JP2006519700A - 流体力学的キャビテーション結晶化装置および方法 - Google Patents

流体力学的キャビテーション結晶化装置および方法 Download PDF

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Abstract

【解決手段】結晶化キャビテーションを利用して,化合物を結晶化するための装置および方法は,結晶化させるべき化合物を含む溶液の,少なくともひとつの流体流と,逆溶媒の,少なくともひとつの流体流とを混合するステップと,結晶の核を形成し,さらに結晶を直接形成するために,流体力学的キャビテーションを形成すべく,流れの局所制限部に,圧力が上昇した混合流体を通過させるステップを含む。

Description

本発明は流体力学的キャビテーションを使用して化合物を結晶化する装置および方法に関する。結晶化させる化合物のタイプは,薬剤ならびに工業上使用される他のタイプの化合物である。
薬学的に活性な化合物またはそれらの中間体を含む溶液からの結晶化は工業上使用される典型的な精製方法である。生成された結晶構造または晶癖の完全さ,および最終生成物の粒径は結晶化方法において考慮すべき重要な点である。
高い生体利用効率および短い溶解時間は望ましいことであり,最終の薬剤にとって必要な特性である。しかし,大きさが小さく,表面積が大きい粒子の直接の結晶化は高い過飽和環境下でなされるが,その環境下では,不完全な結晶の形成のために,純度が低く,破砕性が高く,さらに安定性が悪い材料となる。有機物の結晶格子における結合力は,イオン性無機向き固体における場合以上に,非常に高い非結晶の頻度を発生させることから,過飽和材の“オイルアウト(oiling out)”が一般的ではないとはいえず,このようなオイルはしばしば構造をもつことなく凝固する。
緩やかな結晶化は,生成物の純度を増し,より安定した結晶構造を生成するために使用される一般的な技術であるが,しかし,結晶化器の生産性を減少させ,続く非常に強力な製粉を必要とする,大きさが大きく,表面積が小さい粒子を生成する。現状では,薬剤は,粒子の表面積を増加させ,したがった生物利用効率を高めるために,結晶化の後の製粉工程を常に必要としている。しかし,製粉に必要なエネルギーは欠点となっている。製粉は,産出に損失をもたらし,ノイズ,粉塵をもたらし,さらには非常び影響のある薬剤に人が晒されることになる。また,製粉の間結晶の表面に形成されるストレスが逆に不安な化合物に影響を与え得る。全体的に,表面積が大きく,化学的に純度が高く,非常に安定しているという三つの望ましい最終生成物の目標は,非常に多くのエネルギーを必要とする製粉を除き,現在の結晶化技術を使用して同時に最適化することができない。
ひとつの標準的な結晶化手順が,結晶化されるべき化合物の過飽和溶液を,攪拌容器内で,適切な逆溶媒と接触させることに関する。攪拌容器内で,逆溶媒は主要な核形成(結晶の形成につながる)が,ときには熟成工程中,シーディング(seeding)や結晶消化をともなって始まる。容器内での混合は,種々の攪拌機(たとえば,ラシュトンまたはピッチドブレードタービン,インターミグなど)で達成され,そのプロセスは一括でなす態様でなされる。
直接小さな粒子を結晶化するために,現在の逆付加(reverse addition)技術を使用するとき,攪拌容器内で,逆溶媒に溶液を導入すると結晶形成の前にふたつの流体が十分に混合しないことから,最初の結晶の形成の間,濃縮傾向を避けることができない。濃縮傾向の存在,したがって最初の結晶形成における異種の流体環境は最適な結晶構造の形成を妨げ,不純物の取り入れを増やすことになる。緩やかな結晶化技術が採用されると,流体のより十分な混合が,結晶形成に前に行うことができ,結晶構造,純度を改善するが,結晶は大きくなり,生体利用効率の条件を満たすためには製粉が必要となる。
他の標準的な結晶化手順は,溶液を過飽和点へともたらすため,結晶化をおこなうべき材料の溶液をいろいろな温度にすることであるが,このことは結晶の大型化をまねく緩やかなプロセスとなる。また,この手順で溶媒が除去傾向にあるが,生じた結晶における大きさ,純度および安定性の特徴は制御することが難しく,バッチ処理の間で一貫したものとならない。
他の結晶化手順は,結晶化プロセスにおいて,非常に強力なマイクロミキシングを達成するために衝突ジェットを利用することでる。非常に強力なマイクロミキシングは既知の技術(ミキシングに依存する反応に関連する)である。特許文献1において,一様な粒子を達成するために,ふたつの衝突ジェットを使用する方法が示されている。ふたつのジェットが衝突する点で,非常にレベルの高い過飽和が存在する。この高い過飽和の結果,二液の衝突地点で,小さな混合領域内で結晶化が劇的に行われる。新しい結晶の核が衝突地点で一定に形成されることから,非常に多数の結晶が形成される。非常に多数の結晶の形成の結果,結晶のすべての大きさが小さくはならないが,平均的な大きさは小さい。
米国特許第5,314,456号明細書
他方,流体力学的キャビテーションを使用する結晶化の手順は未だ提案されていない。キャビテーションは,液体の流れ中で局所的な圧力の低下から生ずる,液体流の泡および空洞の形成をいう。圧力が減少して液体がその液体の沸点に達すると,非常に多数の,蒸気で満たされた空洞および泡が形成される。液体の圧力が上昇すると,空洞および泡内で蒸気の凝縮が生じ,それらは潰れ,非常に高い圧力の衝撃,非常に高い温度を形成する。泡内の温度は5000°Cのオーダーと,そして圧力はほぼ500kg/cm2と推測される(K. S. Suslick,Science,第247巻,(1990年3月23日)第1439-1445頁)。キャビテーションは,泡の形成から消滅という一連の現象をいう。この非常に高いエネルギーレベルのため,流体力学的キャビテーションを使用する化合物の結晶化の装置および方法が望まれている。流体力学的キャビテーションを形成し制御する装置および方法は,音響学的な応答についてのミキシング,伝導の際,化合物を含む金属の用意の際に使用ものとして,従来より知られている。たとえば特許文献2ないし6を参照のこと(これらは発明者がKozyukで,ここに参考文献として組み込まれる)。
米国特許第5,810,052号明細書 米国特許第5,931,771号明細書 米国特許第5,937,906号明細書 米国特許第6,012,492号明細書 米国特許第6,365,555号明細書
本発明のこれらおよび他の特徴,態様および利点は以下の記述,添付図面から理解されよう。
明細書,図面において同じ符号が付された部品は同じものを示す。図において,部品のスケール,比例関係は説明のために誇張されている。
本発明は,結晶化プロセスにおいて結晶の核を生成するために,流体力学的なキャビテーションを使用する装置および方法を提供する。このプロセスにおいて使用される二つの流体は異なる溶媒化合物であり,一方の流体が適切な溶媒または溶媒の組み合わせに結晶化すべき化合物を含む溶液(“供給溶液”)であり,他方の流体が適切な溶媒または溶媒の組み合わせ(化合物に関して,比較的低い溶媒特性のものとして選択された溶液(“逆溶媒”)から化合物の析出を開始することができるもの)である。このような溶媒および逆溶媒には,限定的ではないが,エタノール,メタノール,エチルアセテート,塩化メチレンのようなハロゲン化溶媒,アセトニトリル,酢酸,ヘキサン,エーテル,水がある。
このプロセスで使用する流体は,流体力学的キャビテーション結晶化プロセスの間,生ずるであろう凝集を緩和する適切な界面活性剤を僅かに含んでもよい。この表面活性剤は,前もって混合したものの一部として添加されてもよく,または下述するエントリーポートのひとつを通して添加されてもよい。したがって,使用されるひとつ,複数または全部の流体が表面活性剤を含んでもよい。このような表面活性剤は結晶化合物の最終的な使用に害とならないように選択されるべきである。
図1は,円筒状壁20により画定される貫流チャネル15を含む流体力学的キャビテーション結晶化装置10を示すが,円筒状壁は,内側表面22,外側表面24,第一の流体流F1を(矢印の方向で)装置10に導入する入口25および流体を装置10から排出する出口30を有する。好適には,貫通チャネル15の断面は円形であるが,貫通チャネル15の断面は正方形,長方形,六角形といった形状でもよく,これらは本発明の範囲に含まれる。
貫通チャネル15の中心線CLまたはその近傍にそって貫通チャネル15内に,バッフル35のようなキャビテーション発生器が配置される。図1に示されているように,バッフル35は円筒状表面45内に伸びる円錐状の表面40を含むが,バッフル35の円錐状部分40は流体流と衝突する。バッフル35は,オリフィス60を有するディスク55に結合した脚部(ステム)50上に位置している。ディスク55は入口25に位置し,貫通チャネル15内でバッフル35を保持する。オリフィス60を有するディスク55に代え,クロスヘッド,ポスト,プロペラまたは圧力に殆ど損失を与えない固定部を使用することができる。
バッフル35は流体流の局所制限部70を通ってバッフル35の下流に,流体力学的キャビテーション場65を形成する形状となっている。この実施例では,局所制限部70は貫通チャネル15の内側表面22とバッフル35の円筒状表面45との間に画定される管状のオリフィスである。局所制限部70はバッフル35の円筒状表面45と円筒状壁20が円形断面をもつため管状オリフィスであるが,当業者には,貫通チャネル15の断面が環状以外の他の幾何学的形状をもつときには,貫通チャネル15を形成する壁とバッフル15との間に画定される局所制限部70の形状は環状にならないことは分かるであろう。同様に,バッフル35の断面が円形でないと,貫通チャネル15を形成する壁とバッフル15との間に画定される局所制限部70の形状は環状にならない。好適には,貫通チャネル15を形成する壁の断面形状はバッフル35の断面形状と一致することである(たとえば,円形と円形,四角形と四角形など)。
