Influence of temperature cycling on the size and shape of platelets

A wide variety of materials are requested in crystalline form on the market, and crystallization is an important unit operation, specifically in fine chemical, pharmaceutical and food production. The particle size and shape distribution (PSSD) affects the downstream behaviour of the products in operations such as filtration or tableting. In general, equant crystals of uniform size are easier to be processed. Developing methods to directly manipulate the particle morphology at the crystallization stage is, therefore, a topic of rising interest. To this aim, additives are commonly employed in industrial practise. Their use is, however, limited in pharmaceutical productions to avoid contaminations of the compounds and consequences on human health. Temperature cycling is an alternative technique that consists of sequential growth and dissolution steps. The effectiveness of this process in obtaining more equant particles depends on their morphology and on the operating conditions. Platelets are relevant because several pharmaceutical compounds crystallize in this shape, like Aspirin or Ibuprofen in certain solvents. These particles are flat and thin objects characterized by at least three dimensions. To measure them with sufficient accuracy, advanced multi-projectors devices are necessary. This thesis has been conducted at the “Process Separation Laboratory” of ETH, Zürich, where one of these equipment has been built and studied. The device is called “DISCO”, and it is provided with a flow cell and two cameras. It is used to perform online measurements to track the PSSD in real time. This work is experimental, and its goal is to assess the effectiveness of temperature cycling to shape platelets. Specifically, a sensitivity study is conducted to analyse quantitatively, and qualitatively which parameters lead to a more equant shape. The work is broadened by studying the effect of different seed populations and by assessing the accuracy of solute concentration measurements.

Sul mercato viene richiesta un'ampia varietà di materiali in forma cristallina e la cristallizzazione è un'operazione unitaria importante, in particolare nella produzione di prodotti chimici fini, farmaceutici e alimentari. La distribuzione delle dimensioni e della forma delle particelle (PSSD) influisce sul comportamento a valle dei prodotti in operazioni come la filtrazione o la pastigliatura. In generale, i cristalli uguali di dimensioni uniformi sono più facili da lavorare. Lo sviluppo di metodi per manipolare direttamente la morfologia delle particelle nella fase di cristallizzazione è, quindi, un argomento di crescente interesse. A tale scopo nella pratica industriale vengono comunemente impiegati additivi. Il loro uso è però limitato nelle produzioni farmaceutiche per evitare contaminazioni dei composti e conseguenze sulla salute umana. Il ciclo della temperatura è una tecnica alternativa che consiste in fasi sequenziali di crescita e dissoluzione. L'efficacia di questo processo nell'ottenere particelle più uniformi dipende dalla loro morfologia e dalle condizioni operative. Le piastrine sono rilevanti perché diversi composti farmaceutici cristallizzano in questa forma, come l'aspirina o l'ibuprofene in alcuni solventi. Queste particelle sono oggetti piatti e sottili caratterizzati da almeno tre dimensioni. Per misurarli con sufficiente precisione sono necessari dispositivi multi-proiettore avanzati. Questa tesi è stata condotta presso il “Process Separation Laboratory” dell'ETH, Zurigo, dove è stata costruita e studiata una di queste apparecchiature. Il dispositivo si chiama “DISCO”, ed è dotato di una cella a flusso e di due telecamere. Viene utilizzato per eseguire misurazioni online per tracciare la PSSD in tempo reale. Questo lavoro è sperimentale e il suo obiettivo è valutare l'efficacia del ciclo di temperatura per modellare le piastrine. In particolare, viene condotto uno studio di sensibilità per analizzare quantitativamente e qualitativamente quali parametri portano a una forma più equa. Il lavoro viene ampliato studiando l'effetto di diverse popolazioni di semi e valutando l'accuratezza delle misurazioni della concentrazione di soluto.