一種通過超聲波控制結晶成核過程的結晶器的制作方法

本發(fā)明屬于結晶設備領域，特別涉及一種通過超聲波控制結晶成核過程的結晶器。

背景技術：

現(xiàn)代工業(yè)結晶技術與設備是制備生物醫(yī)藥高端產(chǎn)品的共性核心技術，是具有綠色化與智能化特征的精加工核心技術，是實現(xiàn)生物醫(yī)藥由低端粗品向高端功能精品提升的核心技術，是對生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)競爭力整體提升具有帶動性、全局性影響的關鍵共性核心技術。加強該領域的研發(fā)已經(jīng)成為必須搶占的戰(zhàn)略制高點。

晶核是過飽和溶液中新生產(chǎn)的微小晶體粒子，是晶體生長過程必不可少的核心。成核速率是決定晶體產(chǎn)品粒度分布的首要動力學因素，但在工業(yè)結晶過程中，通常初級成核發(fā)生在高過飽和度的條件下，體系處于熱力學非穩(wěn)定狀態(tài)，使成核過程難以控制。目前，在結晶過程中，通常通過添加晶種的方式來促使成核在低過飽和度下發(fā)生。研磨是目前用來生產(chǎn)晶種的最常用方式，但通過研磨產(chǎn)生的晶種粒度和粒度分布難以控制。同時，研磨過程存在容易引入雜質(zhì)，原料浪費，揚塵污染等問題。另外，當研磨后的晶種加入體系時，往往因研磨產(chǎn)生的靜電導致聚結，使其在液相中分散較困難。而超聲波誘導產(chǎn)生的晶核不存在以上問題，是實現(xiàn)在低飽和度下對晶體成核過程進行控制的有效手段。

目前超聲波難以應用在工業(yè)結晶器上進行成核控制的原因是誘導成核需要的超聲能量相對較高，使用單個超聲發(fā)生器發(fā)射的超聲能量容易分散，難以在低過飽和度的情況下促進晶核產(chǎn)生。必須使用超聲波聚能器增加單位體積的能量密度以誘導晶核產(chǎn)生，縱向安裝時超聲波聚能器的變幅桿長度有限，難以深入結晶體系，無法保證晶核擴散。橫向安裝時，超聲波變幅桿在結晶器中阻礙流體流動，突出部分容易與晶體碰撞產(chǎn)生晶垢。需要設計新型的超聲發(fā)生器以解決能量密度低和難以安裝的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種通過超聲波控制結晶成核過程的結晶器，不僅能夠提供足夠能量密度誘導成核，而且能夠方便地將現(xiàn)有的工業(yè)結晶器改造成本發(fā)明，方便晶體成核控制。

本發(fā)明的目的通過以下技術方案予以實現(xiàn)：

本發(fā)明涉及一種通過超聲波控制結晶成核過程的結晶器，包括以下部件：

結晶母液容器3,

至少一組成核誘導器6，其中每組內(nèi)的成核誘導器6的個數(shù)為多個，其中每一個成核誘導器6包括超聲波發(fā)射片1和導能頭2，所述導能頭2與所述超聲波發(fā)射片1和所述結晶母液容器3的外壁貼合固定。

本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，所述導能頭2用于對所述超聲波發(fā)射片1發(fā)射的超聲波進行定向傳導。

本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，所述導向頭2和超聲波發(fā)射片1的布置方式使得其所發(fā)出的超聲波與所述結晶母液容器3法線方向的夾角為40-80°。

本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，每組內(nèi)的多個所述超聲波發(fā)射片1的布置方式使得它們所發(fā)射的超聲波通過所述導能頭2定向傳導后聚焦于結晶母液容器3內(nèi)的非圓心位置處的超聲波聚焦點5。

本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，各組成核誘導器6各自的超聲波聚焦點5的位置彼此獨立地設置。

本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，所述超聲波聚焦點5位于結晶母液容器3的結晶母液的環(huán)流區(qū)域內(nèi)。

