Laktoosin sisäinen kiteytyminen – laboratoriosta teollisuuteen

Ultraääniavusteinen kiteytyminen on tehokas tekniikka kiinteiden aineiden muodostumisen tehostamiseksi jatkuvassa virtauksessa. Alla esittelemme sinulle tutkimuksen, joka keskittyy laktoosin sisäiseen kiteytymiseen laktoosi/vesi/isopropanoli-kolmiosaisesta järjestelmästä käyttämällä Hielscher UP200St-TD-FlowCell sonikaatiokammiota. Ultraäänen käyttö tuotti merkittäviä parannuksia järjestelmän vakauteen, kiteiden morfologiaan ja ajonaikaiseen jatkuvuuteen. Täältä löydät optimoidun kokeellisen protokollan, keskeiset suorituskykytulokset ja reitin teolliseen skaalautumiseen.

Prosessin tehostaminen: Laktoosin kiteytyminen sonikaatiolla

Kiteytyminen on välttämätöntä lääke- ja elintarviketeollisuudessa puhdistuksessa ja hiukkastekniikassa. Perinteiset eräprosessit kärsivät kuitenkin uusittavuuden ja likaantumisen rajoituksista erityisesti skaalauksen aikana. Jatkuva kiteytyminen ultraääniolosuhteissa tarjoaa houkuttelevan vaihtoehdon parantamalla nukleaationopeuksia, parantamalla kokojakaumaa ja lieventämällä likaantumiseen liittyviä haasteita.

Zettl ja kollegat (2020) käyttävät tutkimuksessaan hydrofiilistä mallijärjestelmää – laktoosimonohydraattia vesi/isopropanoliseoksessa – tutkiakseen Hielscher UP200St-TD-FlowCellin toiminnallisia etuja jatkuvassa kiteytymiskonfiguraatiossa.

Materiaalit ja menetelmät – Ultraäänilaktoosin kiteytyminen työpöydällä

materiaalit

• Liuennut aine: α-laktoosimonohydraatti
• Liuotinjärjestelmä: Deionisoitu vesi ja isopropanoli kolmivaiheisessa suhteessa, joka on optimoitu laktoosin ylikyllästymiseen
• Sonikaattori: UP200St-TD varustettu läpivirtaussonikaatiokennolla (TD-FlowCell)

Laitteiden kokoonpano
UP200St-TD-FlowCell konfiguroitiin suljetun silmukan jatkuvaan kiteytymispiiriin. Peristalttinen pumppu kierrätti ylikyllästettyä laktoosiliuosta sonikaatiokammion läpi, jossa ultraääni välittää energiaa järjestelmään. Inline-lämpötilansäätö varmisti lämpövakauden pitkäaikaisessa käytössä.

Ultraääni laktoosin kiteytyminen jatkuvassa tilassa
(Tutkimus ja kuva: ©Zettl et al., 2020)

Laktoosiliukoisuus
Glukoosista ja galaktoosista koostuvan disakkaridin laktoosin saturaatiopitoisuus huoneessa olevassa vedessä (yleisesti määritelty 20–25 °C) on noin 18,9 painoprosenttia 25 °C:ssa.
Laktoosiliukoisuus kasvaa lämpötilan myötä, mutta ei lineaarisesti. 50 °C:ssa se nousee noin 31 painoprosenttiin ja 70 °C:ssa noin 45 painoprosenttiin.

Protokolla jatkuvaan laktoosin kiteytymiseen

Tavoite: Minimoi järjestelmän likaantuminen ja maksimoi käyttöaika jatkuvassa sonikaatiossa.

Vaiheittainen protokolla:

1. Rehuliuoksen valmistus
   • Liuotetaan α-laktoosimonohydraatti deionisoituun veteen 50 °C:ssa tyydyttyneen liuoksen saamiseksi.
   • Lisää laktoosivesisuspensiota varten 233 g a-laktoosia 1000 grammaan vettä
   • Sekoita seosta, kunnes materiaali on täysin liuennut.
   • Anna liuoksen jäähtyä 25 °C:seen kyllästetyn liuoksen saamiseksi.
2. Järjestelmän asennus
   • Täytä virtauspiiri syöttöliuoksella.
   • Aseta virtausnopeudeksi 60 ml/min (optimaalinen ~30 sekunnin viipymäaika ultraäänikammiossa).
   • Syöttösuspensio ja antiliuotin syötetään kahden syöttöportin kautta ultraäänivirtauskennon prosessikammioon.
   • Aseta virtausnopeudeksi 27 g/min 15 painoprosentin laktoosisuspensiolla. Saostuminen indusoidaan lisäämällä 27 g/min esijäähdytettyä isopropanolia (12 °C), jolloin kokonaismassavirta on 54 g/min. (Massavirta 54 g/min vastaa 60 ml/min tilavuusvirtaa)
   • Aloita sonikaatio 100% amplitudilla. Pidä käyttölämpötila välillä 25–30 °C.
3. Kiteytymisvaihe
   • Ylläpidä jatkuvaa sonikaatiota keskeytyksettä. Hielscherin sonikaattorit on rakennettu 24/7 käyttöön.
   • Kerää kiteytynyt laktoosi alavirran suodatinmoduulista 60 minuutin välein.
4. Prosessin jälkeinen karakterisointi
   • Analysoi kiteen morfologiaa SEM:n avulla.
   • Kvantifioi kidekokojakauma laserdiffraktiolla (D50-kohde: 80–100 μm).
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Laktoosisuspensioiden koostumus, joissa on suspendoitunut kiinteä massaosuus syötteessä (w s,f), suspendoitunut kiinteä massaosuus tuotteessa (w s,p), liuennut kiinteä massaosuus tuotteessa (w d,p), veden massaosuus tuotteessa (w H2O,p), isopropanolin massaosuus tuotteessa (w IA,p) ja etanolin massaosuus tuotteessa (w EtOH, p) käytetty tutkimuksessa Zettl et al., 2020.

Ultraäänilaktoosin kiteytymisen tulokset ja edut

• Taajaman lieventäminen:
  Inline-ultraääni tukahdutti tehokkaasti kiteiden agglomeraatiota, jolloin syntyi hyvin erottuvia, prismaattisia laktoosikiteitä.
• Vaahdon vähentäminen:
  Erityisesti ultraääni vähensi pintavaahdon muodostumista – yleinen ongelma alkoholeja sisältävissä liuotinkiteytymisissä – mikä paransi tilavuuden läpäisykykyä.
• Tukkeutumisen esto:
  Pitkän käytön aikana ei havaittu likaantumista tai tukkeutumista, mikä vahvistaa akustisen kavitaation roolin puhtaiden pintojen ylläpitämisessä ja kiinteän kerrostumisen estämisessä virtauskennossa.
• Jatkuva käyttöaika:
  Prosessi voidaan ylläpitää jatkuvassa käytössä, ja kiteen laatu pysyy tasaisena eri ajankohtina.

Ultraäänilaktoosin kiteytyminen: Laktoosi kiteytyy eri olosuhteissa: ultraäänienergian syöttö, lisätty karrageeni tai hera (WPC) vaikuttaa laktoosikiteen kokoon
tutkimus ja kuva: © Sanchez-García et al., 2018.

Ultraäänilaktoosin kiteytymisen laajentaminen

Hielscherin inline-sonikaattorit, jotka on suunniteltu Saksassa korkeimpien teollisuusstandardien mukaisesti, tarjoavat vankan ratkaisun laktoosin ja muiden kiinteiden aineiden jatkuvaan kiteytymiseen ylikyllästetyistä liuoksista. Nämä farmaseuttisiin sovelluksiin suunnitellut järjestelmät tukevat ydinmuodostumisen ja kiteiden kasvun tarkkaa hallintaa, mikä varmistaa toistettavan hiukkaskokojakauman ja prosessin johdonmukaisuuden. Lineaarisella skaalautuvuudella laboratoriosta tuotantomittakaavaan Hielscherin ultraäänireaktorit mahdollistavat saumattoman prosessinsiirron, mikä minimoi kehitysajan ja -kustannukset. Yhdessä kattavan teknisen konsultoinnin kanssa nämä sonikaattorit tarjoavat räätälöityjä ratkaisuja, jotka integroituvat helposti cGMP-yhteensopiviin kiteytymistyönkulkuihin, mikä tekee niistä ihanteellisia lääke-, biotekniikka- ja elintarviketeollisuudelle.

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Laatu valmistettu Saksassa

Hielscher-ultraääniastiat ovat tunnettuja korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet käsittelevät helposti karkeita olosuhteita ja vaativia ympäristöjä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys ja painottaa erityisesti korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joissa on huipputeknologia ja käyttäjäystävällisyys. Tietenkin, Hielscher-ultraäänilaitteet ovat CE-yhteensopivia ja täyttävät UL: n, CSA: n ja RoHs: n vaatimukset.