CN107008028A - 一种通过超声波控制结晶成核过程的结晶器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种通过超声波控制结晶成核过程的结晶器，其包括结晶母液容器(3),至少一组成核诱导器(6)，其中每组内的成核诱导器(6)的个数为多个，其中每一个成核诱导器(6)包括超声波发射片(1)和导能头(2)，所述导能头(2)与所述超声波发射片(1)和所述结晶母液容器(3)的外壁贴合固定。本发明有效提升晶体产品的质量。超声波可以使晶体的成核过程发生在较低的过饱和度下，或使难于成核的物系成核，从而达到对结晶过程的控制，提升产品的粒度、粒度分布和晶型。

Description

一种通过超声波控制结晶成核过程的结晶器
技术领域
本发明属于结晶设备领域，特别涉及一种通过超声波控制结晶成核过程的结晶器。
背景技术
现代工业结晶技术与设备是制备生物医药高端产品的共性核心技术，是具有绿色化与智能化特征的精加工核心技术，是实现生物医药由低端粗品向高端功能精品提升的核心技术，是对生物医药产业竞争力整体提升具有带动性、全局性影响的关键共性核心技术。加强该领域的研发已经成为必须抢占的战略制高点。
晶核是过饱和溶液中新生产的微小晶体粒子，是晶体生长过程必不可少的核心。成核速率是决定晶体产品粒度分布的首要动力学因素，但在工业结晶过程中，通常初级成核发生在高过饱和度的条件下，体系处于热力学非稳定状态，使成核过程难以控制。目前，在结晶过程中，通常通过添加晶种的方式来促使成核在低过饱和度下发生。研磨是目前用来生产晶种的最常用方式，但通过研磨产生的晶种粒度和粒度分布难以控制。同时，研磨过程存在容易引入杂质，原料浪费，扬尘污染等问题。另外，当研磨后的晶种加入体系时，往往因研磨产生的静电导致聚结，使其在液相中分散较困难。而超声波诱导产生的晶核不存在以上问题，是实现在低饱和度下对晶体成核过程进行控制的有效手段。
目前超声波难以应用在工业结晶器上进行成核控制的原因是诱导成核需要的超声能量相对较高，使用单个超声发生器发射的超声能量容易分散，难以在低过饱和度的情况下促进晶核产生。必须使用超声波聚能器增加单位体积的能量密度以诱导晶核产生，纵向安装时超声波聚能器的变幅杆长度有限，难以深入结晶体系，无法保证晶核扩散。横向安装时，超声波变幅杆在结晶器中阻碍流体流动，突出部分容易与晶体碰撞产生晶垢。需要设计新型的超声发生器以解决能量密度低和难以安装的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过超声波控制结晶成核过程的结晶器，不仅能够提供足够能量密度诱导成核，而且能够方便地将现有的工业结晶器改造成本发明，方便晶体成核控制。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明涉及一种通过超声波控制结晶成核过程的结晶器，包括以下部件：
结晶母液容器3,
至少一组成核诱导器6，其中每组内的成核诱导器6的个数为多个，其中每一个成核诱导器6包括超声波发射片1和导能头2，所述导能头2与所述超声波发射片1和所述结晶母液容器3的外壁贴合固定。
本发明优选的实施方案中，所述导能头2用于对所述超声波发射片1发射的超声波进行定向传导。
本发明优选的实施方案中，所述导向头2和超声波发射片1的布置方式使得其所发出的超声波与所述结晶母液容器3法线方向的夹角为40-80°。
本发明优选的实施方案中，每组内的多个所述超声波发射片1的布置方式使得它们所发射的超声波通过所述导能头2定向传导后聚焦于结晶母液容器3内的非圆心位置处的超声波聚焦点5。
本发明优选的实施方案中，各组成核诱导器6各自的超声波聚焦点5的位置彼此独立地设置。
本发明优选的实施方案中，所述超声波聚焦点5位于结晶母液容器3的结晶母液的环流区域内。
其中所述导能头的材质为能传递超声波的材料，但其外壁上覆盖有阻挡超声波的材料，而仅在希望超声波传递的方向上未覆盖阻挡超声波的材料，从而起到对超声波进行定向传导的作用。
本发明的工作过程为：所述超声波发射片1产生的超声波，通过所述导能头2定向传导后进入所述结晶母液容器3中。通过多束超声波聚焦，在焦点形成单束超声波无法达到的能量密度，刺激晶核大量产生。同时，通过调整所述导能头2的定向传导方向，使每一组内的各超声波发射片所发出的超声波聚焦点5位于所述结晶母液容器3的结晶母液的环流区域内，在该区域内，结晶母液在搅拌器作用下做上下环流运动，使得通过超声波聚焦作用产生的晶核能够迅速随流体扩散至整个所述结晶母液容器3，防止表面能较高的晶核发生聚结的同时，保证整个所述结晶母液容器3内各部分晶体的均匀生长，进而达到优化晶体产品粒度、粒度分布、晶型等指标的目的。
本发明的关键点在于：利用多个超声波发生器同步工作，通过多束超声波聚焦，从而在聚焦区域内累积足够的能量密度，诱导晶核在低过饱和度下产生。同时，聚焦区域可以设定在结晶母液环流区域内，可迅速将超声波诱导的晶核均匀的扩散到整个结晶母液容器。
本发明有益效果：
1.有效提升晶体产品的质量。超声波可以使晶体的成核过程发生在较低过饱和度条件下，或使难于成核的物系成核，从而达到对结晶过程的控制，提升产品的粒度、粒度分布和晶型。
2.本发明装置便于在现有结晶器基础上进行升级而得到，不破坏现有结晶器结构，只需在其外部安装若干组成核诱导器即可，易于改造和安装。工业上结晶器通常由金属制造，而金属是超声波的良导体，改造时只需将成核诱导器直接安装在现有的结晶器的外壁上，并调整超声发射片和导能头的位置使发出的超声波能聚焦于结晶器内的母液环流区域即可。
3.生产过程中不易引入新的杂质。成核诱导器本身与结晶母液不直接接触，不会在生产过程中引入新的杂质。
4.生产成本低廉，除导能头需要根据结晶母液容器单独设计加工外，其他部件使用标准部件即可，有效降低了生产成本。
5.能量输入控制简单，通过开关部分超声波发生器即可提高或降低能量输入值，从而控制聚焦区域的成核速率。尤其是在切换结晶器内的产品品种时，通过调整能量输入可取得操作的最优条件。
6、节省设备成本，一个能有效诱导晶核产生的高功率的超声波发射片的成本非常高昂，且因超声波功率大而容易疲劳损坏。而使用多个廉价的较低功率的超声波发射片经过聚焦作用，同样能有效诱导晶核产生，但成本显著下降(因为超声波发射片功率越高，价格越昂贵，且二者并非线性关系，而是类似于指数型增长关系)，且超声波发射片在低功率下工作更不容易受损。
附图说明
图1是本装置结构示意图；
图2是本装置中结晶母液容器的结晶母液环流示意图；
图3是超声诱导产生的蔗糖晶种的粒度分布；
图4是研磨产生的蔗糖晶种的粒度分布；
图5是不开启超声波成核诱导器时蔗糖晶体的粒度分布；
图6是开启1组超声波成核诱导器时蔗糖晶体的粒度分布；
图7是开启2组超声波成核诱导器时蔗糖晶体的粒度分布。
图中：1-超声波发射片，2-导能头，3-结晶母液容器，4-结晶母液容器法线方向，5-超声波聚焦点，6-成核诱导器。
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明的内容，而不是对本发明保护范围的进一步限定。
实施例1
本实施例是以蔗糖为溶质，以水为溶剂，以甲醇为溶析剂的溶析结晶过程。
