Используйте всю мощь sonocrystallization для улучшения свойств
Высокой интенсивности звука инициирует зарождения и позволяет контролировать размер кристалла и привычка давать продукты, которые лучше отвечают спецификациям пользователей.
Применение ультразвукового кристаллизующихся систем предоставляет значительные возможности для изменения и улучшения и процессов и продукции. Хотя ультразвука были использованы лет в области исследований и диагностики, ее использования в химических процессах только в последние годы. Это происходит потому, высокой интенсивности системы стали доступны, которые могут доставить власти ультразвука на промышленно соответствующих масштабах. Использование ультразвука в развитии химических реакций широко исследованы и был создан совсем недавно, как интенсификации технологии, движимый требования к экологически чистой обработки Кристаллизация интуитивно представляется очевидным область, в которой ультразвукового облучения могут быть полезны.
Наиболее важным механизмом, посредством которого ультразвукового облучения, либо озвучивание, могут влиять кристаллизации является ультразвуковая кавитация. Кавитация особенно эффективна для стимулирования зарождения, и исследования показывают значительное улучшение воспроизводимости результатов с помощью таких sononucleation. Использование ультразвукового для получения ядер в относительно воспроизводимый способ предлагает четко определить отправной точкой для процесса кристаллизации, и позволяет сосредоточиться быть на контроле роста кристаллов в течение оставшегося времени пребывания в кристаллизатор. Этот подход был успешно использован для манипулирования размер кристалла распределения и, следовательно, изменить твердой и жидкой поведение разделения, мойка и чистота продукта, продукт насыпной плотностью, и порошок характеристики течения.
Sononucleation также может устранить необходимость добавить затравки, которая может быть выгодным в замкнутых, стерильные операций. Это особенно верно в фармацевтике и производстве продуктов тонкого органического синтеза, где интерес к sonocrystallization и другие методы, роман получил дополнительный импульс в последние годы уделяется все большее внимание специфику эффект, и соответствующие требования для подготовки и очистки сложных объектов химической соответствии со строгими стандартами. Большие и сложные органические молекулы зачастую трудно четко сформулировать, из-за конформационных ограничений на ориентацию молекул в пределах элементарной ячейки кристалла, которые выражаются в виде больших энергетических барьеров, которые препятствуют зарождения и роста. Способность ультразвука содействовать зарождению и его использование в замкнутых помещениях без вмешательства оператора делает его привлекательным для этой нише области.
Ультразвуковая кавитация
Наиболее фундаментальное влияние ультразвука на сплошной жидкости ввести колебательные на него давление. При низкой интенсивности, это давление волны вызывают движение и перемешивание в жидкости, процесс, известный как акустический поток. При более высокой интенсивности, местное давление в фазе расширения цикла падает ниже давления паров жидкости, в результате чего мельчайшими пузырьками или полости расти. Дальнейшее увеличение генерирует отрицательные переходного давления в жидкости, повышение пузырь роста и создания новых полостей силу натяжения жидкости. Последние процессы включают хорошо известное явление кавитации, наиболее важный эффект ультразвука в химической и кристаллизации системы.
Акустической кавитации в непрерывной жидкой фаз может быть проанализирована математически использованием динамику пузырька; подробный обзор дается молодых (1). В фазе расширения волны давления, недействительным или пузырь создается местных жидкости напряженности, или расширены за счет уменьшения давления. При сжатии, повышение давления либо контрактов недействительными или пузыря до меньшего размера, или устраняет ее краха. Как правило, эти процессы являются нелинейными, в том, что изменения в радиусе недействительными не являются соразмерными с изменением звукового давления.
Пустот и полостей может быть стабильной или преходящим. Стабильные полости существовать в течение временных масштабах целого ряда звуковых циклов изменения давления, и колеблются, как правило, нелинейно, вокруг некоторого среднего размера равновесия. Переходный них существуют для одного цикла. Они могут увеличить во много раз их первоначального размера в процессе расширения и распада сильно во время сжатия. Взрыв газа с полостями, порождает ряд более мелких пузырьков, а пара полостями, заполненными рухнет с большим насилием, поскольку не существует остаточной сжимаемого газа, чтобы смягчить механическом воздействии.
Экспериментально кавитации наблюдалось выше определенного порога интенсивности ультразвуковой. Интенсивность в этом контексте, относится к механической плотности мощности поставляемых озвучивания устройства, и может изменяться в связи с пространственно геометрии контейнера и конфигурации точка, в которой ультразвуковой доставки. Доставка зонда будет при высокой интенсивности на верхушке, резко падает с увеличением расстояния. В этих системах кавитации можно наблюдать визуально как нарушение в жидкости, происходящих от кончика и направлены вдоль продольной оси. Кавитация может быть легко обнаружен изъязвление купон (например, небольшая тарелка тест) из металлической фольги в жидкости.
Трудно определить теоретические и механистический критерий для возникновения кавитации. В любом кавитации области, большинство из видимых пузырьков будет стабильной колебаний, а также стабильной полостей счет для эффектов, таких как акустическая microstreaming, а также увеличение сжимаемости жидкости. Тем не менее, наиболее серьезные последствия кавитации, таких, как коррозия пленки только сказано, из-за нестабильной полостей и их распада и уничтожения.
Это может быть более точными, поэтому, чтобы общаться с порога начала переходного кавитации. Отношения между устойчивыми и неустойчивыми кавитации весьма сложны и зависят от времени, и стабильные полости может развиться в переходных них через ряд механизмов (1).
Главный эффект крах переходного полостей является освобождение большого количества энергии в малых регионах с пространственным разрешением, т. е. энергия ультразвуковой волны сосредоточена в очень локализовано температуры и давления переходных или "горячих точках". Горячая точка теория была разработана в 1950-е (2), чтобы объяснить эффекты свободно-радикальных поколения в водных растворах insonated с высокочастотного ультразвука (0.3-1 МГц). Концентрация энергии было продемонстрировано недавно, обнаруживая sonoluminescent фотонов выше 6 эВ от акустического поля давления средней плотности энергии = 2,22 J/m3, повышение более чем на 10 порядков в отдельных сайте испускания фотонов (3) . Еще одним доказательством "горячих точках" был найден в звукохимических высокотемпературного лиганда замены летучих карбонилов металлов (4). Другая теория (5) на основе электрических микроразряда и создает что происходит разделение зарядов в процессе создания кавитационных полостей.
Кавитация и зарождение
Правда гомогенной нуклеации редко на практике, и происходит только при высоких уровнях пересыщения. При таком высоком уровне, обратимые кластеризации происходит. Помимо кластеризации этапе, похоже, что точка будет достигнута в разработке порядка и консолидации, при которой кластер может "шаблон" дальнейшей аккреции вещества в твердой матрице, и ядро, можно считать, что сформирована. Хотя это и не возможно теоретически характеризуют переход от кластера к ядру, вполне вероятно, что она является продолжением динамичного процесса, в которой кластеры первоначально виде пространственных неоднородностей в пересыщенного раствора. Отсутствие теоретического понимания гомогенной нуклеации делает ее трудно предсказать, априори, что последствия озвучивания будет, и рассматривается ли вопрос о первичной нуклеации имеет отношение к интерпретации результатов.
На практике, зарождения почти всегда происходит гетерогенно, и теоретически чистые и частиц, свободных решений, то, как полагают, связано с ложным следы приостановлено материала или несовершенство поверхности контейнера, которые функционируют как места зарождения. Не удивительно, что воспроизводимость зарождения поведения в этих системах зачастую является низким.
Существует хорошая экспериментальные доказательства того, что применение ультразвуковой не только вызывает зарождения, но и повышает воспроизводимость результатов. Мы полагаем, что кавитационные распада может создать зарождения сайте аналогично из следа частицы или поверхности несовершенства.
Индукции зарождения ультразвуком хорошо иллюстрируется работа в нашей лаборатории на кристаллизацию сорбита hexaacetate путем охлаждения раствора в метаноле (6), как показано на рисунке 1. После насыщенного раствора при охлаждении 40degC (на 0,5 K / мин) без ультразвука, решение по-прежнему ясно до 33.2C, где произошло зарождение и твердых отделяется. Когда эксперимент был повторен с озвучивания, твердых веществ произошла на 36.8C. Ультразвуковые сводится метастабильных ширина зоны (MZW) от 6,8 К до 3,2 К. Сокращение MZW ассоциируются с более высокими качеством продукции с точки зрения размера и привычки, и меньшей склонностью к растворенного в "крах" с обширным образованием штрафов .
Другой эффект ультразвука на зарождение является сокращение времени индукции между созданием пересыщения и началом зарождения и кристаллизации. Это было исследовано для кристаллизации наркотиков из ацетона / вода, с пересыщения индуцированных добавив этилацетат, как antisolvent (6). Antisolvent могут быть добавлены быстро, так, что пересыщение создается практически мгновенно. Параллельные наборы 10 флаконов были наполнены насыщенным раствором, antisolvent был добавлен, и индукции раз было зафиксировано визуально наблюдаемых нуклеации. 2 приведены результаты серии Джентиле участков. "U / S" в этом и последующих цифр представляет использование ультразвука.
Рисунок 2 показывает, практически мгновенного зародышеобразования на высоком уровне пересыщения, с и без УЗИ, положение "вне сбой". Как уровнях сокращаются, увеличение индукции раз и язычников распространения группировок, проявляют все большую изменчивость. Insonated флаконов не только демонстрировать заметное снижение индукции раз, но и язычникам точки гораздо более тесно сгруппированы, свидетельствует об улучшении воспроизводимости. Это последнее наблюдение согласуется с идеей, что кавитация обеспечивает точки неоднородности, на которой зарождение может произойти.
В твердой и жидкой суспензии, кавитационные рушится, как правило, ориентированы на твердой и жидкой интерфейсов (4). Постоянно озвучивания решения, в которых твердые уже отделены-видимому, не вызвать механические нарушения и поломки, но и создать дополнительные зарождения и тормозят рост кристаллов. Это приводит к меньшим размеров кристалла. Вполне возможно, что дальнейшее зарождения на данном этапе могут быть вторичными, в результате cavitationally индуцированных нарушений на твердых поверхностях.
Модификация и контроля свойств
Контролируемые ультразвука на различных стадиях кристаллизации могут быть использованы для изменения и индивидуальные свойства продукта для удовлетворения потребностей. На раннем этапе озвучивания вызывает первичной нуклеации, а также позволяет кристаллизации осуществляется при умеренных MZWs. Эти условия, как правило, связанных с производством больших wellformed кристаллов с минимальным штрафом. Постоянно озвучивания снизит размер кристалла и дают менее совершенных кристаллов. УЗИ может также применяться и в заключительной стадии, чтобы разбить агломераты.
На рисунке 3 показана последствий озвучивания (обозначается как "U / S" в этом и других цифр) на размер кристалла при охлаждении кристаллизация dodecandioic кислоты. Когда один короткий (-5 ы) ворвались ультразвука применяется в начале процесса, размер значительно больше, чем в не-insonated контрольного эксперимента. Это согласуется с вышеуказанными принципами, так как взрыв вызывает зарождения, тогда как рост доходов на более поздних стадиях с минимальным количеством новых ядер производится. Insonating постоянно на протяжении всего процесса дает кристалл меньшего размера, чем в контрольных условиях, что свидетельствует о преимущественную силу продолжающегося нуклеации, как первичные и вторичные, на последних этапах этого процесса. Рисунок 4 показывает влияние короткий начальный всплеск ультразвука на сорбитол hexaacetate, как для увеличения размера и недопущение агломерации. Рисунок 3 представляет собой крайности, и, в принципе, она должна быть обеспечена возможность управления озвучивания режима получить продукт с оптимальными характеристиками.
Спецификация размеров кристаллов и привычки, как правило, определяется физическими свойствами, необходимых для изделие либо дальнейшей обработки или конечного использования. Если последняя предполагает растворение, например, попадает фармацевтической "активных", размер кристалла и форма будет определить, как быстро такие растворения происходит, и скорость высвобождения активного своей цели.
Влияние озвучивания на насыпной плотности и скорости фильтрации продукта приведены на рисунке 4. Без insonated контроля быстрые темпы фильтрации, но только умеренной плотности, объема и, следовательно, далека от идеальной для упаковки. Начальный всплеск ультразвука дает еще меньше насыпная плотность, что еще проще, процедить. Эти свойства обычно связаны с крупными кристаллами и несколько штрафов. Непрерывная озвучивания дает мелкодисперсный продукт с отличным насыпной плотности, которые трудно фильтра. Здесь оптимальной плотности сыпучих и фильтруемости получены с импульсной ультразвуковой дать значения между двумя крайностями.
Ультразвуковое оборудование
Дизайн sonoprocessing оборудование устанавливается необходимость разработки интенсивность выше порога кавитационные протяжении определенного объема жидкости. Ультразвук является избавиться от датчика, состоящий из пьезоэлектрических бутерброд с алюминия или титана конечных масс, ведущих к лицу, из которых выделяется ультразвуковая. Путь длиной излучаемых ультразвуковых от обычных зондов, как правило, около 0,1 м Различные конструкции зонда может быть использована для различных компромиссов ультразвуковых интенсивности на вершине и активной области. Экспоненциально конический зонда с наконечником диаметром. 3 мм дает высокую интенсивность местных (> 106 Вт / тг) на небольшой площади (7 мм2). 9 мм диаметром. untapered зонд обеспечивает снижение интенсивности на большей площади (64 мм2). Недавно был разработан 25 мм, датчик дает максимальный эффект области в течение относительно короткого пробега.
Мы разработали лабораторной установки с использованием жидкого объема около 500 мл. Он может быть использован для охлаждения, так и antisolvent кристаллизации; стеклянный сосуд является оболочкой для контроля температуры и antisolvent могут быть добавлены в установленной ставки. Ультразвуковые вводится через обычные зонда, кончик которого расположены около 5-8 мм ниже поверхности раствора в кристаллизаторе.
Зонда существенно механического распространения на конец датчика, которая передает колебания датчика к месту доставки. Агитация решения является чрезвычайно важным, поскольку ультразвуковой энергии от зонда рассеивается продольно от вершины, и очень важно, что все решения сталкиваться с ним. В покоящейся жидкости в круглой дном сосуд, значительную часть объема остается без insonated из-за геометрии. Зонда собраний работает на фиксированной частоте около 20 кГц, мощность можно варьировать, блок управления. Работа, как правило, осуществляется в таком масштабе для оценки воздействия ультразвука на кристаллизации, и в качестве первого шага по количественной оценке выгод.
Использования одного датчика может быть расширена путем включения ее в проточной кювете. Поток системы могут быть разработаны для обработки больших объемов, особенно когда требуется озвучивания является относительно коротким и четко, как в примерах выше озвучивания для зарождения. Эффективный объем озвучивания, определяемые геометрией зонда и ультразвуковой длина пути, и требуется время озвучивания определить максимальный расход через ячейку. Рисунок 5 показывает оптимизирован высокой интенсивности потока ячейки, которая делает максимально использовать энергию, передаваемую от одного датчика в прямом направлении. Этот механизм также может работать при повышенном давлении (до 10 бар).
Расширение масштабов единиц
Дизайн задачей для расширенных единиц организовать несколько преобразователей дать достаточно равномерной интенсивности распространения по всей реалистичных рабочего объема. Зонд операционных систем при типичных интенсивности лицом 5 х 104 до 106 Вт/м2 на частотах 20-60 кГц, страдают тем недостатком, что интенсивное поле кавитации не могут быть переданы более нескольких сантиметров после окончания зонда. Даже банки зондов были обнаружены неспособным передавать кавитации через расстояния 100-700 мм.
Для достижения высокой плотности поля в больших объемах, то предпочтительнее работать на нижней части лица интенсивности (-104 Вт/м2) по сравнению с увеличенной площадью. Тем не менее, один датчик будет только передать максимальную общую мощность около 50 Вт, а для достижения высокой плотности мощности необходимо разместить несколько преобразователей вокруг средой, insonated.
