结晶系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于在溶剂中溶解和待结晶的材料的结晶的系统和方法，其中所述材料尤其是盐。
【背景技术】
[0002]结晶可具有许多不同领域的应用，例如制备纯物质和最纯的物质(尤其在医药学工业中)、溶液中两种或更多种物质的沉淀的分步结晶和含有盐的溶液的的体积的降低，以及借助于结晶制备盐。考虑到制备纯物质和最纯的物质，寻求具体定义的结晶，其中过饱和可通过参数体积流量、温度和驱动电位设定。考虑到分步结晶，相对于晶体质量尽可能块的结晶是有利的，结晶也能够通过参数体积流量、温度和驱动电位设定。
[0003]可能结晶的浓缩方法描述于文献WO 2012/112601 A2中，其中使用浓度差。这种方法的一个缺点在于板设备，其中来源于蒸气压缩机的蒸气冷凝、浸没在应进行结晶的溶液中。这一程序对工作量和成本的要求极高，以便维持溶液的起泡在较低程度或抑制其起泡。如果溶液起泡，必须采用不合需要的按比例调整作用，借助于这一作用发生借助于结晶的结壳。出于这个原因，必须试图使用在工作量和成本方面苛刻的测量和调节技术避免溶液起泡。此外，既定结晶所需的过饱和以及过饱和程度仅可按复杂的方式以既定方法设定。
[0004]其它已知结晶器是蒸气结晶器、再循环冷却结晶器和真空结晶器。
[0005]通过在蒸气结晶器中蒸发溶剂来引起盐的结晶。
[0006]再循环冷却结晶器具有试管结晶器(溶液引入到其中)以及弹性薄片刮刀(其刮擦试管壁处的引入到试管结晶器中的溶液)。在溶液冷却时，其中产生晶体，其由弹性薄片刮刀刮掉并且传送到出口。接着将晶体浆料和残余溶液传送到离心机并且在离心机处分离。
[0007]在真空结晶期间，将热饱和溶液引入到抽成真空的容器中。一部分溶液在真空蒸发时开始沸腾。从溶液抽取蒸发能量，引起溶液冷却。由此，借助于浓缩和冷却在结晶容器中产生过饱和溶液。
[0008]由于已知的结晶器具有较大体积，仅可缓慢地调适用于控制过程的过程参数，如例如温度。出于这个原因，难以进行精确定义的结晶。用于准许不同材料一个接一个结晶并且靶向分离成溶离份的缓慢、靶向冷却也仅可能以复杂的方式进行。
【发明内容】
[0009]本发明是基于产生改良的用于溶剂中溶解和待结晶材料的结晶的系统的目标，其确保尽可能简单和紧凑的总成的可靠和高能效结晶。此外，应提供相应方法。
[0010]具体来说，结晶系统应以使得可通过盐溶液的流速和温度来影响结晶位置的方式经配置。此外，结晶系统应能够通过小体积实现流速和温度的快速变化以及避免设备中可进行结晶的空气/气体边界表面、以节省晶体的方式工作、以可设定的方式设计晶体形状和粒径、进行分步结晶和在连续操作期间分离晶体。
[0011]作为本发明的基础的目标是通过以下各者来实现:用于溶剂中溶解和待结晶材料的结晶的系统，其中所述材料尤其是盐，所述系统具有待浓缩溶液流动通过的结晶设备，所述溶液具有溶剂以及其中的溶解和待结晶的材料，和温度低于待浓缩溶液的液体。结晶设备具有至少一个引导待浓缩溶液的流道和至少一个引导液体的流道。引导待浓缩溶液的各别流道的内部空间至少部分通过可被溶剂的蒸气但不被由液体溶剂渗透的薄膜壁结合。引导液体的各别流道与至少一个引导待浓缩溶液的各别流道相关联并且具体来说，与其相邻地配置。
[0012]因为待浓缩溶液与液体相比具有较高温度并且具体来说，较高蒸气压，各别流道的内部空间中待浓缩溶液的蒸气压与薄膜壁的相邻侧面相比较大。这一在薄膜壁上方并且通过薄膜壁设定的蒸气压差在其中引起溶剂从待浓缩溶液传递通过可被蒸气类溶剂渗透的薄膜壁。
