DE69925660T2

DE69925660T2 - Kristallisationsverfahren mit einstellbarer Partikelgrössenverteilung

Info

Publication number: DE69925660T2
Application number: DE69925660T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kawasaki-shi Ueda; Hiroshi Kawasaki-shi Fukushi; Muneyuki Kawasaki-shi Ozawa
Original assignee: Ajinomoto Co Inc
Current assignee: Ajinomoto Co Inc
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2019-03-20
Also published as: DE69925660D1; SK37499A3; HUP9900718A2; CN1236657A; SK285281B6; JPH11267402A; HUP9900718A3; JP3807086B2; KR100554858B1; HU9900718D0; KR19990077903A; EP0945158A1; CN1331550C; US6364914B1; EP0945158B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kristallisation durch Vakuumkonzentration. Genauer gesagt betrifft sie ein Verfahren zur Kristallisation durch Vakuumkonzentration, bei dem Kristalle mit einer gleichmäßigen Teilchengröße innerhalb eines engen Teilchengrößenverteilungsbereichs durch periodisches Variieren der Temperatur der Aufschlämmung (Massentemperatur) nach oben und unten während der Konzentration der Aufschlämmung (d.h. der Kristallisationsmutterlauge), aus der die Kristalle ausgefällt werden sollen, erhalten werden können. Ein solches Verfahren ist aus EP-A-0 139 573 bekannt.
Hintergrund der Erfindung
Ein Kristallisationsverfahren durch Kontrollieren der Teilchengrößenverteilung (d. h. bei dem die Teilchengrößenverteilung kontrolliert wird), bei dem Kristalle mit gleichförmiger Teilchengröße in einem engen Teilchengrößenverteilungsbereich erhalten werden können, ist beispielsweise auf den folgenden Gebieten nützlich, und es besteht ein großer Bedarf an der Entwicklung eines hervorragenden Kristallisationsverfahrens durch Kontrollieren der Teilchengrößenverteilung. Die genannten Gebiete sind folgende:

(1) Wenn ein Kristallprodukt einen Teilchengrößenstandard erfüllen soll, wird die Kristallisation so gesteuert, dass die Teilchengröße der ausgefällten Kristalle innerhalb des Standards liegt, wobei die Ausbeute (die Standarddurchgangsrate) des Produkts verbessert wird.
(2) Die Kristallisation wird so gesteuert, dass die Bildung von feinen Kristallen unterdrückt wird, wobei die fest-flüssig-Trennbarkeit der ausgefällten Kristalle erhöht wird und andererseits die Reinheit erhöht wird (durch Verringern der daran anhaftenden Mutterlauge).
(3) Auf ähnliche Weise wird die Trennbarkeit verbessert, um die für die Trennung erforderliche Zeit zu verkürzen, was umgekehrt die Produktivität verbessert.
(4) Wenn die fest-flüssig-Trennung unter Verwendung eines Gewebefilters wiederholt wird, verbleibt auf dem Filtergewebe eine dichte Schicht, so dass die Trennbarkeit allmählich abnimmt. Dementsprechend muss die Trennbarkeit durch Waschen oder dergleichen wiederhergestellt werden. Gleichzeitig gehen jedoch die Inhaltsstoffe, die mit den Waschlösungen entfernt werden, verloren. Wenn die Kristalltrennbarkeit verbessert wird, wird dieser Verlust verringert und die Ausbeute erhöht, was zur Verbesserung dr Produktivität beiträgt.

In diesem Zusammenhang sind als Verfahren zur Kristallisation durch Steuerung der Teilchengrößenverteilung oder unter gleichzeitiger Steuerung der Teilchengrößenverteilung beispielsweise die folgenden Verfahren bislang vorgeschlagen worden:

(a) Das in JP-B-49-29,821 beschriebene Verfahren: Dieses Dokument betrifft ein Verfahren, bei dem der Aluminiumoxidgehalt aus einem aluminiumhaltigen Mineral durch Behandlung mit Schwefelsäure extrahiert wird, und Aluminiumsulfat wird aus dem Extrakt als hochqualitative Kristalle hergestellt. Genauer gesagt ist es ein Verfahren zur Produktion von Aluminiumsulfat, das in Kombination eine erste Stufe, in der Aluminiumsulfatkristalle durch Kühlen eines Teils einer schwefelsäuresauren Aluminiumsulfatlösung hoher Temperatur, welche durch Behandeln eines aluminiumhaltigen Minerals mit Schwefelsäure erhalten wird, ausgefällt wird, eine zweite Stufe, bei der die Temperatur der Lösung, in welche die Aluminiumsulfatkristalle in einem solchen Ausmaß ausgefällt worden sind, dass die Kristalle darin teilweise gelöst sind, erhöht wird, diese Temperatur über einen vorbestimmten Zeitraum beibehalten wird, dann die Lösung erneut gekühlt wird, um zusätzliche Aluminiumsulfatkristalle auszufällen, und dieses Verfahren wiederholt wird, um hexagonale, flache Kristalle zu erhalten, und eine dritte Stufe umfasst, bei der die erhaltenen hexagonalen flachen Kristalle zu der gesättigten oder nahezu gesättigten schwefelsauren Lösung gegeben wird, welche der restliche Teil der Aluminiumsulfatlösung ist, die in der ersten Stufe erhalten wird, wobei die hexagonalen, flachen Aluminiumsulfatkristalle ausgefällt und abgetrennt werden.
Es wird außerdem angegeben, dass gemäß diesem Verfahren keine Notwendigkeit besteht, ein aluminiumhaltiges Erz mit einem hohen Aluminiumoxidanteil auszuwählen, das Kristalle von gebildetem Aluminiumsulfat dicke, hexagonale, flache Kristalle mit guter Filtrierbarkeit sind, und dass Verunreinigungen, die an den Kristallen haften, durch Waschen leicht entfernt werden können.
(b) Das in JP-A-62-247,802 beschriebene Verfahren: Dieses Verfahren betrifft "ein Chargenkühlungskristallisationsverfahren" (d.h. ein Chargenverfahren zur Kristallisation durch Kühlung) und genauer gesagt ein Verfahren, bei dem gröbere Kristalle erhalten werden. Genauer gesagt ist es ein Chargenkühlungskristallisationsverfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass nach dem Beginn der Kühlung ein Teil der aufgelösten Stoffe kristallisiert wird, das Kühlen beendet wird und Erwärmen durchgeführt wird; und bevor die ausgefällten Kristalle vollständig aufgelöst sind, wird das Erwärmen beendet und es wird erneutes Kühlen durchgeführt.
Die Gründe zum Vorschlagen eines solchen Verfahrens sind wie folgt. Bei der chargenweisen Kühlkristallisation umfasst das herkömmliche Verfahren zur Erhöhung der Kristallgröße das Einstellen der Kühlrate, das Einstellen der Konzentration der gelösten Substanzen, das Einstellen der Zusammensetzung der gelösten Substanzen und dergleichen. Außerdem wird manchmal das Kristallisationsmedium studiert. Wenn jedoch beim Ausarbeiten diese Verfahrens die Verbesserungen nicht erwartet werden oder es schwierig ist, die Zusammensetzung und die Konzentration im Hinblick auf das Verfahren zu ändern und es keine Möglichkeit für Untersuchungen gibt, kann die Herstellung unmöglich sein, wobei dieses Verfahren jedoch ein einfaches und ziemlich nützliches Kristallisationsverfahren zum Lösen der gestellten Aufgaben ist.
(c) Das in JP-A-5-111,602 beschriebene Verfahren: Dieses Dokument betrifft ein Verfahren zur Bildung von Kristallteilchen mit einer gleichmäßigen Teilchengröße, wobei dieses Verfahren für die Produktion von Zucker oder dergleichen erforderlich ist, und es betrifft genauer gesagt ein Verfahren zum Kristallisieren von Kristallteilchen aus einer Lösung, welches das Kristallisieren in einer Kristallisiervorrichtung, während die Teilchengrößenverteilung der Kristallteilchen mit einem Teilchengrößenmessgerät, das in der Kristallisiervorrichtung eingebaut ist, gemessen wird, und das Erhöhen des Sättigungsgrades der Lösung auf der Grundlage des Nachweises, dass die Anzahl der Teilchen in der Teilchengrößenverteilung einen vorbestimmten Wert übersteigt, umfasst.
Die Gründe für das Vorschlagen eines solchen Verfahrens sind wie folgt. Beispielsweise ist es bei dem herkömmlichen Zuckerkristallisationsverfahren schwierig, Kristallteilchen mit einer gleichmäßigen Teilchengröße bei guter Effizienz zu erhalten. Das heißt, um die Kristallisationszeit zu verkürzen, kann die Wachstumsrate der Kristallisationsteilchen durch Erhöhen des Grades der Übersättigung der Lösung erhöht werden. Wenn jedoch der Grad der Übersättigung der Lösung zu stark erhöht wird, werden mimetische Kristalle, d. h. Kristallteile, die neben den Impfkristallen neu gebildet werden, erzeugt, wobei die Teilchengröße der Kristallteilchen ungleichmäßig wird, Um die gebildeten mimetischen Kristalle zu entfernen, wird ein Lösungsmittel zu der Lösung gegeben, um den Grad der Übersättigung zu verringern, wodurch die Entfernung der mimetischen Kristalle durch Auflösen ermöglicht wird. Wenn jedoch eine solche Wiederauflösung nach dem Wachsen der mimetischen Kristalle durchgeführt wird, benötigt diese Wiederauflösung Zeit und die gewünschten Kristallteilchen werden ebenfalls aufgelöst. Dementsprechend wird die Gesamtkristallisationsdauer erhöht, so dass eine effiziente Herstellung unmöglich wird. Deshalb ist es für die Herstellung von Kristallteilchen mit einer gleichmäßigen Teilchengröße wichtig, dass während die Kristallisationsbedingung beobachtet wird, ein Lösungsmittel und eine Lösung zugegeben oder entfernt werden, um die Lösung auf einem optimalen Grad der Übersättigung einzustellen. Die Kristallisation wurde bislang auf der Grundlage der visuellen Beobachtung und der Erfahrung des Ausführenden durchgeführt. Oder der Grad der Übersättigung ist automatisch durch Messen der Viskosität, die mit der Dichte und der Teilchengröße der Kristallteilchen korreliert, unter Verwendung eines Densitometers gesteuert worden. Eine solche Steuerung ist jedoch dahingehend problematisch, dass die Reproduzierbarkeit der Kristallisationsstufe gering ist. Im übrigen kann die Teilchengröße der Kristallteilchen in der Lösung in einer Kristallisiervorrichtung mit einem herkömmlichen Teilchengrößenmessgerät, mit dem die Ausfällungsrate der Teilchen gemessen wird, nicht genau bestimmt werden. Dies liegt daran, dass, wenn die Lösung und die Kristallteilchen für die Messung aus der Kristallisiervorrichtung entnommen werden, die Temperatur und dergleichen und somit auch der Grad der Übersättigung verändert werden, so dass die Auflösung und das Wachstum der Kristallteilchen auftritt. Dieses Verfahren hat diese Probleme gelöst und stellt ein Kristallisationsverfahren bereit, bei dem Kristallteilchen mit einer gleichmäßigen Teilchengröße mit guter Reproduzierbarkeit erhalten werden können.
Ein solches Kristallisationsverfahren durch Steuerung der Teilchengrößenverteilung, das bislang vorgeschlagen worden ist, ist jedoch immer noch mit verschiedenen Problemen behaftet (die später beschrieben werden), und es besteht der Bedarf nach weiterer Verbesserung.
(d) Die EP-A-0 139 573 diskutiert die Eigenschaften einer herkömmlichen Vorrichtung für eine Vakuumkonzentrationskristallisation und ein Verfahren zur Ausführung derselben. Gemäß diesem Dokument umfasst das bekannte Verfahren das Verstärken des kontinuierlichen Auftretens eines Phänomens, das im allgemeinen als "Oberflächenblitzverdampfung" bezeichnet wird, wobei bei dieser Verdampfung der Flüssigkeit über der freien Oberfläche des Volumens der Lösung, die in der Kristallisiervorrichtung vorhanden ist, gleichzeitig die Bildung von Kristallen des in der Lösung aufgelösten Materials stattfindet und die Temperatur der Lösung sinkt. Der Temperaturverlust muss ausgeglichen werden, so dass das Verfahren fortschreiten kann, und dieser thermische Ausgleich wird durch kontinuierliches Zurückführen und Wiedererwärmen der Lösung, die für die Kristallisation erforderlich ist, durch Abziehen der erforderlichen Wärmemenge aus dem Dampf durchgeführt wird, der über der freien Oberfläche des Volumens der Lösung, die in der Kristallisiervorrichtung vorhanden ist, nach dem mechanischen Wiederkomprimieren des Dampfes gewonnen worden ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf den Hintergrund solcher herkömmlichen Techniken ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein hervorragendes Kristallisationsverfahren durch Kontrollieren der Teilchengrößenverteilung bereitzustellen, d. h. mit einer Teilchengrößenverteilung, die gesteuert wird, wobei dieses Verfahren die Nachteile der herkömmlichen Verfahren nicht aufweist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eingehende Untersuchungen durchgeführt, um diese und andere Ziele zu erreichen, und haben schließlich gefunden, dass während die Kristallisationsmutterlauge unter Ausfällung von Kristallen konzentriert wird, die Temperatur der Aufschlämmung, d. h. der Mutterlauge, (Massentemperatur) während der Konzentration periodisch nach oben und unter variiert wird, wodurch Kristalle mit einer gleichmäßigen Teilchengröße in einer engen Teilchengrößenverteilung erhalten werden können. Diese Ergebnisse haben zur Vervollständigung der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 geführt.
KURZE BSCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt ein Temperaturmuster in dem Temperaturschwankungsverfahren
2 gibt die Beziehung zwischen der Aufschlämmungskonzentration und der Löslichkeit in dem Temperaturschwankungsverfahren an.
3 zeigt eine Vorrichtung zum Messen der Wirkungen der Temperaturschwankung (experimentelles Beispiel 1).
4 zeigt ein Fließdiagramm des Experiments (experimentelles Beispiel 1).
5 zeigt Teilchengrößenverteilungen von Kristallen (experimentelles Beispiel 1)
6A zeigt die Veränderung der Teilchenzahl über die Zeit unter der Bedingung Nr. 1 (experimentelles Beispiel 1).
6B zeigt die Veränderung der Teilchengrößenverteilung über die Zeit unter der Bedingung Nr. 1 (experimentelles Beispiel 1).
7A zeigt die Änderung der Teilchenzahl über die Zeit unter der Bedingung Nr. 2 (experimentelles Beispiel 1).
7B zeigt die Änderung der Teilchengrößenverteilung über die Zeit unter der Bedingung Nr. 2 (experimentelles Beispiel 1).
8 zeigt den Unterschied zwischen der Temperaturamplitude und der Temperatur der sekundären Kristallkeimbildung (experimentelles Beispiel 1).
9A zeigt die Änderung der Teilchenzahl über die Zeit unter der Bedingung Nr. 3 (experimentelles Beispiel 1).
9B zeigt die Änderung der Teilchengrößenverteilung über die Zeit unter der Bedingung Nr. 3 (experimentelles Beispiel 1).
10A zeigt die Änderung der Teilchenzahl über die Zeit unter der Bedingung Nr. 4 (experimentelles Beispiel 1).
10B zeigt die Änderung der Teilchengrößenverteilung über die Zeit unter der Bedingung Nr. 4 (experimentelles Beispiel 1).
11A zeigt die Änderung der Teilchenzahl über die Zeit unter der Bedingung Nr. 5 (experimentelles Beispiel 1).
11B zeigt die Änderung der Teilchengrößenverteilung über die Zeit unter der Bedingung Nr. 5.
12 zeigt Photos (einfache Vergrößerung) der Kristalle ((experimentelles Beispiel 1).
13A zeigt ein Temperaturmuster bei der Konzentrationskristallisation (Beispiel 1).
13B zeigt ein Temperaturmuster bei der Konzentrationskristallisation (Beispiel 1).
13C zeigt ein Temperaturmuster bei der Konzentrationskristallisation (Beispiel 1).
13D zeigt ein Temperaturmuster bei der Konzentrationskristallisation (Beispiel 1).
13E zeigt ein Temperaturmuster bei der Konzentrationskristallisation (Beispiel 1).
14 zeigt die Teilchengrößenverteilung eines Produkts.
15 zeigt Photos (26-fache Vergrößerung) der Kristalle (Beispiel 1).
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden eingehend beschrieben.
Das Kristallisationsverfahren, bei dem eine bestimmte Substanz aus einer Lösung der Substanz kristallisiert wird, umfasst beispielsweise ein Konzentrationskristallisationsverfahren, ein Kühlkristallisationsverfahren und dergleichen, welche bekannt sind. Das Verfahren zur Kristallisation durch Steuerung der Teilchengrößenverteilung (d.h., bei dem die Teilchengrößenverteilung gesteuert wird) gemäß der vorliegenden Erfindung gehört zu dem Konzentrationskristallisationsverfahren.
Das Konzentrationskristallisationsverfahren wird grob in zwei Kategorien unterteilt, das heißt, eines ist ein Verfahren, bei dem die Kristallisation unter Atmosphärendruck in einem offenen System durchgeführt wird, und das andere ist ein Verfahren zur Kristallisation, das unter vermindertem Druck unter Verwendung einer Vakuumkonzentrationskristallisiervorrichtung durchgeführt wird, wobei dieses Verfahren als Vakuumkonzentrationskristallisation bezeichnet wird. Das erfindungsgemäße Kristallisationsverfahren ist im Hinblick auf die Temperatursteuerung, wenn die Kristallisation durch periodisches Erhöhen und Senken der Temperatur der Aufschlämmung (Massentemperatur) durchgeführt wird, auf Vakuumkonzentrationskristallisation beschränkt. Dies liegt daran, dass in einem offenen System unter Atmosphärendruck der Siedepunkt durch den Atmosphärendruck bestimmt wird, was es unmöglich macht, die Temperatur optional zu variieren. Da die Temperatur der Aufschlämmung während der Konzentration der Kristallisationsmutterlauge oder der Aufschlämmung nach dem erfindungsgemäßen Konzentrationskristallisationsverfahren periodisch erhöht und gesenkt wird, wie vorstehend beschrieben wurde, wird dieses Verfahren manchmal als "Temperaturschwankungs(konzentrations)kristallisationsverfahren") bezeichnet. Außerdem wird das Verfahren des periodischen Erhöhens und Senkens (d.h. Schwankens) der Temperatur manchmal als "Temperaturschwankungsverfahren" abgekürzt.
Das Konzentrationskristallisationsverfahren wird üblicherweise naturgemäß bei einer festgelegten Temperatur durchgeführt, so dass die Aufschlämmung, d.h. die Kristallisationsmutterlauge, eine festgelegte Temperatur hat. Nach dem erfindungsgemäßen Kristallisationsverfahren wird die Temperatur innerhalb eines festgelegten Bereiches erhöht und gesenkt (begrenzt durch eine Obergrenze und eine Untergrenze), und deshalb kann aus makroskopischer Sicht gesagt werden dass die erfindungsgemäße Kristallisation in einem festgelegten Temperaturbereich durchgeführt wird. Außerdem kann die Konzentrationskristallisation kontinuierlich, im Chargenbetrieb oder im Einspeisungschargenbetrieb durchgeführt werden, der zwischen den ersten zwei Verfahrensweisen liegt (bei der letztgenannten Verfahrensweise wird eine Konzentrationskristallisation über einen bestimmten Zeitraum kontinuierlich durchgeführt und dann angehalten, danach wird die gesamte Aufschlämmung in der Kristallisiervorrichtung entnommen, und das nächste Kristallisationsverfahren wird neu gestartet). Diese Verfahrensweisen unterscheiden sich in den verschiedenen Weisen der Einspeisung der Kristallisationsmutterlauge (von der die Weise des Entnehmens der ausgefällten Kristalle abhängt). Die Konzentrationskristallisation der vorliegenden Erfindung kann auf eine beliebige dieser Verfahrensweisen durchgeführt werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Temperaturschwankungskristallisationsverfahren wird die Temperatur in dem Konzentrator (Aufschlämmungstemperatur) während der Konzentrationskristallisation periodisch erhöht und gesenkt. Ein Temperaturmuster dieses Temperaturschwankungsverfahrens ist in 1 gezeigt.
In 1 ist (a) ein Temperaturanstieg und (b) ein Temperaturabfall (Kühlen).
Erfindungsgemäß wird die Temperatur auf einfache Weise in dem Vakuumkonzentrator durch Einstellen des Druckes mit einem Abgasleitungsventil periodisch erhöht und gesenkt.
Auflösung und Ausfällung werden in dem Vakuumkonzentrator durch Schwankung der Temperatur wiederholt. Die Beziehung zwischen der Aufschlämmungskonzentration und der Löslichkeit zu diesem Zeitpunkt ist in 2 gezeigt.
In 2 wird, (1) wenn das Inkrement der Löslichkeit zum Zeitpunkt des Temperaturanstiegs (Verlauf (a)) das Inkrement der Konzentration durch Einführen der Konzentrateinspeisungslösung (Kristallisationsmutterlauge) übersteigt, ein ungesättigter Zustand bereitgestellt, wobei ein Teil der Aufschlämmungskristalle aufgelöst werden. Gleichzeitig werden feine Kristalle schneller aufgelöst und verschwinden aufgrund des geringeren Gewichts der Oberfläche. (2) Wenn die Flüssigkeitskonzentration der Aufschlämmung die Löslichkeit durch das Kühlen (Verlauf (b)) übersteigt, beginnt das Kristallwachstum von dem Grad der Übersättigung abzuhängen. Mit zunehmender Abkühlung und zunehmender Erhöhung des Grades der Übersättigung wird die Kristallisationswachstumsrate erhöht. Zu diesem Zeitpunkt tritt, da die Flüssigkeitskonzentration der Aufschlämmung in einem metastabilen Übersättigungsbereich liegt, fast keine sekundäre Kristallkeimbildung spontan auf. (3) Wenn der Grad der Übersättigung durch das Kühlen und die Konzentration (Verlauf (c)) weiter steigt, tritt sekundäre Kristallkeimbildung auf. Wenn dieser Zyklus wiederholt wird, tritt die Auflösung feiner Kristalle und das Kristallwachstum in dem metastabilen Übersättigungsbereich auf. Als Ergebnis werden die feinen Kristalle durch die Menge der feinen Kristalle, die in (1) gelöst sind, abzüglich der feinen Kristalle, die bei der sekundären Kristallkeimbildung in (3) erhalten werden, verringert. Gemäß diesem Prinzip wird die Teilchengrößenverteilung durch das erfindungsgemäße Temperaturschwankungskristallisationsverfahren gesteuert.
Als Faktoren, welche die Teilchengrößenverteilung von Kristallen in dem erfindungsgemäßen Temperaturschwankungskristallisationsverfahren beeinflussen, kann der Bereich der Temperaturänderung (Schwankungsbereich oder Amplitude) und die Periode genannt werden. Beispielsweise hat im Hinblick auf den Temperaturanstieg zumindest die Erhöhung der Löslichkeit schneller stattzufinden als die Verringerung der (übersättigten) Konzentration durch das übliche Konzentrationsverfahren. Außerdem kann die Periode oder der Schwankungsbereich der Temperaturänderung in einem Bereich festgelegt werden, der an die gewünschte Teilchengrößenverteilung angepasst ist, wobei dies von der Einspeisungsrate (nämlich der Konzentrationsrate) der Substanz abhängt.
Wenn die Faktoren auf diese Weise eingestellt werden, ist es möglich, die Kristallisation durchzuführen, während die Teilchengrößenverteilung unter Verwendung eines üblichen einfachen Vakuumkonzentrators vom Chargentyp gesteuert wird.
Da das erfindungsgemäße Temperaturschwankungskristallisationsverfahren ermöglicht, die Kristallisation unter Steuerung der Teilchengrößenverteilung allein durch zusätzliche Temperaturschwankung zu der Temperatursteuerung in dem einfachen Vakuumkonzentrator zu steuern, ohne dass zusätzliche Ausrüstung erforderlich wäre und ohne dass die Betriebsbedingungen, wie eine Verlängerung der Konzentrationszeit, verändert werden müssen. Deshalb kann dieses Verfahren extrem breite Anwendung finden und ist sehr praktisch.
Das erfindungsgemäße Kristallisationsverfahren ist insbesondere für die Kristallisation von Substanzen effektiv, die eine hohe Abhängigkeit ihrer Löslichkeit von der Temperatur zeigen.
Die Hauptpunkte des erfindungsgemäßen Temperaturschwankungskristallisationsverfahrens wurden vorstehend beschrieben. Um das erfindungsgemäße Temperaturschwankungskristallisationsverfahren besser zu verstehen, werden im folgenden (1) spezielle Eigenschaften der Temperaturschwankung, (2) spezielle Eigenschaften der Temperaturschwankung bei der Konzentrationskristallisation, (3) Unterschiede zwischen der Kühltemperaturschwankung und der Konzentrationstemperaturschwankung und (4) die Bestimmung und Steuerung der Bedingungen für die Durchführung des Temperaturschwankungskristallisationsverfahren beschrieben.
(1) Spezielle Eigenschaften der Temperaturschwankung:
Bei der üblichen Vakuumkonzentrationskristallisation wird die Aufschlämmungstemperatur (Druck) aus den folgenden Gründen festgesetzt (im Übrigen entspricht bei der Vakuumkonzentrationskristallisation ein bestimmter innerer Druck (Atmosphärendruck) der spezifischen Temperatur (Aufschlämmungstemperatur) und umgekehrt. Das heißt, (a) ein festgesetzter Innendruck neigt dazu, die festgesetzte Übersättigung der Aufschlämmung festzulegen. Im allgemeinen sollte eine Verfahrensweise, die möglicherweise ein rasches Inkrement bei der Übersättigung verursacht, vermieden werden, weil feine Kristalle aufzutreten neigen. (b) Die rasche Änderung (Senkung) des Druckes verursacht möglicherweise einen Verlust aufgrund eines Stoßes. (c) Wenn die Konzentrierung (Verdampfung) bei einer niedrigen Temperatur (einem niedrigen Druck) durchgeführt wird, ist die Energieeffizienz im allgemeinen besser. Dementsprechend wird sie üblicherweise bei dem niedrigstmöglichen Druck einer Vorrichtung unter Verwendung einer Vakuumpumpe, die luftdicht ist, durchgeführt, wodurch der Betrieb folglich bei fast konstantem Druck durchgeführt wird.
(2) Spezielle Eigenschaften der Temperaturschwankung bei der Konzentrationskristallisation:

(a) Um sicherzustellen, dass eine Schwankung oder Erhöhung und Senkung der Temperatur stattfindet, ist im Vergleich zu der Steuerung bei einem festgesetzten Druck und einer festgesetzten Temperatur eine spezielle Steuerung erforderlich (was die Vorrichtungen betrifft). In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch eine solche Steuerung ziemlich einfach durchgeführt werden.
(b) Es ist üblicherweise unvermeidlich, dass feine Kristalle während der Konzentration gebildet werden. Bei der Konzentrationstemperaturschwankung wird die Schwankung während der Konzentration wiederholt, um die Menge an feinen Kristallen kontinuierlich zu verringern. Außerdem ist es bei der Temperaturschwankung wahrscheinlich, dass die Übersättigung, die größer ist als bei der Konzentrationskristallisation bei einer konstanten Temperatur, während dem Temperaturabfall auftritt und die Bildung von feinen Kristallen beschleunigen kann. Bei dem Temperaturschwankungsverfahren wird die Temperatur erhöht, bevor eine heftige Kristallkeimbildung auftritt, wobei die Wartezeit bei der Kristallkeimbildung von Kristallen ausgenutzt wird, um das Inkrement der feinen Kristalle zu unterdrücken (eine Wiederauflösung wird vor dem stabilen Wachstum der Kristallkeime durchgeführt).
(c) Wenn es erforderlich ist, dass feine Kristalle verschwinden, wird in der bestehenden Technologie eine Kristallisiervorrichtung eingesetzt, die ausschließlich feine Kristalle separat auflösen kann, wie eine DTB-Kristallisiervorrichtung. Wenn die Temperaturschwankung eingeführt wird, gibt es dahingehend Vorteile, dass die Vorrichtung vereinfacht wird, ohne dass eine komplizierte Vorrichtung eingebaut werden muss, die Hygiene verbessert wird, ein Verlust beim Waschen und Wiedergewinnen verringert wird und dergleichen. Diese Eigenschaften sind insbesondere vorteilhaft für die Chargenkristallisation von Arzneimitteln.