В прототипе устройства (7, 8), 3 преобразователи установлены по окружности на 120 градусов. углы вокруг цилиндрическом канале внутреннего диам. 130 мм. Ультразвуковая энергия передается от датчика к воздуховоду через не-cavhating жидкости акустические сопоставления раздел, который предотвращает эрозию поверхности металла в месте доставки.
Это устройство было использовано в чистой фармацевтической промышленности, где существуют строгие ограничения на частицы металла и пролить загрязнения. Датчик электроники были построены с искровым доказательство спецификации подходит для горючих растворителей.
Единицу продукции довольно равномерное озвучивание интенсивность выше порога кавитационные всей своей рабочим объемом 4,5 л, при этом относительно мало энергии рассеивается в барьер жидкости. Металлический корпус содержит преобразователи и ограничивает шума релиза операционной системы. Оборудование находится в проточной режим работы, но могут также использоваться порционной. Sonocrystallizer партии была разработана на тех же принципах проведения кристаллизации из воды, где пересыщения при изменении рН.
В последние дизайн, несколько преобразователей напрямую подключен к стенам 40-L судов процесса. Судов были оснащены несколько преобразователей в строках и расположенных на одинаковом расстоянии по окружности цилиндра. Эксплуатация данного устройства на полную мощность дал сильном поле кавитации на цилиндр, о чем свидетельствует в течение нескольких секунд на расширяющийся распад купонные металлической фольги. Принципы прямой связи датчика и использованием большого количества преобразователей значительно расширить масштаб деятельности возможности, с той лишь фундаментальное ограничение время пробега от датчика отзыв, по которой кавитационные интенсивности порог должен быть сохранен. При этом типе системы, плотности мощности до 70-80 Вт / L могут быть реализованы в больших объемах.
Масштабный партии кристаллизации
Зарождения крупных партий объемов порядка 0,5-1 м3 общее требование в фармацевтических и химических продуктов тонкого производства и ультразвуковое предлагает способ достижения этой цели, избегая при этом многих ошибок и недостатков традиционного посева. Ультразвуковые нуклеации может быть вызвано удаленно, не нарушая сдерживания, и, в отличие от семян Кроме того, можно легко повторить, если операционная окно пересыщения условий, подходящих для посева не упустить. Если семенами зарождения является единственной цели, это может быть вызвано сравнительно короткий период озвучивания. Простой механизм для достижения этой цели использует рубашкой, перемешивали танк реактора, с insonator находится в pumparound цикла снаружи цистерны (7). Озвучивания Приемник может быть подключен с помощью насоса в контуре циркуляции с большими кристаллизатора. Sononucleation достигается с помощью соответствующего расхода, а также зарождение материал возвращается семян основных судна процесса. Такая договоренность может быть установлена на существующем оборудовании со скромными требованиями пространстве.
Одним из вариантов такого посева договоренность была разработана при перекачивании является неприемлемым. Озвучивания устройства был помещен над главным судна процесса и кратных решения был разработан в его с помощью вакуумной линии, insonated, и вернулись на судно. Этот процесс повторяется, пока достаточной концентрации семян была достигнута.
Признание
Авторы выражают благодарность J. Перкинс из Sonic ООО за его советы по разработке ультразвукового оборудования. Вклад д-ра CJ Цена работе описаны также признал.
ЛИТЕРАТУРА
1. Молодая, Ф. Р., "Кавитация". McGraw-Hill, Нью-Йорк (1989).
2. Henglein А., Naturwiss, 44, стр. 179 (1957), "Перекись водорода формирование ультразвука в водных растворах водород, аргон и кислород", ультразвука, 25 (1), стр. 6 (1987).
3. Рой, RA, ультразвука Sonochem, 1 (1), С. С. (1994).
4. Suslick, К. С. и др. /., Ультразвук, 28 (5), стр. 280 (1990).
5. Маргулис, М. А., Акаси. / / Журн., 16 (3), p. 434 (1970).