[0013]待浓缩溶液借助于流道沿薄膜壁移动，使得在通过流道的路径上从待浓缩溶液移除溶剂。通过沿薄膜壁增加待浓缩溶液中溶解和待结晶材料的浓度来开始成核和结晶。
[0014]由于这一形成，系统可保持相对简单和紧凑，同时具有相对较大结晶效能。也尤其可以在无任何问题的情况下提供大量的用于引导待浓缩溶液的流道和用于引导液体的流道，由此相应地提高系统的功效。
[0015]蒸气可渗透、不透液薄膜壁可以是中空纤维或试管或平面元件的器壁。结晶设备可例如经配置为一束中空纤维或一群导管、板模块或缠绕模块。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]通过在结晶设备中使用流道，少量待浓缩溶液与大型材料和热交换表面接触。小体积具有低热惯性并且对过程参数(如例如温度)的变化快速反应。
[0017]结晶需要溶液的过饱和。待浓缩溶液可在其进入过程时已具有饱和点处的待结晶材料浓度。通过在过程期间较少待浓缩溶液中的溶剂来弓I起浓度增加、饱和和过饱和实现以及成核和晶体生长。过饱和程度可通过流速和由薄膜壁上方和通过薄膜壁的蒸气压差引起的驱动倾角设定，并且可以这一方式影响晶体形状和粒径。此外，可通过待浓缩溶液的流速和温度影响结晶位置。
[0018]在过程开始时，引导待浓缩溶液的流道附近的空间可填充有液体或部分填充有液体或气体并且可处于常压或真空下。
[0019]根据一个实施例，引导液体的各别流道与引导待浓缩溶液的各别流道的薄膜壁直接相邻。由于液体与待浓缩溶液相比具有降低蒸气压，以蒸气形式穿过薄膜壁的溶剂直接进入引导液体的流道，在流道中冷凝并且与已经存在于流道中的液体混合。
[0020]可通过借助于蒸气压差进行的待浓缩液体的蒸发和/或加湿而获得的热量在蒸气穿过薄膜壁时供应到具有较低蒸气压的液体。这通过穿过薄膜壁的蒸气的冷凝引起待浓缩溶液的冷却和穿过薄膜壁的与其相邻的液体的加热。
[0021]作为先前描述的实施例的一个替代方案，可在引导待浓缩溶液的各别流道与引导液体的各别流道之间配置所提供的用于引导移除穿过薄膜壁的溶剂的流道。引导液体的流道借助于尤其对溶剂来说气密并且不透液，但导热的器壁与所提供的用于引导移除穿过薄膜壁的溶剂的流道分隔开。
[0022]考虑到这一实施例，溶剂以蒸气形式穿过薄膜壁并且在所述壁处冷凝，所述壁是气密并且不透液的，并且分隔其它流道与引导液体的流道，并且借助于冷液体保持在足够低的用于冷凝的温度。接着，所述其它流道实现简单的引导移除穿过薄膜壁和冷凝的溶剂。在过程开始时，所提供的用于引导移除穿过薄膜壁的溶剂的流道可填充有环境空气，在过程开始之后，其接着快速地被穿过薄膜壁的溶剂填充。
[0023]在引导待浓缩溶液的流道与引导液体的流道之间配置其它流道的另一个优点在于穿过薄膜壁的溶剂不会稀释相邻流道中的冷液体。
[0024]优选的是，液体相对于待浓缩溶液以逆流形式流动通过结晶设备。然而，通常这类实施例似乎在液体相对于待浓缩溶液以顺流形式流动通过结晶设备的情况下也可行。
[0025]为了能够处理较大体积的物料流，结晶设备适宜包含多个引导待浓缩溶液并且彼此并行配置的流道和多个引导液体并且彼此并行配置的流道。对于既定体积物料流，待浓缩溶液的流速可通过彼此并行切换的流道的数目设定，并且也可以这种方式影响结晶的动力学。
