結(jié)晶系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于在溶劑中溶解和待結(jié)晶的材料的結(jié)晶的系統(tǒng)和方法，其中所述材料尤其是鹽。
【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)晶可具有許多不同領(lǐng)域的應(yīng)用，例如制備純物質(zhì)和最純的物質(zhì)(尤其在醫(yī)藥學(xué)工業(yè)中)、溶液中兩種或更多種物質(zhì)的沉淀的分步結(jié)晶和含有鹽的溶液的的體積的降低，以及借助于結(jié)晶制備鹽?？紤]到制備純物質(zhì)和最純的物質(zhì)，尋求具體定義的結(jié)晶，其中過飽和可通過參數(shù)體積流量、溫度和驅(qū)動電位設(shè)定?？紤]到分步結(jié)晶，相對于晶體質(zhì)量盡可能塊的結(jié)晶是有利的，結(jié)晶也能夠通過參數(shù)體積流量、溫度和驅(qū)動電位設(shè)定。
[0003]可能結(jié)晶的濃縮方法描述于文獻(xiàn)WO 2012/112601 A2中，其中使用濃度差。這種方法的一個缺點在于板設(shè)備，其中來源于蒸氣壓縮機(jī)的蒸氣冷凝、浸沒在應(yīng)進(jìn)行結(jié)晶的溶液中。這一程序?qū)ぷ髁亢统杀镜囊髽O高，以便維持溶液的起泡在較低程度或抑制其起泡。如果溶液起泡，必須采用不合需要的按比例調(diào)整作用，借助于這一作用發(fā)生借助于結(jié)晶的結(jié)殼。出于這個原因，必須試圖使用在工作量和成本方面苛刻的測量和調(diào)節(jié)技術(shù)避免溶液起泡。此外，既定結(jié)晶所需的過飽和以及過飽和程度僅可按復(fù)雜的方式以既定方法設(shè)定。
[0004]其它已知結(jié)晶器是蒸氣結(jié)晶器、再循環(huán)冷卻結(jié)晶器和真空結(jié)晶器。
[0005]通過在蒸氣結(jié)晶器中蒸發(fā)溶劑來引起鹽的結(jié)晶。
[0006]再循環(huán)冷卻結(jié)晶器具有試管結(jié)晶器(溶液引入到其中)以及彈性薄片刮刀(其刮擦試管壁處的引入到試管結(jié)晶器中的溶液)。在溶液冷卻時，其中產(chǎn)生晶體，其由彈性薄片刮刀刮掉并且傳送到出口。接著將晶體漿料和殘余溶液傳送到離心機(jī)并且在離心機(jī)處分離。
[0007]在真空結(jié)晶期間，將熱飽和溶液引入到抽成真空的容器中。一部分溶液在真空蒸發(fā)時開始沸騰。從溶液抽取蒸發(fā)能量，引起溶液冷卻。由此，借助于濃縮和冷卻在結(jié)晶容器中產(chǎn)生過飽和溶液。
[0008]由于已知的結(jié)晶器具有較大體積，僅可緩慢地調(diào)適用于控制過程的過程參數(shù)，如例如溫度。出于這個原因，難以進(jìn)行精確定義的結(jié)晶。用于準(zhǔn)許不同材料一個接一個結(jié)晶并且靶向分離成溶離份的緩慢、靶向冷卻也僅可能以復(fù)雜的方式進(jìn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明是基于產(chǎn)生改良的用于溶劑中溶解和待結(jié)晶材料的結(jié)晶的系統(tǒng)的目標(biāo)，其確保盡可能簡單和緊湊的總成的可靠和高能效結(jié)晶。此外，應(yīng)提供相應(yīng)方法。
[0010]具體來說，結(jié)晶系統(tǒng)應(yīng)以使得可通過鹽溶液的流速和溫度來影響結(jié)晶位置的方式經(jīng)配置。此外，結(jié)晶系統(tǒng)應(yīng)能夠通過小體積實現(xiàn)流速和溫度的快速變化以及避免設(shè)備中可進(jìn)行結(jié)晶的空氣/氣體邊界表面、以節(jié)省晶體的方式工作、以可設(shè)定的方式設(shè)計晶體形狀和粒徑、進(jìn)行分步結(jié)晶和在連續(xù)操作期間分離晶體。
[0011]作為本發(fā)明的基礎(chǔ)的目標(biāo)是通過以下各者來實現(xiàn):用于溶劑中溶解和待結(jié)晶材料的結(jié)晶的系統(tǒng)，其中所述材料尤其是鹽，所述系統(tǒng)具有待濃縮溶液流動通過的結(jié)晶設(shè)備，所述溶液具有溶劑以及其中的溶解和待結(jié)晶的材料，和溫度低于待濃縮溶液的液體。結(jié)晶設(shè)備具有至少一個引導(dǎo)待濃縮溶液的流道和至少一個引導(dǎo)液體的流道。引導(dǎo)待濃縮溶液的各別流道的內(nèi)部空間至少部分通過可被溶劑的蒸氣但不被由液體溶劑滲透的薄膜壁結(jié)合。引導(dǎo)液體的各別流道與至少一個引導(dǎo)待濃縮溶液的各別流道相關(guān)聯(lián)并且具體來說，與其相鄰地配置。
[0012]因為待濃縮溶液與液體相比具有較高溫度并且具體來說，較高蒸氣壓，各別流道的內(nèi)部空間中待濃縮溶液的蒸氣壓與薄膜壁的相鄰側(cè)面相比較大。這一在薄膜壁上方并且通過薄膜壁設(shè)定的蒸氣壓差在其中引起溶劑從待濃縮溶液傳遞通過可被蒸氣類溶劑滲透的薄膜壁。
[0013]待濃縮溶液借助于流道沿薄膜壁移動，使得在通過流道的路徑上從待濃縮溶液移除溶劑。通過沿薄膜壁增加待濃縮溶液中溶解和待結(jié)晶材料的濃度來開始成核和結(jié)晶。
[0014]由于這一形成，系統(tǒng)可保持相對簡單和緊湊，同時具有相對較大結(jié)晶效能。也尤其可以在無任何問題的情況下提供大量的用于引導(dǎo)待濃縮溶液的流道和用于引導(dǎo)液體的流道，由此相應(yīng)地提高系統(tǒng)的功效。
[0015]蒸氣可滲透、不透液薄膜壁可以是中空纖維或試管或平面元件的器壁。結(jié)晶設(shè)備可例如經(jīng)配置為一束中空纖維或一群導(dǎo)管、板模塊或纏繞模塊。薄膜壁可例如由微孔、疏水性材料制成，例如由聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯或聚偏二氟乙烯制成。
[0016]通過在結(jié)晶設(shè)備中使用流道，少量待濃縮溶液與大型材料和熱交換表面接觸。小體積具有低熱慣性并且對過程參數(shù)(如例如溫度)的變化快速反應(yīng)。
[0017]結(jié)晶需要溶液的過飽和。待濃縮溶液可在其進(jìn)入過程時已具有飽和點處的待結(jié)晶材料濃度。通過在過程期間較少待濃縮溶液中的溶劑來弓I起濃度增加、飽和和過飽和實現(xiàn)以及成核和晶體生長。過飽和程度可通過流速和由薄膜壁上方和通過薄膜壁的蒸氣壓差引起的驅(qū)動傾角設(shè)定，并且可以這一方式影響晶體形狀和粒徑。此外，可通過待濃縮溶液的流速和溫度影響結(jié)晶位置。
