Inline kristalizacija laktoze – od laboratorije do industrije

Kristalizacija potpomognuta ultrazvukom je efikasna tehnika za povećanje čvrste formacije u uslovima kontinuiranog protoka. U nastavku vam predstavljamo studiju koja se fokusira na inline kristalizaciju laktoze iz ternarnog sistema laktoza/voda/izopropanol, koristeći Hielscher UP200St-TD-FlowCell sonifikacionu komoru. Primena ultrazvuka je dala značajna poboljšanja u stabilnosti sistema, morfologiji kristala i kontinuitetu rada. Ovdje možete pronaći optimizirani eksperimentalni protokol, ključne rezultate performansi i put do industrijskog povećanja.

Intenzifikacija procesa: kristalizacija laktoze pomoću sonikacije

Kristalizacija je neophodna u farmaceutskoj i prehrambenoj industriji za prečišćavanje i inženjering čestica. Međutim, tradicionalni serijski procesi pate od ograničenja u ponovljivosti i zagađivanja, posebno tokom povećanja. Kontinuirana kristalizacija pod ultrazvučnim uvjetima nudi uvjerljivu alternativu povećanjem brzine nukleacije, poboljšanjem raspodjele veličine i ublažavanjem izazova vezanih za onečišćenje.

U svojoj studiji, Zettl i kolege (2020) koriste model hidrofilnog sistema - laktoza monohidrat u mješavini vode/izopropanola - da istraže operativne prednosti Hielscher UP200St-TD-FlowCell u konfiguraciji kontinuirane kristalizacije.

Materijali i metode – Ultrazvučna kristalizacija laktoze na stolu

materijala

• Rastvor: α-laktoza monohidrat
• Sistem rastvarača: Deionizirana voda i izopropanol u omjeru ternarne faze optimiziran za prezasićenje laktozom
• Sonicator: UP200St-TD opremljen protočnom ultrazvučnom ćelijom (TD-FlowCell)

Konfiguracija opreme
UP200St-TD-FlowCell je konfigurisan u zatvorenom krugu kontinuirane kristalizacije. Peristaltička pumpa je cirkulisala prezasićeni rastvor laktoze kroz komoru za sonikaciju, gde ultrazvuk prenosi energiju u sistem. Inline kontrola temperature osigurala je termičku stabilnost tokom dužeg 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 definirana kao 20-25 °C) je približno. 18,9 tež.% na 25°C.
Rastvorljivost laktoze raste s temperaturom, ali ne linearno. Na 50°C raste na cca. 31 tež%, a na 70°C je cca. 45 tež%.

Protokol za kontinuiranu kristalizaciju laktoze

Cilj: Minimizirati zagađivanje sistema i maksimizirati vrijeme rada uz kontinuiranu sonikaciju.

Korak po korak protokol:

1. Priprema rastvora za hranu
   • Rastvoriti α-laktozu monohidrat u dejoniziranoj vodi na 50°C kako bi se dobio 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 da se otopina ohladi na 25°C kako bi se dobila zasićena otopina.
2. Podešavanje sistema
   • Napunite protočni krug napojnom otopinom.
   • Postavite brzinu protoka na 60 mL/min (optimalno za vrijeme boravka od ~30 sekundi u ultrazvučnoj komori).
   • Dovodna suspenzija i antiotapalo se dovode preko dva ulaza za napajanje u procesnu komoru ultrazvučne protočne ćelije.
   • Podesite brzinu protoka od 27 g/min 15 wt % suspenzije laktoze. Indukujte taloženje dodavanjem 27g/min prethodno ohlađenog izopropanola (12°C), što rezultira ukupnim masenim protokom od 54g/min. (Maseni protok od 54 g/min odgovara zapreminskom protoku od 60 mL/min)
   • Pokrenite sonikaciju pri 100% amplitude. Održavajte radnu temperaturu između 25-30°C.
3. Faza kristalizacije
   • Održavajte kontinuiranu sonikaciju bez prekida. Hielscher sonikatori su napravljeni za rad 24 sata dnevno.
   • Sakupljajte kristaliziranu laktozu iz modula filtera koji se nalazi nizvodno svakih 60 minuta.
4. Post-procesna karakterizacija
   • Analizirajte morfologiju kristala putem SEM.
   • Kvantifikujte distribuciju veličine kristala pomoću laserske difrakcije (D50 cilj: 80–100 µm).
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Sastav suspenzije laktoze sa suspendovanim čvrstim masenim udjelom u hrani (ws,f), masenim udjelom suspendirane krute tvari u proizvodu (ws,p), masenim udjelom otopljene krute tvari u proizvodu (wd,p), masenim udjelom vode u proizvodu (w H2O,p), masenim udjelom izopropanola u proizvodu (w IAolw masnim udjelom u proizvodu) EtOH,p) korišten u studiji Zettl et al., 2020.

Rezultati i prednosti ultrazvučne kristalizacije laktoze

• Ublažavanje aglomeracije:
  Inline ultrazvučna obrada efikasno je potisnula aglomeraciju kristala, dajući dobro odvojene, prizmatične kristale laktoze.
• Smanjenje pjene:
  Posebno, ultrazvuk je smanjio formiranje površinske pjene - uobičajen problem u kristalizacijama antisolventa koje uključuju alkohole - čime je poboljšan volumetrijski protok.
• Prevencija začepljenja:
  Nije uočeno zagađivanje ili začepljenje tokom produženog rada, što potvrđuje ulogu akustične kavitacije u održavanju čistih površina i sprečavanju taloženja čvrstih materija unutar protočne ćelije.
• Kontinuirano vrijeme rada:
  Proces se može održavati u kontinuiranom radu, pri čemu kvalitet kristala ostaje konzistentan tokom vremenskih tačaka.

Ultrazvučna kristalizacija laktoze: Laktoza kristalizira pod različitim uvjetima: ultrazvučni unos energije, dodani karagenan ili whey (WPC) utječu na veličinu kristala laktoze
studija i slika: © Sanchez-García et al., 2018.

Povećanje 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 otopina. Dizajnirani za farmaceutske aplikacije, ovi sistemi podržavaju preciznu kontrolu nad nukleacijom i rastom kristala, osiguravajući ponovljivu distribuciju veličine čestica i konzistentnost procesa. Uz linearnu skalabilnost od laboratorijske do proizvodne skale, Hielscher ultrazvučni reaktori omogućavaju besprijekoran prijenos procesa, minimizirajući vrijeme i troškove razvoja. Zajedno sa sveobuhvatnim tehničkim savjetovanjem, ovi sonikatori pružaju prilagođena rješenja koja se lako integriraju u procese kristalizacije usklađene s cGMP - što ih čini idealnim za farmaceutsku, biotehnološku i prehrambenu industriju.

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:

Dizajn, proizvodnja i konsalting – Kvaliteta Made in Germany

Hielscher ultrasonicatori su poznati po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih aparata u industrijske objekte. Hielscher ultrasonikatori lako se nose sa teškim uslovima i zahtevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO sertifikovana kompanija i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne aparate visokih performansi koji se odlikuju najsavremenijom tehnologijom i lakoćom korišćenja. Naravno, Hielscher ultrasonikatori su usklađeni sa CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoH.