Protočna kristalizacija laktoze – od laboratorija do industrije

Kristalizacija potpomognuta ultrazvukom učinkovita je tehnika za poticanje nastajanja krute faze u uvjetima kontinuiranog protoka. U nastavku predstavljamo istraživanje usmjereno na protočnu kristalizaciju laktoze iz trojnog sustava laktoza/voda/izopropanol uz primjenu komore za sonikaciju Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Primjena ultrazvuka dovela je do značajnih poboljšanja stabilnosti sustava, morfologije kristala i kontinuiteta rada. Ovdje možete pronaći optimirani eksperimentalni protokol, ključne rezultate procesa i put prema povećanju mjerila do industrijske razine.

Intenzifikacija procesa: kristalizacija laktoze sonikacijom

Kristalizacija je ključna u farmaceutskoj i prehrambenoj industriji za pročišćavanje i inženjerstvo čestica. Međutim, tradicionalni šaržni postupci imaju ograničenja u pogledu ponovljivosti i stvaranja naslaga, osobito pri povećanju mjerila. Kontinuirana kristalizacija uz primjenu ultrazvuka nudi privlačnu alternativu jer povećava brzinu nukleacije, poboljšava raspodjelu veličina i ublažava poteškoće povezane sa stvaranjem naslaga.

U svojem istraživanju Zettl i suradnici (2020) koriste modelni hidrofilni sustav – laktoza monohidrat u smjesi vode i izopropanola – kako bi istražili operativne prednosti uređaja Hielscher UP200St-TD-FlowCell u konfiguraciji za kontinuiranu kristalizaciju.

Materijali i metode – ultrazvučna kristalizacija laktoze na laboratorijskom stolu

Materijali

• Otopljena tvar: α-laktoza monohidrat
• Sustav otapala: deionizirana voda i izopropanol u trojnom faznom omjeru optimiranom za prezasićenost laktozom
• Ultrazvučni uređaj: UP200St-TD opremljen protočnom ćelijom za sonikaciju (TD-FlowCell)

Konfiguracija opreme
UP200St-TD-FlowCell konfiguriran je u zatvorenom cirkulacijskom sustavu za kontinuiranu kristalizaciju. Peristaltička pumpa cirkulirala je prezasićenu otopinu laktoze kroz komoru za sonikaciju, gdje se ultrazvukom unosila energija u sustav. Regulacija temperature u protočnom sustavu osiguravala je toplinsku stabilnost tijekom produljenog rada.

Ultrazvučna kristalizacija laktoze u kontinuiranom načinu rada
(Istraživanje i slika: ©Zettl et al., 2020)

Topljivost laktoze
Koncentracija zasićenja laktoze, disaharida sastavljenog od glukoze i galaktoze, u vodi pri sobnoj temperaturi (koja se obično definira kao 20–25 °C) iznosi približno 18,9 wt% pri 25°C.
Topljivost laktoze raste s temperaturom, ali ne linearno. Pri 50°C raste na približno 31 wt%, a pri 70°C iznosi približno 45 wt%.

Protokol za kontinuiranu kristalizaciju laktoze

Cilj: svesti stvaranje naslaga u sustavu na najmanju moguću mjeru i maksimalno produljiti vrijeme rada uz kontinuiranu sonikaciju.

Protokol korak po korak:

1. Priprema ulazne otopine
   • Otopite α-laktoza monohidrat u deioniziranoj vodi pri 50°C kako biste dobili zasićenu otopinu.
   • Za vodenu suspenziju laktoze dodajte 233 g a-laktoze na 1000 g vode
   • Miješajte smjesu dok se materijal potpuno ne otopi.
   • Nakon toga pustite da se otopina ohladi na 25°C kako biste dobili zasićenu otopinu.
2. Postavljanje sustava
   • Napunite protočni krug ulaznom otopinom.
   • Postavite protok na 60 mL/min (optimalno za vrijeme zadržavanja od ~30 sekundi u ultrazvučnoj komori).
   • Ulazna suspenzija i antiotapalo dovode se kroz dva dovodna priključka u procesnu komoru ultrazvučne protočne ćelije.
   • Postavite protok suspenzije laktoze koncentracije 15 wt % na 27g/ min. Potaknite taloženje dodavanjem prethodno ohlađenog izopropanola (12°C) pri protoku od 27g/min, čime se postiže ukupni maseni protok od 54g/min. (Maseni protok od 54g/min odgovara volumnom protoku od 60 mL/min)
   • Pokrenite sonikaciju pri amplitudi od 100%. Održavajte radnu temperaturu u rasponu od 25–30°C.
3. Faza kristalizacije
   • Održavajte kontinuiranu sonikaciju bez prekida. Ultrazvučni uređaji Hielscher konstruirani su za rad 24/7.
   • Svakih 60 minuta prikupite kristaliziranu laktozu iz filtarskog modula smještenog nizvodno.
4. Karakterizacija nakon procesa
   • Analizirajte morfologiju kristala pomoću SEM-a.
   • Kvantificirajte raspodjelu veličina kristala laserskom difrakcijom (ciljna vrijednost D50: 80–100 µm).
   • Odredite čistoću pomoću HPLC-a (laktoza monohidrat >98%).

Sastav suspenzija laktoze s masenim udjelom suspendirane čvrste tvari u ulaznoj suspenziji (w s,f), masenim udjelom suspendirane čvrste tvari u proizvodu (w s,p), masenim udjelom otopljene čvrste tvari u proizvodu (w d,p), masenim udjelom vode u proizvodu (w H2O,p), masenim udjelom izopropanola u proizvodu (w IA,p) i masenim udjelom etanola u proizvodu (w EtOH,p), korištenih u istraživanju Zettl et al., 2020.

Rezultati i prednosti ultrazvučne kristalizacije laktoze

• Smanjenje aglomeracije:
  Sonikacija u protočnom sustavu učinkovito je suzbila aglomeraciju kristala, dajući dobro razdvojene, prizmatične kristale laktoze.
• Smanjenje pjenjenja:
  Posebno se ističe da je ultrazvuk smanjio stvaranje površinske pjene – čest problem pri kristalizaciji dodatkom antiotapala koja uključuje alkohole – čime je povećan volumni kapacitet obrade.
• Sprječavanje začepljenja:
  Tijekom produljenog rada nije uočeno nakupljanje naslaga ni začepljenje, što potvrđuje ulogu akustične kavitacije u održavanju čistih površina i sprječavanju taloženja čvrste tvari unutar protočne ćelije.
• Kontinuirani rad:
  Proces se može održavati u kontinuiranom radu, pri čemu kvaliteta kristala ostaje ujednačena u različitim vremenskim točkama.

Ultrazvučna kristalizacija laktoze: laktoza kristalizirana u različitim uvjetima: unos ultrazvučne energije, dodani karagenan ili sirutka (WPC) utječu na veličinu kristala laktoze
istraživanje i slika: © Sanchez-García et al., 2018.

Povećanje mjerila ultrazvučne kristalizacije laktoze

Hielscher sonikatori za protočne sustave, konstruirani u Njemačkoj prema najvišim industrijskim standardima, nude robusno rješenje za kontinuiranu kristalizaciju laktoze i drugih čvrstih tvari iz prezasićenih otopina. Osmišljeni za primjene farmaceutske kvalitete, ovi sustavi omogućuju preciznu kontrolu nukleacije i rasta kristala, osiguravajući ponovljive raspodjele veličine čestica i dosljednost procesa. Zahvaljujući linearnoj skalabilnosti od laboratorijskog do proizvodnog mjerila, Hielscher ultrazvučni reaktori omogućuju nesmetan prijenos procesa, uz svođenje vremena i troškova razvoja na najmanju moguću mjeru. Uz sveobuhvatno tehničko savjetovanje, ovi sonikatori pružaju prilagođena rješenja koja se lako integriraju u postupke kristalizacije usklađene s cGMP-om – što ih čini idealnima za farmaceutsku, biotehnološku i prehrambenu industriju.

Tablica u nastavku daje okvirni prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišim standardima kvalitete i konstrukcije. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnim rukovanjem. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji usklađeni su sa zahtjevima CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.