[0018]在過程開始時，引導(dǎo)待濃縮溶液的流道附近的空間可填充有液體或部分填充有液體或氣體并且可處于常壓或真空下。
[0019]根據(jù)一個實施例，引導(dǎo)液體的各別流道與引導(dǎo)待濃縮溶液的各別流道的薄膜壁直接相鄰。由于液體與待濃縮溶液相比具有降低蒸氣壓，以蒸氣形式穿過薄膜壁的溶劑直接進(jìn)入引導(dǎo)液體的流道，在流道中冷凝并且與已經(jīng)存在于流道中的液體混合。
[0020]可通過借助于蒸氣壓差進(jìn)行的待濃縮液體的蒸發(fā)和/或加濕而獲得的熱量在蒸氣穿過薄膜壁時供應(yīng)到具有較低蒸氣壓的液體。這通過穿過薄膜壁的蒸氣的冷凝引起待濃縮溶液的冷卻和穿過薄膜壁的與其相鄰的液體的加熱。
[0021]作為先前描述的實施例的一個替代方案，可在引導(dǎo)待濃縮溶液的各別流道與引導(dǎo)液體的各別流道之間配置所提供的用于引導(dǎo)移除穿過薄膜壁的溶劑的流道。引導(dǎo)液體的流道借助于尤其對溶劑來說氣密并且不透液，但導(dǎo)熱的器壁與所提供的用于引導(dǎo)移除穿過薄膜壁的溶劑的流道分隔開。
[0022]考慮到這一實施例，溶劑以蒸氣形式穿過薄膜壁并且在所述壁處冷凝，所述壁是氣密并且不透液的，并且分隔其它流道與引導(dǎo)液體的流道，并且借助于冷液體保持在足夠低的用于冷凝的溫度。接著，所述其它流道實現(xiàn)簡單的引導(dǎo)移除穿過薄膜壁和冷凝的溶劑。在過程開始時，所提供的用于引導(dǎo)移除穿過薄膜壁的溶劑的流道可填充有環(huán)境空氣，在過程開始之后，其接著快速地被穿過薄膜壁的溶劑填充。
[0023]在引導(dǎo)待濃縮溶液的流道與引導(dǎo)液體的流道之間配置其它流道的另一個優(yōu)點在于穿過薄膜壁的溶劑不會稀釋相鄰流道中的冷液體。
[0024]優(yōu)選的是，液體相對于待濃縮溶液以逆流形式流動通過結(jié)晶設(shè)備。然而，通常這類實施例似乎在液體相對于待濃縮溶液以順流形式流動通過結(jié)晶設(shè)備的情況下也可行。
[0025]為了能夠處理較大體積的物料流，結(jié)晶設(shè)備適宜包含多個引導(dǎo)待濃縮溶液并且彼此并行配置的流道和多個引導(dǎo)液體并且彼此并行配置的流道。對于既定體積物料流，待濃縮溶液的流速可通過彼此并行切換的流道的數(shù)目設(shè)定，并且也可以這種方式影響結(jié)晶的動力學(xué)。
[0026]與此相關(guān)，兩個引導(dǎo)待濃縮溶液的流道適宜與引導(dǎo)液體的流道中的至少一者相關(guān)聯(lián)。可有利地在用于引導(dǎo)液體的各別流道的對側(cè)配置用于引導(dǎo)待濃縮溶液的流道。通過這種措施，可降低用于引導(dǎo)液體的流道的數(shù)目。
[0027]可假設(shè)結(jié)晶設(shè)備具有可一個接一個切換的多個工作臺，其中每個工作臺包含多個彼此并行切換并且引導(dǎo)待濃縮溶液的流道。此外，由于至少兩個工作臺具有不同數(shù)目的用于引導(dǎo)待濃縮溶液的流道，待濃縮溶液的流速在具有較低數(shù)目的流道的工作臺中增加并且影響結(jié)晶的動力學(xué)。
[0028]根據(jù)本發(fā)明，待濃縮溶液沿薄膜壁移動并且待結(jié)晶材料的濃度借助于蒸氣壓差和流道中的增加路徑在薄膜壁上方和通過薄膜壁增加。