(3) Unterschiede zwischen der Kühltemperaturschwankung und der Konzentrationstemperaturschwankung:
Da die Temperatur während der Kristallisation bei der Kühltemperaturschwankung wiederholt erhöht wird, ist im Vergleich mit der üblichen Kühlkristallisation mehr Energie erforderlich. Dementsprechend bestehen Nachteile darin, dass die Kristallisationszeit verlängert wird und die Produktivität verringert wird, Andererseits ist bei der Vakuumkonzentrationstemperaturschwankung im Vergleich zu der üblichen Vakuumkonzentrationskristallisation fast keine zusätzliche Energie erforderlich, und feine Kristalle können verschwinden, ohne dass die Kristallisationszeit verlängert wird. Deshalb gibt es bei diesem Verfahren fast keine Nachteile.
Die Vakuumkonzentrationstemperaturschwankung ist fast frei von Nachteilen, die bei der Kühltemperaturschwankung auftreten, was im Folgenden beschrieben wird.
Die erforderliche Konzentrationszeit entspricht der Differenz des Gesamtenergieverbrauchs, wenn die Wärmezuführrate festgelegt ist. Umgekehrt ist der Gesamtenergieverbrauch (gesamte innere Energie beim Beenden der Konzentration) – (gesamte innere Energie bei Beginn der Konzentration). Wenn die Temperatur bei Beginn der Konzentration sowohl beim Durchführen der Temperaturschwankung (50 bis 60°C) als auch in dem Fall, wenn keine Temperaturschwankung durchgeführt wird, 50°C ist, wird die Differenz des Energieverbrauchs die Differenz der Energie zum Zeitpunkt des Beendens der Konzentration. Wenn die Konzentration beendet wird, ist das System im Zustand der Aufschlämmung und von Wasserdampf. Wenn die jeweiligen flüssigen Teile der Aufschlämmungen in beiden Fällen in demselben Zustand sind, ist die Differenz zwischen ihnen die Differenz des Zustandes des Wasserdampfes beim Beenden der Konzentration. Das Volumen des Wasserdampfes ist in beiden Fällen dasselbe. Wenn jedoch die Temperaturschwankung nicht durchgeführt wird, ist die Temperatur des Wasserdampfes 50°C. Wenn die Temperaturschwankung durchgeführt wird, ist sie etwa 55°C. Streng gesehen wird die zusätzliche Energie durch diesen Unterschied im Fall des Durchführens der Temperaturschwankung verbraucht. Wenn die Temperaturschwankung nicht durchgeführt wird, ist bei 50°C eine Verdampfungsenergie von 2380 J/g (569 cal/g) erforderlich. Andererseits wird, wenn die Temperaturschwankung durchgeführt wird, zusätzliche Energie von etwa 8,4 J/g (2 cal/g) für das Erwärmen des Wasserdampfes von 50 auf 55°C verbraucht. Der Unterschied ist vernachlässigbar. Dementsprechend sind die Konzentrationszeit und der Energieverbrauch in beiden Fällen, nämlich wenn die Temperaturschwankung durchgeführt wird und wenn sie nicht durchgeführt wird etwa gleich.
(4) Bestimmung und Steuerung der Bedingungen für das Durchführen der Temperaturschwankungskristallisation:

(a) Bei der Vakuumkristallisation entspricht der Kristallisiervorrichtungs-Innendruck (Grad des Vakuums) der spezifischen Konzentrationstemperatur (Aufschlämmungstemperatur) und umgekehrt. Der Kristallisiervorrichtungs-Innendruck wird gleichzeitig mit der Konzentrationskristallisation erhöht und gesenkt (durch Einstellen eines Abgasventils), wodurch die Temperaturschwankung verursacht wird und die Kristalle in der Aufschlämmung aufgelöst oder ausgefällt werden. Die Temperatur wird durch unmittelbares Überwachen des Druckes oder der Temperatur kontinuierlich eingestellt, so dass keine abrupte Änderung stattfindet. Wenn der Druck abrupt abfällt, besteht die Gefahr des Stoßens.
(b) Für das zeitweilige Auflösen der Aufschlämmung muss die Temperatur schneller erhöht werden als die Konzentration fortschreitet. Die Temperatur muss erhöht werden, bis von dem übersättigten Zustand der ungesättigte Zustand erreicht wird. Ob der ungesättigte Zustand erreicht wird oder nicht, kann dadurch festgestellt werden, dass die Geschwindigkeit der Konzentrationserhöhung des flüssigen Teils die Konzentrationserhöhung durch die Konzentration (Kristalle werden aufgelöst) übersteigt. Die Geschwindigkeit der Konzentrationserhöhung des flüssigen Teils kann durch Überwachen des Brechungsindex der Substanzen in dem Konzentrat, deren Konzentration mit dem Brechungsindex korreliert, wie bei Aminosäuren und Zuckerlösungen, beobachtet werden.
(c) Bei der Kühlung (Senken des Drucks) ist es, um das Auftreten von feinen Kristallen aufgrund der Kühlung zu minimieren, erforderlich, dass die Aufschlämmung unter Berücksichtigung der Kristallkeimbildungswartezeit der Kristallisation so schnell wie möglich gekühlt wird, bevor sich die Kristallkeimbildung stabilisiert, und dass sie in die Stufe der Temperaturerhöhung überführt wird. Außerdem wird zum Erhöhen der Wirkung der nachfolgenden Stufe, bei der die Temperatur erhöht wird, die Flüssigkeitskonzentration nahezu bis zur Löslichkeit gesenkt, wenn die Kühlung beendet wird. Bei der Bestimmung der Kühlbedingung (Senken des Druckes) wird eine möglichst hohe Kühlrate (Senken des Druckes) ausgewählt, so dass die Konzentration nahezu bis zur Löslichkeit beim Beenden des Kühlens gesenkt wird, indem die Änderung der Flüssigkeitskonzentration mit Hilfe des Brechungsindex oder dergleichen überwacht wird.
(d) Der Temperaturbereich wird durch Feststellen der Bedingungen zur Auflösung der gelösten Stoffe in einer Menge, die derjenigen der Kristalle entspricht, die eine Teilchengröße aufweisen, die verschwinden soll, aus dem Inkrement des Refraktionsindex, wenn die Temperatur erhöht wird, bestimmt.
(e) Die Bestimmung dieser Bedingungen kann durch den Fachmann auf einfache Weise unter Verwendung der tatsächlichen Produktionsausrüstung oder durch Simulationstests in einem Labor oder einer Arbeitstischvorrichtung durchgeführt werden.

Schließlich werden die Kristallisationsverfahren, die in den Patentdokumenten des Standes der Technik, die vorstehend zitiert wurden, beschrieben werden, mit dem erfindungsgemäßen Kristallisationsverfahren verglichen, was das Verständnis des erfindungsgemäßen Kristallisationsverfahrens erleichtert.

(a) Bei dem Verfahren zur Herstellung von Aluminiumsulfat, wie in JP-B-49-29,821 beschrieben, wird nur die Produktion von Kristallkeimen aus der Kristallisationsmutterlauge durch das Temperaturschwankungsverfahren durchgeführt (erste und zweite Stufe).
Der Großteil der gewünschten Endsubstanz, die nach den Keimkristallen verbleibt, wird durch ein Verfahren ausgefällt, das kein Temperaturschwankungsverfahren ist. Dadurch kommt es nicht zu den Wirkungen eines Kristallisationsverfahrens, bei dem die Teilchengrößenverteilung gesteuert wird, obwohl eine erfindungsgemäße Temperaturschwankung durchgeführt wird, bei der die gesamte gewünschte Substanz durch die Temperaturschwankungskristallisation ausgefällt wird. Außerdem ist das in diesem Dokument beschriebene Verfahren eine Kühlkristallisation, die sich von der erfindungsgemäßen Vakuumkonzentrationstemperaturschwankungskristallisation grundsätzlich unterscheidet.
(b) Das in JP-A-62-247,802 beschriebene Kristallisationsverfahren ist ein Chargenkühlungskristallisationsverfahren. Der Kern dieses Verfahrens ist es, durch Kühlkristallisation grobe Kristalle zu erhalten. Es werden unter den durch spontane Kristallisation geformten Kristallen nur feine Kristalle aufgelöst, indem die Temperatur während der Kühlstufe erhöht wird (Temperaturschwankung), wobei Kristallkeime erhalten werden. Dies ist nicht dasselbe wie die sekundäre Kristallkeimbildung im Verlauf des Kristallisationsverfahrens. Auf der anderen Seite ist das erfindungsgemäße Kristallisationsverfahren ein Konzentrationskristallisationsverfahren, das dahin zielt, die feinen Kristalle, die durch die unvermeidliche kontinuierliche sekundäre Kristallkeimbildung im Verlauf der Konzentrationskristallisation gebildet werden, zu entfernen. Es unterscheidet sich von dem in dem vorstehend genannten Patentdokument beschriebenen Kristallisationsverfahren im Hinblick auf das Ziel des Verfahrens. Zusätzlich gibt es, wie vorstehend beschrieben, zwischen dem Fall, bei dem die Temperaturschwankung in dem erfindungsgemäßen Vakuumkonzentrationskristallisationsverfahren durchgeführt wird, und dem Fall, bei dem in dem herkömmlichen Vakuumkonzentrationskristallisationsverfahren keine Temperaturschwankung durchgeführt wird, fast keinen Unterschied bei der erforderlichen Energie. Bei dem Kühlkristallisationsverfahren wird jedoch in dem Fall, bei dem die Temperaturschwankung durchgeführt wird, die erforderliche Energie höher als in dem Fall, wenn keine Temperaturschwankung durchgeführt wird.
(c) Das in JP-A-5-111,602 beschriebene Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Kristallisation in einer frühen Stufe auftritt und dass die darin gebildeten Kristalle mit der Zugabe eines Lösungsmittels aufgelöst werden und verschwinden. Dieses Verfahren hat die Nachteile, dass die benötigt Energie erhöht wird und die Konzentrationszeit verlängert wird, was auf die Erhöhung der Menge des Lösungsmittels zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu kann bei dem erfindungsgemäßen Temperaturschwankungsverfahren die Temperaturschwankung allein durch Betätigen eines Abgasventils während der Konzentration verwirklicht werden, was zur Vermeidung dieser Nachteile führt. Außerdem ist es bekannt, dass feine Kristalle durch Erwärmen verschwinden (oder aufgelöst werden). Wenn die Temperaturschwankung durchgeführt wird, kommt es zum Zeitpunkt des Temperaturabfalls zu einer starken Übersättigung, wobei feine Kristalle gebildet werden. Jedoch wird in dem Temperaturschwankungsverfahren dieses Problem dadurch gelöst, dass die Temperaturschwankung periodisch und kontinuierlich durchgeführt wird und der Schwankungsbereich eingestellt wird.

