Լակտոզայի հոսքային բյուրեղացում – լաբորատորիայից մինչև արդյունաբերություն
Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ բյուրեղացումը արդյունավետ մեթոդ է անընդհատ հոսքի պայմաններում պինդ նյութի առաջացումը խթանելու համար։ Ստորև ներկայացնում ենք ուսումնասիրություն, որը կենտրոնանում է լակտոզա/ջուր/իզոպրոպանոլ եռաբաղադրիչ համակարգից լակտոզայի հոսքային բյուրեղացման վրա՝ օգտագործելով Hielscher UP200St-TD-FlowCell ուլտրաձայնային մշակման խցիկը։ Ուլտրաձայնի կիրառման շնորհիվ զգալիորեն բարելավվել են համակարգի կայունությունը, բյուրեղների մորֆոլոգիան և աշխատանքի անընդհատությունը։ Այստեղ կարող եք գտնել օպտիմալացված փորձարարական ընթացակարգը, արդյունավետության հիմնական արդյունքները և արդյունաբերական մասշտաբի մեծացման ուղին։
Գործընթացի ինտենսիվացում. լակտոզայի բյուրեղացում ուլտրաձայնային մշակմամբ
Բյուրեղացումն էական նշանակություն ունի դեղագործական և սննդի արդյունաբերություններում՝ մաքրման և մասնիկների հատկությունների նպատակային ձևավորման համար։ Սակայն ավանդական պարբերական գործընթացներն ունեն վերարտադրելիության և նստվածքային աղտոտման հետ կապված սահմանափակումներ, հատկապես մասշտաբի մեծացման ժամանակ։ Ուլտրաձայնային պայմաններում անընդհատ բյուրեղացումն առաջարկում է գրավիչ այլընտրանք՝ մեծացնելով բյուրեղացման սաղմերի առաջացման արագությունը, բարելավելով չափային բաշխումը և մեղմելով նստվածքային աղտոտման հետ կապված խնդիրները։
Իրենց ուսումնասիրության մեջ Zettl-ը և գործընկերները (2020) օգտագործում են մոդելային հիդրոֆիլ համակարգ՝ լակտոզայի մոնոհիդրատ ջուր/իզոպրոպանոլ խառնուրդում, որպեսզի ուսումնասիրեն Hielscher UP200St-TD-FlowCell սարքի շահագործման առավելությունները անընդհատ բյուրեղացման համակարգում։
UP200St_TD
Նյութեր և մեթոդներ – լակտոզայի ուլտրաձայնային բյուրեղացում սեղանադիր սարքավորմամբ
Նյութեր
- Լուծվող նյութ՝ α-լակտոզայի մոնոհիդրատ
- Լուծիչների համակարգ՝ դեիոնացված ջուր և իզոպրոպանոլ՝ լակտոզայի գերհագեցման համար օպտիմալացված եռաբաղադրիչ փուլային հարաբերակցությամբ
- Ուլտրաձայնային մշակման սարք՝ UP200St-TD՝ հոսքային ուլտրաձայնային մշակման բջջով (TD-FlowCell)
Սարքավորումների կազմաձևում
UP200St-TD-FlowCell սարքը տեղադրվել էր փակ օղակով անընդհատ բյուրեղացման շղթայում։ Պերիստալտիկ պոմպը լակտոզայի գերհագեցած լուծույթը շրջանառում էր ուլտրաձայնային մշակման խցիկով, որտեղ ուլտրաձայնի միջոցով էներգիա էր հաղորդվում համակարգին։ Հոսքում ջերմաստիճանի վերահսկումն ապահովում էր ջերմային կայունություն երկարատև աշխատանքի ընթացքում։
Լակտոզայի ուլտրաձայնային բյուրեղացում անընդհատ ռեժիմով
(Ուսումնասիրություն և պատկեր՝ ©Zettl et al., 2020)
Լակտոզայի լուծելիությունը
Լակտոզայի՝ գլյուկոզայից և գալակտոզայից կազմված դիսախարիդի հագեցման կոնցենտրացիան ջրում սենյակային ջերմաստիճանում (սովորաբար սահմանվում է որպես 20–25 °C) մոտավորապես 18,9 wt% է 25°C ջերմաստիճանում։
Լակտոզայի լուծելիությունը մեծանում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ, սակայն ոչ գծային կերպով։ 50°C ջերմաստիճանում այն հասնում է մոտավորապես 31 wt%, իսկ 70°C ջերմաստիճանում կազմում է մոտավորապես 45 wt%։
Լակտոզայի անընդհատ բյուրեղացման ընթացակարգ
Նպատակ՝ նվազագույնի հասցնել համակարգի նստվածքային աղտոտումը և առավելագույնի հասցնել աշխատանքի տևողությունը անընդհատ ուլտրաձայնային մշակման պայմաններում։
Քայլ առ քայլ ընթացակարգ՝
- Սնուցող լուծույթի պատրաստում
- α-լակտոզայի մոնոհիդրատը լուծեք դեիոնացված ջրում 50°C ջերմաստիճանում՝ հագեցած լուծույթ ստանալու համար։
- Լակտոզայի ջրային սուսպենզիայի համար յուրաքանչյուր 1000 g ջրին ավելացրեք 233 g a-լակտոզա
- Խառնուրդը խառնեք մինչև նյութի ամբողջական լուծվելը։
- Այնուհետև թողեք, որ լուծույթը սառչի մինչև 25°C՝ հագեցած լուծույթ ստանալու համար։
- Համակարգի նախապատրաստում
- Հոսքային շղթան նախապես լցրեք սնուցող լուծույթով։
- Հոսքի ծավալային արագությունը սահմանեք 60 mL/min (օպտիմալ է ուլտրաձայնային խցիկում ~30 վայրկյան մնալու ժամանակի համար)։
- Սնուցող սուսպենզիան և հակալուծիչը երկու սնուցման մուտքերով մատակարարվում են ուլտրաձայնային հոսքային բջջի գործընթացային խցիկ։
- 15 wt % լակտոզայի սուսպենզիայի հոսքի զանգվածային արագությունը սահմանեք 27g/ min։ Նստեցում առաջացրեք՝ ավելացնելով նախապես սառեցված իզոպրոպանոլ (12°C)՝ 27g/min արագությամբ, ինչի արդյունքում հոսքի ընդհանուր զանգվածային արագությունը կկազմի 54g/min։ (Հոսքի 54g/min զանգվածային արագությունը համապատասխանում է հոսքի 60 mL/min ծավալային արագությանը)
- Սկսեք ուլտրաձայնային մշակումը 100% ամպլիտուդով։ Աշխատանքային ջերմաստիճանը պահպանեք 25–30°C միջակայքում։
- Բյուրեղացման փուլ
- Պահպանեք անընդհատ ուլտրաձայնային մշակումը՝ առանց ընդհատումների։ Hielscher ուլտրաձայնային մշակման սարքերը նախատեսված են 24/7 աշխատանքի համար։
- Յուրաքանչյուր 60 րոպեն մեկ հավաքեք բյուրեղացած լակտոզան հոսքի ուղղությամբ հաջորդող զտիչ մոդուլից։
- Գործընթացից հետո բնութագրում
- Վերլուծեք բյուրեղների մորֆոլոգիան սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակման (SEM) միջոցով։
- Քանակապես գնահատեք բյուրեղների չափային բաշխումը լազերային դիֆրակցիայի միջոցով (D50 թիրախային արժեք՝ 80–100 µm)։
- Որոշեք մաքրությունը բարձր արդյունավետության հեղուկային քրոմատոգրաֆիայի (HPLC) միջոցով (լակտոզայի մոնոհիդրատ >98%)։
Zettl-ի և համահեղինակների՝ 2020 թվականի ուսումնասիրությունում օգտագործված լակտոզայի կախույթների բաղադրությունը՝ սնուցման հոսքում կախված պինդ նյութի զանգվածային բաժնով (w s,f), արտադրանքում կախված պինդ նյութի զանգվածային բաժնով (w s,p), արտադրանքում լուծված պինդ նյութի զանգվածային բաժնով (w d,p), արտադրանքում ջրի զանգվածային բաժնով (w H2O,p), արտադրանքում իզոպրոպանոլի զանգվածային բաժնով (w IA,p) և արտադրանքում էթանոլի զանգվածային բաժնով (w EtOH,p)։
Լակտոզայի ուլտրաձայնային բյուրեղացման արդյունքներն ու առավելությունները
