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Abstract

通过形成物质的饱和溶液、改变该溶液的温度以使其变得超饱和、使用高强度超声波短暂照射该溶液然后在无照射的条件下让该溶液逐步冷却，从而制备足够纯的用于药品的晶体物质。使用器壁上附着一系列超声波转换器的容器来施加超声波，这样的每一个转换器的照射不超过3W/cm2，然而该容器中的功率耗散在25和150W/升之间。这种方法可以将亚稳态区域宽度减少到小于10k。没有器壁的侵蚀并且没有随之发生的微小金属粒子的形成。该方法可应用于例如阿斯巴甜和氨基酸等物质。

Description

利用高强度超声波制备晶体物质
本发明涉及一种用于可能适用于药品的成分的结晶的方法。
众所周知，利用高强度超声波在超饱和溶液中激发成核从而产生结晶，例如在GB2276567A中所描述的设备就用于此目的。由于溶液的纯净和容器表面的清洁意味着结晶核的不存在，因此当要形成非常纯的结晶产物时，在这种方法中激发成核的好处是特别适当的。人们希望在药品中使用某些化合物，但却发现特别难于结晶；尤其是涉及到二糖例如D-葡萄糖或D-木糖。其它的有机化合物例如天冬氨酸、化合物α-L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯(阿斯巴甜)也出现类似的问题。人们已经发现，由于在发生结晶前饱和溶液可能需要被冷却到显著地低于饱和温度，例如一些有机物质的过冷可达100K，因此须在这些化合物的饱和溶液中添加晶体改良剂以促使晶体的形成。也就是说，超饱和溶液可以在亚稳态保持很长一段时间，甚至是许多个月。通常利用浸入式超声波探头或触角使饱和溶液经受超声波。但已发现，在触角的表面发生一些气穴现象，这导致了触角的侵蚀和随之发生的微小金属粒子的产生(例如直径约0.1mm)；因此该过程对于用作药品成分的物质的结晶是不可接受的。
因此，本发明提供一种用于产生晶体物质的方法，该方法包含形成该物质的饱和溶液、改变该溶液的温度以使其变得超饱和以及使用高强度超声波照射该溶液，仅当该溶液超饱和时施加超声波并直到晶体的形成，然后让晶体在无照射的条件下在溶液中生长。
优选地，施加超声波不超过10秒钟，例如2秒或3秒。最优选地，以短暂间隔施加超声波，例如小于5秒的时间间隔，然后察看是否有任何晶体形成；如果没有晶体形成，则间隔短暂时间再施加超声波，然后再察看溶液。这样一直重复直到晶体出现，之后不再使用超声波。施加超声波之后，进而逐步冷却溶液，从而引导在受超声波作用期间形成的晶体生长。因此，该方法能使大的晶体生长。
可以使用多个超声波转换器对容器中的超饱和溶液施加超声波，该超声波转换器以环状或纵向延伸排列附着在容器壁上，每个转换器与信号发生器连接，这样每个转换器的照射不超过3W/cm2，转换器充分地靠拢在一起并且转换器的数量足够的多以使容器中的功率耗散在25和150W/升之间。由于能相对容易的测定，因此这里所给出的功率值是那些传给转换器的电功率。在WO00/35579中描述了这样的放射容器。令人惊讶地发现，这样的容器壁表面没有气穴现象，因而没有器壁的侵蚀并且也没有随后金属小颗粒的形成。通过该方法制成的晶体物质可以非常的纯，由于不需要添加剂以及结晶化过程中没有引进污染物，因此它可适用于食品和药品。
人们希望保证不发生超声波的聚焦，并且这可以通过依次激励相邻转换器组来实现。其中，该容器是圆柱体，避免同时激励直接相对的转换器是特别优选的。也可以通过在不同的频率下激励相邻的转换器或相邻的转换器组来实现不聚焦；并且特别地在限定范围内改变频率，例如在19.5kHz和20.5kHz之间，在该频率下激励每个转换器或转换器组。
现在通过实施例和参考附图进一步更详细地描述本发明，该附图表示一组结晶辐照器的截面图。
参考附图，一组结晶辐照器10包括不锈钢容器12，该容器12内径为0.31m、壁厚2mm。在器壁的外侧附着以方阵列紧密包装的六十个转换器组件。每个转换器组件14包含50W压电式转换器16，该转换器16在20kHz下共振，依附于圆锥形扩张式钛连接块18，并且通过块18连接器壁。每个块18较大的末端的直径为63mm。每12个转换器组件14确定一个圆环，共确定5个。连接块18的中心在82mm的方节距上。辐照器10也结合3个信号发生器20(图中只示出一个)，每一个信号发生器20驱动一双相邻纵排和离第一双排三分之一圆周的另一个这样的双排中的转换器16。