BEISPIELE
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die experimentellen Beispiele und Beispiele eingehender veranschaulicht.
Experimentelles Beispiel 1
Einfluss der Temperaturschwankung auf die Kristallteilchengröße:
(1) Zweck des Experiments:
Dieses Experiment wurde durchgeführt, um die Änderung der Teilchengrößenverteilung von Kristallen durch Durchführen der Temperaturschwankung während der Konzentration in der Konzentrationskristallisation von L-Arginin und Hydrochlorid (Arg·HCl) zu identifizieren und den Einfluss der Änderung einiger Faktoren der Temperaturschwankung auf die Kristallteilchengrößenverteilung zu untersuchen.
(2) Methode des Experiments:
Es wurde eine in 3 gezeigte Vorrichtung eingesetzt, und ein Temperaturschwankungsverfahren wurde auf eine Aufschlämmung ausgeübt. Die Teilchengrößenverteilung und die Änderung der Anzahl der Kristallkeime aufgrund der Temperaturschwankung wurden untersucht. Im Hinblick auf die Rührbedingungen wurde unter Verwendung von Rührschaufeln mit einem Rotationsradius von 2 cm und einer Höhe von 1 cm bei 200 Umdrehungen pro Minute gerührt. Die Anzahl der Teilchen und die Teilchengrößenverteilung wurden unter Verwendung eines "TSUBTEC" von Laser Sensor Technology überwacht. Die Daten der Teilchengrößenverteilung wurden unter Verwendung einer Vorrichtung zur Berechnung des Sphärenvolumens, die an dem "TSUBTEC" angebracht war, erhalten.
Das Experiment wurde gemäß dem Fließdiagramm in 4 durchgeführt. Das heißt Modellkristalle, die später beschrieben werden, wurden in eine gesättigte Lösung von 50°C gegeben, und eine Temperaturschwankung wurde durch eine programmierte Temperatursteuerung ausgeübt. Als eine Lösung, in welche die Kristalle gegeben werden, ist eine vollständig gesättigte Lösung oder eine leicht übersättigte Lösung bevorzugt, um die zugegebenen Kristalle nicht aufzulösen. Im vorliegenden Fall wurde als eine nahezu gesättigte Lösung eine dünne Aufschlämmung eingesetzt, die auf eine Weise erhalten wurde, dass Kristall in einer Menge, die einer Sättigung bei 60°C entspricht, bei 60°C aufgelöst wurden, auf 50°C gekühlt. Der flüssige Teil der Aufschlämmung wurde als eine Lösung angesehen, die nahezu gesättigt (leicht übersättigt) ist.
Die hier genannten Modellkristalle waren ein Gemisch von 80 Gew.-Teilen eines Arg·HCl-Produkts in einer bestimmten Probe vor dem Sieben und 20 Gew.-Teilen von Kristallen desselben Produkts, die ein Sieb von 125 μm oder weniger passieren (feine Kristalle). Die Teilchengrößenverteilungen des Produkts vor dem Sieben und die Modellkristalle, die eine große Menge an feinen Kristallen, gemessen mit einem "ROBOT SHIFTER" von Seishin Kigyo, sind in 5 gezeigt.
Die Temperaturschwankung wurde in fünf unterschiedlichen Mustern (Nr. 1 bis 5) für die in Tabelle 1 gezeigte Steuerung durchgeführt.
Tabelle 1

ΔC: Menge an aufgelösten Kristallen

(3) Ergebnisse und Diskussion:
Die Temperatur(schwankungs)muster (gemessen im Behälter) und die Änderung der Anzahl der Kristalle über die Zeit sind in den 6A, 7A, 9A, 10A und 11A gezeigt. Außerdem sind die Teilchengrößenverteilungen (Änderungen der Teilchengrößenverteilungen über die Zeit) bei (a) bis (d), die in diesem Zeitraum gezeigt sind, in den 6B, 7B, 9B, 10B und 11B gezeigt.
Im übrigen ändert sich, was "TSUBTEC" betrifft, die Zahl der Zählerimpulse (absolute Anzahl) in Abhängigkeit von den Rührbedingungen, der Position der Sonde (Nachweisvorrichtung) und dergleichen. Unter den Bedingungen dieses Experiments war die Anzahl der Teilchen instabil und erhöhte sich während 5 bis 10 Minuten beim ursprünglichen Zustand nach dem Zugeben der Kristalle aufgrund der Auflösens von Kristallklumpen und leichter Kristallkeimbildung und dergleichen. Dementsprechend wurde die Anzahl der Kristalle beim Höhepunkt der anfänglichen Erhöhung der Anzahl der Teilchen als 1 definiert, und die relative Zahl der Zählerimpulse wurde auf dieser Grundlage angegeben.
(a) Temperaturmuster Nr. 1:
6A zeigt dass die Anzahl an Teilchen durch die Temperaturerhöhung verringert wird und dass nach dem stabilen Zustand der Teilchen während des Kühlens die Anzahl an Teilchen aufgrund der sekundären Kristallkeimbildung leicht zunahm. Die sekundäre Kristallkeimbildung wurde immer dann verringert, wenn die Temperaturschwankung wiederholt wurde. Dies liegt vermutlich daran, dass der Anteil an feinen Kristallen mit einer höheren Auflösungsrate aufgrund der Temperaturschwankung verringert wird und der Anteil der aufgelösten Kristalle bei jeder Schwankung verringert wird.
In 6B ist der Höhepunkt der Temperaturschwankung nicht mit dem Tal der Teilchenanzahl konsistent. Dies liegt vermutlich daran, dass beim Beenden der Temperaturerhöhung die Sättigungslöslichkeit nicht erreicht wurde und die Auflösung selbst nach dem Beginn des Kühlens noch fortschreitet. Außerdem sind das Tal der Temperaturschwankung und die sekundäre Kristallkeimbildung (Höhepunkt der Teilchenanzahl) nicht konsistent. Dies liegt vermutlich daran, dass es für die sekundäre Kristallkeimbildung eine Wartezeit gibt und dass der Nachweis 10 Minuten nach dem Beenden des Kühlens (50°C) durchgeführt wurde. Es wird beobachtet, dass durch die wiederholte Temperaturschwankung der Anteil der Kristalle mit einer Teilchengröße von 100 μm oder weniger gesenkt wurde und der Peak der größen Teilchengröße anwuchs.
(b) Temperaturmuster Nr. 2:
In der Bedingung Nr. 2 in 7A trat die sekundäre Kristallkeimbildung im Vergleich mit der Bedingung Nr.1 in 6A unmittelbar nach dem Kühlen auf, das heißt die sekundäre Kristallkeimbildung trat früher auf. Dies liegt vermutlich daran dass ΔC in der Bedingung Nr.2 größer ist als in der Bedingung Nr.1, so dass während des Kühlens eine übermäßige Auflösung früher erreicht wurde (vgl. 8). Nach der vierten Kühlung wurde die Masse bei 50°C gehalten. Während dieser Zeit wurde die Anzahl der Zählimpulse kontinuierlich erhöht. Dies liegt vermutlich daran, dass für die Kristallkeimbildung, die unter (a) der Bedingung Nr.1 genannt ist, eine Wartezeit vorliegt.
Im Vergleich mit der Bedingung Nr.1 in 6B wurde der Anteil der feinen Kristalle mit einer Teilchengröße von etwa 100 μm nicht so start gesenkt, selbst wenn die Temperaturschwankung wiederholt wurde. Dies liegt vermutlich daran, dass, wie in 8 gezeigt, die Amplitude der Temperaturschwankung erhöht wird, um den Grad der Übersättigung in der sekundären Kristallkeimbildung zu erhöhen und auch die Menge der sekundären Kristallkeimbildung zu erhöhen.
(c) Temperaturmuster Nr. 3:
In der Bedingung Nr.3 in 9A ist die Temperaturschwankungsamplitude dieselbe wie in Bedingung Nr.1.
Die Erhöhung der Anzahl der Zählimpulse, welche die sekundäre Kristallkeimbildung angibt, beginnt jedoch im Vergleich mit der Bedingung Nr.1 relativ bei der tiefsten Temperatur beim Kühlen (nahe der Beendigung des Kühlens). Dies beweist vermutlich, dass für die Kristallkeimbildung ein Wartezeit vorliegt, was bereits angegeben wurde, oder es wird angenommen, dass die apparente überschüssige Löslichkeit mit der Abnahme der Kühlgeschwindigkeit verringert wird. Andererseits führt die Erhöhung der Kühlgeschwindigkeit zu einer Abnahme der Zeitperiode, in der die Aufschlämmung in einem metastabilen Bereich gehalten wird, nämlich in einem Zustand stabilen Kristallwachstums. Es wird deshalb angenommen, dass es in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Substanzen und der Kristallisationsbedingungen eine optimale Kühlgeschwindigkeit gibt.
9B zeigt, dass die Kühlgeschwindigkeit niedriger ist und die Geschwindigkeit der sekundären Kristallkeimbildung höher ist als in der Bedingung Nr. 1, so dass die Anzahl der feinen Kristalle mit einer Teilchengröße von etwa 100 μm nicht so stark abnimmt. Zum Zeitpunkt (d) in 9A wird die Anzahl der Zählimpulse, welche die sekundäre Kristallkeimbildung anzeigen, wenig erhöht, so dass der Anteil der feinen Kristalle verringert wird.
(d) Temperaturmuster Nr. 4 und 5:
Die Änderung der Teilchenanzahl über die Zeit und die Änderung der Teilchengrößenverteilung über die Zeit unter solchen Kontrollbedingungen, dass die Temperatur konstant bei 50 oder 60°C gesetzt wurde, sind in den 10A bis 11B gezeigt.
Im Hinblick auf die Änderung der Teilchenanzahl zeigen die Figuren, dass diese unter der Bedingung Nr. 4 zur Erhöhung neigt und unter der Bedingung Nr. 5 zur Verringerung neigt. Die Erhöhung unter der Bedingung Nr. 4 liegt daran, dass, wie im experimentellen Fließdiagramm (4) gezeigt, die Temperatur einmal auf 60°C als Vorerwärmung erhöht wurde, so dass der übersättigte Zustand selbst nach dem Kühlen auf 50°C weiter vorhanden ist. Die Verringerung unter der Bedingung Nr. 5 liegt daran, dass trotz der Einspeisung der Startaufschlämmung bei 60°C die Sättigungskonzentration nicht erreicht wird und die Auflösung allmählich fortschreitet.
Die 10B und 11B zeigen, dass die Teilchengrößenverteilung in diesen Fällen über die Zeit wenig verändert wurde.
(e) Photos der Kristalle:
Photos (einfache Vergrößerung) der Kristalle, die dadurch erhalten wurden, dass die Aufschlämmungen nach Beendigung des Experiments unter den Bedingungen Nr. 1 und 4 einer Fest-flüssig-Trennung mit einem Fest-flüssig-Trennapparat unterworfen wurden und Trocknen durchgeführt wurde, sind in 12 gezeigt. Im Vergleich mit der Teilchengröße der Kristalle (Controlling), die unter der Bedingung Nr. 4 erhalten wurden, wobei die Temperatur bei 50°C gehalten wurde, ist die Teilchengröße der Kristalle (vorliegende Erfindung), die durch die Temperaturschwankung erhalten wurden, start erhöht.
(4) Zusammenfassung des Experiments:
Arg·HCl-Kristalle wurden in einer gesättigten Lösung suspendiert und das Temperaturschwankungsverfahren wurde durchgeführt, so dass es möglich wurde, dass die feinen Kristalle verringert wurden und die Teilchengröße der Kristalle erhöht wurde. Die Wirkungen, des Temperaturschwankungsverfahrens werden durch die Kristallkeimbildungswartezeit, die Kristallauflösegeschwindigkeit, ΔC (Menge der aufgelösten Kristalle), das Auftreten der sekundären Kristallkeimbildung (Menge und Geschwindigkeit), der Kristallwachstumsgeschwindigkeit und dergleichen beeinflusst. Diese werden aufgrund der Materialeigenschaften der zu kristallisierenden Substanzen, der Kristallisationsbedingungen, der Eigenschaften der Ausrüstung und dergleichen bestimmt. Die Parameter (Amplitude und Periode) des Temperaturschwankungsverfahrens können unter Berücksichtung solcher Faktoren bei Bedarf bestimmt werden.
Beispiel 1
Arg·HCl wurde durch das Kristallisationsverfahren gereinigt, wobei die Teilchengrößenverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert wurde.

(1) Um die Beschreibung zu vereinfachen wird zunächst die herkömmliche Vakuumkonzentrationskristallisation beschrieben. Als Vakuumkonzentrator wurde ein vorhandener Vakuumkonzentrator mit einer Kapazität von etwa 25 Kiloliter eingesetzt. Die Konzentration wurde durch das Einspeisungschargenverfahren durchgeführt. Während der Konzentration wurden 260 g/l einer Arg·HCl-Lösung auf eine solche Weise eingespeist, dass die Menge der Aufschlämmungslösung bei 6,5 Kilo gehalten wurde. Als Kühlapparat wurde ein barometrischer Kühlapparat eingesetzt.
(2) Das erfindungsgemäße Kristallisationsverfahren wurde durch Wiederholen eines solchen herkömmlichen Verfahrens ohne Änderung der Konzentrationszeit und dergleichen durchgeführt, mit der Ausnahme, dass eine Temperaturschwankung als Konzentrationsbedingung zusätzlich vorhanden war. Die Temperatursteuerung für die Temperaturschwankung wurde durch Einstellen des Grades des Vakuums durchgeführt, mit der Maßgabe, dass die Länge des Wasserdampfes etwa 2 t/h vor Einführung der Kristallkeime war und auf etwa 1,3 t/h nach Einführung der Kristallkeime verringert wurde. In diesem Fall war die Geschwindigkeit der Konzentrationserhöhung etwa 50 g/l·h. Um die Wirkungen des Temperaturschwankungsverfahrens zu verwirklichen muss die Geschwindigkeit der Konzentrationserhöhung durch Temperaturerhöhung der Temperaturschwankung 50 g/l·h übersteigen (s. das Prinzip des vorstehend beschriebenen Temperaturschwankungsverfahrens). Nach dem vollständigen Einspeisen wurde die Temperatur auf 60°C erhöht, und die Konzentration wurde beendet.