- Ագլոմերացման նվազեցում․
Ներհոսքային ուլտրաձայնային մշակումը արդյունավետորեն ճնշեց բյուրեղների ագլոմերացումը՝ ապահովելով լակտոզայի լավ առանձնացված, պրիզմայաձև բյուրեղներ։ - Փրփուրի նվազեցում․
Հատկանշական է, որ ուլտրաձայնը նվազեցրեց մակերևութային փրփուրի առաջացումը՝ ալկոհոլների մասնակցությամբ հակալուծիչային բյուրեղացման ժամանակ տարածված խնդիրը, և այդպիսով բարելավեց ծավալային արտադրողականությունը։ - Խցանման կանխարգելում․
Երկարատև աշխատանքի ընթացքում նստվածքային աղտոտում կամ խցանում չի դիտվել, ինչը հաստատում է ակուստիկ կավիտացիայի դերը մակերևույթները մաքուր պահելու և հոսքային բջջի ներսում պինդ նյութի նստեցումը կանխելու գործում։ - Անընդհատ աշխատանքի տևողություն․
Գործընթացը հնարավոր է պահպանել անընդհատ աշխատանքային ռեժիմում՝ ժամանակի տարբեր պահերին ապահովելով բյուրեղների կայուն որակ։
Լակտոզայի ուլտրաձայնային բյուրեղացում․ տարբեր պայմաններում բյուրեղացված լակտոզա․ ներմուծվող ուլտրաձայնային էներգիան, ավելացված կարագինանը կամ կաթնաշիճուկը (WPC) ազդում են լակտոզայի բյուրեղների չափի վրա
Ուսումնասիրություն և պատկեր՝ © Sanchez-García և համահեղինակներ, 2018.
UIP6000hdT ուլտրաձայնային սարք ՝ ճնշման տակ աշխատելու համար նախատեսված հոսքային բջջով։ Տաքացման/հովացման պատյանը թույլ է տալիս ուլտրաձայնային մշակում կատարել բարձրացված կամ իջեցված ջերմաստիճաններում։
Լակտոզայի ուլտրաձայնային բյուրեղացման մասշտաբի մեծացում
Գերմանիայում արդյունաբերական ամենաբարձր չափանիշներով նախագծված Hielscher ներհոսքային ուլտրաձայնային սարքերը հուսալի լուծում են առաջարկում գերհագեցած լուծույթներից լակտոզայի և այլ պինդ նյութերի անընդհատ բյուրեղացման համար։ Դեղագործական կարգի կիրառությունների համար նախագծված այս համակարգերը հնարավորություն են տալիս ճշգրիտ վերահսկել բյուրեղացման սաղմերի առաջացումն ու բյուրեղների աճը՝ ապահովելով մասնիկների չափային բաշխումների վերարտադրելիությունը և գործընթացի կայունությունը։ Լաբորատոր մասշտաբից մինչև արտադրական մասշտաբ գծային մեծացման հնարավորության շնորհիվ Hielscher ուլտրաձայնային ռեակտորներն ապահովում են գործընթացի սահուն տեղափոխումը՝ նվազագույնի հասցնելով մշակման ժամանակն ու ծախսերը։ Համապարփակ տեխնիկական խորհրդատվության հետ համատեղ այս ուլտրաձայնային սարքերն ապահովում են անհատական պահանջներին հարմարեցված լուծումներ, որոնք հեշտությամբ ինտեգրվում են cGMP պահանջներին համապատասխան բյուրեղացման աշխատանքային գործընթացներին՝ դրանք դարձնելով իդեալական դեղագործական, կենսատեխնոլոգիական և սննդի արդյունաբերության համար։
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորության մասին․
| Խմբաքանակի ծավալ | Հոսքի արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 10–50mL | 10–300mL/min | UP200St_TD |
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| Կիրառելի չէ | 10–100L/min | UIP16000hdT |
