結晶

結晶
基礎
結晶 結晶構造 核形成
コンセプト
結晶 結晶成長 再結晶 種結晶 原結晶質 単結晶
方法と技術
ブール ブリッジマン・ストックバーガー法 ファン・アルケル・デ・ブール法 チョクラルスキー法 エピタキシー フラックス法 分別結晶化 フラクショナルフリージング 水熱合成 キロプロス法 レーザー加熱による台座成長 マイクロプルダウン 結晶成長における成形プロセス 頭蓋骨のるつぼ ベルヌーイ法 ゾーン溶融
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結晶化は固体が形成される過程であり、原子または分子が結晶と呼ばれる構造に高度に組織化されます。結晶が形成される方法には、溶液からの沈​​殿、凍結、またはまれにガスからの直接の堆積などがあります。結果として生じる結晶の特性は、温度、気圧、冷却速度、および液晶の場合は液体の蒸発時間などの要因に大きく依存します。

結晶化は 2 つの主要な段階で起こります。最初の段階は核形成で、過冷却液体または過飽和溶媒から結晶相が出現します。2 番目の段階は結晶成長と呼ばれ、粒子のサイズが増加して結晶状態になります。この段階の重要な特徴は、緩い粒子が結晶の表面に層を形成し、細孔や亀裂などの開いた凹凸に留まることです。

鉱物や有機分子の大部分は容易に結晶化し、その結果得られる結晶は一般に良質、すなわち目に見える欠陥のないものである。しかし、タンパク質のようなより大きな生化学粒子は結晶化が難しい場合が多い。分子が結晶化する容易さは、原子間力（鉱物物質の場合）、分子間力（有機および生化学物質）、または分子内力（生化学物質） の強さに大きく依存する。

結晶化も化学的な固液分離技術であり、液体溶液から純粋な固体結晶相への溶質の物質移動が起こります。化学工学では、結晶化は結晶化装置で起こります。したがって、結晶化は沈殿と関連していますが、結果は非晶質または無秩序ではなく、結晶です。

結晶化プロセスは、核形成と結晶成長という 2 つの主要なイベントで構成され、これらは熱力学的特性と化学的特性によって駆動されます。 核形成は、溶媒に分散している溶質分子または原子が微視的スケールでクラスターに集まり始めるステップです(小さな領域で溶質濃度が上昇します)。このクラスターは、現在の動作条件下で安定します。これらの安定したクラスターが核を構成します。したがって、安定した核になるためには、クラスターが臨界サイズに達する必要があります。このような臨界サイズは、さまざまな要因 (温度、過飽和など) によって決まります。核形成の段階で、原子または分子が定義された周期的な方法で配置され、結晶構造が定義されます。「結晶構造」は、原子または分子の相対的な配置を指す特別な用語であり、結晶のマクロ的な特性 (サイズと形状) を指すものではありません。ただし、マクロ的な特性は結晶内部構造の結果です。

結晶成長とは、核のサイズが大きくなり、臨界クラスター サイズを達成することです。結晶成長は、溶質分子または原子が溶液から沈殿し、再び溶液に溶解する平衡状態で発生する動的プロセスです。種の溶解度は K _{spによって定量化される平衡プロセスであるため、}過飽和は結晶化の原動力の 1 つです。条件によっては、核形成または成長のいずれかが他方よりも優勢になり、結晶サイズが決定されます。

多くの化合物は結晶化する能力があり、その中には異なる結晶構造を持つものがあり、この現象は多形と呼ばれます。特定の多形は準安定である可能性があります。つまり、熱力学的平衡ではないものの、運動学的には安定しており、平衡相への変換を開始するにはいくらかのエネルギー入力が必要です。各多形は実際には異なる熱力学的固体状態であり、同じ化合物の結晶多形は、溶解速度、形状（ファセット間の角度とファセット成長速度）、融点などの異なる物理的特性を示します。このため、多形は結晶製品の工業的製造において非常に重要です。さらに、結晶相は、温度などのさまざまな要因によって相互変換されることがあります。たとえば、二酸化チタンのアナターゼ相からルチル相への変換などです。

結晶化を伴う自然現象の例は数多くあります。

地質学的時間スケールのプロセスの例には次のものがあります。

• 天然（鉱物）結晶の形成（宝石も参照）。
• 鍾乳石/石筍、リング状構造。

人間の時間スケールのプロセスの例には次のものがあります。

• 雪の結晶の形成;
• 蜂蜜の結晶化（ほぼすべての種類の蜂蜜は結晶化します）。

結晶の形成は2つのタイプに分けられ、最初のタイプの結晶は酢酸ナトリウムなどの塩としても知られる陽イオンと陰イオンで構成されています。2番目のタイプの結晶はメントールなどの非電荷種で構成されています。^[1]