Um die Wirkungen der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu denjenigen des herkömmlichen Verfahrens bei der Durchführung des herkömmlichen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Kristallisationsverfahrens zu bestätigen wurde die Beziehung des Temperaturmusters und der Flüssigkeitskonzentration der Aufschlämmung während der Konzentrationskristallisation und die Teilchengrößenverteilung der erhaltenen Kristalle untersucht.
Das Temperaturmuster und die Änderung der Temperatur wurden nach dem Einbau einer Refraktometers von k-Patents in den Konzentrator untersucht. Als Index für die Konzentration wurde der Brechungsindex (Brix) verwendet. Die Arg·HCl-Konzentration (10g/l) = Brix (50°C) × 0,98. Die Änderung des Brixwertes bei 50°C und 60°C wurde ebenfalls gemessen, wobei die Differenz nur etwa 1% war.
Im Hinblick auf die Kristallteilchengrößenverteilung wurden die Kristalle aus der Aufschlämmung mit einem Saugheber abgetrennt und mit einem konischen Trockner getrocknet. Dann wurde die Kristallgrößenverteilung vor dem Sieben unter Verwendung eines ROBOT SHIFTER von Seishin Kigyo gemessen. Jeder Graph in 14 zeigt einen Anteil des Gewichts auf dem Sieb, welcher der jeweiligen Teilchengröße entspricht, an dem Gesamtgewicht.
Es wurden insgesamt 5 Kristallisationen (Chargen (1) bis (5) einschließlich das herkömmliche Konzentrationskristallisationsverfahren und das erfindungsgemäße Konzentrationskristallisationsverfahren durchgeführt.
Die Temperaturmuster in den 5 Chargen sind in den 13A bis 13E gezeigt, und die Kristallteilchengrößenverteilungen in diesen Chargen sind in 14 gezeigt. In jeder Charge wird identifiziert, dass der Brix mit der Erhöhung der Konzentration erhöht wird und eine Zeit nach der Zugabe der Keimkristalle aufgrund der Kristallisation verringert wird. Photos (26-fache Vergrößerung) der Kristalle in Charge (1) (herkömmliches Verfahren) und Charge (2) (erfindungsgemäßes Verfahren) sind in 15 gezeigt.
Charge (1) in 13A entspricht einem herkömmlichen Verfahren, bei dem die Temperaturschwankung nicht durchgeführt wurde. Die Teilchengrößenverteilung hat ein typisches Muster gemäß dem herkömmlichen Verfahren, bei dem sich Peaks in der Nähe von 100 μm und 120 μm befinden. Der Anteil der Kristalle mit einer Teilchengröße von etwa 100 μm erricht etwa 10%.
In Charge (2) in 13B ist der Anteil der Kristalle mit einer Teilchengröße von etwa 100 μm etwa 3%. Die Teilchengröße ist insgesamt groß, und die Wirkungen der Temperaturschwankung sind stark. Somit ist dies eine erfindungsgemäße Charge. Das Temperaturmuster dieser Charge war zwischen 49 und 58°C (ΔT = 9°), und deren Periode war etwa 30 Minuten. Die anfängliche Konzentrationsamplitude war 20 g/l, und die Geschwindigkeit der Konzentrationserhöhung durch Temperaturanstieg war etwa 80 g/l·h. Da die Konzentrationserhöhung durch Konzentration 50 g/l·h war, musste der vorstehend genannte Wert diesen übersteigen.
Charge (3) in 13C war der Charge (2) während mehrerer Stunden nach der Kristallisation ähnlich. In der letzten Hälfe der Kristallisation war jedoch die Amplitude der Temperaturschwankung geringer und die Periode erhöht. Somit ergaben sich für die Charge (3) nicht dieselben deutlichen Wirkungen wie für Charge (2). Deshalb wird davon ausgegangen, dass die sekundäre Kristallkeimbildung in der zweiten Hälfte der Konzentration stattfand.
Zwischen der Charge (4) in 13D und der Charge (5) in 13E wurde fast keine Änderung der Teilchengrößenverteilung beobachtet. Dies liegt vermutlich daran, dass die Periode in Charge (4) größer war und die Amplitude in Charge (5) geringer war, so dass die Geschwindigkeit der Konzentrationserhöhung bei der Temperaturerhöhung geringer war als die Geschwindigkeit der Konzentrationserhöhung durch Konzentration und feine Kristalle nur in geringem Maß verschwanden.
Die Photos in 15 zeigen, dass in (2) fast keine feinen Kristalle vorhanden sind und die Teilchengröße aufgrund der Temperaturschwankung erhöht wurde.
Diese Ergebnisse zeigen, dass das erfindungsgemäße Temperaturschwankungsverfahren ermöglicht, die einzustellende Teilchengröße der Kristalle allein durch Ausüben einer Temperaturschwankung auf ein übliches Konzentrationsverfahren ohne Änderung der Konzentrationsbedingungen, wie Konzentrationsdauer und dergleichen, in dem herkömmlichen Verfahren zu erreichen, wodurch es umgekehrt ermöglicht wird, den Anteil der feinen Kristalle zu senden und die Teilchengröße zu erhöhen. Unter den in diesem Beispiel eingesetzten Bedingungen war bei einer Temperaturschwankung mit einer Amplitude von 48 bis 49°C und einer Periode von 30 Minuten der Anteil an feinen Kristallen am geringsten und die Teilchengröße der Kristalle am höchsten. Der Anteil der feinen Kristalle unter dem Sieb wurde auf bis zu 3% verringert. Die Ergebnisse der Chargen 2 bis 5 zeigen, dass die Wirkungen des Temperaturschwankungsverfahrens durch die Amplitude, die Periode der Temperaturschwankung und dergleichen beeinflusst werden. Somit ist es erforderlich, diese in geeigneter Weise auszuwählen. Außerdem muss, um die Wirkungen des Temperaturschwankungsverfahrens zu erzielen, die Geschwindigkeit der Erhöhung der Konzentration zum Zeitpunkt der Temperaturerhöhung die Geschwindigkeit der Erhöhung der Konzentration durch Konzentration übersteigen.
Wenn die Konzentrationskristallisation gemäß diesem Beispiel durchgeführt wird, mit der Ausnahme, dass L-Lysinacetat (Lys·AcOH) anstelle von Arg·HCl eingesetzt wird, können dieselben Wirkungen durch Steuerung der Teilchengrößenverteilung erzielt werden. In diesem Fall wurde eine Oberflächenkühlvorrichtung als Kühlvorrichtung eingesetzt.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann erfindungsgemäß die Kristallisation durch Steuerung der Teilchengrößenverteilung (d. h. unter Steuerung der Teilchengrößenverteilung) in einem einfachen Vakkuumkonzentrator allein durch Ausüben einer Temperaturschwankung auf die Temperatursteuerung durchgeführt werden ohne dass zusätzliche Ausrüstung erforderlich ist und ohne dass die Verfahrensbedingungen geändert werden, beispielsweise durch Verringerung der Konzentrationszeit. Somit ist dieses Verfahren praktisch und findet weite Anwendung.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Teilchengrößenverteilung von Kristallen durch Kristallisation, umfassend: Ausfällen von Kristallen aus einer Mutterlauge durch Vakuumkonzentrationskristallisation in einer Vakuumkonzentrationsvorrichtung, und periodisches Variieren der Temperatur der Mutterlauge innerhalb der Konzentrationsvorrichtung aufwärts und abwärts zwischen oberen und unteren Temperaturgrenzen während der Vakuumkonzentrationskristallisation durch Einstellen des Drucks in der Vakuumkonzentrationsvorrichtung mit einem Abgasleitungsventil.