6. Цена, CJ, "Ультразвук - ключ к лучшему Кристаллы для фармацевтической промышленности" Pharm. Technol. Европе (октябрь 1997).
7. Мартин, PD, и WL Уорд, "Реактор дизайн для звукохимических проектирование" Trans. IChemE, 70а, стр. 296 (1992).
8. Десборо, К. Л. и др. /., Brit. Патент Appn. ГБ 2 243 092; Eur. Патент Appn. EP 0 449 008 (1991).
Дополнительная литература
Цена, CJ: "Возьми некоторые твердые шаги для улучшения кристаллизации", Chem. Eng. Прогресс, 93 (9), с. 24-43 (сентябрь 1997).
Линда. J. Маккосленд, П. В. CAI Н.С., и Петр. D. MARTIN, AEA Technology
П. ГАИНС старшего химика в рамках Процесс Консалтинг "AEA Technology Group, Харуэлл лаборатории Didcot, Великобритании (Тел.: +44 1 235 4345 1, факс: +44 1235 4323 13, электронная почта: <A HREF =" mailto: Peter.Cains @ software.aeat . Ком "> Peter.Cains software.aeat.com @ </>). Он работал по широкому кругу вопросов с участием органической, физической и экологической химии. Последние мероприятия были в основном связанные с кристаллизацией группы и растворителя областях работы добычи. С октября 2OOO, он был неполный почетный старший научный сотрудник Университетского колледжа в Лондоне, при поддержке Королевского общества стипендиатов, организовывать и проводить научные исследования по киральной кристаллизации. Другие недавние мероприятия включали фонохимии, микроволновой химии, а также органических окисления. Он также представил ключевой вклад в междисциплинарных исследований образования диоксинов при сжигании. Он получил степень доктора и DIC из Имперского колледжа в Лондоне, является дипломированным химиком и членом Королевского общества химии.
Л. Маккосленд, является кристаллизации менеджером в течение Процесс Консалтинг "AEA Technology Group, Харуэлл лаборатории Didcot, Великобритании (Тел.: +44 1 235 4345 1, факс: +44 1235 4323 13, E-почта: Linda-McCausland@uk.aeat.com). Она ручки альт фронтовых запросы для кристаллизации и sonoprocessing. Она отвечает за техническую разработку, технические характеристики, а также предоставление всех ультразвукового оборудования для обработки. Маккосленд AEA вступил в 1992 году, будучи заняты в Эссо нефти ООО, где она работала, как химик-органик увольнений. За это время она приобрела HTEC по химии в Оксфорд Брукс Univ. Она имеет обширный практический опыт в кристаллизации техники и опытно-конструкторских и была вовлечена в проекты контрактов исследования, охватывающие многие аспекты промышленной технологии кристаллизации. К ним относятся работы, проведенной в лаборатории, экспериментальные и технологических процессов, масштабы самых разнообразных материалов, включая: фармацевтические препараты, заготовок, поверхностно-активных веществ, нефтепродуктов и продуктов питания.
П. Мартин менеджер Процесс Консалтинг "AEA Technology Group, Харуэлл лаборатории Didcot, Великобритании (Телефон: +44 1235 4345"; Факс: +44 1235 4323 13, электронная почта: <A HREF = "mailto: Peter.Martin @ software.aeat . Ком "> Peter.Martin software.aeat.com @ </>). Он активный интерес к ультразвуковой обработки и оборудования, развитие. С момента вступления в AEA, он принимал активное участие в ряде научно-исследовательских областях, включая жидкие / жидкостной экстракции (экстракция), мощность / ультразвуковой обработки и очистки сточных вод. В настоящее время его интересов входят проектирование жидкости / жидкости поселенцев и колонки контакторы, и процесс томографии. химических выпускник инженерного из Университетского колледжа в Лондоне, он получил степень доктора философии Кембриджский университет в 1981 году для работы на теплообмен в кипящем слое. Он дипломированный инженер и член Института химической Engineers.University Кембриджа в 1981 году для работы на теплообмен в кипящем кровати. Петр является дипломированным инженером, Член Института инженеров-химиков.