其中所述導能頭的材質(zhì)為能傳遞超聲波的材料，但其外壁上覆蓋有阻擋超聲波的材料，而僅在希望超聲波傳遞的方向上未覆蓋阻擋超聲波的材料，從而起到對超聲波進行定向傳導的作用。

本發(fā)明的工作過程為：所述超聲波發(fā)射片1產(chǎn)生的超聲波，通過所述導能頭2定向傳導后進入所述結晶母液容器3中。通過多束超聲波聚焦，在焦點形成單束超聲波無法達到的能量密度，刺激晶核大量產(chǎn)生。同時，通過調(diào)整所述導能頭2的定向傳導方向，使每一組內(nèi)的各超聲波發(fā)射片所發(fā)出的超聲波聚焦點5位于所述結晶母液容器3的結晶母液的環(huán)流區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)，結晶母液在攪拌器作用下做上下環(huán)流運動，使得通過超聲波聚焦作用產(chǎn)生的晶核能夠迅速隨流體擴散至整個所述結晶母液容器3，防止表面能較高的晶核發(fā)生聚結的同時，保證整個所述結晶母液容器3內(nèi)各部分晶體的均勻生長，進而達到優(yōu)化晶體產(chǎn)品粒度、粒度分布、晶型等指標的目的。

本發(fā)明的關鍵點在于：利用多個超聲波發(fā)生器同步工作，通過多束超聲波聚焦，從而在聚焦區(qū)域內(nèi)累積足夠的能量密度，誘導晶核在低過飽和度下產(chǎn)生。同時，聚焦區(qū)域可以設定在結晶母液環(huán)流區(qū)域內(nèi)，可迅速將超聲波誘導的晶核均勻的擴散到整個結晶母液容器。

本發(fā)明有益效果：

1.有效提升晶體產(chǎn)品的質(zhì)量。超聲波可以使晶體的成核過程發(fā)生在較低過飽和度條件下，或使難于成核的物系成核，從而達到對結晶過程的控制，提升產(chǎn)品的粒度、粒度分布和晶型。

2.本發(fā)明裝置便于在現(xiàn)有結晶器基礎上進行升級而得到，不破壞現(xiàn)有結晶器結構，只需在其外部安裝若干組成核誘導器即可，易于改造和安裝。工業(yè)上結晶器通常由金屬制造，而金屬是超聲波的良導體，改造時只需將成核誘導器直接安裝在現(xiàn)有的結晶器的外壁上，并調(diào)整超聲發(fā)射片和導能頭的位置使發(fā)出的超聲波能聚焦于結晶器內(nèi)的母液環(huán)流區(qū)域即可。

3.生產(chǎn)過程中不易引入新的雜質(zhì)。成核誘導器本身與結晶母液不直接接觸，不會在生產(chǎn)過程中引入新的雜質(zhì)。

4.生產(chǎn)成本低廉，除導能頭需要根據(jù)結晶母液容器單獨設計加工外，其他部件使用標準部件即可，有效降低了生產(chǎn)成本。

5.能量輸入控制簡單，通過開關部分超聲波發(fā)生器即可提高或降低能量輸入值，從而控制聚焦區(qū)域的成核速率。尤其是在切換結晶器內(nèi)的產(chǎn)品品種時，通過調(diào)整能量輸入可取得操作的最優(yōu)條件。

6、節(jié)省設備成本，一個能有效誘導晶核產(chǎn)生的高功率的超聲波發(fā)射片的成本非常高昂，且因超聲波功率大而容易疲勞損壞。而使用多個廉價的較低功率的超聲波發(fā)射片經(jīng)過聚焦作用，同樣能有效誘導晶核產(chǎn)生，但成本顯著下降(因為超聲波發(fā)射片功率越高，價格越昂貴，且二者并非線性關系，而是類似于指數(shù)型增長關系)，且超聲波發(fā)射片在低功率下工作更不容易受損。

