การตกผลึกและการตกตะกอน

การตกผลึกจะสัมผัสกับทุกแง่มุมในชีวิตของเราจากอาหารที่เรากิน และยาที่เราใช้กับเชื้อเพลิงที่เราใช้เพื่อขับเคลื่อนชุมชนของเรา

• ผลิตภัณฑ์เคมีเกษตรและยาและเวชภัณฑ์ส่วนใหญ่จะผ่านขั้นตอนการตกผลึกมากมายในระหว่างการพัฒนาและการผลิต
• ในอุตสาหกรรมอาหารส่วนผสมเช่นแล็กโทสและไลซีนจะถูกส่งเป็นผลึกให้กับมนุษย์และสัตว์เพื่อการบริโภค
• ข้อกังวลด้านความปลอดภัยที่สําคัญสําหรับอุตสาหกรรมปิโตรเคมีคือการตกผลึกของก๊าซไฮเดรตที่ไม่พึงประสงค์ในท่อลําเลียงน้ําทะเลลึก

นี่คือเหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรในอุตสาหกรรมหลายแห่งทั่วโลกจําเป็นต้องเข้าใจเพิ่มประสิทธิภาพและควบคุมกระบวนการตกผลึกทุกวัน การตกผลึกที่มีประสิทธิภาพและมีประสิทธิภาพทําให้มั่นใจได้ถึงการผลิตที่มีคุณภาพสูงและปลอดภัย

คุณภาพของผลิตภัณฑ์ การตกผลึกมีความสําคัญในคุณภาพของผลิตภัณฑ์เนื่องจากมีผลต่อขนาดอนุภาคความบริสุทธิ์และผลผลิต ตัวอย่างเช่นในอุตสาหกรรมยาและเวชภัณฑ์การตกผลึกของสารออกฤทธิ์ทางยา (API) จําเป็นต้องถูกควบคุมอย่างเคร่งครัดเพื่อให้เป็นไปตามข้อกําหนดเฉพาะของผลิตภัณฑ์

คุณภาพของกระบวนการ การตกผลึกยังมีผลต่อคุณภาพของกระบวนการเช่นการทำให้แห้งความสามารถในการไหลและความยืดหยุ่นในการใช้งาน ตัวอย่างเช่นการกระจายขนาดอนุภาคกว้างของกระบวนการตกผลึก API อาจทําให้การกรองช้าและการทำให้แห้งที่ไม่มีประสิทธิภาพทําให้เกิดคอขวดในกระบวนการผลิตทั้งหมด

แม้ว่าผลึกจะมีคุณลักษณะที่สําคัญหลายประการ การกระจายของขนาดผลึกอาจจะส่งผลกระทบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดต่อคุณภาพและประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย (และกระบวนการที่จําเป็นในการส่งมอบ) ขนาดและรูปร่างของผลึกมีอิทธิพลโดยตรงต่อขั้นตอนสําคัญที่ปลายน้ําของเครื่องตกผลึก โดยมีการกรองและการทำให้แห้ง ประสิทธิภาพไวต่อการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติที่สําคัญเหล่านี้โดยเฉพาะ ในทํานองเดียวกันขนาดผลึกสุดท้ายอาจส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ในสารประกอบยาและเวชภัณฑ์ความสามารถในการออกฤทธิ์ทางชีวภาพและประสิทธิภาพมักเกี่ยวข้องกับขนาดอนุภาคที่มีอนุภาคเล็กกว่าที่ต้องการสําหรับการเสริมความสามารถในการละลายและการละลาย

การกระจายของขนาดผลึกสามารถปรับปรุงและควบคุมได้โดยการเลือกเงื่อนไขการตกผลึกและพารามิเตอร์กระบวนการที่ถูกต้องอย่างระมัดระวัง การทําความเข้าใจว่าพารามิเตอร์ของกระบวนการมีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงที่สําคัญเช่นนิวเคลียสการเจริญเติบโตและการแตกหักช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนาและผลิตผลึกที่มีคุณลักษณะที่ต้องการและมีประสิทธิภาพในการนําออกสู่ตลาด

ในขณะที่วิธีการที่เลือกที่จะตกผลึกผลิตภัณฑ์อาจแตกต่างกันขึ้นอยู่กับปัจจัยหลาย, มีหกขั้นตอนทั่วไปที่จะเกิดขึ้นการตกผลึก. นักวิทยาศาสตร์ใช้เส้นโค้งความสามารถในการละลายเพื่อสร้างกรอบการทํางานเพื่อพัฒนากระบวนการตกผลึกที่ต้องการ ความสามารถในการละลายเส้นโค้งพล็อตอุณหภูมิเทียบกับความสามารถในการละลายเพื่อกําหนดปัจจัยสําหรับกระบวนการตกผลึก ปัจจัยหนึ่งคือการเลือกตัวทําละลายที่เหมาะสมที่จะใช้ในขั้นตอนที่ 1 ของกระบวนการตกผลึก

ตัวทําละลายที่เหมาะสมมีความสําคัญ เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วการตกผลึกจะดําเนินการได้โดยการลดความสามารถในการละลายของผลิตภัณฑ์ในสารละลายเริ่มต้นที่มีความอิ่มตัว เมื่อเลือกตัวทําละลายข้อควรพิจารณาบางประการได้แก่:

• ความสามารถในการละลาย: ตัวถูกละลายได้มากน้อยเพียงใด?
• ความปลอดภัยและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม: ตัวทําละลายที่ต้องจัดการมีการใช้งานจริงเพียงใด?
• ค่าธรรมเนียมในการกําจัด: ตัวทําละลายถูกทิ้งอย่างไร?

นอกจากตัวทําละลายอุณหภูมิยังเป็นปัจจัยสําคัญในการพิจารณาว่าการตกผลึกจะเกิดขึ้นหรือไม่ มีอุณหภูมิที่กําหนดให้สามารถละลายปริมาณสูงสุดของผลิตภัณฑ์ในตัวทําละลายได้ เมื่อถึงอุณหภูมินี้สารละลายจะอิ่มตัวและสิ่งเจือปนที่ไม่ละลายอาจกรองจากสารละลายที่มีความร้อน

การตกผลึกมักเกิดขึ้นโดยการลดความสามารถในการละลายของตัวถูกละลายในสารละลายหนึ่งหรือสี่วิธีการร่วมกัน เมื่อความสามารถในการละลายลดลงสารละลายจะอิ่มตัวยิ่งยวด ความอิ่มตัวยิ่งยวดคือแรงผลักดันสําหรับการเกิดนิวเคลียสผลึกและการเติบโต ซึ่งเป็นขั้นตอนการตกผลึกที่สําคัญเนื่องจากเป็นตัวกําหนดปัจจัยของผลิตภัณฑ์ที่เป็นผลึก เช่น การกระจายขนาดและเฟส การเลือกวิธีการตกผลึกขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ที่มีอยู่สําหรับการตกผลึกวัตถุประสงค์ของกระบวนการตกผลึกและความสามารถในการละลายและความเสถียรของตัวถูกละลายในตัวทําละลายที่เลือก

• การตกผลึกเมื่อเย็นตัวลง: เมื่อละลายที่อุณหภูมิสูงตัวถูกละลายจํานวนมากสามารถเริ่มตกผลึกเมื่อสารละลายผ่านการทําความเย็นที่มีการควบคุม
• เพิ่ม Antisolvent: เมื่อมีการเพิ่ม antisolvent ในการควบคุมแฟชั่นเพื่อการแก้ปัญหาจะช่วยลดความสามารถในการละลายของสารละลายและเพิ่มความอิ่มตัวยิ่งยวดที่จําเป็นสําหรับการตกผลึก
• การระเหย: เมื่อความสามารถในการละลายไม่ใช่หน้าที่ของอุณหภูมิหรือองค์ประกอบของตัวทําละลาย จะต้องทําการตกผลึกแบบระเหย สารละลายที่ละลายน้ําได้สูงจะถูกทําให้ร้อนจนถึงจุดเดือดและตัวทําละลายจะถูกกําจัดออกผ่านการระเหย ซึ่งนําไปสู่การตกผลึก คุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะพิจารณาจากอัตราการระเหย
• ทําปฏิกิริยา (การตกตะกอน): เมื่อผลิตภัณฑ์ได้รับจากปฏิกิริยาเคมีเช่นกรด/ฐานความเป็นกลางการตกผลึกสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านปฏิกิริยาหรือการตกตะกอน

