskala eller industriell produktion. Vårt breda produktsortiment täcker dina behov. Alla ultraljudsapparater kan ställas in för pulserande ultraljudscykler – en funktion som gör det möjligt att påverka kristallstorleken så att den kan anpassas efter behov.
För att ytterligare förbättra fördelarna med ultraljudskristallisation rekommenderas Hielschers flödescellsinsats MultiPhaseCavitator. Denna speciella insats möjliggör injektion av prekursorn genom 48 fina kanyler, vilket förbättrar den inledande kärnbildningen. Prekursorerna kan doseras exakt, vilket ger hög kontroll över kristallisationsprocessen.

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: