Laktózová inline krystalizace – z laboratoře do průmyslu

Ultrazvukem asistovaná krystalizace je účinná technika pro zlepšení tvorby pevných látek za podmínek kontinuálního toku. Níže vám představujeme studii, která se zaměřuje na inline krystalizaci laktózy z ternárního systému laktóza/voda/isopropanol, s využitím sonikační komory Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Aplikace ultrazvuku přinesla významné zlepšení stability systému, morfologie krystalů a kontinuity běhu. Zde najdete optimalizovaný experimentální protokol, klíčové výsledky výkonu a cestu k průmyslovému škálování.

Intenzifikace procesu: Krystalizace laktózy pomocí ultrazvuku

Krystalizace je nezbytná ve farmaceutickém a potravinářském průmyslu pro čištění a částicové inženýrství. Tradiční dávkové procesy však trpí omezeními v reprodukovatelnosti a zanášení, zejména při rozšiřování do šířky. Kontinuální krystalizace za ultrazvukových podmínek nabízí přesvědčivou alternativu zvýšením rychlosti nukleace, zlepšením distribuce velikosti a zmírněním problémů souvisejících se znečištěním.

Ve své studii Zettl a kolegové (2020) používají modelový hydrofilní systém - monohydrát laktózy ve směsi vody / isopropanolu - ke zkoumání provozních výhod Hielscher UP200St-TD-FlowCell v konfiguraci kontinuální krystalizace.

Materiál a metody – Ultrazvuková krystalizace laktózy na stole

Materiály

• Rozpuštěná látka: α-monohydrát laktózy
• Rozpouštědlový systém: Deionizovaná voda a isopropanol v poměru ternárních fází optimalizovaném pro přesycení laktózou
• Sonikátor: UP200St-TD vybavený průtokovou sonikační buňkou (TD-FlowCell)

Konfigurace zařízení
UP200St-TD-FlowCell byl nakonfigurován v kontinuálním krystalizačním okruhu s uzavřenou smyčkou. Peristaltické čerpadlo cirkulovalo přesycený roztok laktózy přes sonikační komoru, kde je ultrazvuku předávána energie do systému. Inline regulace teploty zajišťuje tepelnou stabilitu při dlouhodobém provozu.

Ultrazvuková krystalizace laktózy v kontinuálním režimu
(Studie a obrázek: ©Zettl et al., 2020)

Rozpustnost laktózy
Nasycená koncentrace laktózy, což je disacharid složený z glukózy a galaktózy, ve vodě při pokojové teplotě (běžně definované jako 20–25 °C) je cca. 18,9 hm% při 25 °C.
Rozpustnost laktózy se zvyšuje s teplotou, ale ne lineárně. Při 50°C stoupá na cca. 31 hm% a při 70°C je to cca. 45 hm%.

Protokol pro kontinuální krystalizaci laktózy

Cíl: Minimalizujte znečištění systému a maximalizujte dobu běhu při nepřetržité sonikaci.

Protokol krok za krokem:

1. Příprava vstupního roztoku
   • Rozpusťte α-monohydrát laktózy v deionizované vodě při 50 °C, abyste získali nasycený roztok.
   • Pro vodnou laktózovou suspenzi přidejte 233 g a-laktózy na 1000 g vody
   • Směs se míchá, dokud se materiál zcela nerozpustí.
   • Poté se roztok nechá vychladnout na 25 °C, aby se získal nasycený roztok.
2. Nastavení systému
   • Naplňte průtokový okruh přívodním roztokem.
   • Nastavte průtok na 60 ml/min (optimální pro dobu setrvání v ultrazvukové komoře ~30 sekund).
   • Vstupní suspenze a antirozpouštědlo jsou přiváděny přes dva přiváděcí porty do procesní komory ultrazvukové průtokové buňky.
   • Nastavte průtok 27 g/min 15 hm. % laktózové suspenze. Vyvolejte srážení přidáním 27 g/min předchlazeného isopropanolu (12 °C), což vede k celkovému hmotnostnímu průtoku 54 g/min. (Hmotnostní průtok 54 g/min odpovídá objemovému průtoku 60 ml/min)
   • Zahajte sonikaci při 100% amplitudě. Udržujte provozní teplotu mezi 25–30 °C.
3. Fáze krystalizace
   • Udržujte nepřetržitou sonikaci bez přerušení. Hielscher sonikátory jsou postaveny pro provoz 24/7.
   • Sbírejte krystalizovanou laktózu z následného filtračního modulu každých 60 minut.
4. Charakterizace po procesu
   • Analyzujte morfologii krystalů pomocí SEM.
   • Kvantifikujte distribuci velikosti krystalů pomocí laserové difrakce (terč D50: 80–100 μm).
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Složení laktózových suspenzí se suspendovaným hmotnostním podílem pevných látek v nátoku (w s,f), hmotnostním podílem rozpuštěných pevných látek ve výrobku (w s,p), hmotnostním podílem vody ve výrobku (w H2O,p), hmotnostním podílem isopropanolu ve výrobku (w IA,p) a hmotnostním podílem ethanolu ve výrobku (w EtOH, p) použité ve studii Zettl et al., 2020.

Výsledky a výhody ultrazvukové krystalizace laktózy

• Zmírnění aglomerace:
  Inline ultrazvuku účinně potlačila krystalovou aglomeraci, čímž se získaly dobře oddělené, prizmatické krystaly laktózy.
• Redukce pěny:
  Ultrazvuk zejména snížil tvorbu povrchové pěny – běžný problém při krystalizacích antirozpouštědel zahrnujících alkoholy – a tím zlepšil objemovou propustnost.
• Prevence ucpání:
  Během prodlouženého provozu nebylo pozorováno žádné zanášení nebo ucpávání, což potvrzuje roli akustické kavitace při udržování čistých povrchů a prevenci usazování pevných látek v průtokové cele.
• Nepřetržitý běhový režim:
  Proces lze udržovat v nepřetržitém provozu, přičemž kvalita krystalů zůstává konzistentní napříč časovými body.

Ultrazvuková krystalizace laktózy: Laktóza krystalizovala za různých podmínek: ultrazvukový vstup energie, přidaný karagenan nebo syrovátka (WPC) ovlivňuje velikost krystalů laktózy
studie a obrázek: © Sanchez-García et al., 2018.

Škálování ultrazvukové krystalizace laktózy

Hielscher inline sonikátory, navržené v Německu podle nejvyšších průmyslových standardů, nabízejí robustní řešení pro kontinuální krystalizaci laktózy a dalších pevných látek z přesycených roztoků. Tyto systémy jsou navrženy pro farmaceutické aplikace a podporují přesnou kontrolu nukleace a růstu krystalů, zajišťují reprodukovatelnou distribuci velikosti částic a konzistenci procesu. Díky lineární škálovatelnosti z laboratoře do výrobního měřítka umožňují ultrazvukové reaktory Hielscher bezproblémový přenos procesů, minimalizaci času a nákladů na vývoj. Ve spojení s komplexním technickým poradenstvím poskytují tyto sonikátory řešení na míru, která se snadno integrují do pracovních postupů krystalizace v souladu s cGMP – díky čemuž jsou ideální pro farmaceutický, biotechnologický a potravinářský průmysl.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:

Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.