התגבשות לקטוז בקו הזרימה – מהמעבדה לתעשייה

התגבשות בסיוע אולטרסאונד היא טכניקה יעילה להגברת היווצרות מוצקים בתנאי זרימה רציפה. להלן אנו מציגים מחקר המתמקד בהתגבשות לקטוז בקו הזרימה מתוך מערכת תלת-רכיבית של לקטוז/מים/איזופרופנול, באמצעות תא הסוניקציה UP200St-TD-FlowCell של Hielscher. השימוש באולטרסאונד הביא לשיפורים משמעותיים ביציבות המערכת, במורפולוגיית הגבישים וברציפות הפעולה. כאן תוכלו למצוא את פרוטוקול הניסוי הממוטב, את תוצאות הביצועים העיקריות ואת הדרך להגדלת קנה המידה לתעשייה.

העצמת תהליכים: התגבשות לקטוז באמצעות סוניקציה

התגבשות חיונית בתעשיות התרופות והמזון לצורך טיהור והנדסת חלקיקים. עם זאת, תהליכים מנתיים מסורתיים סובלים ממגבלות בשחזוריות ומהצטברות משקעים, במיוחד בעת הגדלת קנה המידה. התגבשות רציפה בתנאים אולטרסוניים מציעה חלופה אטרקטיבית באמצעות הגברת קצבי ההתגרענות, שיפור התפלגות הגדלים וצמצום האתגרים הקשורים להצטברות משקעים.

במחקרם, Zettl ועמיתיו (2020) משתמשים במערכת מודל הידרופילית – לקטוז מונוהידרט בתערובת מים/איזופרופנול – כדי לחקור את היתרונות התפעוליים של UP200St-TD-FlowCell של Hielscher בתצורה של התגבשות רציפה.

חומרים ושיטות – התגבשות אולטרסונית של לקטוז במערכת שולחנית

חומרים

• מומס: α-לקטוז מונוהידרט
• מערכת ממסים: מים נטולי יונים ואיזופרופנול ביחס פאזות תלת-רכיבי הממוטב להשגת על-רוויה של לקטוז
• מכשיר סוניקציה: UP200St-TD המצויד בתא סוניקציה לזרימה רציפה (TD-FlowCell)

תצורת הציוד
UP200St-TD-FlowCell הותקן במעגל התגבשות רציפה בלולאה סגורה. משאבה פריסטלטית סחררה את תמיסת הלקטוז העל-רוויה דרך תא הסוניקציה, שבו האולטרסאונד מעביר אנרגיה למערכת. בקרת טמפרטורה בקו הזרימה הבטיחה יציבות תרמית במהלך פעולה ממושכת.

התגבשות אולטרסונית של לקטוז במצב פעולה רציף
(מחקר ותמונה: ©Zettl et al., 2020)

מסיסות לקטוז
ריכוז הרוויה של לקטוז, שהוא דו-סוכר המורכב מגלוקוז וגלקטוז, במים בטמפרטורת החדר (המוגדרת בדרך כלל כ-20–25 °C) הוא כ-18.9 wt% ב-25°C.
מסיסות הלקטוז עולה עם הטמפרטורה, אך לא באופן ליניארי. ב-50°C היא עולה לכ-31 wt%, וב-70°C היא כ-45 wt%.

פרוטוקול להתגבשות רציפה של לקטוז

מטרה: למזער הצטברות משקעים במערכת ולמקסם את משך הפעולה תחת סוניקציה רציפה.

פרוטוקול שלב אחר שלב:

1. הכנת תמיסת ההזנה
   • המיסו α-לקטוז מונוהידרט במים נטולי יונים ב-50°C לקבלת תמיסה רוויה.
   • להכנת תרחיף הלקטוז המימי, הוסיפו 233 g של a-lactose לכל 1000 g מים
   • ערבבו את התערובת עד להמסה מלאה של החומר.
   • לאחר מכן, הניחו לתמיסה להתקרר ל-25°C כדי לקבל תמיסה רוויה.
2. הכנת המערכת
   • מלאו את מעגל הזרימה בתמיסת ההזנה.
   • הגדירו את ספיקת הזרימה ל-60 mL/min (הספיקה המיטבית לזמן שהייה של כ-30 שניות בתא האולטרסוני).
   • תרחיף ההזנה והאנטי-ממס מוזנים דרך שני פתחי הזנה לתוך תא התהליך של תא הזרימה האולטרסוני.
   • הגדירו ספיקת זרימה של 27g/ min של תרחיף לקטוז בריכוז 15 wt %. השרו שיקוע באמצעות הוספת 27g/min של איזופרופנול שקורר מראש (12°C), לקבלת ספיקה מסית כוללת של 54g/min. (הספיקה המסית של 54g/min תואמת לספיקת זרימה נפחית של 60 mL/min)
   • התחילו סוניקציה באמפליטודה של 100%. שמרו על טמפרטורת פעולה בטווח 25–30°C.
3. שלב ההתגבשות
   • שמרו על סוניקציה רציפה ללא הפרעה. מכשירי הסוניקציה של Hielscher בנויים לפעולה 24/7.
   • אספו לקטוז שהתגבש ממודול סינון הממוקם במורד הזרימה מדי 60 דקות.
4. אפיון לאחר התהליך
   • נתחו את מורפולוגיית הגבישים באמצעות SEM.
   • כמתו את התפלגות גודל הגבישים באמצעות עקיפת לייזר (יעד D50: ‏80–100 µm).
   • קבעו את הטוהר באמצעות HPLC (לקטוז מונוהידרט >98%).

