Tag Archives: Des O’Grady

Impact of Process Parameters on Supersaturation and Crystal Size and Shape

This is the fifth blog post in a series dedicated to crystallization.  In case you missed the previous posts in the series, they are available here:

The diagram below illustrates the relationship between supersaturation and crystal size distribution, via crystal nucleation and growth. In this post, we will look at how supersaturation can be controlled by adjusting process parameters such as antisolvent addition rate. Continue reading

降低溶解度与驱动结晶过程的常用方法

这是结晶专题系列的第二个博贴。如果您还没有看此系列的第一个博贴,您可以在此找到它: 结晶与沉淀介绍

结晶工艺大部分结晶工艺过程的起始点是在一个溶液的饱和浓度下。结晶过程通常是通过降低溶液中所含产物的溶解度来实现,比如采用降温、加反溶剂、或这两者相结合的方法。另一种常用的驱动结晶过程的方法是通过化学反应,既将两个或更多反应物相混合生成一不溶性固体产物,常见的是酸与碱反应生成盐的例子。

结晶方法的选择受不同因素的影响而变化。比如,蛋白质及其晶体对温度敏感, 因而不适宜使用温度控制法,导致加反溶剂法成为最常用的结晶方法。对于很多结晶工艺过程而言,冷却法会具有优势,因为它是可逆的,一旦不佳状况出现其饱和溶液可以被重新加热。

饱和溶液与溶解度:
在一给定温度下,可溶解在一给定溶剂中的溶质的量有一个上限。在这一限度点,溶液处于饱和状态。此状态下,溶质溶解在一单元溶剂中的量即为溶解度。

单位:溶解度通常表示为

  • 克溶质/100克溶剂
  • 克溶质/升溶剂
  • 摩尔分数
  • 摩尔%

以下图示,常知为溶解度曲线,清晰地表现出某一物料的溶解度随温度和溶剂的变化。将溶解度对温度作图,科研人员们开始建立为开发出理想的结晶工艺过程所需的设计基础。在此案例中,其溶质在溶剂A中的溶解度高,这意味着单位体积的溶剂中可结晶出的产物更多。在所有温度下,溶剂C中的溶解度都低,这表明它可以被用作结晶此物料的反溶剂。对一指定结晶工艺过程,溶解度曲线也揭示出其理论产率。比如,如果在60°C饱和状态下100克溶剂中最多可溶50克产物,将其冷却到10°C后饱和状态下每100克溶剂中只能溶10克产物,这就是说,每100克溶剂里可以最多结晶出40克产物。这种计算使科研人员和工程师们可以将实际产率与理论产率相比较,从而确定结晶工艺过程的效率。

溶解度

许多技术可用于测量溶解度曲线;同时,预算化合物在不同溶剂中的溶解度方面的新近研究也渐显希望。以下参考资料为更进一步学习此论题提供一良好的起点:

重量分析:

Howard K. Zimmerman, The Experimental Determination of Solubilities, Jr. Chem. Rev., 1952, 51 (1), pp 25–65

Granberg and Rasmusson, Solubility of Paracetamol in Pure Solvents, J. Chem. Eng. Data, 1999, 44 (6), pp 1391–139

动态方法:

P. Barrett and B. Glennon, “Characterizing the Metastable Zone Sidth and Solubility Curve Using Lasentec FBRM and PVM,” Trans ICHemE, vol. 80, 2002, pp. 799-805.

创新性方法:

M. Barrett, M. McNamara, H. Hao, P. Barrett, and B. Glennon, “Supersaturation tracking for the development, optimization and control of crystallization processes,” Chemical Engineering Research and Design, vol. 88, Aug. 2010, pp. 1108-1119.

