In-line Monitoring of Precipitation Process using Raman Spectroscopy and ATR-FTIR

Abstract

Polymorfian jatkuva seuranta saostuksessa on hyödyllistä suunnittelun ja kidetuotteen ominaisuuksien sekä kiteytystä seuraavan jatkoprosessoinnin kannalta. Tässä diplomityössä on tutkittu L-glutamiinihapon kahden (- ja ß) polymorfimuodon liukoisuuden riippuvuutta pH:sta ja lämpötilasta.Tulokseksi saatiin, että kummankin polymorfin liukoisuus kasvoi sekä pH:ta ettälämpötilaa kasvatettaessa. ¿¿muodon liukoisuus oli korkeampi kuin ß-muodon liukoisuus valituilla pH-arvoilla eri lämpötiloissa. Lisäksi seurattiin puolipanostoimisen saostuksen aikana 1-litraisella laboratoriokiteyttimellä muodostuvan kiteisen polymorfiseoksen koostumusta hyödyntäen in-line Raman-spektroskopiaa. Myös liuoksen pH-muutosta seurattiin sekä liuoksen koostumusta ATR FTIR-spektroskopian (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectrometer) avulla. Tutkittavina muuttujina olivat mm. sekoitusintensiteetti, sekoitintyyppi, reaktanttien (natriumglutamaatti ja rikkihappo) konsentraatiot sekä syötetyn rikkihapon syöttökohta kiteyttimessä. Työhön sisältyi 36 koetta ja osa kokeista toistettiin tulosten oikeellisuuden tarkistamiseksi. Inline-mittaustulosten verifioimiseksi kidenäytteet analysoitiin myös käyttämällä konfokaali Raman-mikroskooppia. Kidemorfologiaa tutkittiin SEM-kuvien (Scanning Eletronic Microscope) avulla. Työ osoitti, että Raman-spektroskopia on joustava ja luotettava menetelmä saostusprosessin jatkuvaan seurantaan L-glutamiinihapolla. Alhaiset lähtöainepitoisuudet tuottivat pääasiassa ¿¿muotoa, kun taas alhainen sekoitusteho edisti ß-muodon muodostumista. Syöttökohta vaikutti merkittävästi polymorfiaan. Kun rikkihapon syöttökohta oli epäideaalisesti sekoitetulla vyöhykkeellä, nousi ylikylläisyystaso korkeaksi ja päätuote oli tällöin ß-muotoa. 6-lapainen vinolapaturbiini (nousukulma 45o) ja 6-lapainen levyturbiini eivät merkittävästi poikenneet toisistaan muodostuvien polymorfien osalta.

In-line monitoring of polymorphism in precipitation process is of great significance in designing and controlling the quality of the crystals and affecting the downstream unit operations. Firstly, the solubility of two polymorphs of L-glutamic acid was studiedas a function of pH at different temperatures. It was found out that the solubilities of both polymorphs increase with an increase of the temperature and pH, and the solubility of ¿-form is higher than that of ß-form at studied temperatures. Furthermore, precipitation of L-glutamic acid was studied by carrying out thirty six different experiments in this work. Semi-batch precipitation was investigated based on in-line measurement of polymorph fraction with Raman spectroscopy. The studied variables were the used impeller type, mixing intensity, reactant concentrations (sodium glutamate and sulfuric acid) and the feeding position of sulfuric acid. pH of solution was measured and also solution composition with anAttenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared spectrometer. The samples obtained from the experiments were also analyzed with a Raman spectrometer anda scanning electron microscope to verify the data from the in-line monitoring. The main results can be summarized as follows. Raman spectroscopy was feasible and reliable to monitor the precipitation process of L-glutamic acid. Low reactant concentration was advantageous for the ¿-form L-glutamic acid to form. Low mixing intensity enhanced more ß-form crystallization than ¿-form. Feeding positionwas crucial for the polymorphism, and the feeding position in non-ideally mixedzones led to high local supersaturation and thus the formation of more ß-form. The six pitched blade (45o) turbine and the six flat blade disc turbine did not make clear difference of polymorphism.