הרכב תרחיפי הלקטוז ששימשו במחקר של Zettl et al., 2020, עם השבר המסתי של המוצקים המרחפים בהזנה (w s,f), השבר המסתי של המוצקים המרחפים בתוצר (w s,p), השבר המסתי של המוצקים המומסים בתוצר (w d,p), השבר המסתי של המים בתוצר (w H2O,p), השבר המסתי של האיזופרופנול בתוצר (w IA,p) והשבר המסתי של האתנול בתוצר (w EtOH,p).

תוצאות ויתרונות של גיבוש אולטרסוני של לקטוז

• הפחתת אגלומרציה:
  טיפול אולטרסוני בתוך קו הזרימה דיכא ביעילות אגלומרציה של גבישים, והניב גבישי לקטוז מנסרתיים המופרדים היטב זה מזה.
• הפחתת קצף:
  ראוי לציין כי האולטרסאונד הפחית את היווצרות הקצף על פני השטח – בעיה נפוצה בגיבוש באמצעות אנטי־ממס שבו מעורבים כוהלים – ובכך שיפר את התפוקה הנפחית.
• מניעת סתימות:
  לא נצפו הצטברות משקעים או סתימות במהלך הפעלה ממושכת, ממצא המאשר את תפקידה של הקוויטציה האקוסטית בשמירה על משטחים נקיים ובמניעת שקיעת מוצקים בתוך תא הזרימה.
• זמן פעולה רציף:
  ניתן לקיים את התהליך בהפעלה רציפה, כאשר איכות הגבישים נשארת עקבית בנקודות זמן שונות.

גיבוש אולטרסוני של לקטוז: לקטוז שגובש בתנאים שונים: השקעת אנרגיה אולטרסונית, תוספת קרגינן או מי גבינה (WPC) משפיעות על גודל גבישי הלקטוז
מחקר ותמונה: © Sanchez-García et al., 2018.

הגדלת קנה המידה של גיבוש אולטרסוני של לקטוז

מכשירי הסוניקציה של Hielscher המותקנים בתוך קו הזרימה, המתוכננים בגרמניה לפי התקנים התעשייתיים הגבוהים ביותר, מציעים פתרון עמיד לגיבוש רציף של לקטוז ומוצקים אחרים מתמיסות ברוויית יתר. מערכות אלה, שתוכננו ליישומים ברמת איכות פרמצבטית, תומכות בבקרה מדויקת על התגרענות ועל צמיחת גבישים, ומבטיחות התפלגויות גודל חלקיקים הניתנות לשחזור ועקביות בתהליך. הודות ליכולת הגדלה ליניארית של קנה המידה, מהמעבדה ועד לייצור, הכורים האולטרסוניים של Hielscher מאפשרים העברה חלקה של התהליך וממזערים את זמן הפיתוח ואת עלותו. בשילוב עם ייעוץ טכני מקיף, מכשירי סוניקציה אלה מספקים פתרונות מותאמים אישית המשתלבים בקלות בתהליכי עבודה של גיבוש העומדים בדרישות cGMP – ולכן הם אידיאליים לתעשיות התרופות, הביוטכנולוגיה והמזון.

הטבלה שלהלן מציגה אומדן של כושר העיבוד המשוער של מכשירי הסוניקציה שלנו:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

מכשירי הסוניקציה של Hielscher ידועים בסטנדרטים הגבוהים ביותר שלהם לאיכות ולתכנון. עמידות וקלות תפעול מאפשרות שילוב חלק של מכשירי הסוניקציה שלנו במתקנים תעשייתיים. מכשירי הסוניקציה של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירי סוניקציה בעלי ביצועים גבוהים, המצוידים בטכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיים למשתמש. כמובן, מכשירי הסוניקציה של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו־RoHs.