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结晶与沉淀介绍

结晶触及我们生活的方方面面,从我们吃的食品和用的药物到我们用来给社区生活提供能量的燃料。大部分医药产品的生产制造过程中至少有一步是结晶步骤。我们厨房里用的食盐和白糖均为晶体。不希望发生的气体水合物结晶现象在最近的墨西哥湾漏油事件中起了作用。

Crystallization

工作在世界各地许多企业的科学家和工程师们每天都需要对结晶工艺过程进行理解,优化和控制。该系列博客贴文的目的是从基础开始介绍重要的结晶概念,并为在这一有意思的领域里工作的人们指点出很多现有的信息资源。

我们可以从几个定义开始:

  • 结晶:分子、原子或离子从其它相(通常为液体溶液、熔融、或气体)转成为固体晶体的过程。
  • 晶体:由分子、原子或离子按某种固定的重复性三维排布所组成的固体。
  • 沉淀:定义沉淀有一点难。对有些人来讲,它既是快速(或许失控)的结晶过程。对另一些人,沉淀意味着由于化学反应导致的晶体生成过程。它的使用也随工业领域而改变;制药行业通常使用“结晶”一词,而“沉淀”则是化学工业的行话。对于此博客来讲,这两个词将等同使用来指结晶。从广义上讲,沉淀不只限于结晶,它还包括非晶体颗粒固体以及液滴的形成。

各种结晶工艺过程在工业上的广泛使用或许能归功于结晶过程作为即分离又纯化的一个工艺步骤这一事实。非常快速地便可以生成并分离出具有期望纯度的晶体产物。尽管这一优势很明显,人们仍然需要理解和控制结晶过程,才能确保获得所期望的晶体产品质量,并确保结晶工艺过程的效率和成本有效性。

下述引言从强调确保产品和工艺质量的角度很好地总结了这一点。

产品特性

“原料药(活性药物组分晶体产品)的结晶对产品质量(像化学纯度及正确晶型)特别关键,对其必须进行严格控制才能满足产品质量指标。”

工艺特性

API结晶工艺和晶体特性对下游工艺过程有明显的影响。比如,超细颗粒或宽颗粒分布可能引起过滤慢和干燥效能差,这可能成为整个生产过程中的一个主要瓶颈1。”

在该系列的下一个博贴里,我们将介绍一些驱动结晶过程的不同方法、并建立结晶工艺设计的基础 – 溶解度。

1.       Kim S. et al., “Control of the Particle Properties of a Drug Substance by Crystallization Engineering and the Effect on Drug Product Formulation” Organic Process Research & Development, 9, 894-901 (2005)

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Supersaturation: Driving Force For Crystal Nucleation & Growth

This is the third blog post in a series dedicated to crystallization.  In case you missed the first and second in the series, they are available here: Introduction to Crystallization and Precipitation and Common Ways to Reduce Solubility and Drive Crystallization.

Supersaturation is the driving force for all solution crystallization processes. Crystallization scientists gain control over crystallization process and product quality by carefully controlling the prevailing level of supersaturation during the process. Continue reading

Common Ways to Reduce Solubility and Drive Crystallization

This is the second blog post in a series dedicated to crystallization.  In case you missed the first in the series, you can find it here: Introduction to Crystallization and Precipitation.

Reduce Solubility and Drive CrystallizationThe starting point for most crystallization processes is a saturated solution. Crystallization is generally achieved by reducing the solubility of the product in this solution by cooling, antisolvent addition, evaporation* or some combination of these methods. Another common method used to drive crystallization is via a chemical reaction where two or more reactants are mixed to form a solid product insoluble in the reaction mixture; a common example of this would be the reaction of an acid and a base to form a salt. Continue reading

Introduction to Crystallization and Precipitation

Crystallization touches every aspect of our lives from the foods we eat and the medicines we take, to the fuels we use to power our communities. The majority of pharmaceutical products go through at least one crystallization step during their manufacture.  Salt and sugar are delivered to our dinner tables as crystals.  The unwanted crystallization of gas hydrates played a role in the recent Deepwater Horizon oil spill. Continue reading

工艺过程分析技术在 EuroPACT 2011

在我瞻望 2011年时, 一个重要的事件是 EuroPACT 2011:第二届工艺过程分析和控制技术欧洲会议。EuroPACT 2011将于四月26至29日在Glasgow召开。成立于2006年, EuroPACT会议覆盖工艺过程分析和工艺过程表现的监测,以及将这些技术实施到各种技术领域里(包括数据向知识的转换)和工业部门。

我要点出该会上的一个张贴报告 – 用工艺过程分析技术更快地优化和解决问题:实时测量晶体布局。

如以前讨论过的,结晶是一个复杂的工艺过程,其最终晶体产品取决于热力学以及动力学和物理现象。处理结晶过程的复杂性有两种传统方法 – 或是让固体从溶液中突然析出然后在工艺下游解决问题,或是减小结晶釜以避免常见问题。这两种方法都没有为保证产品质量和提高生产率及输出而进行优化。这使得人们对用工艺过程分析技术(PAT)实时监测结晶过程产生了兴趣,它能直接测量关键工艺参数,像晶体大小和形状的分布、晶型、乃至溶液的过饱和度。

实时监测结晶过程已被证实为改进工艺过程开发、优化和放大的方法提供多种好处。我指出的这一报告通过案例回顾审视了这些好处,包括了将工艺过程分析技术(PAT)用于:

  • 提供详细工艺过程知识,从而可以实时改进釜式结晶的产率、输出、和盈利
  • 通过改进过滤/干燥的表现消除下游工艺的瓶颈
  • 加速鉴别并定性分析关键操作变量,从而提高研发效率
  • 致使设计出更加可靠的工艺过程,从而确保批次间的稳定和满足晶体标准的一致性
  • 实时鉴别干扰和非理想事件,以助确保产品质量

另外,有一篇白皮书也讨论了此论题:釜式结晶从实验室到工厂的放大指南:用工艺过程分析技术更快地优化和解决问题

在线监测颗粒粉碎过程–EMS和IIPF

我最近有幸与一组非常有才华的在EMS和国际医药研究院(IIPF)工作的科学家们合作。EMS和IIPF是位于巴西Sao Paulo 西南面约一百英里的Hortolândia城市的两家制药公司。我们做了一个很有意思的项目,在原料药(API)的湿磨过程中用FBRM跟踪颗粒径的减小。传统上人们用离线激光衍射来跟踪这一工艺过程,但是这种方法被证明既费时又不准确还有潜在人身危害。

颗粒粉碎过程通过用FBRM原位跟踪颗粒的裂碎与磨碎过程,该研究组可以实时识别出每一釜湿磨的目标终点。他们还与离线激光衍射分析数据进行了关联,并得出结论“在线FBRM的使用不仅确保了一致的产品指标还使工艺过程时间降到最短”。而且,通过揭示其材料的裂碎动力学,他们得到了对工艺过程的重要理解。这种信息可以用来确保工艺放大和技术转手的成功。

与Andre Rosa, Fabiana Ribeiro 和Jose Martins (IIPF) 以及Renato Carneiro 和Ettamyr Catteli (EMS)一起进行这一项目非常愉快。他们起草了一个应用短文:在线监测用高剪切力混合器进行颗粒粉碎的过程。要得到FBRM与离线颗粒测量技术(如激光衍射、过筛)之间的关联方面的详细信息,请查看我同事Eric Dycus的 FBRM®与工艺效率和产品质量直接关联的网络研讨会

Process Analytical Technology at EuroPACT 2011

As I look ahead to 2011, an event of interest is EuroPACT 2011: the second European Conference on Process Analytics and Control Technology.  The EuroPACT 2011 event will be held April 26 to 29 in Glasgow.  Founded in 2006, the EuroPACT conference covers new technologies in process analytics and process performance monitoring, and the implementation of these technologies in various technological fields, including the transformation of data into knowledge, and industrial sectors.

One poster presentation that I wanted to highlight is – Faster Optimization and Troubleshooting with Process Analytical Technology: Real-time Measurement of the Crystal Population. Continue reading