Inline kristalizacija laktoze – od laboratorija do industrije

Kristalizacija potpomognuta ultrazvukom učinkovita je tehnika za poboljšanje stvaranja čvrste tvari u uvjetima kontinuiranog protoka. U nastavku vam predstavljamo studiju koja se fokusira na inline kristalizaciju laktoze iz trostrukog sustava laktoza/voda/izopropanol, koristeći komoru za sonikaciju Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Primjena ultrazvuka dovela je do značajnih poboljšanja u stabilnosti sustava, morfologiji kristala i kontinuitetu rada. Ovdje možete pronaći optimizirani eksperimentalni protokol, ključne rezultate izvedbe i put do industrijskog povećanja.

Intenzifikacija procesa: Kristalizacija laktoze korištenjem sonikacije

Kristalizacija je ključna u farmaceutskoj i prehrambenoj industriji za pročišćavanje i inženjerstvo čestica. Međutim, tradicionalni šaržni procesi pate od ograničenja u ponovljivosti i onečišćenju, osobito tijekom povećanja. Kontinuirana kristalizacija pod ultrazvučnim uvjetima nudi uvjerljivu alternativu povećanjem stopa nukleacije, poboljšanjem distribucije veličine i ublažavanjem izazova povezanih s onečišćenjem.

U svojoj studiji, Zettl i kolege (2020.) koriste model hidrofilnog sustava – laktoza monohidrat u smjesi voda/izopropanol – kako bi istražili operativne prednosti Hielscher UP200St-TD-FlowCell u konfiguraciji kontinuirane kristalizacije.

Materijali i metode – Ultrazvučna kristalizacija laktoze na stolu

Materijali

• Otopljena tvar: α-laktoza monohidrat
• Sustav otapala: deionizirana voda i izopropanol u trofaznom omjeru optimiziranom za prezasićenje laktozom
• Sonikator: UP200St-TD opremljen protočnom ćelijom za sonikaciju (TD-FlowCell)

Konfiguracija opreme
UP200St-TD-FlowCell je konfiguriran u zatvorenom krugu kontinuirane kristalizacije. Peristaltička pumpa cirkulirala je prezasićenu otopinu laktoze kroz komoru za sonikaciju, gdje ultrazvuk prenosi energiju u sustav. Inline kontrola temperature osigurala je toplinsku stabilnost tijekom dugotrajnog rada.

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

Topljivost laktoze
Koncentracija zasićenja laktoze, koja je disaharid sastavljen od glukoze i galaktoze, u vodi na sobnoj temperaturi (obično definirana kao 20-25 °C) je cca. 18,9 tež.% na 25°C.
Topljivost laktoze raste s temperaturom, ali ne linearno. Na 50°C raste na cca. 31 tež.%, a na 70°C je cca. 45 tež.%.

Protokol za kontinuiranu kristalizaciju laktoze

Cilj: Minimizirati onečišćenje sustava i maksimalno povećati vrijeme rada pod kontinuiranom sonikacijom.

Protokol korak po korak:

1. Priprema otopine za hranjenje
   • Otopite α-laktozu monohidrat u deioniziranoj vodi na 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 ostavite otopinu da se ohladi na 25°C kako biste dobili zasićenu otopinu.
2. Postavljanje sustava
   • Napunite krug protoka otopinom za napajanje.
   • Postavite brzinu protoka na 60 ml/min (optimalno za vrijeme zadržavanja od ~30 sekundi u ultrazvučnoj komori).
   • Pužna suspenzija i antiotapalo dovode se preko dva ulazna otvora u procesnu komoru ultrazvučne protočne ćelije.
   • Podesite brzinu protoka od 27 g/min suspenzije laktoze od 15 wt %. Izazovite taloženje dodavanjem 27 g/min prethodno ohlađenog izopropanola (12°C), što rezultira ukupnim masenim protokom od 54 g/min. (Maseni protok od 54 g/min odgovara volumenskom protoku do 60 ml/min)
   • Započnite sonikaciju pri 100% amplitudi. Održavajte radnu temperaturu između 25-30°C.
3. Faza kristalizacije
   • Održavajte kontinuiranu sonikaciju bez prekida. Hielscher sonikatori su napravljeni za rad 24/7.
   • Svakih 60 minuta sakupite kristaliziranu laktozu iz nizvodnog filtarskog modula.
4. Postprocesna karakterizacija
   • Analizirajte morfologiju kristala putem SEM-a.
   • Kvantificirajte distribuciju veličine kristala pomoću laserske difrakcije (D50 cilj: 80–100 µm).
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Sastav suspenzija laktoze s masenim udjelom suspendirane krute tvari u hrani (ws,f), masenim udjelom suspendirane krute tvari u proizvodu (ws,p), masenim udjelom otopljene krute tvari u proizvodu (wd,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) korišten u studiji Zettla i sur., 2020.

Rezultati i prednosti ultrazvučne kristalizacije laktoze

• Ublažavanje aglomeracije:
  Inline ultrazvuk učinkovito potisnuo aglomeraciju kristala, dajući dobro odvojene, prizmatične kristale laktoze.
• Smanjenje pjene:
  Konkretno, ultrazvuk je smanjio površinsko stvaranje pjene - čest problem u kristalizaciji antiotapala koja uključuje alkohole - čime se poboljšava volumetrijski protok.
• Prevencija začepljenja:
  Tijekom produljenog rada nije primijećeno onečišćenje ili začepljenje, što potvrđuje ulogu akustične kavitacije u održavanju čistih površina i sprječavanju taloženja krutih tvari unutar protočne ćelije.
• Kontinuirano vrijeme izvođenja:
  Proces se može održavati u kontinuiranom radu, pri čemu kvaliteta kristala ostaje dosljedna kroz vremenske točke.

Ultrazvučna kristalizacija laktoze: Laktoza kristalizirana pod različitim uvjetima: unos ultrazvučne energije, dodani karagenan ili sirutka (WPC) utječe na veličinu kristala laktozestudija i slika: © Sanchez-García et al., 2018.

Povećanje ultrazvučne kristalizacije laktoze

Hielscher inline sonikatori, projektirani u Njemačkoj prema najvišim industrijskim standardima, nude robusno rješenje za kontinuiranu kristalizaciju laktoze i drugih krutih tvari iz prezasićenih otopina. Dizajnirani za aplikacije farmaceutske kvalitete, ovi sustavi podržavaju preciznu kontrolu nad nukleacijom i rastom kristala, osiguravajući ponovljivu distribuciju veličine čestica i dosljednost procesa. S linearnom skalabilnošću od laboratorija do proizvodnje, Hielscher ultrazvučni reaktori omogućuju besprijekoran prijenos procesa, smanjujući vrijeme i troškove razvoja. U kombinaciji sa sveobuhvatnim tehničkim savjetovanjem, ovi sonikatori pružaju prilagođena rješenja koja se lako integriraju u procese kristalizacije sukladne cGMP-u - što ih čini idealnim za farmaceutsku, biotehnološku i prehrambenu industriju.

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – Kvaliteta Proizvedeno u Njemačkoj

Hielscher ultrasonicators su poznati po svojim najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućuju glatku integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske objekte. Teški uvjeti i zahtjevna okruženja lako se nose s Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana tvrtka i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji sadrže najsuvremeniju tehnologiju i jednostavnu su za korištenje. Naravno, Hielscher ultrasonicators sukladni su CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.