バッフル35から下流のキャビテーション場の形成および制御を良くするために,バッフル35は,変化した流体力学的キャビテーション場を形成するために,いろいろな形状,構成をもつバッフルに取り替え可能に構成される。バッフル35の形状および構成はキャビテーションの特徴,したがって結晶化の質に重大に影響を与える。本発明の範囲に属するさまざまな形状および構成があるが,特許文献7(1999年10月19日に発行の米国特許明細書)は,利用可能なバッフルの形状および構成を開示する。特許文献7もここに参考文献として組み込まれる。
米国特許第5,969,207号明細書
バッフル35が利用可能に脚部50に取り外し可能に取り付けられことは理解されよう。しかし,バッフル35は脚部50にネジ式に取り付けられることが望ましい。したがって,バッフル35の形状および構成を代えるために,脚部50は装置10から取り外され,最初のバッフル35は脚部50から外され,そして脚部50にネジ式に取り付けられる,異なるバッフルで取り替えられて,装置10に戻される。
貫通チャネル15の円筒状壁20内に,第二の流体流F2を(矢印の方向で)貫通チャネル15へと導入するためのポート75が位置する。ポート75はバッフル35から下流で,貫通チャネル15の円筒状壁20内に位置する。図2に示されている僅かに異なる実施例では,第二の流体流F2が局所制限部70で第一の流体流F1と混合するように,貫通チャネル15の円筒状壁20内で局所制限部70の近傍に位置するポート75を,装置200は含む。図3に示されているように,第三の流体流F3を(矢印の方向で)貫通チャネル15に導入することができるように,貫通チャネル15の円筒状壁20に位置する第二のポート80を,装置300は含む。第二のポート80はバッフル35から下流に位置する。
図1に図示の装置10の動作において,第一の流体流F1は入口25を経て貫通チャネル15に入り、矢印の方向でディスク55のオリフィス60を通る。第二の流体流F2はポート75を通って貫通チャネル15に入り、バッフル35に向かう前に第一の流体流F1と混合する。一実施例では,第一の流体流F1は逆溶媒であり,第二の流体流F2は供給溶液である。これに代えて,他の実施例では,第一の流体流F1は供給溶液であり,第二の流体流F2は逆溶媒である。
混合した第一および第二の流体流F1,F2は局所制限部70を通過し,ここで第一および第二の流体流F1,F2の速度は,第一および第二の流体流F1,F2の物理的特性により決定される最小速度(すなわち,キャビテーション泡が出始める速度)に増加する。第一および第二の流体流F1,F2が流れの局所制限部70を通過すると,流体力学的キャビテーション場65(キャビテーション泡を形成する)がバッフル35の下流に形成される。高められた静的な圧力領域に到達すると,泡は潰れ,結晶の核を形成する高い局所圧力(5,000kg/cm2に至る)および温度(15,000°Cに至る)を生じさせ,直接微小な結晶が形成される。残りの流体は出口30から貫通チャネル15を出る一方で,結晶は従前の回収技術により分離される。
図2に図示の装置200の動作において,第一の流体流F1は入口25を経て貫通チャネル15に入り、矢印の方向でディスク55のオリフィス60を通る。第二の流体流F2はポート75を通って貫通チャネル15に入り第一の流体流F1と混合するとともに,流体流F1は局所制限部70を通過する。一実施例では,第一の流体流F1は逆溶媒であり,第二の流体流F2は供給溶液である。これに代えて,他の実施例では,第一の流体流F1は供給溶液であり,第二の流体流F2は逆溶媒である。
流れの局所制限部70を通過すると,混合した第一および第二の流体流F1,F2の速度は,第一および第二の流体流F1,F2の物理的特性により決定される最小速度(すなわち,キャビテーション泡が出始める速度)に増加する。第一および第二の流体流F1,F2が流れの局所制限部70を通過すると,流体力学的キャビテーション場65(キャビテーション泡を形成する)がバッフル35の下流に形成される。高められた静的な圧力領域に到達すると,泡は潰れ,結晶の核を形成する高い局所圧力(5,000kg/cm2に至る)および温度(15,000°Cに至る)を生じさせ,直接微小な結晶が形成される。残りの流体は出口30から貫通チャネル15を出る一方で,結晶は従前の回収技術により分離される。
