Inlinekrystallisation af laktose – fra laboratorium til industri

Ultralydsassisteret krystallisation er en effektiv teknik til at fremme dannelsen af fast stof under kontinuerlige strømningsforhold. Nedenfor præsenterer vi et studie, der fokuserer på inlinekrystallisation af laktose fra et ternært system af laktose/vand/isopropanol ved hjælp af sonikeringskammeret UP200St-TD-FlowCell fra Hielscher. Anvendelsen af ultralyd gav betydelige forbedringer af systemets stabilitet, krystalmorfologien og driftens kontinuitet. Her finder du den optimerede forsøgsprotokol, de vigtigste resultater for procesydelsen og vejen til industriel opskalering.

Procesintensivering: Krystallisation af laktose ved hjælp af sonikering

Krystallisation er afgørende i lægemiddel- og fødevareindustrien til oprensning og målrettet tilpasning af partikelegenskaber. Traditionelle batchprocesser har dog begrænsninger med hensyn til reproducerbarhed og belægningsdannelse, især under opskalering. Kontinuerlig krystallisation under ultralydspåvirkning er et attraktivt alternativ, der øger kimdannelseshastigheden, forbedrer størrelsesfordelingen og mindsker udfordringer knyttet til belægningsdannelse.

I deres studie anvender Zettl og kolleger (2020) et hydrofilt modelsystem – laktosemonohydrat i en blanding af vand/isopropanol – til at undersøge de driftsmæssige fordele ved Hielscher UP200St-TD-FlowCell i en opstilling til kontinuerlig krystallisation.

Materialer og metoder – ultralydskrystallisation af laktose på laboratoriebordet

Materialer

• Opløst stof: α-laktosemonohydrat
• Opløsningsmiddelsystem: Deioniseret vand og isopropanol i et ternært faseforhold optimeret til overmætning med laktose
• Sonikator: UP200St-TD udstyret med sonikeringscellen til gennemstrømning (TD-FlowCell)

Udstyrsopstilling
UP200St-TD-FlowCell blev konfigureret i et lukket kredsløb til kontinuerlig krystallisation. En peristaltisk pumpe cirkulerede den overmættede laktoseopløsning gennem sonikeringskammeret, hvor ultralyd tilførte energi til systemet. Inline temperaturregulering sikrede termisk stabilitet under langvarig drift.

Ultralydskrystallisation af laktose i kontinuerlig drift
(Studie og billede: ©Zettl et al., 2020)

Laktoses opløselighed
Mætningskoncentrationen af laktose, som er et disakkarid bestående af glukose og galaktose, i vand ved stuetemperatur (almindeligvis defineret som 20–25 °C) er ca. 18,9 wt% ved 25°C.
Laktoses opløselighed stiger med temperaturen, men ikke lineært. Ved 50°C stiger den til ca. 31 wt%, og ved 70°C er den ca. 45 wt%.

Protokol for kontinuerlig krystallisation af laktose

Formål: Minimér belægningsdannelse i systemet, og maksimér driftstiden under kontinuerlig sonikering.

Trinvis protokol:

1. Tilberedning af fødeopløsning
   • Opløs α-laktosemonohydrat i deioniseret vand ved 50°C for at opnå en mættet opløsning.
   • Til den vandige laktosesuspension tilsættes 233 g a-laktose pr. 1000 g vand
   • Omrør blandingen, indtil materialet er fuldstændigt opløst.
   • Lad derefter opløsningen køle ned til 25°C for at opnå en mættet opløsning.
2. Systemopstilling
   • Fyld strømningskredsløbet med fødeopløsningen.
   • Indstil flowhastigheden til 60 mL/min (optimalt for en opholdstid på ~30 sekunder i ultralydskammeret).
   • Fødesuspensionen og antiopløsningsmidlet tilføres via to indløbsporte til proceskammeret i ultralydsflowcellen.
   • Indstil flowhastigheden til 27g/ min for laktosesuspensionen på 15 wt %. Fremkald udfældning ved at tilsætte 27g/min forkølet isopropanol (12°C), hvilket giver en samlet massestrøm på 54g/min. (Massestrømmen på 54g/min svarer til en volumenstrøm på 60 mL/min)
   • Start sonikeringen ved 100% amplitude. Hold driftstemperaturen mellem 25–30°C.
3. Krystallisationsfase
   • Oprethold kontinuerlig sonikering uden afbrydelser. Sonikatorer fra Hielscher er konstrueret til drift 24/7.
   • Opsaml krystalliseret laktose fra et efterfølgende filtermodul hvert 60. minut.
4. Karakterisering efter processen
   • Analysér krystalmorfologien ved hjælp af SEM.
   • Kvantificér krystalstørrelsesfordelingen ved hjælp af laserdiffraktion (D50-mål: 80–100 µm).
   • Bestem renheden ved hjælp af HPLC (laktosemonohydrat >98%).

Sammensætning af laktosesuspensioner med massefraktionen af suspenderet fast stof i fødestrømmen (w s,f), massefraktionen af suspenderet fast stof i produktet (w s,p), massefraktionen af opløst fast stof i produktet (w d,p), massefraktionen af vand i produktet (w H2O,p), massefraktionen af isopropanol i produktet (w IA,p) og massefraktionen af ethanol i produktet (w EtOH,p), som blev anvendt i studiet af Zettl et al., 2020.

Resultater og fordele ved ultralydskrystallisation af laktose

• Begrænsning af agglomeration:
  Inline sonikering hæmmede effektivt krystalagglomeration og gav tydeligt adskilte, prismatiske laktosekrystaller.
• Reduktion af skum:
  Ultralyd reducerede især skumdannelsen på overfladen – et almindeligt problem ved krystallisation med antiopløsningsmidler, der involverer alkoholer – og forbedrede dermed den volumetriske gennemstrømningskapacitet.
• Forebyggelse af tilstopning:
  Der blev ikke observeret belægningsdannelse eller tilstopning under langvarig drift, hvilket bekræfter den akustiske kavitations rolle i at holde overflader rene og forhindre aflejring af fast stof i flowcellen.
• Kontinuerlig driftstid:
  Processen kan opretholdes i kontinuerlig drift, og krystalkvaliteten forbliver ensartet på tværs af tidspunkter.

Ultralydskrystallisation af laktose: Laktose krystalliseret under forskellige betingelser: Tilførsel af ultralydsenergi samt tilsat carrageenan eller valle (WPC) påvirker laktosekrystallernes størrelse
studie og billede: © Sanchez-García et al., 2018.

Opskalering af ultralydskrystallisation af laktose

Inline sonikatorer fra Hielscher, der er udviklet i Tyskland efter de højeste industrielle standarder, tilbyder en robust løsning til kontinuerlig krystallisation af laktose og andre faste stoffer fra overmættede opløsninger. Disse systemer er designet til anvendelser med farmaceutiske kvalitetskrav og understøtter præcis styring af kimdannelse og krystalvækst, hvilket sikrer reproducerbare partikelstørrelsesfordelinger og ensartede processer. Med lineær skalerbarhed fra laboratorie- til produktionsskala muliggør ultralydsreaktorer fra Hielscher problemfri procesoverførsel og minimerer udviklingstid og omkostninger. Kombineret med omfattende teknisk rådgivning tilbyder disse sonikatorer skræddersyede løsninger, der nemt integreres i krystallisationsarbejdsgange, som overholder cGMP – hvilket gør dem ideelle til lægemiddel-, bioteknologi- og fødevareindustrien.

Tabellen nedenfor giver en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielschers ultralydsapparater er kendt for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør problemfri integration af vores ultralydsapparater i industrianlæg. Hielschers ultralydsapparater håndterer nemt barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Hielschers ultralydsapparater er naturligvis CE-kompatible og opfylder kravene fra UL, CSA og RoHs.