一种监测结晶过程的监测装置以及带有该监测装置的结晶设备

摘要

本发明公开了一种用于监测结晶体系结晶过程的监测装置，所述监测装置可以安装在可容纳结晶体系的圆柱形容器的外侧，该监测装置包括一激光发射器、与该激光发射器成一定角度设置的能分别监测结晶体系不同结晶阶段的至少两个激光接收器、以及能分别计算接收器激光强度的计算单元，所述激光发射器与激光接收器设置在圆柱形容器外的同一径向横截面上。本发明的结晶装置可以对结晶起始阶段、结晶中间阶段以及结晶后半程体系的浊度变化进行动态监控。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于监测结晶体系结晶过程的监测装置，还涉及一种带有该监测装置的结晶设备。

背景技术

结晶过程是一个复杂的传热传质的相变过程，当成核过程开始时料液体系由澄清变为混浊，随着料液体系内晶体颗粒数目的增加以及晶体粒径的增大，体系的混浊程度也越来越大，当结晶反应达到平衡状态后，体系的浊度不再变化。因此，体系浊度的变化情况可以在很大程度上反映出体系的结晶状况，其对于结晶工艺的研究具有重大意义。

但是，传统的结晶设备在检测结晶体系浊度时都需要先从结晶体系中取样，然后再用专门仪器检测结晶体系浊度，这种结晶设备存在的问题是测得的数据具有一定的滞后性，无法准确判断特定时间点的结晶状况，而且由于这种检测方式需要离线操作，所以操作起来也非常不便。

为了克服结晶设备的上述缺陷，现有技术中提供了一种改进的结晶装置，其通过激光透射方法在线检测结晶体系的浊度变化从而确定晶体的析出点，如文献“6-APA反应结晶热力学性质的研究”(龚俊波等，《化学工业与工程》，2004，21，34-36)和“普鲁卡因青霉素的结晶热力学”(陆杰和王静康，《高校化学工程学报》，1999，13，189-192)中报道了采用激光透射的方法识别结晶起始点，以测定结晶体系的最大过饱和度。这些方法虽然达到了在线检测的目的，但是由于它们的检测灵敏度很低，可检测到的浊度范围也很小，所以它们仅适用于结晶中期浊度的检测，而无法对结晶全过程的浊度变化进行检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以对结晶体系的结晶全过程进行监测的监测装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种监测装置，该装置可以安装在可容纳结晶体系的圆柱形容器的外侧，其包括一激光发射器、与该激光发射器成一定角度设置的能分别监测结晶体系不同结晶阶段的至少两个激光接收器、以及能分别计算接收器激光强度的计算单元，所述激光发射器与激光接收器设置在圆柱形容器外的同一径向横截面上。

优选地，本发明的激光接收器包括第一激光接收器和第二激光接收器，以所述圆柱形容器径向横截面的圆心为基点，所述第一激光接收器与激光发射器所成的夹角为α，45度≤α≤90度，进一步优选α等于90度，所述第二激光接收器与激光发射器所成的夹角为β，β等于180度。

优选地，本发明的激光接收器还包括第三激光接收器，以所述圆柱形容器径向横截面的圆心为基点，其与激光发射器所成的夹角为γ，0度＜γ≤30度，进一步优选γ为15度。

优选地，所述第二激光接收器是透射接收器，第一激光接收器和第三激光接收器是散射接收器。

本发明的另一个目的是提供一种结晶设备。该结晶设备包括一可容纳结晶体系的圆柱形容器，还包括一本发明提供的监测装置。

所述计算单元与激光接收器相连，并能对每个激光接收器接收到的激光强度分别进行计算，从而示出每个接收器接收到的激光强度的变化曲线。例如，在本发明的一个实施例中，计算单元可以示出激光接收器接收到的电压信号相对于ω的曲线图，其中ω是指结晶体系中有机溶剂相对于水的体积比。

所述圆柱形容器至少在激光光路通过的部分是由光可透过的材料构成。例如，圆柱形容器绝大部分都是由适于化学反应的钢材制成，在光路通过的部位由玻璃制成。

优选的，所述结晶设备进一步包括可以对结晶体系进行搅拌的搅拌装置，可以加热或冷却结晶体系的温度调节装置，可以调节酸碱度的pH控制装置以及可以控制加液流量的流量控制装置。所述搅拌装置可以是化学领域常用的磁力搅拌装置，也可以是机械搅拌装置，以及其它任何化学领域常用的搅拌装置，所述搅拌装置设置在不影响激光检测的任意适当位置。所述温度调节装置可以是本领域常用的可以通冷媒或热媒的夹套，也可以是其它化学领域常用的能够调节结晶体系温度的任意装置。所述流量控制装置可以对结晶体系中的溶析剂和反应试剂流量进行实时调整。