[0029]這引起用于引導(dǎo)待濃縮溶液的流道中的成核和結(jié)晶。待濃縮溶液與晶體之間存在密度差，所述密度差引起晶體開始沉降。
[0030]優(yōu)選的是，沉降物收集容器在用于引導(dǎo)待濃縮溶液的各別流道中的一者的底部鄰接，其中在沉降物收集容器中可捕獲沉降物，這里意指所產(chǎn)生的晶體。沉降物收集容器適宜由待濃縮溶液填充，但不允許待濃縮溶液流動通過。可在沉降物收集容器的下部區(qū)域提供出口，可例如通過所述出口清空沉降物收集容器以及借助于傳感器監(jiān)測。
[0031]在用于引導(dǎo)待濃縮溶液的流道的上部邊界處累積的晶體具有最長沉降路徑和最大沉降時間。在由流道高度和沉降速度產(chǎn)生的最大時間之后，晶體到達(dá)沉降物收集容器?？捎沙两禃r間和流速計算沉降所需的最大路徑長度?？紤]到例如沿薄膜壁通過溫度進(jìn)行的分步蒸饋，可針對待個別結(jié)晶的材料考慮這一問題。
[0032]為了有效回收在過程期間通過較低蒸氣壓轉(zhuǎn)移到液體的熱量，系統(tǒng)優(yōu)選包括熱交換器，其冷卻從結(jié)晶設(shè)備流出的液體并且用從其獲得的能量加熱待濃縮溶液。
[0033]為了實現(xiàn)良好的熱量回收，需要薄膜壁附近的液體之間具有小溫度差。然而，由于小溫度差僅產(chǎn)生通過薄膜壁的小電位差，需要較大薄膜表面用于足夠的熱和材料轉(zhuǎn)移。
[0034]可假設(shè)待濃縮溶液可流動通過用于引導(dǎo)待濃縮溶液的流道和用于引導(dǎo)液體的流道。換句話說，待濃縮液體用于具有較低蒸氣壓的液體，然而，出于這一目的，所述液體必須具有低于進(jìn)行結(jié)晶的流道中的液體的溫度。
[0035]在這一實施例中，從至少一個用于引導(dǎo)待濃縮溶液的流道的出口流出的溶液可供應(yīng)到冷卻元件，以便能夠在充分冷卻后被供應(yīng)到至少一個用于引導(dǎo)液體的流道的入口。以相應(yīng)方式，加熱元件和至少一個用于引導(dǎo)待濃縮溶液的流道的入口可連接至少一個用于引導(dǎo)液體的流道的出口的下游。
[0036]優(yōu)選的是，結(jié)晶設(shè)備被配置為模塊化流系統(tǒng)。出于這一目的，結(jié)晶設(shè)備具有多個框架元件，其可彼此組合以用于形成不同功能單元，具體來說，如至少一個用于引導(dǎo)待濃縮溶液的流道和至少一個用于引導(dǎo)液體的流道的功能單元，以形成包含至少兩個，具體來說至少十個框架元件的堆疊?？蚣茉謩e具有外部框架(其具有通道)、由外部框架結(jié)合的中心內(nèi)部區(qū)域和配置在中心內(nèi)部區(qū)域下方的沉降物收集容器。
[0037]系統(tǒng)且具體來說，結(jié)晶設(shè)備可以特定簡單方式組裝并且可借助于框架元件按所需方式變化。框架元件和/或借助于框架元件組裝的工作臺的特征在于相對簡單的形狀和提供液體傳導(dǎo)的不同可能性。
[0038]特別優(yōu)選的是，結(jié)晶設(shè)備具有至少兩種不同類型的框架元件，其交替組合以形成堆疊。在這一方面，一種類型的框架元件的中心內(nèi)部區(qū)域形成至少一個用于引導(dǎo)待濃縮溶液的流道的一部分并且另一種類型的框架元件的中心內(nèi)部區(qū)域形成至少一個用于引導(dǎo)液體的流道的一部分。
[0039]各別薄膜壁可配置在一種類型的框