Heuristische Regeln zur Optimierung von Batch-Kühlungskristallisationsprozessen

Abstract

Ein hoher Anteil der Kristallisation in der Industrie, speziell in der Pharma- und in der Lebensmittelindustrie wird in Batch-Prozessen durchgeführt. Neben der Aufreinigung sind oft ein gewisses Kornspektrum und ein bestimmter Kristallhabitus gewünscht. Zur Erzielung dieser Produkteigenschaften ist u.a. eine reproduzierbare Keimbildung notwendig Demzufolge bedürfen Batch-Kristallisationsverfahren für einen steuerbaren und reproduzierbaren Prozessverlauf, damit Kontrolle über Keimbildung und Kristallwachstum, fast unausweichlich dem Einsatz von Saatkristallen. Um die Impftechnik erfolgreich einzusetzen, müssen noch viele offene Fragen geklärt werden. Das Ziel die Entwicklung eines Regelwerkes ist über eine fundierte Ableitung zur kontrollierten Kristallisation, insbesondere durch Impftechniken, erreicht worden. Es wurden Regeln aufgestellt, die es gestatten den Kristallisationsprozess im Hinblick auf die geforderten Produktqualitäten (Korngrößenverteilung, Korngröße, Reinheit) zu optimieren. Die Entwicklung dieser Regeln erfolgte über eine Ableitung der kontrollierten Kristallisation, insbesondere durch Impftechniken. Dazu wurde ein umfangreiches Versuchsprogramm mit fünf Stoffsystemen (Kaliumsulfat, Natriumnitrat, Adipinsäure, Zitronensäure und ein heterozyklisches organisches Salz), welche aufgrund unterschiedlicher spezifischer stofflicher Eigenschaften ausgewählt wurden, durchgeführt. Sowohl die Breite des metastabilen Bereiches als auch die Kristallwachstumsgeschwindigkeit haben einen entscheidenden Einfluss darauf, wie der Kristallisationsprozess mit Hilfe der Impftechnik durchgeführt werden muss, um ihn kontrollieren zu können. Ferner sind die Neigung der Stoffsysteme zum Abrieb und zur Agglomeration von Bedeutung für die Partikelverteilung und die Reinheit des Endproduktes. Es sind Daten angegeben, die für das betreffende Stoffsystem bekannt sein müssen, um gezielt handeln zu können.

Even though batch-processes are difficult to control, they will always be important process steps in terms of industrial crystallization, especially for the pharmaceutical industry. For a better control of the crystallization processes control of nucleation and crystal growth is necessary. In the literature one recommended option for optimizing a crystallization process is to use a seeding technique. Using seeding it is possible to neglect nucleation and to start the process with controlled conditions for crystal growth. Even though seeding technologies are not new, the current knowledge is not sufficient for definitive guidelines to be deduced. This is due to the complexity of this topic. The aim of this thesis is to develop heuristic rules concerning the use of seeding techniques to produce a reproducibly high quality, crystalline product - with regard to crystal size distribution (CSD) and purity. The aim is addressed by deriving optimum fundamental parameters for batch crystallization seeding experiments Several experiments were carried out using five different substances (sodium nitrate, potassium sulfate, citric acid, adipic acid and a heterocyclic organic salt), which were selected on the basis of differing properties. As a result of this work, this thesis provides heuristic rules that, on the one hand, help to understand problems resulting from the process and, on the other hand, enable the development or optimization of batch crystallization processes using seeding. A decision tree is presented, which provides a guide to the information required for the substance and the process conditions to be applied as a consequence of these properties.