本发明的监测装置通过设置多个激光接收器，可以分别针对结晶体系不同浊度范围进行监控，其中，设置在45～90度的散射接收器在体系浊度较低的时候比较灵敏，可以用于对结晶初始阶段的浊度变化进行实时监控；设置在180度的透射接收器在体系浊度较高时灵敏度较高，可以用于对结晶中间进程的浊度变化进行监控；设置在大于0度小于等于30度的散射接收器在体系浊度很高时的灵敏度较高，可以对结晶后半程的体系浊度进行监控。在使用时，可以同时开启2个或3个接收器，计算单元对每个接收器的浊度变化都做单独的计算，并示出每个接收器检测到的激光强度的变化曲线。实验人员可以根据曲线变化情况来确定最佳的结晶条件。

附图说明

图1：本发明结晶装置的结构示意图；

图2：图1结晶装置的纵向剖面图；

图3：图1结晶装置在激光发射器、第一激光接收器和第二激光接收器所在平面的径向截面图；

图4：图1结晶装置封头的俯视图；

图5：第一接收器(90度)检测到的U与ω之间的关系图；

图6：第二接收器(180度)检测到的U与ω之间的关系图；

图7：第三接收器(15度)检测到的U与ω之间的关系图；

图8：第一接收器(45度)检测到的U与ω之间的关系图；

图9：第一接收器(60度)检测到的U与ω之间的关系图；

图10：第三接收器(30度)检测到的U与ω之间的关系图；

图11：第三接收器(7度)检测到的U与ω之间的关系图；

图12：对比例接收器(40度)检测到的U与ω之间的关系图。

图注：ω是指溶液中丙酮与水的体积比，U是电压。

具体实施方式

实施例1

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1和2所示，结晶装置包括底座1、圆柱形容器2、激光发射器3、第一激光接收器4、第二激光接收器5以及计算单元(未示出)。

其中，容器2可以全部由玻璃制成，或者至少在激光光路通过的部分由玻璃制成。结晶容器2底部五分之一高度插入底座1内，在底座1同一平面上设置有激光发射器3、第一激光接收器4和第二激光接收器5。所述第一激光接收器4与激光发射器3之间所成的圆心角α为90度，α还可以取45～90度之间的任意角度；所述第二激光接收器5与激光发射器3之间所成的圆心角β等于180度。

其中，所述激光发射器3可以为固体激光器或气体激光器等，它产生的激光与容器壁垂直并穿越结晶体系。所述激光接收器可以为光敏电阻、光电二极管或光电三极管等，外接低压回路并且带有电压检测装置。

所述激光接收器被连到一计算单元，所述计算单元可以分别对多个激光接收器接收到的激光强度进行计算，然后示出每个激光接收器接收到的激光强度的变化曲线。实验人员可以根据每个激光接收器接收到的激光强度的变化曲线来判断最佳的结晶条件。

根据实际需要，本发明的结晶装置还可以在与激光发射器3、第一激光接收器4和第二激光接收器5所在的平面上设置第三激光接收器6，所述第三激光接收器6与激光发射器3所成的圆心角γ等于15度，所述γ还可以取大于0至小于等于30度之间的任意角度。

本发明的结晶装置通过设置多个激光接收器，可以针对结晶体系不同的浊度进行监控，其中，设置在45～90度的散射接收器在体系浊度较低的时候比较灵敏，可以用于对结晶初始阶段的浊度变化进行实时监控；设置在180度的透射接收器在体系浊度较高时灵敏度较高，可以用于对结晶中间进程的浊度变化进行监控；设置在大于0度小于等于30度的散射接收器在体系浊度很高时的灵敏度较高，可以对结晶后半程的体系浊度进行监控。在使用时，可以同时开启三个接收器。实验人员可以根据比较每个接收器检测到的电信号变化来判断结晶的进展状况。

