Laktoosin kiteytys virtausprosessissa – laboratoriosta teollisuuteen

Ultraääniavusteinen kiteytys on tehokas menetelmä kiinteän aineen muodostumisen tehostamiseen jatkuvan virtauksen olosuhteissa. Alla esittelemme tutkimuksen, jossa keskitytään laktoosin kiteytykseen virtausprosessissa laktoosin, veden ja isopropanolin kolmikomponenttijärjestelmästä käyttäen Hielscher UP200St-TD-FlowCell -ultraäänikäsittelykammiota. Ultraäänen käyttö paransi merkittävästi järjestelmän vakautta, kiteiden morfologiaa ja käyttöajan jatkuvuutta. Tästä löydät optimoidun kokeellisen menetelmäohjeen, keskeiset suorituskykytulokset ja etenemistavan teolliseen mittakaavaan.

Prosessin tehostaminen: laktoosin kiteytys ultraäänikäsittelyllä

Kiteytys on lääke- ja elintarviketeollisuudessa olennainen menetelmä puhdistuksessa ja hiukkasten ominaisuuksien muokkauksessa. Perinteisten panosprosessien toistettavuuteen ja likaantumiseen liittyy kuitenkin rajoituksia erityisesti mittakaavaa suurennettaessa. Jatkuva kiteytys ultraäänen vaikutuksesta tarjoaa houkuttelevan vaihtoehdon nopeuttamalla ydintymistä, parantamalla kokojakaumaa ja lieventämällä likaantumiseen liittyviä haasteita.

Zettl ja kollegat (2020) käyttävät tutkimuksessaan hydrofiilistä mallijärjestelmää – laktoosimonohydraattia veden ja isopropanolin seoksessa – selvittääkseen Hielscher UP200St-TD-FlowCell -laitteen toiminnallisia etuja jatkuvassa kiteytysjärjestelmässä.

Materiaalit ja menetelmät – laktoosin ultraäänikiteytys pöytälaitteistolla

Materiaalit

• Liuotettava aine: α-laktoosimonohydraatti
• Liuotinjärjestelmä: deionisoitu vesi ja isopropanoli kolmikomponenttisessa faasisuhteessa, joka on optimoitu laktoosin ylikyllästymistä varten
• Ultraäänilaite: UP200St-TD, jossa on läpivirtaava ultraäänikäsittelykenno (TD-FlowCell)

Laitteistokokoonpano
UP200St-TD-FlowCell asennettiin suljetun kierron jatkuvaan kiteytyspiiriin. Peristalttinen pumppu kierrätti ylikyllästynyttä laktoosiliuosta ultraäänikäsittelykammion läpi, jossa ultraääni siirsi energiaa järjestelmään. Virtausprosessin lämpötilansäätö varmisti lämpötilan vakauden pitkäkestoisen käytön aikana.

Laktoosin ultraäänikiteytys jatkuvatoimisessa prosessissa
(Tutkimus ja kuva: ©Zettl et al., 2020)

Laktoosin liukoisuus
Glukoosista ja galaktoosista koostuvan disakkaridin, laktoosin, kyllästyspitoisuus vedessä huoneenlämpötilassa (yleensä määriteltynä 20–25 °C:ksi) on noin 18,9 wt% lämpötilassa 25 °C.
Laktoosin liukoisuus kasvaa lämpötilan noustessa, mutta ei lineaarisesti. Lämpötilassa 50 °C se nousee noin 31 wt%:iin, ja lämpötilassa 70 °C se on noin 45 wt%.

Menetelmäohje laktoosin jatkuvaan kiteytykseen

Tavoite: minimoi järjestelmän likaantuminen ja maksimoi käyttöaika jatkuvassa ultraäänikäsittelyssä.

Vaiheittainen menetelmäohje:

1. Syöttöliuoksen valmistus
   • Liuota α-laktoosimonohydraatti deionisoituun veteen lämpötilassa 50 °C kylläisen liuoksen valmistamiseksi.
   • Lisää vesipohjaista laktoosin suspensiota varten 233 g a-laktoosia jokaista 1 000 g:aa vettä kohti
   • Sekoita seosta, kunnes aine on liuennut kokonaan.
   • Anna liuoksen tämän jälkeen jäähtyä lämpötilaan 25 °C kylläisen liuoksen saamiseksi.
2. Järjestelmän käyttöönotto
   • Täytä virtauspiiri syöttöliuoksella.
   • Aseta tilavuusvirraksi 60 mL/min (optimaalinen noin 30 sekunnin viipymäajalle ultraäänikammiossa).
   • Syöttösuspensio ja antisolventti syötetään kahden syöttöaukon kautta ultraäänivirtauskennon prosessikammioon.
   • Aseta 15 wt %:n laktoosisuspension massavirraksi 27 g/min. Käynnistä saostuminen lisäämällä esijäähdytettyä isopropanolia (12 °C) massavirralla 27 g/min, jolloin kokonaismassavirraksi tulee 54 g/min. (Massavirta 54 g/min vastaa tilavuusvirtaa 60 mL/min)
   • Käynnistä ultraäänikäsittely 100 %:n amplitudilla. Pidä käyttölämpötila välillä 25–30 °C.
3. Kiteytysvaihe
   • Ylläpidä jatkuvaa ultraäänikäsittelyä keskeytyksettä. Hielscher-ultraäänilaitteet on rakennettu ympärivuorokautiseen 24/7-käyttöön.
   • Kerää kiteytynyt laktoosi virtauksen alapuolisesta suodatinmoduulista 60 minuutin välein.
4. Prosessin jälkeinen karakterisointi
   • Analysoi kiteiden morfologia SEM-menetelmällä.
   • Määritä kiteiden kokojakauma laserdiffraktiolla (D50-tavoite: 80–100 µm).
   • Määritä puhtaus HPLC-menetelmällä (laktoosimonohydraatti >98 %).

Zettlin ja kollegoiden vuoden 2020 tutkimuksessa käytettyjen laktoosisuspensioiden koostumus: suspendoituneen kiinteän aineen massaosuus syötteessä (w s,f), suspendoituneen kiinteän aineen massaosuus tuotteessa (w s,p), liuenneen kiinteän aineen massaosuus tuotteessa (w d,p), veden massaosuus tuotteessa (w H2O,p), isopropanolin massaosuus tuotteessa (w IA,p) ja etanolin massaosuus tuotteessa (w EtOH,p).

Laktoosin ultraäänikiteytyksen tulokset ja edut

• Agglomeroitumisen vähentäminen:
  Virtausprosessissa tehty ultraäänikäsittely ehkäisi tehokkaasti kiteiden agglomeroitumista ja tuotti selvästi erillisiä, prismamaisia laktoosikiteitä.
• Vaahdon vähentäminen:
  Ultraääni vähensi huomattavasti pintavaahdon muodostumista – yleistä ongelmaa alkoholeja sisältävässä antisolventtikiteytyksessä – ja paransi siten tilavuuteen perustuvaa käsittelykapasiteettia.
• Tukkeutumisen ehkäisy:
  Pitkäkestoisen käytön aikana ei havaittu likaantumista tai tukkeutumista, mikä vahvistaa akustisen kavitaation merkityksen pintojen puhtaanapidossa ja kiinteän aineen kerrostumisen ehkäisyssä virtauskennon sisällä.
• Jatkuva käyttöaika:
  Prosessia voidaan pitää jatkuvassa käytössä kiteiden laadun pysyessä tasaisena eri ajankohtina.

Laktoosin ultraäänikiteytys: eri olosuhteissa kiteytynyt laktoosi: syötetty ultraäänienergia, lisätty karrageeni tai hera (WPC) vaikuttaa laktoosikiteiden kokoon
tutkimus ja kuva: © Sanchez-García et al., 2018.

Laktoosin ultraäänikiteytyksen mittakaavan suurentaminen

Hielscher tarjoaa Saksassa korkeimpien teollisten standardien mukaisesti suunnitelluilla, virtausprosessiin tarkoitetuilla ultraäänilaitteillaan vankan ratkaisun laktoosin ja muiden kiinteiden aineiden jatkuvaan kiteytykseen ylikyllästyneistä liuoksista. Lääketeollisuuden laatuvaatimusten mukaisiin sovelluksiin suunnitellut järjestelmät mahdollistavat ydintymisen ja kiteiden kasvun tarkan hallinnan ja varmistavat toistettavat hiukkaskokojakaumat sekä prosessin tasalaatuisuuden. Lineaarisen skaalautuvuuden ansiosta Hielscher mahdollistaa ultraäänireaktoreillaan prosessin saumattoman siirron laboratoriomittakaavasta tuotantomittakaavaan ja minimoi kehitysajan ja -kustannukset. Yhdessä kattavan teknisen konsultoinnin kanssa nämä ultraäänilaitteet tarjoavat räätälöityjä ratkaisuja, jotka on helppo liittää cGMP-vaatimusten mukaisiin kiteytyksen työnkulkuihin – siksi ne soveltuvat ihanteellisesti lääke-, biotekniikka- ja elintarviketeollisuuteen.

Alla oleva taulukko antaa suuntaa ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscher-ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Vankka rakenne ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti suuritehoisia ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät huipputeknologia ja käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.