Cristallisation en ligne du lactose – du laboratoire à l'industrie

La cristallisation assistée par ultrasons est une technique efficace pour améliorer la formation de solides dans des conditions de flux continu. Nous vous présentons ci-dessous une étude portant sur la cristallisation en ligne du lactose à partir d'un système ternaire lactose/eau/isopropanol, en utilisant la chambre de sonification Hielscher UP200St-TD-FlowCell. L'application des ultrasons a permis d'améliorer de manière significative la stabilité du système, la morphologie des cristaux et la continuité du temps d'exécution. Vous trouverez ici le protocole expérimental optimisé, les principaux résultats en termes de performances et la voie à suivre pour la mise à l'échelle industrielle.

Intensification du processus : Cristallisation du lactose par sonication

La cristallisation est essentielle dans les industries pharmaceutiques et alimentaires pour la purification et l'ingénierie des particules. Cependant, les procédés traditionnels par lots souffrent de limitations en termes de reproductibilité et d'encrassement, en particulier lors de la mise à l'échelle. La cristallisation continue dans des conditions ultrasoniques offre une alternative convaincante en augmentant les taux de nucléation, en améliorant la distribution de la taille et en atténuant les problèmes liés à l'encrassement.

Dans leur étude, Zettl et ses collègues (2020) utilisent un système hydrophile modèle - le lactose monohydrate dans un mélange eau/isopropanol - pour étudier les avantages opérationnels de la cellule Hielscher UP200St-TD-FlowCell dans une configuration de cristallisation continue.

Matériels et méthodes – Cristallisation du lactose par ultrasons sur paillasse

Matériaux

• Soluté : α-Lactose monohydraté
• Système de solvant : Eau déionisée et isopropanol dans un rapport de phase ternaire optimisé pour la sursaturation du lactose.
• Sonicateur : UP200St-TD équipé d'une cellule de sonication à écoulement continu (TD-FlowCell)

Configuration de l'équipement
La cellule UP200St-TD-FlowCell a été configurée dans un circuit de cristallisation continu en boucle fermée. Une pompe péristaltique fait circuler la solution de lactose sursaturée dans la chambre de sonication, où les ultrasons transmettent de l'énergie au système. Le contrôle de la température en ligne a assuré la stabilité thermique pendant un fonctionnement prolongé.

Cristallisation du lactose par ultrasons en mode continu
(Étude et image : ©Zettl et al., 2020)

Solubilité du lactose
La concentration de saturation du lactose, qui est un disaccharide composé de glucose et de galactose, dans l'eau à température ambiante (communément définie comme 20-25 °C) est d'environ 18,9 % en poids à 25 °C.
La solubilité du lactose augmente avec la température, mais pas de façon linéaire. À 50 °C, elle atteint environ 31 % en poids, et à 70 °C, elle est d'environ 45 % en poids.

Protocole de cristallisation continue du lactose

Objectif : Minimiser l'encrassement du système et maximiser le temps de fonctionnement en sonication continue.

Protocole étape par étape :

1. Préparation de la solution d'alimentation
   • Dissoudre l'α-lactose monohydraté dans de l'eau désionisée à 50°C pour obtenir une solution saturée.
   • Pour la suspension aqueuse de lactose, ajouter 233 g d'a-lactose pour 1000 g d'eau.
   • Remuer le mélange jusqu'à ce que la matière soit entièrement dissoute.
   • Laisser ensuite la solution refroidir à 25°C afin d'obtenir une solution saturée.
2. Configuration du système
   • Amorcer le circuit d'écoulement avec la solution d'alimentation.
   • Régler le débit à 60 ml/min (optimal pour un temps de séjour de ~30 secondes dans la chambre à ultrasons).
   • La suspension d'alimentation et l'antisolvant sont introduits par deux ports d'alimentation dans la chambre de traitement de la cellule d'écoulement ultrasonique.
   • Régler le débit à 27g/ min d'une suspension de lactose à 15 % en poids. Induire la précipitation en ajoutant 27g/min d'isopropanol pré-refroidi (12°C), ce qui donne un débit massique total de 54g/min. (Le débit massique de 54 g/min correspond à un débit volumétrique de 60 ml/min).
   • Commencer la sonication à une amplitude de 100 %. Maintenir la température de fonctionnement entre 25 et 30°C.
3. Phase de cristallisation
   • Maintenir une sonication continue sans interruption. Les sonicateurs Hielscher sont conçus pour fonctionner 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.
   • Recueillir le lactose cristallisé dans un module de filtration en aval toutes les 60 minutes.
4. Caractérisation après traitement
   • Analyser la morphologie des cristaux à l'aide d'un microscope électronique à balayage.
   • Quantifier la distribution de la taille des cristaux par diffraction laser (D50 cible : 80-100 µm).
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Composition des suspensions de lactose avec la fraction de masse des solides en suspension dans l'aliment (w s,f), la fraction de masse des solides en suspension dans le produit (w s,p), la fraction de masse des solides dissous dans le produit (w d,p), la fraction de masse de l'eau dans le produit (w H2O,p), la fraction de masse de l'isopropanol dans le produit (w IA,p), et la fraction de masse de l'éthanol dans le produit (w EtOH,p) utilisées dans l'étude de Zettl et al. en 2020.

Résultats et avantages de la cristallisation ultrasonique du lactose

• Atténuation des agglomérations :
  L'ultrasonisation en ligne a permis de supprimer efficacement l'agglomération des cristaux et d'obtenir des cristaux de lactose bien séparés et prismatiques.
• Réduction de la mousse :
  Les ultrasons ont notamment permis de réduire la formation de mousse en surface - un problème courant dans les cristallisations d'alcools à l'aide d'antisolvants - ce qui a permis d'améliorer le débit volumétrique.
• Prévention du colmatage :
  Aucun encrassement ou colmatage n'a été observé au cours d'un fonctionnement prolongé, ce qui confirme le rôle de la cavitation acoustique dans le maintien de surfaces propres et la prévention du dépôt de solides dans la cellule d'écoulement.
• Durée de fonctionnement continue :
  Le processus peut être maintenu en continu, la qualité des cristaux restant constante d'un point à l'autre.

Cristallisation du lactose par ultrasons : Lactose cristallisé dans différentes conditions : apport d'énergie ultrasonique, ajout de carraghénane ou de lactosérum (WPC) influençant la taille des cristaux de lactose.
étude et image : © Sanchez-García et al, 2018.

Mise à l'échelle de la cristallisation ultrasonique du lactose

Les sonicateurs en ligne Hielscher, conçus en Allemagne selon les normes industrielles les plus strictes, offrent une solution robuste pour la cristallisation en continu du lactose et d'autres solides à partir de solutions sursaturées. Conçus pour des applications pharmaceutiques, ces systèmes permettent un contrôle précis de la nucléation et de la croissance des cristaux, garantissant des distributions granulométriques reproductibles et la cohérence du processus. Avec une évolutivité linéaire du laboratoire à l'échelle de production, les réacteurs à ultrasons Hielscher permettent un transfert de processus sans faille, minimisant ainsi le temps et le coût de développement. Associés à des conseils techniques complets, ces réacteurs à ultrasons offrent des solutions sur mesure qui s'intègrent facilement dans les flux de travail de cristallisation conformes aux BPF, ce qui les rend idéaux pour les industries pharmaceutiques, biotechnologiques et alimentaires.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.