図3に図示の装置300の動作において,第一の流体流F1は入口25を経て貫通チャネル15に入り、矢印の方向でディスク55のオリフィス60を通る。第二の流体流F2はポート80を通って貫通チャネル15に入り,バッフル15に向かう前に第一の流体流F1と混合する。第三の流体流F3はポート75を通って貫通チャネル15に入り,第一および第二の流体流F1,F2と混合するとともに,それらは局所制限部70を通過する。一実施例では,第一の流体流F1は逆溶媒であり,第二および第三の流体流F2,F3は同じまたは異なる濃度をもつ同じまたは異なる供給溶液である。これに代えて,他の実施例では,第一の流体流F1は供給溶液であり,第二および第三の流体流F2,F3は同じまたは異なる濃度をもつ同じまたは異なる逆溶媒である。
流れの局所制限部70を通過すると,混合した第一,第二および第三の流体流F1,F2,F3の速度は,第一,第二および第三の流体流F1,F2,F3の物理的特性により決定される最小速度(すなわち,キャビテーション泡が出始める速度)に増加する。第一,第二および第三の流体流F1,F2,F3が続いて流れの局所制限部70を通過すると,流体力学的キャビテーション場65(キャビテーション泡を形成する)がバッフル35の下流に形成される。高められた静的な圧力領域に到達すると,泡は潰れ,結晶の核を生成する高い局所圧力(5,000kg/cm2に至る)および温度(15,000°Cに至る)を生じさせ,直接微小な結晶が形成される。残りの流体は出口30から貫通チャネル15を出る一方で,結晶は従前の回収技術により分離される。
図4は,円筒状壁420により画定される貫流チャネル415を含む流体力学的キャビテーション結晶化装置400を示すが,円筒状壁は,内側表面422,外側表面424,第一の流体流F1を(矢印の方向で)装置400に導入する入口425および流体を装置400から排出する出口430を有する。好適には,貫通チャネル415の断面は円形であるが,貫通チャネル415の断面は正方形,長方形,六角形といった形状でもよく,これらは本発明の範囲に含まれる。
貫通チャネル415内にキャビテーション発生器435が配置されるが,そのキャビテーション発生器は,その発生器435の下流に流体力学的キャビテーション場440を形成する形状をもつ。図4に示されているように,キャビテーション発生器435は貫通チャネル415の中心線CLまたはその近傍にそって位置する環状オリフィス40を有するディスク445である。オリフィス450はベンチュリー管の形状となり,流れの局所制限部を形成する。図7に示されている僅かに異なる実施例では,装置700は,多数の流体の流れの局所制限部を形成するように位置する多数の環状オリフィス715を有するディスク710を含む。好適には,ディスクのオリフィスの断面は円形であるが,オリフィスの断面は正方形,長方形,六角形といった形状でもよく,これらは本発明の範囲に含まれる。
オリフィス450を有するディスク445から下流のキャビテーション場の形成および制御を良くするために,オリフィス450を有するディスク445は,変化した流体力学的キャビテーション場を形成するために,いろいろな形状,構成をもつオリフィスを有するディスクに取り替え可能に構成される。オリフィス450の形状および構成はキャビテーションの特徴,したがって結晶化の質に重大に影響を与える。本発明の範囲に属するさまざまな形状および構成があるが,特許文献7は,利用可能なバッフルの形状および構成を開示する。特許文献7もここに参考文献として組み込まれる。
貫通チャネル415の円筒状壁420内に,第二の流体流F2を(矢印の方向で)貫通チャネル415へと導入するための入口ポート455が位置する。ポート445はディスク445から上流で,貫通チャネル415の円筒状壁420内に位置する。図5に示されている僅かに異なる実施例では,装置500が貫通チャネル415の円筒状壁420に配置され,ディスク445を貫通するポート455を含み,ポート455はオリフィス450と連通する。したがって,第二の流体流F2はオリフィス450内で第一の流体流F1と混合する。図6に図示の他の実施例では,装置600は,第三の流体F3を貫通チャネル415へと導入することができるように,貫通チャネル415の円筒状壁420に位置する第二のポート460を含む。第二のポート460はディスク445から下流に位置する。
図4に図示の装置400の動作において,第一の流体流F1は入口425を経て貫通チャネル415に入り、矢印の方向で貫通チャネル415を通過する。第二の流体流F2は,入口ポート455を通って貫通チャネル415に入り、オリフィス450を通過する前に,第一の流体流F1と混合する。一実施例では,第一の流体流F1は逆溶媒であり,第二の流体流F2は供給溶液である。これに代えて,他の実施例では,第一の流体流F1は供給溶液であり,第二の流体流F2は逆溶媒である。
