Inline kristalizacija laktoze – od laboratorija do industrije

Kristalizacija potpomognuta ultrazvukom efikasna je tehnika za poboljšanje stvaranja čvrste faze u uslovima kontinuiranog protoka. U nastavku vam predstavljamo studiju koja se bavi inline kristalizacijom laktoze iz ternarnog sistema laktoza/voda/izopropanol uz upotrebu komore za ultrazvučnu obradu Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Primjena ultrazvuka donijela je značajna poboljšanja stabilnosti sistema, morfologije kristala i kontinuiteta rada. Ovdje možete pronaći optimizirani eksperimentalni protokol, ključne rezultate performansi i put do industrijskog povećanja razmjera.

Intenzifikacija procesa: kristalizacija laktoze ultrazvučnom obradom

Kristalizacija je ključna u farmaceutskoj i prehrambenoj industriji za prečišćavanje i inženjering čestica. Međutim, tradicionalni šaržni procesi imaju ograničenja u pogledu ponovljivosti i zaprljanja, osobito pri povećanju razmjera. Kontinuirana kristalizacija u ultrazvučnim uslovima nudi uvjerljivu alternativu jer povećava brzinu nukleacije, poboljšava raspodjelu veličine i ublažava izazove povezane sa zaprljanjem.

U svojoj studiji Zettl i saradnici (2020) koriste modelni hidrofilni sistem – laktozu monohidrat u smjesi vode i izopropanola – kako bi istražili operativne prednosti uređaja Hielscher UP200St-TD-FlowCell u konfiguraciji kontinuirane kristalizacije.

Materijali i metode – ultrazvučna kristalizacija laktoze u laboratorijskom mjerilu

Materijali

• Otopljena tvar: α-laktoza monohidrat
• Sistem rastvarača: deionizirana voda i izopropanol u ternarnom faznom omjeru optimiziranom za prezasićenje laktozom
• Sonikator: UP200St-TD opremljen protočnom ćelijom za ultrazvučnu obradu (TD-FlowCell)

Konfiguracija opreme
UP200St-TD-FlowCell konfiguriran je u zatvorenom krugu kontinuirane kristalizacije. Peristaltička pumpa cirkulirala je prezasićeni rastvor laktoze kroz komoru za ultrazvučnu obradu, gdje se ultrazvukom energija prenosi u sistem. Inline kontrola temperature osigurala je toplinsku stabilnost tokom dugotrajnog rada.

Ultrazvučna kristalizacija laktoze u kontinuiranom režimu
(Studija i slika: ©Zettl et al., 2020)

Rastvorljivost laktoze
Koncentracija zasićenja laktoze, koja je disaharid sastavljen od glukoze i galaktoze, u vodi na sobnoj temperaturi (uobičajeno definiranoj kao 20–25 °C) iznosi oko 18,9 wt% na 25°C.
Rastvorljivost laktoze raste s temperaturom, ali ne linearno. Na 50°C raste na oko 31 wt%, a na 70°C iznosi oko 45 wt%.

Protokol za kontinuiranu kristalizaciju laktoze

Cilj: svesti zaprljanje sistema na najmanju mjeru i maksimalno produžiti vrijeme rada pri kontinuiranoj ultrazvučnoj obradi.

Protokol korak po korak:

1. Priprema ulaznog rastvora
   • Otopite α-laktozu monohidrat u deioniziranoj vodi na 50°C da dobijete zasićeni rastvor.
   • Za vodenu suspenziju laktoze dodajte 233 g a-laktoze na 1000 g vode
   • Miješajte smjesu dok se materijal potpuno ne otopi.
   • Nakon toga ostavite rastvor da se ohladi na 25°C kako biste dobili zasićeni rastvor.
2. Postavljanje sistema
   • Napunite protočni krug ulaznim rastvorom.
   • Podesite protok na 60 mL/min (optimalno za vrijeme zadržavanja od ~30 sekundi u ultrazvučnoj komori).
   • Ulazna suspenzija i antirastvarač dovode se kroz dva ulazna priključka u procesnu komoru ultrazvučne protočne ćelije.
   • Podesite protok od 27g/ min suspenzije laktoze od 15 wt %. Izazovite taloženje dodavanjem 27g/min prethodno ohlađenog izopropanola (12°C), što daje ukupni maseni protok od 54g/min. (Maseni protok od 54g/min odgovara volumnom protoku od 60 mL/min)
   • Pokrenite ultrazvučnu obradu pri amplitudi od 100%. Održavajte radnu temperaturu između 25–30°C.
3. Faza kristalizacije
   • Održavajte kontinuiranu ultrazvučnu obradu bez prekida. Hielscher sonikatori izrađeni su za rad 24/7.
   • Svakih 60 minuta prikupite kristaliziranu laktozu iz filterskog modula nizvodno.
4. Karakterizacija nakon procesa
   • Analizirajte morfologiju kristala pomoću SEM-a.
   • Odredite raspodjelu veličine kristala laserskom difrakcijom (ciljni D50: 80–100 µm).
   • Odredite čistoću pomoću HPLC-a (laktoza monohidrat >98%).

Sastav suspenzija laktoze s masenim udjelom suspendirane čvrste tvari u ulaznom toku (w s,f), masenim udjelom suspendirane čvrste tvari u proizvodu (w s,p), masenim udjelom otopljene čvrste tvari u proizvodu (w d,p), masenim udjelom vode u proizvodu (w H2O,p), masenim udjelom izopropanola u proizvodu (w IA,p) i masenim udjelom etanola u proizvodu (w EtOH,p) korištene u studiji Zettl et al., 2020.

Rezultati i prednosti ultrazvučne kristalizacije laktoze

• Ublažavanje aglomeracije:
  Inline ultrazvučna obrada učinkovito je suzbila aglomeraciju kristala, što je dalo dobro razdvojene, prizmatične kristale laktoze.
• Smanjenje pjene:
  Značajno je da je ultrazvuk smanjio stvaranje pjene na površini – čest problem pri kristalizaciji antirastvaračem uz upotrebu alkohola – čime je poboljšan volumetrijski protok.
• Sprječavanje začepljenja:
  Tokom produženog rada nisu uočeni zaprljanje ni začepljenje, što potvrđuje ulogu akustične kavitacije u održavanju čistih površina i sprječavanju taloženja čvrste tvari unutar protočne ćelije.
• Kontinuirano vrijeme rada:
  Proces se može održavati u kontinuiranom radu, pri čemu kvalitet kristala ostaje postojan kroz sve vremenske tačke.

Ultrazvučna kristalizacija laktoze: laktoza kristalizirana u različitim uslovima: unos ultrazvučne energije, dodani karagenan ili sirutka (WPC) utječu na veličinu kristala laktoze
studija i slika: © Sanchez-García et al., 2018.

Povećanje razmjera ultrazvučne kristalizacije laktoze

Hielscher inline sonikatori, konstruirani u Njemačkoj prema najvišim industrijskim standardima, nude robusno rješenje za kontinuiranu kristalizaciju laktoze i drugih čvrstih tvari iz prezasićenih rastvora. Dizajnirani za primjene farmaceutskog kvaliteta, ovi sistemi omogućavaju preciznu kontrolu nukleacije i rasta kristala, čime osiguravaju ponovljive raspodjele veličine čestica i konzistentnost procesa. Zahvaljujući linearnoj skalabilnosti od laboratorijskog do proizvodnog mjerila, Hielscher ultrazvučni reaktori omogućavaju besprijekoran prijenos procesa, čime se smanjuju vrijeme i troškovi razvoja. U kombinaciji sa sveobuhvatnim tehničkim savjetovanjem, ovi sonikatori pružaju rješenja prilagođena potrebama koja se lako integriraju u kristalizacijske radne tokove usklađene s cGMP-om – zbog čega su idealni za farmaceutsku i prehrambenu industriju te biotehnologiju.

Tabela u nastavku daje okvirnu naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvalitet proizveden u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišem kvalitetu i standardima dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućavaju besprijekornu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako se nose s teškim uslovima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i poseban naglasak stavlja na visokoučinkovite ultrazvučne uređaje koji odlikuju najsavremenija tehnologija i jednostavnost korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji u skladu su s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.