使用辐照器10，容器12充满溶液并且利用冷却套管22逐步的降低该容器的温度(假定随温度的降低溶解性也降低)，并搅拌容器12中的物质。从而该溶液会变得饱和并进而超饱和。当温度低于溶液饱和时的温度约10K时，短暂地激励转换器，相继地激励每一个发生器20约0.8秒。每个转换器在直径63mm的圆上照射50W，也就是强度为1.6W/cm2。超声波的能量消散在容器12的柱型体积中，该体积约为31升，因此如果同时激励所有的转换器16，能量密度可达约100W/升。为了避免聚焦，在任一时间仅激励一个信号发生器20，这样能量沉积约为33W/升。0.8秒之后，激励不同的发生器20，依此类推。2.4秒之后，每一个转换器均被激励，并且停止使用超声波。然后观察容器12中的物质，看是否有晶体形成。如果没有晶体形成，重复该激活过程。一旦发现晶体，就停止使用超声波，并且逐步降低容器12的温度。
在一个改变中，信号发生器20可以产生频率在19.5kHz和20.5kHz之间变化的信号。源于不同的信号发生器20的信号各自独立地变化。
使用该辐照器10，功率强度使器壁的表面不发生气穴现象，因而容器12也不会发生侵蚀。因此功率强度足以保证在饱和溶液中成核。
为了证实超声波在成核化上的效果，进行了如下的实验。制备每10ml水含有25gD-木糖的水溶液，该溶液将在50℃下饱和。然后在0.2K/min的速率下冷却到20℃，分离并离析所得的固体产物。作为对照，在一种情况下，不激励转换器14；在这种情况下，直到温度降到36℃时才出现晶体。如果从46℃开始转换器14被激励2分钟，则在43℃时就出现晶体。如果从50℃开始就连续激励转换器14，则得到的晶体非常小并且得不到晶体大小的信息。表1给出了固体开始出现的温度T并通过标志不同积累百分点(以重量计)的晶体大小(以μm表示)示出在晶体大小分布上的影响。
表1
  条件   T/℃   10％   50％   90％
  没有超声波   36   27   67   149
  2分钟超声波   43   43   106   211
  超声波   46   ----   ----   ----
由于溶液在50℃时饱和，因此理论上一旦当温度降到低于50℃时，就应该开始结晶化。短暂的使用超声波显著地将亚稳态区宽度减少到仅约7K(相比之下，没有超声波则约为14K)。形成的晶体尺寸也显著的增大了。持续的使用超声波甚至将亚稳态区宽度更加减少到仅约4K。
应该理解的事，在该实验中施加的条件不完全符合本发明的方法，但结果表明，在短暂的照射溶液之前，应该适当的冷却该溶液至约43℃。
在实施本发明中，对于不同的溶液，在短暂的施加超声波之前，将该溶液冷却到的温度将不同，这取决于材料、溶剂和浓度。因此必须通过实验发现该温度。这可以通过类似于上述的实验来确定。当冷却溶液时首先施加连续超声波，然后观察晶体形成的温度(T，上面的例子中是46℃)。然后进一步进行测试，冷却该溶液温度到高于或低于T几度，以发现在施加超声波短脉冲时晶体形成的最高温度。通常，这在施加连续超声波所观测到的温度T的5K范围内。
阿斯巴甜是α-二肽酯L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯并且是重要的合成的低热量甜味剂。它比糖甜约200倍并且食用后不留苦味，因此被用于广泛的产品中。但是，没有使用结晶改良剂阿斯巴甜很难结晶，尤其是从水溶液中结晶。令人惊讶地发现，运用本发明方法可能直接从水溶液中产生满意的阿斯巴甜晶体。在温和的纯水中制备阿斯巴甜饱和溶液，并引入到容器12中。逐步冷却该溶液温度到低于其饱和时的温度约10K，接着短暂施加如上所述的超声波照射，例如2.4秒。然后观察溶液，如果形成超声波照射所产生的晶体，则在几个小时的期间内逐步的冷却容器的温度直到室温。
现已发现该方法所产生的阿斯巴甜晶体的尺寸在100μm和150μm之间，例如通过过滤，很容易从剩余液体中分离该晶体。通过避免对添加剂的需要，从而确保产品的纯度。
当投射一束光到溶液中时，由于小晶体反射闪光，这就可以通过眼睛来观察核验是否有任意超声波照射所产生的晶体形成。
应该理解的是，该方法适于使用不同的设备，并且可应用于连续的而不是间歇的基底(basis)。例如，可以促使饱和溶液沿输送管流动，在该输送管中溶液的温度逐步下降，该输送管并入流体并在一定的位置通过超声波照射组件，在该位置中，该溶液达到适当的温度，因此当该溶液流过该组件时受到短暂的照射。在这种情况下，超声波照射组件的转换器可能以连续的或脉冲的方式被激化。
该方法可适用于许多不同的化学组合物。例如，它可用于蛋白质、氨基酸以及抗生素。通过下列实施例，做了L-亮氨酸、L-苯丙氨酸和L-组氨酸(histadine)等三种氨基酸的测量。
在75℃下制备在水中的饱和溶液，浓度分别为3.3、6.2和11.3g/100g水(24小时后接触固体物质)。每种溶液取四个样品，然后在0.2℃/min的稳定速度下冷却。其中半数的样品经受每5分钟10秒的超声波脉冲，直到发现晶体。其它的样品不施加超声波。表2示出了最初出现晶体时的温度，Tu是有超声波的情况，Tx是没有超声波的情况。
  表2   Tx/℃   Tx/℃   Tu/℃   Tu/℃
  L-亮氨酸   52.9   52.2   66.0   64.5
  L-苯丙氨酸   65.2   66.4   69.1   71.0
  L-组氨酸(histadine)   65.5   67.0   69.0   70.1
应该理解的是，在每一种使用超声波的情况下都减少了亚稳态区宽度，因此晶体在较高的温度下出现。最显著的效果在亮氨酸的例子中，其中亚稳态区从约22.5k降低到约9.8k。另外，超声波还影响晶体的粒度分布，因此晶体更大。例如表3示出了所产生的组氨酸(histadine)和苯丙氨酸晶体粒度分布的测量结果(使用MalvernMastersizer 2000测量)，表中表示了不同积累百分点(以重量计)的晶体大小(以μm表示)
  表3   10％   50％   90％
 组氨酸(histadine)没有超声波   15.8   59.9   166.3
 组氨酸(histadine)超声波   20.6   89.6   370.8
 苯丙氨酸没有超声波   133.9   352.4   655.9
 苯丙氨酸超声波   159.9   420.9   766.1
作为另一个应用，饱和溶液可以经受声波作用从而产生晶体，然后加入到更大体积的溶液中，这样该晶体就作为总体积的种子晶体。例如，在晶体化箱中可能有4000升饱和溶液，逐步冷却该箱或在该箱中加入反溶剂。当溶液充分地超饱和时，一小部分溶液(例如40升)被传输到与箱的温度一样的照射室中(如通过导管吸收)；在该室中对溶液施加超声波从而形成晶体；然后该晶体被传输回到箱中。如果没有晶体形成，则重复该操作。

Claims (8)

1.一种用于生产晶体物质的方法，该方法包含形成该物质的饱和溶液、改变该溶液的温度以使其变得超饱和以及通过高强度超声波照射该溶液，仅当该溶液超饱和时施加超声波并直到形成晶体，然后让晶体在无照射的条件下在溶液中生长。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对该溶液施加超声波小于10秒。
3.根据前述权利要求任何之一所述的方法，其中，使用多个超声波转换器对容器中的超饱和溶液施加该超声波，该超声波转换器以环状或纵向延伸排列附着在所述容器壁上，每个转换器与信号发生器连接，这样每个转换器的照射不超过3W/cm2，转换器充分地靠拢在一起并且转换器的数量足够的多以使容器中的功率耗散在25和150W/升之间。
4.根据前述权利要求任何之一所述的方法，其中，以不发生超声波的聚焦的方式施加超声波。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过依次激励相邻转换器组来防止聚焦。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，通过在不同的频率下激励相邻的转换器或相邻的转换器组来防止聚焦。
7.根据前述权利要求任何之一所述的方法，其中，该晶体物质是阿斯巴甜。
8.根据前述权利要求任何之一所述的方法，其中，该晶体物质是氨基酸。
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