混合した第一および第二の流体流F1,F2はオリフィス450を通過し,ここで第一および第二の流体流F1,F2の速度は,第一および第二の流体流F1,F2の物理的特性により決定される最小速度(すなわち,キャビテーション泡が出始める速度)に増加する。第一および第二の流体流F1,F2がオリフィス450を通過すると,流体力学的キャビテーション場440(キャビテーション泡を形成する)がオリフィス450の下流に形成される。高められた静的な圧力領域に到達すると,泡は潰れ,結晶の核を生成する高い局所圧力(5,000kg/cm2に至る)および温度(15,000°Cに至る)を生じさせ,直接微小な結晶が形成される。残りの流体は出口430から貫通チャネル415を出る一方で,結晶は従前の回収技術により分離される。
図5に図示の装置500の動作において,第一の流体流F1は入口425を経て貫通チャネル415に入り、矢印の方向で貫通チャネル415を通る。第二の流体流F2は入口ポート455を通って貫通チャネル415に入り,流体流F1がオリフィス450を通過する間,第一の流体流F1と混合する。一実施例では,第一の流体流F1は逆溶媒であり,第二の流体流F2は供給溶液である。これに代えて,他の実施例では,第一の流体流F1は供給溶液であり,第二の流体流F2は逆溶媒である。
オリフィス450を通過すると,混合した第一および第二の流体流F1,F2の速度は,第一および第二の流体流F1,F2の物理的特性により決定される最小速度(すなわち,キャビテーション泡が出始める速度)に増加する。第一および第二の流体流F1,F2がオリフィス450を通過すると,流体力学的キャビテーション場450(キャビテーション泡を形成する)がオリフィス450の下流に形成される。高められた静的な圧力領域に到達すると,泡は潰れ,結晶の核を生成する高い局所圧力(5,000kg/cm2に至る)および温度(15,000°Cに至る)を生じさせ,直接微小な結晶が形成される。残りの流体は出口430から貫通チャネル415を出る一方で,結晶は従前の回収技術により分離される。
図6に図示の装置600の動作において,第一の流体流F1は入口425を経て貫通チャネル415に入り、矢印の方向で貫通チャネル415を通る。第二の流体流F2は第二のポート460を通って貫通チャネル415に入り,オリフィス450を通過する前に第一の流体流F1と混合する。第三の流体流F3は入口ポート455を通って貫通チャネル415に入り,第一および第二の流体流F1,F2と混合するとともに,それらはオリフィス450を通過する。一実施例では,第一の流体流F1は逆溶媒であり,第二および第三の流体流F2,F3は同じまたは異なる濃度をもつ同じまたは異なる供給溶液である。これに代えて,他の実施例では,第一の流体流F1は供給溶液であり,第二および第三の流体流F2,F3は同じまたは異なる濃度をもつ同じまたは異なる逆溶媒である。
オリフィス450を通過すると,混合した第一,第二および第三の流体流F1,F2,F3の速度は,第一,第二および第三の流体流F1,F2,F3の物理的特性により決定される最小速度(すなわち,キャビテーション泡が出始める速度)に増加する。第一,第二および第三の流体流F1,F2,F3が続いてオリフィス450を通過すると,流体力学的キャビテーション場440(キャビテーション泡を形成する)がオリフィス450の下流に形成される。高められた静的な圧力領域に到達すると,泡は潰れ,結晶の核を生成する高い局所圧力(5,000kg/cm2に至る)および温度(15,000°Cに至る)を生じさせ,直接微小な結晶が形成される。残りの流体は出口430から貫通チャネル415を出る一方で,結晶は従前の回収技術により分離される。
図8は,流体力学的キャビテーション結晶化装置800(構成および動作は図5に図示の装置500と似ているが、装置800は、ふたつのステージの流体力学的キャビテーションを形成するために貫通チャネル820に連続して配置されたふたつのキャビテーション発生器810、815を含む)の他の実施例を図示する。貫通チャネル820は第一の流体流F1を(矢印の方向に)導入するために,入口822を含む。第一のキャビテーション発生器810は貫通チャネル820内に位置するディスク825であり,第一の内径をもつ第一のオリフィス830を含む。第二のキャビテーション発生器815は貫通チャネル820内に位置するディスク835であり,第一のオリフィス830の第一の内径よりも大きな第二の内径をもつ第二のオリフィス840を含む。明らかに,他の実施例では,第一のオリフィス830の内径は第二のオリフィス840の内径よりも大きい。
第二の流体流F2および第三の流体流F3を導入するために,第一のポート845および第二のポート850がそれぞれ貫通チャネル820の壁部に位置し,第一のオリフィス830および第二のオリフィス840と連通する。一実施例では,第一の流体流F1は逆溶媒であり,第二および第三の流体流F2,F3は同じまたは異なる濃度をもつ同じまたは異なる供給溶液である。これに代えて,他の実施例では,第一の流体流F1は供給溶液であり,第二および第三の流体流F2,F3は同じまたは異なる濃度をもつ同じまたは異なる逆溶媒である。
