Laktóz inline kristályosodás – a laboratóriumtól az iparig

Az ultrahanggal támogatott kristályosítás hatékony technika a szilárd anyagok képződésének fokozására folyamatos áramlási körülmények között. Az alábbiakban bemutatunk egy tanulmányt, amely a laktóz inline kristályosodására összpontosít egy laktóz / víz / izopropanol háromkomponensű rendszerből, a Hielscher UP200St-TD-FlowCell ultrahangos kamra felhasználásával. Az ultrahang alkalmazása jelentős javulást eredményezett a rendszer stabilitásában, a kristálymorfológiában és a futási idő folytonosságában. Itt megtalálja az optimalizált kísérleti protokollt, a legfontosabb teljesítményeredményeket és az ipari felskálázáshoz vezető utat.

Folyamat intenzitása: Laktóz kristályosítás ultrahangos kezeléssel

A kristályosítás elengedhetetlen a gyógyszeriparban és az élelmiszeriparban a tisztításhoz és a részecsketervezéshez. A hagyományos kötegelt eljárások azonban a reprodukálhatóság és a szennyeződés korlátaitól szenvednek, különösen a felskálázás során. Az ultrahangos körülmények között történő folyamatos kristályosítás meggyőző alternatívát kínál a nukleációs sebesség növelésével, a méreteloszlás javításával és a szennyeződéssel kapcsolatos kihívások enyhítésével.

Tanulmányukban Zettl és munkatársai (2020) hidrofil modellrendszert használnak - laktóz-monohidrátot víz/izopropanol keverékben - a Hielscher UP200St-TD-FlowCell működési előnyeinek vizsgálatára folyamatos kristályosítási konfigurációban.

Anyagok és módszerek – Ultrahangos laktóz kristályosítás asztali lapon

Anyagok

• Oldott anyag: α-laktóz-monohidrát
• Oldószerrendszer: Ioncserélt víz és izopropanol a laktóz túltelítettségére optimalizált háromkomponensű fázisarányban
• Ultrahangos készülék: UP200St-TD átfolyó ultrahangos cellával (TD-FlowCell) felszerelve

Berendezés konfigurációja
Az UP200St-TD-FlowCell zárt hurkú folyamatos kristályosodási áramkörben lett konfigurálva. Egy perisztaltikus szivattyú keringtette a túltelített laktózoldatot az ultrahangos kamrán keresztül, ahol az ultrahang energiát juttat a rendszerbe. Az inline hőmérséklet-szabályozás biztosította a hőstabilitást hosszabb működés során.

Ultrahangos laktóz kristályosítás folyamatos üzemmódban
(Tanulmány és kép: ©Zettl et al., 2020)

Laktóz oldhatóság
A glükózból és galaktózból álló diszacharid, a laktóz telítettségi koncentrációja szobahőmérsékleten (általában 20–25 °C) vízben kb. 18,9 tömeg% 25 °C-on.
A laktóz oldhatósága a hőmérséklet függvényében növekszik, de nem lineárisan. 50 °C-on kb. 31 tömegszázalékra, 70 °C-on pedig kb. 45 tömegszázalék.

Protokoll a folyamatos laktózkristályosításhoz

Célkitűzés: Minimalizálja a rendszer szennyeződését és maximalizálja a futási időt folyamatos ultrahangos kezelés mellett.

Lépésről lépésre protokoll:

1. Takarmányoldat elkészítése
   • Oldjuk fel a α-laktóz-monohidrátot ioncserélt vízben 50 °C-on, hogy telített oldatot kapjunk.
   • A vizes laktózszuszpenzióhoz adjunk hozzá 233 g a-laktózt 1000 g vízhez
   • Keverje a keveréket, amíg az anyag teljesen fel nem oldódik.
   • Ezután hagyja az oldatot 25 °C-ra lehűlni, hogy telített oldatot kapjon.
2. Rendszerbeállítás
   • Töltse fel az áramlási kört az adagolóoldattal.
   • Állítsa az áramlási sebességet 60 ml/percre (optimális ~30 másodperces tartózkodási idő az ultrahangos kamrában).
   • Az adagoló szuszpenziót és az oldószert két adagolónyíláson keresztül az ultrahangos áramlási cella folyamatkamrájába vezetik.
   • Állítsa be a 15 tömegszázalékos laktóz szuszpenzió áramlási sebességét 27 g/percre. Indukálja a csapadékot 27 g/perc előhűtött izopropanol (12°C) hozzáadásával, ami 54 g/perc teljes tömegáramot eredményez. (Az 54 g/perc tömegáram 60 ml/perc térfogatáramnak felel meg)
   • Kezdeményezze az ultrahangos kezelést 100% amplitúdóval. Tartsa az üzemi hőmérsékletet 25–30 °C között.
3. Kristályosodási fázis
   • Folyamatos ultrahangos kezelés megszakítás nélkül. A Hielscher ultrahangos készülékek 24/7 működésre készültek.
   • Gyűjtse össze a kristályos laktózt egy későbbi szűrőmodulból 60 percenként.
4. Folyamat utáni jellemzés
   • Elemezze a kristály morfológiáját SEM-en keresztül.
   • Kvantifikálja a kristályméret-eloszlást lézerdiffrakcióval (D50 cél: 80–100 μm).
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Laktózszuszpenziók összetétele a betáplálásban szuszpendált szilárd tömegfrakcióval (w s,f), szuszpendált szilárd tömeghányaddal a termékben (w s,p), oldott szilárd tömegfrakcióval a termékben (w d,p), víz tömeghányaddal a termékben (w H2O,p), izopropanol tömeghányaddal a termékben (w IA,p) és etanol tömeghányaddal a termékben (w EtOH, p) Zettl et al., 2020 tanulmányában használták.

Az ultrahangos laktóz kristályosítás eredményei és előnyei

• Agglomeráció mérséklése:
  Az inline ultrahangos kezelés hatékonyan elnyomta a kristály agglomerációját, jól elválasztott, prizmatikus laktózkristályokat eredményezve.
• Hab csökkentés:
  Nevezetesen, az ultrahang csökkentette a felületi habképződést - ez gyakori probléma az alkoholokat érintő oldószer-kristályosodásban -, ezáltal javítva a térfogati áteresztőképességet.
• Eltömődés megelőzése:
  Hosszabb működés során nem figyeltek meg eltömődést vagy eltömődést, ami megerősíti az akusztikus kavitáció szerepét a tiszta felületek fenntartásában és a szilárd lerakódás megakadályozásában az áramlási cellában.
• Folyamatos futási idő:
  A folyamat folyamatos működés mellett is fenntartható, a kristályminőség minden időpontban állandó marad.

Ultrahangos laktóz kristályosítás: Különböző körülmények között kristályosodott laktóz: az ultrahangos energiabevitel, a hozzáadott karragén vagy tejsavó (WPC) befolyásolja a laktózkristály méretét
tanulmány és kép: © Sanchez-García et al., 2018.

Az ultrahangos laktóz kristályosodás növelése

A Hielscher inline ultrahangos készülékek, amelyeket Németországban terveztek a legmagasabb ipari szabványok szerint, robusztus megoldást kínálnak a laktóz és más szilárd anyagok folyamatos kristályosítására túltelített oldatokból. A gyógyszeripari alkalmazásokhoz tervezett rendszerek támogatják a nukleáció és a kristálynövekedés pontos szabályozását, biztosítva a reprodukálható részecskeméret-eloszlást és a folyamat konzisztenciáját. A laboratóriumtól a termelésig terjedő lineáris skálázhatósággal a Hielscher ultrahangos reaktorok lehetővé teszik a zökkenőmentes folyamatátvitelt, minimalizálva a fejlesztési időt és a költségeket. Átfogó műszaki tanácsadással párosulva ezek az ultrahangos készülékek testreszabott megoldásokat kínálnak, amelyek könnyen integrálhatók a cGMP-kompatibilis kristályosítási munkafolyamatokba - ideálissá téve őket a gyógyszeripar, a biotechnológia és az élelmiszeripar számára.

Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban gyártott minőség

A Hielscher ultrahangos készülékek jól ismertek a legmagasabb minőségi és tervezési szabványokról. A robusztusság és a könnyű kezelhetőség lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A durva körülmények és az igényes környezetek könnyen kezelhetők Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics egy ISO tanúsítvánnyal rendelkező cég, és különös hangsúlyt fektet a nagy teljesítményű ultrasonicatorokra, amelyek a legmodernebb technológiát és felhasználóbarátságot mutatják. Természetesen a Hielscher ultrasonicators CE-kompatibilis és megfelel az UL, CSA és RoHs követelményeinek.