Laktose inline krystallisation – fra laboratorium til industri

Ultralydsassisteret krystallisation er en effektiv teknik til forbedring af faststofdannelse under kontinuerlige strømningsforhold. Nedenfor præsenterer vi dig en undersøgelse, der fokuserer på inline krystallisation af lactose fra en lactose / vand / isopropanol ternært system ved hjælp af Hielscher UP200St-TD-FlowCell sonikeringskammer. Anvendelsen af ultralyd gav betydelige forbedringer i systemstabilitet, krystalmorfologi og runtime-kontinuitet. Her kan du finde den optimerede eksperimentelle protokol, vigtige præstationsresultater og vejen til industriel opskalering.

Procesintensivering: Laktosekrystallisation ved hjælp af sonikering

Krystallisation er afgørende i medicinal- og fødevareindustrien til oprensning og partikelteknik. Traditionelle batchprocesser lider dog af begrænsninger i reproducerbarhed og tilsmudsning, især under opskalering. Kontinuerlig krystallisation under ultralydsforhold tilbyder et overbevisende alternativ ved at øge kimdannelseshastigheder, forbedre størrelsesfordelingen og afbøde tilsmudsningsrelaterede udfordringer.

I deres undersøgelse bruger Zettl og kolleger (2020) et hydrofilt modelsystem - laktosemonohydrat i en vand/isopropanol-blanding - til at undersøge de operationelle fordele ved Hielscher UP200St-TD-FlowCell i en kontinuerlig krystallisationskonfiguration.

Materialer og metoder – Ultralyd laktosekrystallisering på bænk-top

Materialer

• Opløst stof: α-laktosemonohydrat
• Opløsningsmiddelsystem: Deioniseret vand og isopropanol i et ternært faseforhold optimeret til laktoseovermætning
• Sonicator: UP200St-TD udstyret med gennemstrømningssonikeringscellen (TD-FlowCell)

Konfiguration af udstyr
UP200St-TD-FlowCell blev konfigureret i et kontinuerligt krystalliseringskredsløb med lukket kredsløb. En peristaltisk pumpe cirkulerede den overmættede laktoseopløsning gennem sonikeringskammeret, hvor ultralyd overføres energi til systemet. Inline temperaturkontrol sikrede termisk stabilitet under langvarig drift.

Ultralyd laktosekrystallisation i kontinuerlig tilstand
(Undersøgelse og billede: ©Zettl et al., 2020)

Laktose opløselighed
Mætningskoncentrationen af lactose, som er et disaccharid sammensat af glukose og galaktose, i vand ved stuetemperatur (almindeligvis defineret som 20-25 °C) er ca. 18,9 vægtprocent ved 25°C.
Laktoseopløselighed øges med temperaturen, men ikke lineært. Ved 50°C stiger den til ca. 31 vægtprocent, og ved 70°C er den ca. 45 vægtprocent.

Protokol for kontinuerlig laktosekrystallisation

Mål: Minimer systemtilsmudsning og maksimer køretid under kontinuerlig sonikering.

Trin-for-trin protokol:

1. Forberedelse af foderopløsning
   • Opløs α-lactosemonohydrat i deioniseret vand ved 50 ° C for at opnå en mættet opløsning.
   • Til den vandige lactosesuspension tilsættes 233 g a-lactose pr. 1000 g vand
   • Rør blandingen, indtil materialet er helt opløst.
   • Lad derefter opløsningen køle af til 25°C for at opnå en mættet opløsning.
2. Opsætning af systemet
   • Spæd flowkredsløbet med foderløsningen.
   • Indstil strømningshastigheden til 60 ml/min (optimal til opholdstid på ~30 sekunder i ultralydskammeret).
   • Tilførselssuspensionen og antiopløsningsmidlet føres via to tilførselsporte ind i proceskammeret i ultralydsflowcellen.
   • Indstil strømningshastigheden på 27 g/min af 15 vægtprocent laktosesuspension. Inducer udfældning ved at tilsætte 27 g/min forkølet isopropanol (12 °C), hvilket resulterer i en samlet massestrømningshastighed på 54 g/min. (Massestrømningshastigheden på 54 g/min svarer til en volumenstrømningshastighed på 60 ml/min)
   • Start sonikering ved 100% amplitude. Hold driftstemperaturen mellem 25–30°C.
3. Krystallisationsfase
   • Oprethold kontinuerlig sonikering uden afbrydelse. Hielscher sonikerapparater er bygget til 24/7 drift.
   • Opsaml krystalliseret laktose fra et nedstrøms filtermodul hvert 60. minut.
4. Karakterisering efter proces
   • Analyser krystalmorfologi via SEM.
   • Kvantificer krystalstørrelsesfordelingen ved hjælp af laserdiffraktion (D50-mål: 80-100 μm).
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Sammensætning af lactosesuspensioner med suspenderet fast massefraktion i foderet (w s,f), suspenderet fast massefraktion i produktet (w s,p), opløst fast massefraktion i produktet (w d,p), vandmassefraktion i produktet (w H2O,p), isopropanolmassefraktion i produktet (w IA,p) og ethanolmassefraktion i produktet (w EtOH, p) brugt i undersøgelsen af Zettl et al., 2020.

Resultater og fordele ved ultralyd laktosekrystallisation

• Afbødning af agglomeration:
  Inline ultralydbehandling undertrykte effektivt krystalagglomeration, hvilket giver godt adskilte, prismatiske laktosekrystaller.
• Reduktion af skum:
  Især reducerede ultralyd overfladeskumdannelse - et almindeligt problem i antisolventkrystallisationer, der involverer alkoholer - og forbedrede derved volumetrisk gennemstrømning.
• Forebyggelse af tilstopning:
  Der blev ikke observeret tilsmudsning eller tilstopning under længere tids drift, hvilket bekræfter den rolle, som akustisk kavitation spiller i at opretholde rene overflader og forhindre fast aflejring i flowcellen.
• Kontinuerlig kørsel:
  Processen kan opretholdes i kontinuerlig drift, hvor krystalkvaliteten forbliver ensartet på tværs af tidspunkter.

Ultralyd laktosekrystallisation: Laktose krystalliseret under forskellige forhold: ultralydsenergiinput, tilsat carrageenan eller valle (WPC) påvirker laktosekrystalstørrelsen
undersøgelse og billede: © Sanchez-García et al., 2018.

Opskalering af ultralyd laktosekrystallisation

Hielscher inline sonikere, konstrueret i Tyskland til de højeste industrielle standarder, tilbyder en robust løsning til kontinuerlig krystallisering af laktose og andre faste stoffer fra overmættede opløsninger. Disse systemer er designet til farmaceutiske applikationer og understøtter præcis kontrol over kimdannelse og krystalvækst, hvilket sikrer reproducerbare partikelstørrelsesfordelinger og proceskonsistens. Med lineær skalerbarhed fra laboratorie- til produktionsskala muliggør Hielscher ultralydsreaktorer problemfri procesoverførsel, hvilket minimerer udviklingstid og omkostninger. Sammen med omfattende teknisk rådgivning leverer disse sonikere skræddersyede løsninger, der nemt integreres i cGMP-kompatible krystalliseringsarbejdsgange - hvilket gør dem ideelle til medicinal-, biotek- og fødevareindustrien.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:

Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.

Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.