図9は,流体キャビテーション結晶化装置900(構成および動作は図1の装置100と似ているが,ポート75が貫通チャネル15の円筒状壁部20に位置するものの,ディスク55の上流の貫通チャネル15の円筒状壁部20に位置する)の他の実施例を図示する。ポート75の位置をディスク55の上流にすることにより,装置900では,基本的に,流体力学的キャビテーションのステージがふたつ形成される。つまり,ディスク55は第一のキャビテーションの第一のステージであり,バッフル35が第二のステージとなる。
他の実施例として,図10は,円筒状壁1020により画定される貫流チャネル1015を含む流体力学的キャビテーション結晶化装置1000を示すが,円筒状壁は,内側表面1022,外側表面1024,第一の流体流F1を(矢印の方向で)装置1000に導入する入口1025および流体を装置1000から排出する出口1030を有する。
貫通チャネル1015の中心線CLまたはその近傍にそって貫通チャネル1015内に,バッフル1035のようなキャビテーション発生器が配置される。図10に示されているように,バッフル1035は円筒状表面1045内に伸びる円錐状の表面1040を含むが,バッフル1035の円錐状部分1040は流体流と衝突する。バッフル1035は,オリフィス60を有するディスク1055に結合された脚部(ステム)1050上に位置している。ディスク1055は入口25に位置し,貫通チャネル1015内でバッフル1035を保持する。
バッフル1035は流体流の局所制限部1070を通ってバッフル1035の下流に,流体力学的キャビテーション場1065を形成する形状となっている。この実施例では,局所制限部1070は貫通チャネル1015の内側表面1022とバッフル1035の円筒状表面1045との間に画定される管状のオリフィスである。
貫通チャネル1015の円筒状壁1020に,第二の流体流F2を(矢印の方向に)貫通チャネル1015に導入するためのポート1075が位置する。ポート1075から始まる流体路1077は,ディスク1055,脚部1050,バッフル1035を通り,流れの局所制限部1070に至る。図11に図示の僅かに異なる実施例では,流体力学的キャビテーション結晶化装置1100(構成および動作は図10に図示の装置1000と似ているが、装置1100では、流体路がバッフル1035の上流にあり,他のバッフル1135がバッフル1035の上流にありって,ふたつのステージの流体力学的キャビテーションが形成される。
図10に図示の装置1000の動作において,第一の流体流F1は入口1025を経て貫通チャネル1015に入り、矢印の方向でオリフィス1060を通る。第二の流体流F2はポート1075を経て貫通チャネル1015に入り,流体路1077を通過し,第一の流体流F1と混合するとともに,局所制限部1070を通過する。一実施例では,第一の流体流F1は逆溶媒であり,第二の流体流F2は供給溶液である。これに代えて,他の実施例では,第一の流体流F1は供給溶液であり,第二の流体流F2は逆溶媒である。
混合した第一および第二の流体流F1,F2は,流れの局所低制限部1070を通過し,ここで第一および第二の流体流F1,F2の速度は,第一および第二の流体流F1,F2の物理的特性により決定される最小速度(すなわち,キャビテーション泡が出始める速度)に増加する。第一および第二の流体流F1,F2が局所制限部1070を通過すると,流体力学的キャビテーション場1065(キャビテーション泡を形成する)がバッフル1035の下流に形成される。高められた静的な圧力領域に到達すると,泡は潰れ,結晶の核を生成する高い局所圧力(5,000kg/cm2に至る)および温度(15,000°Cに至る)を生じさせ,直接微小な結晶が形成される。残りの流体は出口1030から貫通チャネル1015を出る一方で,結晶は従前の回収技術により分離される。
第一,第二,および第三の流体流F1,F2,F3はポンプ(図示せず)を利用して上述にように装置に供給される。選択された典型的なポンプは,ポンプ作用をなすことができる媒体の物理化学的性質およびプロセスの実行のために必要な流体力学パラメータに基づいて決定される。
以下の例は本発明を説明するために示すもので,本発明の範囲,思想を限定するものではない。
例1
30グラムの工業状グレードNaCl(塩化ナトリウム−供給溶液)を,ビーカー内の蒸留水100mlに溶解させた。200mlのエタノール(逆溶媒(エタノール95%+メタノール5%,Aldric(商標)))を,逆溶媒/供給溶液の容積比=2:1となるように,ビーカーに添加した。