附圖說明

圖1是本裝置結構示意圖；

圖2是本裝置中結晶母液容器的結晶母液環(huán)流示意圖；

圖3是超聲誘導產(chǎn)生的蔗糖晶種的粒度分布；

圖4是研磨產(chǎn)生的蔗糖晶種的粒度分布；

圖5是不開啟超聲波成核誘導器時蔗糖晶體的粒度分布；

圖6是開啟1組超聲波成核誘導器時蔗糖晶體的粒度分布；

圖7是開啟2組超聲波成核誘導器時蔗糖晶體的粒度分布。

圖中：1-超聲波發(fā)射片，2-導能頭，3-結晶母液容器，4-結晶母液容器法線方向，5-超聲波聚焦點，6-成核誘導器。

具體實施方式

以下實施例旨在說明本發(fā)明的內(nèi)容，而不是對本發(fā)明保護范圍的進一步限定。

實施例1

本實施例是以蔗糖為溶質(zhì)，以水為溶劑，以甲醇為溶析劑的溶析結晶過程。

分別對超聲誘導產(chǎn)生的晶種和研磨產(chǎn)生的晶種進行粒度分析的結果如圖3和4所示，從圖中可以看出，超聲誘導產(chǎn)生的蔗糖晶種的主粒度和粒度分布范圍都遠遠優(yōu)于研磨產(chǎn)生的晶種，因此更易產(chǎn)生粒度分布均勻的晶體，同時，超聲波誘導產(chǎn)生的晶種在結晶母液容器中更容易分散。因此當結晶模塊容積能夠保證混合均勻時，經(jīng)超聲誘導的晶種不存在分散問題。

實施例2

在100升結晶母液容器上安裝兩組超聲波結晶器，每組包含3個60w超聲波發(fā)生器，并使得產(chǎn)生的超聲波聚焦于結晶母液的環(huán)流區(qū)域。在結晶母液容器內(nèi)以水為溶劑，以甲醇為溶析劑生產(chǎn)蔗糖晶體的溶析結晶，將2.6千克蔗糖溶解于15千克水中，在30℃的條件下，按照0.4kg/min的流加速率勻速加入80千克甲醇中，進行間歇性的溶析結晶。

在超聲波成核誘導器不開啟的情況下，晶核在加入19千克甲醇的情況下析出，停止流加甲醇半小時后恢復加料，流加全部80千克甲醇后，結晶體系繼續(xù)攪拌40分鐘，過濾，抽干母液，常溫下用甲醇洗滌晶體后，進行粒度分析。晶體的粒度分布如圖5所示，從圖中可以看出晶體的主粒度為90.47μm，粒度分布變異系數(shù)為：98.4％。

在使用1組超聲波成核誘導器的情況下，超聲波于結晶體系加入13.7千克甲醇的情況下開啟晶核析出后，停止流加甲醇半小時后恢復加料，流加全部65千克甲醇后，結晶體系繼續(xù)攪拌40分鐘，過濾，抽干母液，常溫下用甲醇洗滌晶體后，進行粒度分析，晶體的粒度分布如圖6所示，可見晶體的主粒度為：299.04μm，粒度分布變異系數(shù)為：84.8％。

在使用2組超聲波成核誘導器的情況下，超聲波于結晶體系加入12千克甲醇的情況下開啟，待晶核析出后，停止流加甲醇半小時后恢復加料，流加全部65千克甲醇后，結晶體系繼續(xù)攪拌40分鐘，過濾，抽干母液，常溫下用甲醇洗滌晶體后，進行粒度分析。晶體的粒度分布圖如圖7所示，可見晶體的主粒度為：389.14μm，粒度分布變異系數(shù)為：54.9％。

從圖5至圖7中可以看出，引入超聲波成核誘導器能夠有效的控制結晶過程，增加晶體的主粒度，并降低晶體的粒度分布變異系數(shù)，使得到的晶體產(chǎn)品粒徑更集中。通過調(diào)整開啟超聲波結晶器的數(shù)量可以控制晶核產(chǎn)生的數(shù)量，進而對最終產(chǎn)品的粒度和粒度分布做出調(diào)整。