I dette blogginnlegget skal vi utforske hvordan superkritiske væsker, spesielt karbondioksid, fungerer i krystalliseringsprosessen og hvorfor de er viktige for å kontrollere størrelsen og kvaliteten på faste partikler.
Løselighet er den maksimale mengden løsemiddel som kan løses i en gitt mengde løsemiddel ved konstant temperatur, og uttrykkes vanligvis som massen av løsemiddel som kan løses i 100 g løsemiddel. Løseligheten kan variere avhengig av egenskapene til løsemiddelet og løsemiddelet, samt forhold som temperatur og trykk. En overmettet blanding er en blanding der løsemiddelet er oppløst utover dets løselighet, og slike blandinger har en tendens til å gå tilbake til en mettet tilstand. På dette tidspunktet utfelles løsemiddelet som krystaller og når en stabil tilstand. Krystallisering er prosessen der en mettet blanding blir overmettet og løsemiddelet utfelles som faste partikler. Gjennom krystalliseringsprosessen kan små faste partikler oppnås. Denne krystalliseringsprosessen brukes i legemiddelindustrien, der biotilgjengeligheten til legemidler må økes.
Superkritiske væsker brukes ofte i krystalliseringsprosessen. Stoffer eksisterer i en superkritisk tilstand ved temperaturer og trykk over deres kritiske temperatur og kritiske trykk. Den kritiske temperaturen er den høyeste temperaturen der et stoff kan eksistere som en væske, og det kritiske trykket er det maksimale trykket der et stoff kan eksistere som en gass. Når temperaturen og trykket er over den kritiske temperaturen og det kritiske trykket, eksisterer stoffet i en superkritisk tilstand, som verken er væske eller gass. I en superkritisk tilstand er avstanden mellom molekylene i et stoff kortere enn når stoffet er en gass, men ikke så kort som når det er en væske. Løste stoffer og løsemidler kan bevege seg friere i en superkritisk tilstand eller gasstilstand enn i en flytende tilstand. I tillegg øker økningen av trykket som påføres en superkritisk væske dens tetthet, slik at den kan løse opp mer løsemiddel, noe som gjør det mulig å kontrollere partikkelstørrelsen til faste stoffer i krystalliseringsprosesser ved bruk av superkritiske væsker.
I GAS-prosessen brukes ofte superkritisk karbondioksid som et ko-løsningsmiddel for å utfelle det oppløste stoffet i blandingen til små faste partikler. Et ko-løsningsmiddel er et stoff som ikke løser opp det oppløste stoffet, men blander seg godt med løsningsmidlet. Når et ko-løsningsmiddel tilsettes blandingen, blandes det med løsningsmidlet, og det oppløste stoffet utfelles som faste partikler. I GAS-prosessen løses materialet som skal krystalliseres opp i et flytende løsningsmiddel for å danne en blanding, som deretter fylles i en beholder i en passende mengde og forsegles. Deretter justeres temperaturen og trykket i beholderen til den kritiske temperaturen og det kritiske trykket for karbondioksid og det flytende løsningsmiddelet, og superkritisk karbondioksid injiseres i beholderen. Dette fører til at blandingen blir overmettet, og det oppløste oppløste stoffet utfelles som faste partikler. Når anti-løsningsmidlet blandes med løsningsmidlet, reduseres mengden av oppløst stoff som kan mettes. Mengden av oppløst stoff som utfelles bestemmes av konsentrasjonen, forutsatt at mengden av blandingen som opprinnelig ble fylt er den samme.
I krystalliseringsprosessen, når faste partikler utfelles, må et visst antall oppløste molekyler først samles for å danne aggregater, som deretter danner krystallkjerner. Jo høyere konsentrasjonen av blandingen er, desto flere oppløste molekyler kan danne krystallkjerner, og desto flere krystallkjerner dannes. Når mange krystallkjerner dannes, reduseres antallet oppløste molekyler som kan samles i en enkelt krystallkjerne, og størrelsen på de faste partiklene blir mindre.
På den annen side finnes det også en krystalliseringsprosess som bruker superkritisk karbondioksid som løsemiddel. I RESS-prosessen sprøytes en blanding av stoffet som skal krystalliseres og superkritisk karbondioksid fra en høytrykksbeholder inn i en beholder som holdes ved atmosfærisk trykk. Umiddelbart etter sprøyting synker trykket til det superkritiske karbondioksidet raskt, og det går over til en gass, noe som får det oppløste stoffet til å utfelles som faste partikler. På dette tidspunktet dannes krystallkjerner i blandingen, og prinsippet for å bestemme partikkelstørrelsen til de utfelte faste partiklene er det samme som i GAS-prosessen.
Karbondioksid brukes hovedsakelig i krystalliseringsprosesser som GAS-prosessen og RESS-prosessen. Dette er fordi karbondioksid har en kritisk temperatur som ikke er vesentlig forskjellig fra romtemperatur, slik at det enkelt kan bringes til en superkritisk tilstand ved å øke temperaturen litt og trykket. Ved å bruke superkritisk karbondioksid kan ikke bare partikkelstørrelsen til de utfelte faste partiklene gjøres mindre ved å justere trykket, men det er også giftfritt, så det er ingen sikkerhetsproblemer. Faste partikler oppnådd gjennom krystalliseringsprosessen kan brukes i ulike industrifelt. For eksempel har størrelsen og formen på faste partikler en viktig innflytelse på ulike felt som høyytelsesbatterier, nanomaterialer og finkjemikalier. Derfor er teknologiske fremskritt i krystalliseringsprosessen nært knyttet til utviklingen av disse industriene.