溶液をNaCl(塩化ナトリウム)結晶が現れるまで攪拌した。攪拌後,生成物をフィルターにかけた。結晶粒の大きさ(d90)は150ミクロンであった。
例2
結晶化プロセスを,図4に図示で,上述したキャビテーション装置400で実行し,ここで,装置400は,8,000psi,公称流速800ml/minの動作能力をもつ。使用されたオリフィスは0.010インチ(0.0254cm)の直径,600psi上部圧力のものである。エタノール(逆溶媒)を,高圧で貫通チャネル415に供給し,NaCl(供給溶液)を高圧で,オリフィス450の上流のポート455を経て貫通チャネル415に,逆溶媒/供給溶液比が2:1で導入した。組み合わされた逆溶媒と供給溶液はオリフィス450を通過し,流体力学的キャビテーションにより核の形成がなされる。
結晶粒の大きさ(d90)は30ミクロンであった。
例3
例2の結晶化プロセスが結晶化装置400で繰り返されたが,3,000psiという非常に高い流体力学的圧力の下でなされた。
結晶粒の大きさ(d90)は20ミクロンであった。
例4
例2の結晶化プロセスが結晶化装置400で繰り返されたが,6,500psiという非常に高い流体力学的圧力の下でなされた。
結晶粒の大きさ(d90)は14ミクロンであった。
例5
例2の結晶化プロセスが結晶化装置400で繰り返されたが,1,000psiという非常に高い流体力学的圧力の下でなされた。
結晶粒の大きさ(d90)は10ミクロンであった。
例6
結晶化プロセスを,図5に図示で,上述したキャビテーション装置500で実行し,ここで,使用されたオリフィスは400psi上部圧力の下,0.010インチ(0.0254cm)の直径をもつ。
2000mlのエタノール(逆溶媒)を結晶化装置500で循環させた。250mlのNaClの溶液が入口ポート455を経てオリフィス450の局所制限部に直接向かうように結晶化デバイス500に添加した。添加時間は7分であった。
結晶粒の大きさ(d90)は20ミクロンであった。
本発明を好適実施例とともの記述したが,当業者であれば,いろいろな変形,修正が本発明の思想,範囲内でなし得ることは明らかである。好適実施例の図面,記述は本発明の範囲を限定するものではなく,あくまでも例示であり,これら変形,修正は,本発明の思想,範囲に属するものである。
図1は本発明の一実施例にしたがった流体力学的キャビテーション結晶化装置10の縦断面図である。 図2は本発明の他の実施例にしたがった流体力学的キャビテーション結晶化装置200の縦断面図である。 図3は本発明の他の実施例にしたがった流体力学的キャビテーション結晶化装置300の縦断面図である。 図4は本発明の他の実施例にしたがった流体力学的キャビテーション結晶化装置400の縦断面図である。 図5は本発明の他の実施例にしたがった流体力学的キャビテーション結晶化装置500の縦断面図である。 図6は本発明の他の実施例にしたがった流体力学的キャビテーション結晶化装置4600の縦断面図である。 図7は本発明の他の実施例にしたがった流体力学的キャビテーション結晶化装置700の縦断面図である。 図8は本発明の他の実施例にしたがった流体力学的キャビテーション結晶化装置800の縦断面図である。 図9は本発明の他の実施例にしたがった流体力学的キャビテーション結晶化装置900の縦断面図である。 図10は本発明の他の実施例にしたがった流体力学的キャビテーション結晶化装置1000の縦断面図である。 図11は本発明の他の実施例にしたがった流体力学的キャビテーション結晶化装置1100の縦断面図である。

Claims (30)

  1. 結晶化キャビテーションを利用して,化合物を結晶化するための方法であって,
    結晶化させるべき化合物を含む溶液の,少なくともひとつの流体流と,逆溶媒の,少なくともひとつの流体流とを混合するプロセスと,
    結晶の核を生成し,さらに結晶を直接形成するために,流体力学的キャビテーションを形成すべく,流れの局所制限部に,圧力が上昇した混合流体を通過させる工程と,
    を含む方法。
  2. 結晶化させるべき化合物が無機剤である,請求項1の記載の方法。
  3. 結晶化させるべき化合物が有機材である,請求項1の記載の方法。
  4. 混合する工程が,流れの局所制限部の前で生ずる,請求項1に記載の方法。
  5. 混合する工程が,流れの局所制限部で生ずる,請求項1に記載の方法。
  6. 流体力学的キャビテーションがキャビテーション発生器により形成される,請求項1に記載の方法。
  7. 流体力学的キャビテーションを使用して化合物を結晶化する装置であって,
    貫通チャネルであって,該貫通チャネルに逆溶媒を入れるための入口を有するところの貫通チャネルと,
    結晶化させるべき化合物を含む溶液を貫通チャネルに導入し,逆溶媒と溶液とを混合できるように,貫通チャネル内に位置するポートと,