[0026]与此相关，两个引导待浓缩溶液的流道适宜与引导液体的流道中的至少一者相关联。可有利地在用于引导液体的各别流道的对侧配置用于引导待浓缩溶液的流道。通过这种措施，可降低用于引导液体的流道的数目。
[0027]可假设结晶设备具有可一个接一个切换的多个工作台，其中每个工作台包含多个彼此并行切换并且引导待浓缩溶液的流道。此外，由于至少两个工作台具有不同数目的用于引导待浓缩溶液的流道，待浓缩溶液的流速在具有较低数目的流道的工作台中增加并且影响结晶的动力学。
[0028]根据本发明，待浓缩溶液沿薄膜壁移动并且待结晶材料的浓度借助于蒸气压差和流道中的增加路径在薄膜壁上方和通过薄膜壁增加。
[0029]这引起用于引导待浓缩溶液的流道中的成核和结晶。待浓缩溶液与晶体之间存在密度差，所述密度差引起晶体开始沉降。
[0030]优选的是，沉降物收集容器在用于引导待浓缩溶液的各别流道中的一者的底部邻接，其中在沉降物收集容器中可捕获沉降物，这里意指所产生的晶体。沉降物收集容器适宜由待浓缩溶液填充，但不允许待浓缩溶液流动通过。可在沉降物收集容器的下部区域提供出口，可例如通过所述出口清空沉降物收集容器以及借助于传感器监测。
[0031]在用于引导待浓缩溶液的流道的上部边界处累积的晶体具有最长沉降路径和最大沉降时间。在由流道高度和沉降速度产生的最大时间之后，晶体到达沉降物收集容器。可由沉降时间和流速计算沉降所需的最大路径长度。考虑到例如沿薄膜壁通过温度进行的分步蒸馈，可针对待个别结晶的材料考虑这一问题。
[0032]为了有效回收在过程期间通过较低蒸气压转移到液体的热量，系统优选包括热交换器，其冷却从结晶设备流出的液体并且用从其获得的能量加热待浓缩溶液。
[0033]为了实现良好的热量回收，需要薄膜壁附近的液体之间具有小温度差。然而，由于小温度差仅产生通过薄膜壁的小电位差，需要较大薄膜表面用于足够的热和材料转移。
[0034]可假设待浓缩溶液可流动通过用于引导待浓缩溶液的流道和用于引导液体的流道。换句话说，待浓缩液体用于具有较低蒸气压的液体，然而，出于这一目的，所述液体必须具有低于进行结晶的流道中的液体的温度。
[0035]在这一实施例中，从至少一个用于引导待浓缩溶液的流道的出口流出的溶液可供应到冷却元件，以便能够在充分冷却后被供应到至少一个用于引导液体的流道的入口。以相应方式，加热元件和至少一个用于引导待浓缩溶液的流道的入口可连接至少一个用于引导液体的流道的出口的下游。
[0036]优选的是，结晶设备被配置为模块化流系统。出于这一目的，结晶设备具有多个框架元件，其可彼此组合以用于形成不同功能单元，具体来说，如至少一个用于引导待浓缩溶液的流道和至少一个用于引导液体的流道的功能单元，以形成包含至少两个，具体来说至少十个框架元件的堆叠。框架元件分别具有外部框架(其具有通道)、由外部框架结合的中心内部区域和配置在中心内部区域下方的沉降物收集容器。
[0037]系统且具体来说，结晶设备可以特定简单方式组装并且可借助于框架元件按所需方式变化。框架元件和/或借助于框架元件组装的工作台的特征在于相对简单的形状和提供液体传导的不同可能性。
[0038]特别优选的是，结晶设备具有至少两种不同类型的框架元件，其交替组合以形成堆叠。在这一方面，一种类型的框架元件的中心内部区域形成至少一个用于引导待浓缩溶液的流道的一部分并且另一种类型的框架元件的中心内部区域形成至少一个用于引导液体的流道的一部分。
[0039]各别薄膜壁可配置在一种类型的框