เมื่อความสามารถในการละลายลดลงจุดหนึ่งจะถึงจุดที่ผลึกจะนิวเคลียสและเติบโตขึ้น จุดที่การเกิดนิวเคลียสผลึกเกิดขึ้นจะเรียกว่าขีดจํากัด metastable ความอิ่มตัวยิ่งยวดคือความแตกต่างระหว่างความเข้มข้นจริงและความเข้มข้นของความสามารถในการละลายที่อุณหภูมิที่กําหนด เมื่อผลิตภัณฑ์ตกผลึกผลึกผลิตภัณฑ์บริสุทธิ์สูงรูปแบบและสิ่งเจือปนยังคงอยู่ในสารละลาย พารามิเตอร์กระบวนการเช่นการรวมกลยุทธ์การล่อเมล็ดสามารถใช้ในการควบคุมความอิ่มตัวยิ่งยวดปรับปรุงความสม่ําเสมอของแบตช์และเพิ่มประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น

ขึ้นอยู่กับความสามารถในการละลายวิธีการตกผลึกอย่างน้อยหนึ่งวิธี (การระบายความร้อนสารต้านการระเหยการระเหยหรือปฏิกิริยาการตกผลึก) จะดําเนินการเพื่อให้ได้ผลผลิตสูง ในการออกแบบกระบวนการตกผลึกที่มีประสิทธิภาพการควบคุมระดับของความอิ่มตัวยิ่งยวดและความเข้าใจในสิ่งที่ผลึกอนุภาคผ่านไปเป็นสิ่งจําเป็น

สําหรับกระบวนการตกผลึกส่วนใหญ่ของของแข็งอนุภาคบริสุทธิ์เป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ ผลึกต้องแยกออกจากสุราแม่ด้วยการกรอง เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ความต้องการสําหรับกระบวนการกรองที่มีประสิทธิภาพคือ:

• การยับยั้งผลึกสําหรับการกรอง
• ตัวดักแบบสุญญากาศหรือแรงดันที่ใช้เป็นแรงขับเคลื่อน
• อุปกรณ์การกรอง เช่น กระดาษกรอง จานที่มีรูพรุน และขวดแก้วที่สะอาด

ในที่สุดผลิตภัณฑ์ผลึกบริสุทธิ์จะถูกทําให้แห้งผ่านวิธีการในบรรยากาศหรือสุญญากาศ วิธีการที่ใช้จะขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ประเภทตัวทําละลายและความเสถียรทางความร้อนและทางกลของ API

ขนาดและจํานวนของอนุภาครวมถึงองค์ประกอบทางเคมีเป็นสิ่งสําคัญในการกําหนดลักษณะเฉพาะที่มีประสิทธิภาพสําหรับการพัฒนาการถ่ายโอนและการทํางานของกระบวนการในหลายอุตสาหกรรม

เครื่องวิเคราะห์ขนาดอนุภาคแบบออฟไลน์แบบดั้งเดิม ใช้ในห้องปฏิบัติการควบคุมคุณภาพเพื่อวัดคุณสมบัติของอนุภาคด้วยถูกต้อง อย่างไรก็ตามต้องใช้ความระมัดระวังในการเตรียมตัวอย่างเพื่อให้ได้การตรวจวัดที่สม่ําเสมอ การหน่วงเวลาและศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงของอนุภาคระหว่างการสุ่มตัวอย่างกับการวิเคราะห์ทําให้แนวทางการวิเคราะห์ขนาดอนุภาคแบบดั้งเดิมมีความท้าทายในการเพิ่มประสิทธิภาพและการปรับปรุงกระบวนการ