    流体力学的キャビテーションにより結晶の核を生成し,さらに結晶を直接形成するために,流れの局所制限部を形成すべく,貫通チャネル内に位置するキャビテーション発生器と,
    を含む装置。
  8. 貫通チャネルが実質的に円形の断面を有する,請求項7に記載の装置。
  9. ポートが,流れの局所制限部の上流に位置する,請求項7に記載の装置。
  10. ポートが,流れの局所制限部内に位置する,請求項7に記載の装置。
  11. 結晶化させるべき化合物を含む第二の溶液を導入するために,貫通チャネルに位置する第二のポートをさらに含む,請求項7に記載の装置。
  12. 第二のポートが流れの局所制限部の上流に位置する,請求項11に記載の装置。
  13. 第二のポートが流れの局所制限部内に位置する,請求項11に記載の装置。
  14. キャビテーション発生器が貫通チャネル内に位置するバッフルを含み,該バッフルが,流体流と衝突する円錐状表面,および貫通チャネルとともに流れの局所制限部を形成する円筒状表面を有する,請求項7に記載の装置。
  15. 流れの局所制限部が環状オリフィスである,請求項14に記載の装置。
  16. キャビテーション発生器が,流れの局所制限部を形成するように中に位置する,少なくともひとつのオリフィスを有するディスクを含む,請求項7に記載の装置。
  17. キャビテーション発生器が,貫通チャネルの壁から離れた少なくともひとつのバッフルを含み,このことにより,流れの局所制限部が,その壁とバッフルとの間に形成される,請求項6に記載の方法。
  18. 少なくともひとつの界面活性剤を,混合した流体流に添加する,請求項1に記載の方法。
  19. 結晶の核の生成および直接の結晶の形成が,流れの局所制限部の下流に位置する流体力学的キャビテーション場で生じる,請求項1に記載の方法。
  20. 結晶化プロセスで結晶の核を形成する方法であって,
    少なくともひとつの供給溶液の流体流および少なくとのひとつの逆溶媒の流体流を水力学的キャビテーション結晶化装置に流し,該装置内で,混合流体流を形成するために,供給溶液および逆溶媒を混合する工程と,
    前記装置内で,混合した流体流を流れの局所制限部に通過させ,このことにより流れの局所制限部の下流にキャビテーション泡を形成する工程と,
    結晶の核を生成し,結晶を生成するために、キャビテーションを上昇した静的圧力領域で潰す工程と,
    を含む方法。
  21. 少なくともひとつの界面活性剤を流体力学的キャビテーション結晶化装置に添加する工程と,供給溶液,逆溶媒および混合した流体流のひとつ以上と界面活性剤と混合する工程とを含む,請求項20に記載の方法。
  22. 結晶を分離する工程を含む,請求項20に記載の方法。
  23. 少なくともひとつの供給溶液または少なくともひとつの逆溶媒が,エタノール,メタノール,エチルアセテート,ハロゲン化溶媒,塩化メチレン,アセトニトリル,酢酸,ヘキサン,エーテルおよび水のひとつ以上を含む,請求項20に記載の方法。
  24. 少なくともひとつの供給溶液または少なくともひとつの逆溶媒がひとつ以上の界面活性剤を含む,請求項20に記載の方法。
  25. 流れの局所制限部が,貫通チャネルの壁の少なくとも一部と,該壁の少なくとも一部から離れたバッフルとの間に画定される,請求項20に記載の方法。
  26. 装置内の流れの局所制限部に,混合した流体流を通過させる工程が,その混合した流体流の速度を,少なくともひとつの供給溶液と少なくともひとつの逆溶媒の物理的特性により決定される最小速度に増加させることを含む,請求項20に記載の方法。
  27. 化合物から結晶を形成する方法であって,
    流体力学的キャビテーションを形成することができる装置内の流れの局所制限部に第一の流体を流す工程と,
    流れの局所制限部に第二の流体を導入して第一の流体と第二の流体との混合流体を形成する工程と,
    流れの局所制限部の下流に流体力学的キャビテーション場,および混合流体中にキャビテーション泡を生成する工程と,
    結晶の核を生成し,結晶を形成するために、キャビテーションを上昇した静的圧力領域で潰す工程と,
    を含む方法。
  28. 第一の流体が少なくともひとつの供給溶液を含み,第二の流体が少なくともひとつの逆溶媒を含む,請求項27に記載の方法。
  29. 第一の流体が少なくともひとつの逆溶媒を含み,第二の流体が少なくともひとつの供給溶液を含む,請求項27に記載の方法。
  30. 流れの局所制限部が,貫通チャネルの壁の少なくとも一部,該壁の少なくとも一部から離れたバッフルとの間に画定される,請求項27に記載の方法。
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