Вградена кристализация на лактоза – от лаборатория до индустрия

Ултразвуковата кристализация е ефективна техника за подобряване на образуването на твърди вещества при условия на непрекъснат поток. По-долу ви представяме проучване, което се фокусира върху вградената кристализация на лактоза от тройна система лактоза/вода/изопропанол, използвайки ултразвуковата камера Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Прилагането на ултразвук дава значителни подобрения в стабилността на системата, морфологията на кристалите и непрекъснатостта на работа. Тук можете да намерите оптимизирания експериментален протокол, ключови резултати от производителността и пътя към индустриално разрастване.

Интензификация на процеса: Кристализация на лактоза с помощта на соникация

Кристализацията е от съществено значение във фармацевтичната и хранително-вкусовата промишленост за пречистване и инженерство на частици. Въпреки това, традиционните партидни процеси страдат от ограничения в възпроизводимостта и замърсяването, особено по време на мащабиране. Непрекъснатата кристализация при ултразвукови условия предлага убедителна алтернатива чрез подобряване на скоростта на нуклеация, подобряване на разпределението на размера и смекчаване на предизвикателствата, свързани със замърсяването.

В своето проучване Zettl и колегите му (2020) използват моделна хидрофилна система - лактоза монохидрат в смес вода/изопропанол - за да проучат оперативните ползи от Hielscher UP200St-TD-FlowCell в конфигурация на непрекъсната кристализация.

Материали и методи – Ултразвукова кристализация на лактоза на настолен плот

Материали

• Разтворено вещество: α-лактоза монохидрат
• Система от разтворители: Дейонизирана вода и изопропанол в тройно фазово съотношение, оптимизирано за пренасищане с лактоза
• Соникатор: UP200St-TD, оборудван с проточна ултразвукова клетка (TD-FlowCell)

Конфигурация на оборудването
UP200St-TD-FlowCell е конфигуриран в затворена верига за непрекъсната кристализация. Перисталтична помпа циркулира свръхнаситения разтвор на лактоза през ултразвуковата камера, където ултразвукът предава енергия в системата. Вграденият контрол на температурата осигурява термична стабилност при продължителна работа.

Ултразвукова кристализация на лактоза в непрекъснат режим
(Проучване и изображение: ©Zettl et al., 2020)

Разтворимост в лактоза
Концентрацията на насищане на лактоза, която е дизахарид, съставен от глюкоза и галактоза, във вода при стайна температура (обикновено определяна като 20–25 °C) е приблизително 18,9 тегловни % при 25 °C.
Разтворимостта на лактозата се увеличава с температурата, но не линейно. При 50°C се повишава до около 31 тегловни процента, а при 70 °C е приблизително 45 тегловни процента.

Протокол за непрекъсната кристализация на лактоза

Цел: Минимизиране на замърсяването на системата и увеличаване на времето за работа при непрекъснато ултразвук.

Протокол стъпка по стъпка:

1. Приготвяне на фуражен разтвор
   • Разтворете α-лактоза монохидрат в дейонизирана вода при 50°C, за да се получи наситен разтвор.
   • За водната лактозна суспензия добавете 233 g a-лактоза на 1000 g вода
   • Разбъркайте сместа, докато материалът се разтвори напълно.
   • След това оставете разтвора да се охлади до 25°C, за да се получи наситен разтвор.
2. Настройка на системата
   • Грундирайте поточната верига с захранващия разтвор.
   • Задайте дебита на 60 ml/min (оптимално за време на престой от ~30 секунди в ултразвуковата камера).
   • Захранващата суспензия и антиразтворителят се подават през два захранващи отвора в технологичната камера на ултразвуковата проточна клетка.
   • Задайте дебита от 27 g/min на 15 тегловни % лактозна суспензия. Предизвиква се утаяване чрез добавяне на 27 g/min предварително охладен изопропанол (12°C), което води до общ масов дебит от 54 g/min. (Масовият дебит от 54 g/min съответства на обемен дебит до 60 ml/min)
   • Инициирайте ултразвук при 100% амплитуда. Поддържайте работна температура между 25–30°C.
3. Фаза на кристализация
   • Поддържайте непрекъсната ултразвук без прекъсване. Ултразвуковите апарати Hielscher са създадени за работа 24/7.
   • Събирайте кристализираната лактоза от филтърен модул надолу по веригата на всеки 60 минути.
4. Характеризиране след процеса
   • Анализирайте морфологията на кристалите чрез SEM.
   • Количествено определяне на разпределението на размера на кристала с помощта на лазерна дифракция (цел D50: 80–100 μm).
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Състав на лактозни суспензии със суспендирана твърда масова фракция във фуража (w s,f), суспендирана твърда масова част в продукта (w s,p), разтворена твърда масова част в продукта (w d,p), водна масова част в продукта (w H2O,p), масова част на изопропанол в продукта (w IA,p) и масова част на етанола в продукта (w EtOH, p), използван в проучването на Zettl et al., 2020.

Резултати и ползи от ултразвуковата кристализация на лактоза

• Смекчаване на последиците от агломерацията:
  Вградената ултразвукова диагностика ефективно потиска агломерацията на кристалите, като получава добре отделени, призматични кристали на лактоза.
• Намаляване на пяната:
  По-специално, ултразвукът намалява образуването на повърхностна пяна - често срещан проблем при кристализациите на антиразтворители, включващи алкохоли - като по този начин подобрява обемната производителност.
• Предотвратяване на запушване:
  Не се наблюдава замърсяване или запушване по време на продължителна работа, което потвърждава ролята на акустичната кавитация за поддържане на чисти повърхности и предотвратяване на отлагането на твърдо вещество в поточната клетка.
• Непрекъснато време на работа:
  Процесът може да се поддържа в непрекъсната работа, като качеството на кристалите остава постоянно във всички времеви точки.

Ултразвукова кристализация на лактоза: Лактозата кристализира при различни условия: ултразвукова входяща енергия, добавен карагенан или суроватка (WPC) влияе върху размера на лактозните кристали
проучване и снимка: © Sanchez-García et al., 2018.

Увеличаване на ултразвуковата кристализация на лактоза

Вградените ултразвукови сигнали на Hielscher, проектирани в Германия по най-високите индустриални стандарти, предлагат стабилно решение за непрекъсната кристализация на лактоза и други твърди вещества от пренаситени разтвори. Проектирани за фармацевтични приложения, тези системи поддържат прецизен контрол върху нуклеацията и растежа на кристалите, осигурявайки възпроизводимо разпределение на размера на частиците и последователност на процеса. С линейна мащабируемост от лабораторен до производствен мащаб, ултразвуковите реактори на Hielscher позволяват безпроблемно прехвърляне на процеса, минимизирайки времето и разходите за разработка. В съчетание с цялостно техническо консултиране, тези ултразвукови апарати предоставят персонализирани решения, които лесно се интегрират в съвместимите с cGMP работни процеси за кристализация, което ги прави идеални за фармацевтичната, биотехнологичната и хранително-вкусовата промишленост.

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.

Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови уреди, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са съвместими с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.