分别对超声诱导产生的晶种和研磨产生的晶种进行粒度分析的结果如图3和4所示，从图中可以看出，超声诱导产生的蔗糖晶种的主粒度和粒度分布范围都远远优于研磨产生的晶种，因此更易产生粒度分布均匀的晶体，同时，超声波诱导产生的晶种在结晶母液容器中更容易分散。因此当结晶模块容积能够保证混合均匀时，经超声诱导的晶种不存在分散问题。
实施例2
在100升结晶母液容器上安装两组超声波结晶器，每组包含3个60W超声波发生器，并使得产生的超声波聚焦于结晶母液的环流区域。在结晶母液容器内以水为溶剂，以甲醇为溶析剂生产蔗糖晶体的溶析结晶，将2.6千克蔗糖溶解于15千克水中，在30℃的条件下，按照0.4kg/min的流加速率匀速加入80千克甲醇中，进行间歇性的溶析结晶。
在超声波成核诱导器不开启的情况下，晶核在加入19千克甲醇的情况下析出，停止流加甲醇半小时后恢复加料，流加全部80千克甲醇后，结晶体系继续搅拌40分钟，过滤，抽干母液，常温下用甲醇洗涤晶体后，进行粒度分析。晶体的粒度分布如图5所示，从图中可以看出晶体的主粒度为90.47μm，粒度分布变异系数为：98.4％。
在使用1组超声波成核诱导器的情况下，超声波于结晶体系加入13.7千克甲醇的情况下开启晶核析出后，停止流加甲醇半小时后恢复加料，流加全部65千克甲醇后，结晶体系继续搅拌40分钟，过滤，抽干母液，常温下用甲醇洗涤晶体后，进行粒度分析，晶体的粒度分布如图6所示，可见晶体的主粒度为：299.04μm，粒度分布变异系数为：84.8％。
在使用2组超声波成核诱导器的情况下，超声波于结晶体系加入12千克甲醇的情况下开启，待晶核析出后，停止流加甲醇半小时后恢复加料，流加全部65千克甲醇后，结晶体系继续搅拌40分钟，过滤，抽干母液，常温下用甲醇洗涤晶体后，进行粒度分析。晶体的粒度分布图如图7所示，可见晶体的主粒度为：389.14μm，粒度分布变异系数为：54.9％。
从图5至图7中可以看出，引入超声波成核诱导器能够有效的控制结晶过程，增加晶体的主粒度，并降低晶体的粒度分布变异系数，使得到的晶体产品粒径更集中。通过调整开启超声波结晶器的数量可以控制晶核产生的数量，进而对最终产品的粒度和粒度分布做出调整。

Claims (6)

1.一种通过超声波控制结晶成核过程的结晶器，其特征在于，包括以下部件：
结晶母液容器(3),
至少一组成核诱导器(6)，其中每组内的成核诱导器(6)的个数为多个，其中每一个成核诱导器(6)包括超声波发射片(1)和导能头(2)，所述导能头(2)与所述超声波发射片(1)和所述结晶母液容器(3)的外壁贴合固定。
2.根据权利要求1所述的通过超声波控制结晶成核过程的结晶器，其特征在于，所述导能头(2)用于对所述超声波发射片(1)发射的超声波进行定向传导。
3.根据权利要求1所述的通过超声波控制结晶成核过程的结晶器，其特征在于，所述导向头(2)和超声波发射片(1)的布置方式使得其所发出的超声波与所述结晶母液容器(3)法线方向的夹角为40-80°。
4.根据权利要求1所述的通过超声波控制结晶成核过程的结晶器，其特征在于，每组内的多个所述超声波发射片(1)的布置方式使得它们所发射的超声波通过所述导能头(2)定向传导后聚焦于结晶母液容器(3)内的非圆心位置处的超声波聚焦点(5)。
5.根据权利要求4所述的通过超声波控制结晶成核过程的结晶器，其特征在于，各组成核诱导器(6)各自的超声波聚焦点(5)的位置彼此独立地设置。
6.根据权利要求4所述的通过超声波控制结晶成核过程的结晶器，其特征在于，所述超声波聚焦点(5)位于结晶母液容器(3)的结晶母液的环流区域内。
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