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晶体大小与形状分布的重要性

这是结晶专题系列的第四个博贴。如果您还没有看此系列的前三个博贴,可以在此找到它们: 结晶与沉淀介绍降低溶解度与驱动结晶过程的常用方法过饱和度:晶体成核与增长的驱动力

下面这组PVM显像清晰地展示了复杂的晶体大小、形状与结构。从大圆“石砣”到精美的“枝状”,晶体产物往往发生了变化, 给有效分离及下游操作带来挑战。

结晶之后通常紧跟的一步是过滤或离心分离,晶体的大小与形状可以严重影响这一单元操作的效率。如果设计了一个用一小时就完成的结晶过程,但它的后续过滤需要二十四小时,这不是高效率!

再来看一下这些 PVM显像 ,可以获得一些有关这些不同的晶体产物会如何影响过滤的线索。

a.     这些晶体可能会过滤得快且重复性好。这种较大的石砣形状造成很多间隙使滤液快速通过。

b.      这样的平板状可能是最难过滤的一种。板状容易重叠式堆积,有效地形成一个阻碍滤液通过的晶体层。这便导致过滤时间长且有可能变化,取决于晶体是如何从结晶釜排出的以及如何在过滤布上堆积的。

c.       这是有一个过滤时间可能会长的例子。细小颗粒会将较大的晶体留出的间隙堵上,致使滤液难以通过晶体床层。这是一个常见的问题,因为许多结晶工艺过程都设计有一个最终的快速冷却或快速添加反溶剂,这会导致过多的二次成核。此外,很多情况下人们会在最后将搅拌速度提高来帮助排泄釜料,这便会导致晶体的破碎。  

d.      这一显像比许多人想象的要更常见,至少是在加晶种的有机化合物结晶体系里。像这样晶体形状在显微镜片上恐怕是看不到的,因为取样和备样的过程会弄碎其结构。而PVM展现出这一精美的枝状结构。这样的枝状结构往往会在加研磨了的晶种的结晶过程中形成。晶体表面的不完善导致晶体从这些不完善处生长,因而从晶核长出许多长晶枝。很难预测像这样的形状会如何过滤,但是它很可能破碎,进而可能带来过滤时间的变化。

影响过滤过程只是结晶过程中的颗粒大小的重要性之一。对于很多产品,晶体的大小影响产品的有效性, 比如医药在人体中的吸收速率或高能材料的燃烧速率。工艺过程的其它方面也可能受到颗粒大小和形状的影响,比如流动性和离析性。

一个有趣的假想实验是考虑上面所显示的几种晶体会如何流动?

在本系列的下一个博贴里,我们将谈论如何设计结晶工艺过程从而使获得的晶体产品具有理想的大小与形状。同时,这个参考研究案例很好地描绘了一个手性结晶工艺的优化以改进离心分离、减少批次失败、提高产品质量: 通过理解二次成核对一个双重手性中心动力学分离结晶过程的改进

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