結晶は、冷却、蒸発、溶質の溶解度を下げるための第 2 の溶媒の添加 (アンチ溶媒またはドローンアウトと呼ばれる手法)、溶媒の層化、昇華、陽イオンまたは陰イオンの変更など、さまざまな方法で形成されます。

過飽和溶液の形成は結晶の形成を保証するものではなく、核形成部位を形成するために種結晶またはガラスの傷が必要になる場合が多くあります。

結晶形成のための典型的な実験室技術は、固体を部分的に溶解する溶液に溶解することです。通常は過飽和を得るために高温にします。次に、熱い混合物を濾過して不溶性の不純物を取り除きます。濾液はゆっくりと冷却します。形成された結晶は濾過され、溶解しないが母液と混和する溶媒で洗浄されます。その後、再結晶と呼ばれる技術で純度を高めるためにこのプロセスが繰り返されます。

溶媒チャネルが存在し続け、3次元構造をそのまま維持する生物学的分子の場合、油中でのマイクロバッチ結晶化^{[2]と蒸気拡散[3]}が一般的な方法であった。

結晶化のための主要な工業プロセスのための装置。

1. タンク結晶化装置。タンク結晶化は、一部の特殊なケースで現在でも使用されている古い方法です。タンク結晶化では、飽和溶液は開放タンクで冷却されます。一定時間後に母液を排出し、結晶を取り除きます。結晶の核形成とサイズを制御するのは困難です。^{[引用が必要]}通常、人件費が非常に高くなります。^{[引用が必要]}
2. 混合懸濁液、混合生成物除去（MSMPR）：MSMPRは、より大規模な無機結晶化に使用されます。MSMPRは、溶液を連続的に結晶化することができます。^[4]

結晶化のプロセスは、熱力学の第二原理に違反しているように見える。より秩序だった結果をもたらすプロセスのほとんどは熱を加えることによって達成されるが、結晶は通常、より低い温度、特に過冷却によって形成される。しかし、結晶化中に融解熱が放出されると、宇宙のエントロピーが増加するため、この原理は変わらない。

純粋で完全な結晶内の分子は、外部から加熱されると液体になります。これは、明確に定義された温度（結晶の種類ごとに異なる）で発生します。結晶が液化すると、結晶の複雑な構造が崩れます。分子の空間ランダム化によるシステムのエントロピー（S ）の増加が、結晶のパッキング力の破壊による エンタルピー（H ）の損失を上回ったため、融解が発生します。

${\displaystyle T(S_{\text{液体}}-S_{\text{固体}})>H_{\text{液体}}-H_{\text{固体}},}$

${\displaystyle G_{\text{液体}'',G_{\text{固体}}.}$

結晶に関しては、この規則に例外はありません。同様に、溶融結晶を冷却すると、温度が転換点を下回ると分子は結晶状態に戻ります。これは、周囲の熱ランダム化により、システム内の分子の再配置によって生じるエントロピーの損失が補われるためです。冷却すると結晶化する液体は、規則というよりは例外です。

結晶化プロセスの性質は、熱力学的要因と運動学的要因の両方によって左右されるため、非常に変動しやすく、制御が困難です。不純物レベル、混合方式、容器設計、冷却プロファイルなどの要因は、生成される結晶のサイズ、数、形状に大きな影響を与える可能性があります。

前述のように、結晶は分子レベルで作用する力によって決まる明確なパターン、つまり構造に従って形成されます。その結果、結晶の形成プロセス中、結晶は状態が変化する前にある特定の臨界値に達する溶質濃度の環境にあります。特定の温度と圧力条件での溶解度閾値以下では固体形成は不可能ですが、理論的な溶解度レベルよりも高い濃度では固体形成が発生する可能性があります。結晶化限界での溶質濃度の実際の値と理論的な（静的）溶解度閾値との差は過飽和と呼ばれ、結晶化の基本的な要因です。

核生成とは、液体溶液から固体結晶が形成されるなど、小さな領域での相変化の開始です。これは、準安定平衡状態にある均質相における分子スケールでの急速な局所的変動の結果です。総核生成は、一次核生成と二次核生成の 2 つのカテゴリの合計効果です。

一次核生成とは、他の結晶が存在しない、またはシステム内に結晶が存在してもプロセスに何の影響も及ぼさない、結晶の初期形成のことです。これは、2 つの状況で発生する可能性があります。1 つ目は均質核生成で、固体による影響をまったく受けない核生成です。これらの固体には、晶析装置容器の壁や異物粒子が含まれます。2 つ目のカテゴリは不均質核生成です。これは、異物固体粒子が核生成速度の増加を引き起こし、異物粒子がなければ見られなかった速度の増加を引き起こす場合に発生します。均質核生成は、核生成を触媒する固体表面がないと核生成を開始するのに高いエネルギーが必要なため、実際にはめったに発生しません。

一次核形成（均質核形成と不均質核形成の両方）は以下のようにモデル化されている：^[5]

${\displaystyle B={\dfrac {dN}{dt}}=k_{n}(cc^{*})^{n},}$

どこ

Bは単位体積あたり単位時間あたりに形成される核の数であり、

Nは単位体積あたりの核の数であり、

k _{n は}速度定数であり、

cは瞬間的な溶質濃度、

c ^*は飽和時の溶質濃度、

( c − c ^* ) は過飽和とも呼ばれ、

n は経験的な指数であり、最大 10 になりますが、通常は 3 から 4 の範囲になります。

二次核形成とは、マグマ中に存在する微細結晶の影響による核形成である。^[6]簡単に言えば、二次核形成とは、他の既存の結晶または「種」との接触によって結晶成長が開始されることである。^[7]既知の二次結晶化の最初のタイプは流体せん断に起因するものであり、もう 1 つは、既存の結晶と結晶化装置の固体表面または他の結晶自体との衝突に起因するものである。流体せん断核形成は、液体が結晶を高速で横切って移動し、結晶に組み込まれるはずの核を押し流し、押し流された核が新しい結晶になるときに発生する。接触核形成は、核形成の最も効果的で一般的な方法であることがわかっている。利点には次のものがある。^[6]

• 運動秩序が低く、速度が過飽和に比例するため、不安定な動作を起こさずに簡単に制御できます。
• 低過飽和状態で発生し、成長速度が最適で品質が向上します。
• 結晶が衝突する際に必要なエネルギーが低いため、既存の結晶が破壊されて新しい結晶になることを回避できます。
• 定量的な基礎はすでに分離されており、実践に組み込まれています。

以下のモデルは多少単純化されているが、二次核形成をモデル化するためによく使用される。^[5]

${\displaystyle B={\dfrac {dN}{dt}}=k_{1}M_{T}^{j}(cc^{*})^{b},}$

どこ

k _{1 は}速度定数であり、

M _Tは懸濁液の密度、

jは経験的指数であり、最大1.5までの範囲であるが、通常は1である。

b は最大 5 までの範囲の経験的指数ですが、通常は 2 です。

最初の小さな結晶である核が形成されると、それが結晶に触れている（または結晶に隣接している）溶質分子の収束点として機能し（過飽和のために不安定な場合）、結晶は連続する層で自身の寸法を拡大します。成長のパターンは、図に示すようにタマネギの輪に似ており、各色は同じ質量の溶質を示しています。この質量により、成長する結晶の表面積が増加するため、ますます薄い層が形成されます。元の核が時間単位で捕捉する過飽和の溶質の質量は、成長速度と呼ばれ、kg/(m ² *h) で表され、プロセスに固有の定数です。成長速度は、溶液の表面張力、圧力、温度、溶液内の相対的な結晶速度、レイノルズ数など、いくつかの物理的要因の影響を受けます。

したがって、制御する主な値は次のとおりです。

• 過飽和値は、結晶の成長に利用できる溶質の量の指標として使用されます。
• 単位流体質量あたりの結晶総表面積。溶質が結晶上に固定する能力の指標として使用されます。
• 保持時間は、溶質分子が既存の結晶と接触する確率の指標として使用されます。
• 流れのパターンは、溶質の分子が既存の結晶と接触する確率の指標として再び使用されます (層流では高く、乱流では低くなりますが、接触の確率はその逆になります)。