为了更有效和便利地监控和调节结晶体系，本发明的结晶装置还包括封头7，封头7与容器2以及底座1之间通过连杆8固定在一起，所述封头7上设有电导率计插口9、pH计插口10、温度计插口11和取样口12。所述封头7上还进一步设有加酸口13、加碱口14、加液口15，所述开口上固定有细管(未示出)，可以将乳胶管连在细管上再通过恒流泵来实现加酸、加碱以及加反应溶剂的目的。封头7上通过电机支架16安装有直流电机17，电机支架16通过螺纹连接在封头7上，直流电机17的下端连有搅拌桨主轴18，搅拌桨主轴18的上端与电机17通过连轴器19连接，其下端与搅拌叶片20相连，搅拌叶片20有多种形状，例如锚式、平叶式和推进式等。容器2上设置有可以通冷媒或者热媒的夹套21，从而可以对结晶体系的温度进行调节。

实施例2

称取2g头孢菌素C钠盐，加入100ml去离子水，溶解后过滤，得到澄清的头孢菌素C钠盐的水溶液。将溶液倒入本发明的结晶反应器中，温度恒定为25度，搅拌转速为150RPM，以3ml/min的流量用恒流泵向反应器内加入丙酮。分别记录90度、180度以及15度这三个激光接收器的输出电压，用ω表示结晶体系中丙酮与水的体积比，得到输出电压U对ω的曲线，分别如图5、6和7所示。如图5所示，在竖线左侧ω＝1.55处，结晶没有开始，主要表现为结晶体系体积增加但是还没有固体颗粒析出的过程，因此曲线下降并且越来越平缓。在竖线右侧，结晶成核过程开始，晶核不断析出，体系的浊度增加，因此输出电压增加，曲线开始上升，而此时的第二、第三激光接收器的输出电压并没有变化，说明第一激光接收器在低浊度条件下较第二、第三接收器更为灵敏，曲线的拐点可以更精确的确定晶体的析出点，在此条件下的析出点为ω＝1.55。

随着结晶的进行，体系内的头孢菌素C钠盐晶体数目越来越多，晶体粒径越来越大，体系内的浊度也越来越高，由于此时结晶体系内晶体颗粒对激光的多重散射、衍射等作用比较强烈，因此第一激光接收器输出电压的变化没有明显的规律性。第二激光接收器的变化曲线则如图6所示，表现地较为规律，这是因为第二激光接收器是基于透射原理设计的，此时晶体颗粒对激光的多重散射、衍射干扰较小，第二接收器可以根据Lambert-Beer定律计算溶液体系的浊度。

随着晶体的不断析出，第二激光接收器输出电压的变化趋于平缓，如图6的第二竖线(ω＝2.30)右侧所示，而此时第三激光接收器的输出电压仍有上升趋势，说明结晶仍在进行。由此可见，在较高的浊度下，第二激光接收器不能反映体系浊度变化的时候，第三激光接收器还能较好地反应结晶进程的变化。如图7所示，在第二竖线的位置(ω＝2.50)处，曲线趋近于平直线，此时结晶反应达到平衡，晶体不再析出或长大，因此，可以通过第三激光接收器确定结晶反应的终点为ω＝2.50。

实施例3

按照与实施例2相同的方法进行操作，所不同的仅是第一激光接收器与激光发射器所成的圆心角α等于45度。得到第一激光接收器的变化曲线如图8所示，图中竖线所示的晶体析出时的ω＝1.70。

实施例4

按照与实施例2相同的方法进行操作，所不同的仅是第一激光接收器与激光发射器所成的圆心角α等于60度。得到第一激光接收器的变化曲线如图9所示，图中竖线所示的晶体析出时的ω＝1.62。

实施例5

按照与实施例2相同的方法进行操作，所不同的仅是第三激光接收器与激光发射器所成的圆心角γ等于30度。得到第三激光接收器的变化曲线如图10所示，图中竖线所示的结晶反应达到平衡时的ω＝2.40。

实施例6

按照与实施例2相同的方法进行操作，所不同的仅是第三激光接收器与激光发射器所成的圆心角γ等于7度。得到第三激光接收器的变化曲线如图11所示，图中竖线所示的晶体析出时的ω＝2.45。

对比例

按照与实施例2相同的方法进行操作，所不同的是在与激光发射器成40度圆心角处设置一激光接收器。该激光接收器的变化曲线如图12所示。图12的变化曲线没有呈现出一定的规律性，其不能反应结晶体系的状态变化。