เครื่องมือระหว่างกระบวนการ การตรวจวัด มอบโอกาสในการติดตามว่าขนาดจํานวนและองค์ประกอบของอนุภาคเปลี่ยนแปลงโดยตรงในกระบวนการแบบเรียลไทม์ได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนาความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับระบบอนุภาคได้โดยการทําความเข้าใจว่าอนุภาคมีพฤติกรรมอย่างไรตั้งแต่ต้นจนสิ้นสุดกระบวนการและเมื่อเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงของอนุภาคกับพารามิเตอร์ของกระบวนการ ซึ่งจะช่วยให้สามารถสร้างอนุภาคที่เหมาะสมกับวัตถุประสงค์และตรวจสอบกระบวนการให้เหมาะสมที่สุดได้โดยใช้วิธีการที่อิงตามหลักฐานและการแก้ไขปัญหาในระหว่างการผลิต

การตรวจวัดอนุภาคระหว่างกระบวนการช่วยเสริมการวิเคราะห์ขนาดอนุภาคแบบดั้งเดิมโดยการให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการที่อนุภาคทํางานตามธรรมชาติในกระบวนการ หากห้องปฏิบัติการควบคุมคุณภาพรายงานการเบี่ยงเบนจากข้อกําหนดเฉพาะ สามารถใช้การตรวจวัดอนุภาคในกระบวนการเพื่อวิเคราะห์สาเหตุหลักได้ ในทํานองเดียวกันการตรวจวัดอนุภาคในกระบวนการสามารถคาดการณ์ได้ว่าเมื่อใดที่กระบวนการจะออกจากข้อกําหนดและสามารถช่วยระบุว่าเมื่อใดควรนําตัวอย่างออกจากกระบวนการเพื่อการวิเคราะห์แบบออฟไลน์และการตรวจสอบยืนยันคุณภาพ ด้วยการผสมผสานการตรวจวัดอนุภาคในกระบวนการเพื่อความเข้าใจเพิ่มประสิทธิภาพและการแก้ไขปัญหากระบวนการกับการวิเคราะห์ขนาดอนุภาคแบบดั้งเดิมสําหรับการควบคุมคุณภาพนักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนากระบวนการอนุภาคที่มีคุณภาพสูงขึ้นในเวลาที่น้อยลงในต้นทุนรวมที่ต่ํากว่า

ในตัวอย่างนี้อัตราการเย็นตัวเมื่อสิ้นสุดแบทช์ทําให้เกิดนิวเคลียสทุติยภูมิส่งผลให้เกิดการก่อตัวของอนุภาคละเอียดจํานวนมากโดยใช้ เครื่องวิเคราะห์ขนาดอนุภาค การเพิ่มขึ้นของอัตราการให้ความเย็นสร้าง ความ อิ่มตัวยิ่งยวดเร็วขึ้นซึ่งถูกใช้โดยการเกิดนิวเคลียสแทนการเติบโต การควบคุมอัตราการให้ความเย็นอย่างรอบคอบเป็นสิ่งสําคัญเพื่อให้มั่นใจว่าเป็นไปตามข้อกําหนดการกระจายของขนาดผลึกที่ต้องการ

การกระจายขนาดผลึกของน้ําแข็งมีบทบาทสําคัญในรสชาติและความสม่ําเสมอของไอศกรีม โดยมีผลึกขนาดเล็กกว่า 50 μm ดีกว่าผลึกที่มีขนาดใหญ่กว่า 100 ไมครอน สําหรับสารเคมีทางการเกษตรสิ่งสําคัญคือต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าอนุภาคมีขนาดเล็กพอที่จะพ่นโดยไม่ปิดกั้นหัวฉีดในขณะที่มีขนาดใหญ่พอที่จะไม่การเบี่ยงเบนเข้าไปในทุ่งข้างบ้าน

ในขณะที่มันมักจะเป็นความท้าทายในการควบคุมการกระจายขนาดผลึกทั่วสเกล, โอกาสที่จะเข้าใจกระบวนการตกผลึกเพื่อที่จะส่งมอบขนาดที่เหมาะสม, ผลผลิตและรูปร่างการกระจายที่จะทําให้มั่นใจในกระบวนการที่คุ้มค่ากับคุณภาพสูงสุดที่เป็นไปได้.

นักวิทยาศาสตร์สามารถเข้าใจได้อย่างง่ายดายว่าพารามิเตอร์ของกระบวนการส่งผลกระทบต่อความเข้มข้นขนาดรูปร่างและโครงสร้างเพื่อการตัดสินใจที่ดีขึ้นขจัดความเสี่ยงในกระบวนการและแก้ปัญหาได้เร็วขึ้น

พารามิเตอร์กระบวนการเช่นอุณหภูมิการกวนและอัตราการการปล่อยมีผลกระทบโดยตรงต่อผลิตภัณฑ์และคุณภาพของระบบอนุภาคEasyMax, OptiMax, RC1 และ RX-10 รับรองการควบคุมอย่างเที่ยงตรงและการบันทึกสภาวะของกระบวนการสําหรับวิศวกรรมอนุภาคที่แท้จริง

• ข้อมูลกระบวนการทั้งหมดจะได้รับการบันทึกไม่ว่าคุณจะตั้งโปรแกรมขั้นตอนของสูตรไว้ล่วงหน้า เช่น อุณหภูมิหรือการปล่อยทางลาด หรือทําการปรับเปลี่ยนในระหว่างกระบวนการ
• ข้อมูลจากเครื่องมือ เทคโนโลยีการวิเคราะห์กระบวนการ (PAT) เช่น ReactIR, ReactRaman, EasyViewer และ/หรือ ParticleTrack สามารถซ้อนทับได้กับแนวโน้มพารามิเตอร์กระบวนการเพื่อให้เข้าใจกลไกของอนุภาคได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย
• การดําเนินการตามความถูกต้องแม่นยำช่วยให้นักเคมีและวิศวกรสามารถดําเนินกระบวนการโดยไม่ต้องมีผู้ดูแลได้อย่างมั่นใจ

ขนาดรูปร่างและความเข้มข้นของอนุภาคเป็นชิ้นส่วนที่สําคัญของข้อมูลในทุกขั้นตอนหรือเครื่องชั่งในระหว่างกระบวนการตกผลึกและทําให้องค์ประกอบคุณภาพที่สําคัญ (CQA) เครื่อง วิเคราะห์ขนาดอนุภาคสามารถแสดงภาพและวัดปริมาณอนุภาคและกลไกอนุภาคที่สําคัญได้อย่างรวดเร็วเพื่อการพัฒนากระบวนการตกผลึกที่ประสบความสําเร็จ

• คุณสมบัติอนุภาคและกลไกของอนุภาคจะถูกบันทึกไว้สําหรับการตรวจสอบและวิเคราะห์ตลอดเวลาแม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะไม่สามารถอยู่ในห้องปฏิบัติการได้
• ความสามารถในการทํางานร่วมกันระหว่างเตาปฏิกรณ์อัตโนมัติและ ParticleTrack และ EasyViewer ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ตั้งค่าลูปควบคุมแบบป้อนกลับสําหรับการระบายความร้อนที่มีการควบคุมขนาดอนุภาคหรือจํานวน หรือตั้งค่าอัตราการการปล่อยสารต้านทานการละลายเพื่อลดจํานวนอนุภาคที่ไม่พึงประสงค์เช่นค่าปรับที่มากเกินไป
• "ตัวช่วยเริ่มการทดลอง" ที่ใช้งานง่ายช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทุกคนสามารถรวบรวมข้อมูลอนุภาคคุณภาพสูงได้อย่างรวดเร็ว