最初の値は溶液の物理的特性の結果であり、他の値は適切に設計された結晶化装置と適切に設計されていない結晶化装置の違いを定義します。

結晶化においては、結晶製品の外観とサイズ範囲が極めて重要である。結晶をさらに処理する必要がある場合、均一なサイズの大きな結晶は、洗浄、濾過、輸送、および保管に重要である。これは、大きな結晶の方が小さな結晶よりも溶液から濾過しやすいためである。^[8]また、大きな結晶は表面積と体積の比が小さいため、純度が上がる。この純度の高さは、不純物を含む母液の保持が少なく、母液を除去するために結晶を洗浄する際の収率の低下が少ないためである。製薬業界での薬物製造などの特殊なケースでは、薬物の溶解速度と生物学的利用能を改善するために、小さな結晶サイズが望まれることが多い。理論的な結晶サイズ分布は、ポピュレーションバランス理論（ポピュレーションバランス方程式を使用）と呼ばれるかなり複雑な数学的プロセスを使用して、動作条件の関数として推定できる。

溶解度に影響を与える重要な要因は次のとおりです。

• 集中
• 温度
• 溶媒混合組成
• 極性
• イオン強度

したがって、結晶化プロセスには 2 つの主要なグループがあると考えられます。

• 冷却結晶化
• 蒸発結晶化

この区分は実際には明確ではありません。蒸発によって冷却が行われ、同時に溶液の濃縮が得られるハイブリッド システムが存在するためです。

化学工学でよく言及される結晶化プロセスは、分別結晶化です。これは別のプロセスではなく、むしろ上記のいずれか（または両方）の特別な応用です。

ほとんどの溶媒に溶解するほとんどの化合物は、いわゆる直接溶解性を示します。つまり、溶解閾値は温度とともに増加します。

したがって、条件が適切であれば、溶液を冷却するだけで結晶が形成されます。ここでの冷却は相対的な用語です。鋼鉄のオーステナイト結晶は 1000 °C をはるかに超える温度で形成されます。この結晶化プロセスの例としては、硫酸ナトリウムの結晶形であるグラウバー塩の生成があります。図では、平衡温度がx 軸、平衡濃度 (飽和溶液中の溶質の質量パーセントとして) がy 軸に示されていますが、硫酸塩の溶解度が 32.5 °C 未満で急速に低下することは明らかです。 30 °C の飽和溶液を想定し、それを 0 °C まで冷却すると (これは凝固点降下により可能となることに注意)、溶解度が 29% (30 °C での平衡値) から約 4.5% (0 °C で) に変化し、硫酸塩の塊が沈殿します。実際には、硫酸塩は水和水を取り込むため、より大きな結晶塊が沈殿し、最終濃度が上昇するという副作用があります。

冷却結晶化の使用には制限があります。

• 多くの溶質は低温で水和物の形で沈殿します。前の例では、これは許容され、有用でさえありますが、たとえば、安定した水和物の結晶化形態に達するための水和水の質量が利用可能な水よりも大きい場合は、有害となる可能性があります。水和物溶質の単一のブロックが形成されます。これは塩化カルシウムの場合に発生します。
• 最も冷たい箇所で最大の過飽和が発生します。これらはスケールに敏感な熱交換器のチューブである可能性があり、熱交換が大幅に減少するか、中断される可能性があります。
• 温度の低下は通常、溶液の粘度の増加を意味します。粘度が高すぎると水力学的問題が発生する可能性があり、その結果生じる層流が結晶化のダイナミクスに影響を及ぼす可能性があります。
• これは、温度の低下とともに溶解度が増加することを示す用語である逆溶解度を持つ化合物には適用されません (例として、硫酸ナトリウムでは溶解度が 32.5 °C を超えると逆転します)。

最もシンプルな冷却晶析装置は、内部循環用のミキサーを備えたタンクで、ジャケット内を循環する中間流体との熱交換によって温度が低下します。これらのシンプルな機械は、医薬品の処理などのバッチ プロセスで使用され、スケールが発生しやすくなります。バッチ プロセスでは通常、バッチに応じて製品の品質が比較的変動します。

スウェンソンウォーカー晶析装置は、1920 年頃にスウェンソン社が考案したモデルで、半円筒形の水平中空トラフを備え、その中を中空スクリューコンベアまたは中空ディスクが縦軸に沿って回転しながら突っ込みます。冷却液は、トラフの周囲のジャケット内で循環することもあります。結晶はスクリュー/ディスクの冷たい表面に沈殿し、スクレーパーで取り除かれてトラフの底に沈みます。スクリューが備えられている場合は、スクリューがスラリーを排出口に向かって押し出します。

一般的な方法は、溶液をフラッシュ蒸発によって冷却することです。つまり、所定の T ₀温度の液体が圧力 P ₁のチャンバー内を移動し、 P ₁での液体飽和温度 T _{1が T 0}より低くなると、液体は温度差と溶媒の量に応じて熱を放出します。溶媒の総蒸発潜熱はエンタルピーの差に等しくなります。簡単に言えば、液体は一部が蒸発することによって冷却されます。

砂糖業界では、遠心分離の前に、真空パンの下流の最後の結晶化段階で糖蜜を排出するために垂直冷却結晶化装置が使用されます。マセキットは結晶化装置の上部に入り、冷却水はパイプを通って逆流でポンプで送られます。

もう 1 つの選択肢は、ほぼ一定の温度で、溶解度閾値を超えて溶質濃度を増加させることによって結晶を沈殿させることです。これを実現するには、蒸発技術を使用して溶質/溶媒の質量比を増加させます。このプロセスは温度の変化の影響を受けません (水和状態が変化しない限り)。

結晶化パラメータの制御に関するすべての考慮事項は、冷却モデルの場合と同じです。

工業用結晶装置のほとんどは蒸発型で、塩化ナトリウムやスクロースを製造する大型装置などがその生産量で世界の結晶生産量の 50% 以上を占めています。最も一般的なタイプは強制循環(FC) モデルです (蒸発装置を参照)。ポンプ装置 (ポンプまたは軸流ミキサー) が、交換面を含むタンク全体で結晶スラリーを均一に懸濁させます。ポンプの流量を制御することで、結晶塊と過飽和溶液の接触時間を制御し、交換面の速度を適切に制御できます。前述のオスロは、蒸発型強制循環結晶装置を改良したもので、大きな結晶沈降ゾーンを備え、保持時間 (FC では通常短い) を長くし、重いスラリーゾーンを透明な液体から大まかに分離します。蒸発型結晶装置は、平均結晶サイズが大きく、結晶サイズ分布曲線が狭くなる傾向があります。^[9]

晶析装置の形式が何であれ、効果的なプロセス制御を達成するには、結晶の比表面積と可能な限り速い成長に関して最適な条件を得るために、保持時間と結晶質量を制御することが重要です。これは、簡単に言えば、液体の塊から結晶を分離し、2 つの流れを別の方法で管理することによって実現されます。実用的な方法は、重力沈降を実行して(ほぼ) 透明な液体を抽出 (および可能であれば別途リサイクル) できるようにしながら、晶析装置周辺の質量流量を管理して他の場所で正確なスラリー密度を得ることです。典型的な例は、1950 年代末の Richard Chisum Bennett (Swenson のエンジニアで、後に Swenson の社長) のアイデアである DTB (ドラフト チューブとバッフル) 晶析装置です。DTB 晶析装置 (画像を参照) には、通常は軸流ミキサー (黄色) である内部循環装置がドラフト チューブ内を押し上げ、晶析装置の外側には環状の沈降領域があります。この装置では、排気溶液が非常に低速で上昇するため、大きな結晶は沈殿して主循環に戻り、一方、所定の粒径以下の微粒子のみが抽出され、温度の上昇または下降によって最終的に破壊され、さらなる過飽和が生じます。DTF結晶装置では結晶のサイズと特性を優れた方法で制御できるため、すべてのパラメータをほぼ完全に制御できます。^[10]この結晶装置と派生モデル（Krystal、CSCなど）は、蒸気ヘッドの直径が限られており、外部循環が比較的低いためにシステムに大量のエネルギーを供給できないため、蒸発能力に大きな制限がなければ、究極のソリューションになる可能性があります。

• イリノイ工科大学のウェブサイトにある「小分子結晶化」（PDF）
• アルケンバウト・ド・ブルーム、タイン (1995)。溶融結晶化技術CRC ISBN 1-56676-181-6 
• Geankoplis, CJ (2003)「輸送プロセスと分離プロセスの原理」第 4 版、Prentice-Hall Inc.
• Glynn PD および Reardon EJ (1990)「固溶体水溶液の平衡: 熱力学理論と表現」Amer. J. Sci. 290, 164–201。
• Jancic, SJ; Grootscholten, PAM: 「工業結晶化」、教科書、デルフト大学出版局および Reidel 出版社、デルフト、オランダ、1984 年。
• Mersmann, A. (2001)結晶化技術ハンドブックCRC; 第 2 版ISBN 0-8247-0528-9 

• バッチ結晶化
• 工業結晶化