連續震蕩擋板結晶儀介紹
結晶是使過飽和溶液析出晶體的過程,影響結晶的因素主要分為理論因素和環境因素,而且兩者是互相影響的,比如理論上的介穩區寬度直接決定工藝的降溫過程,但實際的降溫過程直接影響溶解度的變化,進而影響晶核的形成,理論和環境相互作用決定了晶體產品的尺寸形貌等,而這些又決定了產品的性能,如材料的功能性,藥品的生物利用度,催化劑的表面活性,食品的紋理。
圖1 降溫結晶路線圖
圖1是經典的降溫結晶路徑,首先不飽和溶液經過降溫變成飽和溶液,繼續降溫進入介穩區,繼續降溫進入超飽和區,就會引起爆發成核,這個是一瞬間的過程,極難控制。因此結晶的關鍵就在于介穩區的控制。但是物質的超溶解度在熱力學和動力學上都不是固定不變的,它與多種因素相關,而且生產放大依賴于規模參數,因此大介穩區寬度是不固定的,需要非常精細的條件優化探索。
目前工業上結晶多使用的傳統的攪拌反應釜,他主要存在兩個問題,分別是混合濃度梯度和溫度梯度。濃度梯度直接影響超溶解度梯度,而溫度梯度就直接影響介穩區寬度和結晶路徑,兩者都會導致晶型多樣性,甚至造成尺寸形貌不一致。
圖2液體不同流動狀態速率分布曲線圖
一般流體的流動狀態分為層流(Laminar flow),湍流( Turbulent flow)和活塞流(Plug flow),從圖中明顯看出在活塞流狀態時,管道內的流體速率*一致,因此活塞流是理想的傳質方式,然而實際上傳統的反應結晶釜的流動狀態都是層流狀態,傳質非常不均勻。理論證明多個連續反應釜(大于20個)串聯時可以達到活塞流狀態的,倪特科連續結晶儀(圖3左和中)配有活塞推拉裝置,管道內部有多個擋板,而且兩個擋板之間可以形成一個小的反應釜,倪特科 DN15小型號的總管長是7m,每兩個擋板之間的距離約為2 cm,那么一套DN15小型號的設備相當于是350個反應釜串聯,再加上活塞的推拉的主動混合,使流體以漩渦流形式進行充分混合,實際混合效果如圖3右。
倪特科連續結晶儀可以控溫解決溫度梯度問題,因為結晶儀的整個管路都是夾套設置,可以通過玻璃管夾套的隔離或串聯靈活設置溫區,實現多種類型的降溫曲線,另外,設備上設置了多處PAT插口,可以兼容實驗室工藝開發的一切PAT工具。
倪特科連續震蕩擋板結晶儀的兩大優點是縮小反應器體積,直接放大生產和縮短工藝時間,表 1和表2 分別從以上兩方面將Nitech連續震蕩擋板結晶儀和傳統釜式攪拌結晶儀進行了對比。在保持相同的產品純度和日產量的基礎上,倪特科結晶儀的反應器體積縮小了約50倍,廠房占用空間縮小了約40倍,而且多種工藝時間都大幅度縮小。
| 攪拌結晶儀 | 倪特科結晶儀 |
反應器體積(L) | 16000 | 270 |
廠房空間(m3) | 1200 | 33 |
產率(%) | 83 | 89 |
產品純度(%) | 99.5 | 99.5 |
日產量(kg) | 180 | 180 |
工藝 | 攪拌結晶儀 | 倪特科結晶儀 |
精細化工 | 6 h | 30 min |
聚合物 | 8 h | 45 min |
特殊化學品 | 12 h | 40 min |
API一步反應 | 10 h | 20 min |
糖基產物 | 30 min | 15 min |
固化反應 | 1 h | 10 s |