ความเข้มข้นของสารละลายความอิ่มตัวยิ่งยวดและรูปแบบผลึก (polymorph) มักจะเชื่อมต่อและส่วนใหญ่กําหนดความสําเร็จของการพัฒนากระบวนการตกผลึก

ReactIR และ ReactRaman จะวิเคราะห์สารละลายและองค์ประกอบของอนุภาคอย่างเป็นระบบ เพื่อให้ได้จุดยุติของกระบวนการที่ต้องการทุกครั้ง

• องค์ประกอบของสารละลายและการกําหนดค่าเซลล์อนุภาคจะได้รับการวิเคราะห์อย่างเป็นระบบบันทึกและมองเห็นได้แบบเรียลไทม์
• การรวมกันของเครื่องมือ PAT สเปกโตรสโคปีเช่น ReactIR และ ReactRaman กับเตาปฏิกรณ์อัตโนมัติช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถทําให้อิ่มตัวยิ่งยวดพารามิเตอร์การควบคุม กระบวนการตกผลึกทํางานที่ระดับความอิ่มตัวยิ่งยวดอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้เกิดการกระจายขนาดอนุภาคที่สม่ําเสมอมากขึ้น
• One Click Analytics แบบผสานรวมจะค้นหาและแสดงข้อมูลทางเคมีและโครงสร้างที่มีความหมายและเข้าใจง่ายโดยอัตโนมัติ เพื่อการตัดสินใจที่รวดเร็วและอิงตามหลักฐาน

การควบคุมการตกผลึกเป็นสิ่งสําคัญในการบรรลุคุณลักษณะคุณภาพที่สําคัญและมีปัจจัยโต้ตอบจํานวนมากที่มีอิทธิพลต่อการเกิดผลึกขนาดผลึก การกระจายขนาดอนุภาคภาวะพหุสัณฐานและอื่น ๆ การสร้างแบบจําลอง Dynochem ช่วยในการคลายความคลายตัวทางวิทยาศาสตร์เบื้องหลังการตกผลึก และช่วยให้สามารถพัฒนาพื้นที่ในการออกแบบที่เข้าใจได้และใช้งานได้จริงสําหรับกระบวนการตกผลึก Dynochem ใช้ข้อมูลจากการวัดค่าเชิงวิเคราะห์ในแหล่งกําเนิดเพื่อจําลองโปรไฟล์ความสามารถในการละลาย/ความอิ่มตัวยิ่งยวดเป็นปัจจัยของตัวแปรสําคัญรวมถึงอุณหภูมิการโหลดเมล็ดพืชและอัตราการเย็นตัว ตัวแปรที่เกี่ยวข้องกับวิธีการที่ใช้เหนี่ยวนําการตกผลึกรวมถึงการกลั่นและการเติม antisolvent ได้รับการจําลองอย่างรวดเร็วเพื่อกําหนดตัวอย่างเช่นผลกระทบของโปรไฟล์การให้ความเย็นต่อการแลกเปลี่ยนระหว่างความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์และผลผลิต เมื่อพูดถึงการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกขยายขนาด (หรือปรับขนาดลงเพื่อการแก้ไขปัญหา) Dynochem ใช้เพื่อทําความเข้าใจและเพิ่มประสิทธิภาพตัวแปรทางเคมีกายภาพรวมถึงการผสมความเร็วในการกวนและการถ่ายโอนความร้อนและผลกระทบต่อการตกผลึก การสร้างแบบจําลอง Dynochem จะระบุสภาวะของกระบวนการที่เหมาะสมได้อย่างรวดเร็ว เพื่อให้มั่นใจว่าการตกผลึกได้รับการควบคุมและทําซ้ําได้ทั่วทุกสเกล