結晶系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于在溶劑中溶解和待結晶的材料的結晶的系統和方法，其中所述材料尤其是鹽。
【背景技術】
[0002]結晶可具有許多不同領域的應用，例如制備純物質和最純的物質(尤其在醫藥學工業中)、溶液中兩種或更多種物質的沉淀的分步結晶和含有鹽的溶液的的體積的降低，以及借助于結晶制備鹽。考慮到制備純物質和最純的物質，尋求具體定義的結晶，其中過飽和可通過參數體積流量、溫度和驅動電位設定。考慮到分步結晶，相對于晶體質量盡可能塊的結晶是有利的，結晶也能夠通過參數體積流量、溫度和驅動電位設定。
[0003]可能結晶的濃縮方法描述于文獻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備，其中來源于蒸氣壓縮機的蒸氣冷凝、浸沒在應進行結晶的溶液中。這一程序對工作量和成本的要求極高，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整作用，借助于這一作用發生借助于結晶的結殼。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節技術避免溶液起泡。此外，既定結晶所需的過飽和以及過飽和程度僅可按復雜的方式以既定方法設定。
[0004]其它已知結晶器是蒸氣結晶器、再循環冷卻結晶器和真空結晶器。
[0005]通過在蒸氣結晶器中蒸發溶劑來引起鹽的結晶。
[0006]再循環冷卻結晶器具有試管結晶器(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晶器中的溶液)。在溶液冷卻時，其中產生晶體，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并且在離心機處分離。
[0007]在真空結晶期間，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時開始沸騰。從溶液抽取蒸發能量，引起溶液冷卻。由此，借助于濃縮和冷卻在結晶容器中產生過飽和溶液。
[0008]由于已知的結晶器具有較大體積，僅可緩慢地調適用于控制過程的過程參數，如例如溫度。出于這個原因，難以進行精確定義的結晶。用于準許不同材料一個接一個結晶并且靶向分離成溶離份的緩慢、靶向冷卻也僅可能以復雜的方式進行。
【發明內容】
[0009]本發明是基于產生改良的用于溶劑中溶解和待結晶材料的結晶的系統的目標，其確保盡可能簡單和緊湊的總成的可靠和高能效結晶。此外，應提供相應方法。
[0010]具體來說，結晶系統應以使得可通過鹽溶液的流速和溫度來影響結晶位置的方式經配置。此外，結晶系統應能夠通過小體積實現流速和溫度的快速變化以及避免設備中可進行結晶的空氣/氣體邊界表面、以節省晶體的方式工作、以可設定的方式設計晶體形狀和粒徑、進行分步結晶和在連續操作期間分離晶體。
[0011]作為本發明的基礎的目標是通過以下各者來實現:用于溶劑中溶解和待結晶材料的結晶的系統，其中所述材料尤其是鹽，所述系統具有待濃縮溶液流動通過的結晶設備，所述溶液具有溶劑以及其中的溶解和待結晶的材料，和溫度低于待濃縮溶液的液體。結晶設備具有至少一個引導待濃縮溶液的流道和至少一個引導液體的流道。引導待濃縮溶液的各別流道的內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合。引導液體的各別流道與至少一個引導待濃縮溶液的各別流道相關聯并且具體來說，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，各別流道的內部空間中待濃縮溶液的蒸氣壓與薄膜壁的相鄰側面相比較大。這一在薄膜壁上方并且通過薄膜壁設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晶材料的濃度來開始成核和結晶。
[0014]由于這一形成，系統可保持相對簡單和緊湊，同時具有相對較大結晶效能。也尤其可以在無任何問題的情況下提供大量的用于引導待濃縮溶液的流道和用于引導液體的流道，由此相應地提高系統的功效。
[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。結晶設備可例如經配置為一束中空纖維或一群導管、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]通過在結晶設備中使用流道，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(如例如溫度)的變化快速反應。
[0017]結晶需要溶液的過飽和。待濃縮溶液可在其進入過程時已具有飽和點處的待結晶材料濃度。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動傾角設定，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晶位置。
[0018]在過程開始時，引導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]根據一個實施例，引導液體的各別流道與引導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入引導液體的流道，在流道中冷凝并且與已經存在于流道中的液體混合。
[0020]可通過借助于蒸氣壓差進行的待濃縮液體的蒸發和/或加濕而獲得的熱量在蒸氣穿過薄膜壁時供應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，可在引導待濃縮溶液的各別流道與引導液體的各別流道之間配置所提供的用于引導移除穿過薄膜壁的溶劑的流道。引導液體的流道借助于尤其對溶劑來說氣密并且不透液，但導熱的器壁與所提供的用于引導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，所述其它流道實現簡單的引導移除穿過薄膜壁和冷凝的溶劑。在過程開始時，所提供的用于引導移除穿過薄膜壁的溶劑的流道可填充有環境空氣，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]在引導待濃縮溶液的流道與引導液體的流道之間配置其它流道的另一個優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]優選的是，液體相對于待濃縮溶液以逆流形式流動通過結晶設備。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晶設備的情況下也可行。
[0025]為了能夠處理較大體積的物料流，結晶設備適宜包含多個引導待濃縮溶液并且彼此并行配置的流道和多個引導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目設定，并且也可以這種方式影響結晶的動力學。
[0026]與此相關，兩個引導待濃縮溶液的流道適宜與引導液體的流道中的至少一者相關聯。可有利地在用于引導液體的各別流道的對側配置用于引導待濃縮溶液的流道。通過這種措施，可降低用于引導液體的流道的數目。
[0027]可假設結晶設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待濃縮溶液的流道。此外，由于至少兩個工作臺具有不同數目的用于引導待濃縮溶液的流道，待濃縮溶液的流速在具有較低數目的流道的工作臺中增加并且影響結晶的動力學。
[0028]根據本發明，待濃縮溶液沿薄膜壁移動并且待結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]這引起用于引導待濃縮溶液的流道中的成核和結晶。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]優選的是，沉降物收集容器在用于引導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測。
[0031]在用于引導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生的最大時間之后，晶體到達沉降物收集容器。可由沉降時間和流速計算沉降所需的最大路徑長度。考慮到例如沿薄膜壁通過溫度進行的分步蒸饋，可針對待個別結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移到液體的熱量，系統優選包括熱交換器，其冷卻從結晶設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移。
[0034]可假設待濃縮溶液可流動通過用于引導待濃縮溶液的流道和用于引導液體的流道。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行結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待濃縮溶液的流道的出口流出的溶液可供應到冷卻元件，以便能夠在充分冷卻后被供應到至少一個用于引導液體的流道的入口。以相應方式，加熱元件和至少一個用于引導待濃縮溶液的流道的入口可連接至少一個用于引導液體的流道的出口的下游。
[0036]優選的是，結晶設備被配置為模塊化流系統。出于這一目的，結晶設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待濃縮溶液的流道和至少一個用于引導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。框架元件分別具有外部框架(其具有通道)、由外部框架結合的中心內部區域和配置在中心內部區域下方的沉降物收集容器。
[0037]系統且具體來說，結晶設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的不同可能性。
[0038]特別優選的是，結晶設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部區域形成至少一個用于引導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部區域形成至少一個用于引導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