| Կիրառելի չէ | ավելի մեծ | հետևյալ սարքերից կազմված խումբ՝ UIP16000hdT |
Նախագծում, արտադրություն և խորհրդատվություն – Գերմանիայում ստեղծված որակ
Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հայտնի են իրենց որակի և նախագծման ամենաբարձր չափանիշներով։ Ամրությունն ու շահագործման դյուրինությունը թույլ են տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերը սահուն ինտեգրել արդյունաբերական օբյեկտներում։ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հեշտությամբ աշխատում են ծանր պայմաններում և բարձր պահանջներ ներկայացնող միջավայրերում։
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն ունի ISO հավաստագրում և հատուկ ուշադրություն է դարձնում բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային սարքերին, որոնք առանձնանում են նորագույն տեխնոլոգիայով և օգտագործման հարմարավետությամբ։ Իհարկե, Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը համապատասխանում են CE պահանջներին և բավարարում են UL, CSA և RoHs պահանջները։
2000 watts հզորությամբ UIP2000hdT ուլտրաձայնային սարք ՝ արդյունաբերական ներհոսքային բյուրեղացման համար նախատեսված հոսքային բջջով
Գրականություն / Հղումներ
- Zettl, M., Kreimer, M., Aigner, I., Mannschott, T., van der Wel, P., Khinast, J., Krumme, M. (2020): Runtime Maximization of Continuous Precipitation in an Ultrasonic Process Chamber. Organic Process Research & Development, 24(4), 2020. 508–519.
- Gielen, B.; Jordens, J.; Thomassen, L.C.J.; Braeken, L.; Van Gerven, T. (2027): Agglomeration Control during Ultrasonic Crystallization of an Active Pharmaceutical Ingredient. Crystals 2017, 7, 40.
- Yanira I. Sánchez-García, Karen S. García-Vega, Martha Y. Leal-Ramos, Ivan Salmeron, Néstor Gutiérrez-Méndez (2018): Ultrasound-assisted crystallization of lactose in the presence of whey proteins and κ-carrageenan. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 42, 2018. 714-722.
Հաճախ տրվող հարցեր
Ի՞նչ է լակտոզան։
Լակտոզան դիսախարիդ է՝ կազմված գլյուկոզայի և գալակտոզայի մեկական մոլեկուլից։ Այն կաթի և կաթնամթերքի հիմնական ածխաջուրն է։ Քիմիական առումով այն գոյություն ունի α- և β-անոմերային ձևերով, իսկ շրջակա միջավայրի պայմաններում գերակշռող բյուրեղային ձևը α-լակտոզայի մոնոհիդրատն է։
Ինչի՞ համար է օգտագործվում լակտոզան։
Լակտոզը լայնորեն օգտագործվում է որպես ֆունկցիոնալ բաղադրիչ դեղագործական, սննդի և կենսատեխնոլոգիական արդյունաբերություններում։ Դեղագործության մեջ այն հիմնականում ծառայում է որպես լցանյութ կամ օժանդակ նյութ՝ բերանային ընդունման պինդ դեղաձևերում։ Այն նաև սուբստրատ է խմորման գործընթացներում և քաղցրացուցիչ՝ սննդային բաղադրակազմերում։
Ի՞նչ է լակտոզի բյուրեղացումը։
Լակտոզի բյուրեղացումը գերհագեցած լուծույթում լուծված լակտոզը պինդ բյուրեղների վերածելու գործընթացն է։ Այն տեղի է ունենում սաղմնագոյացման և բյուրեղների հետագա աճի միջոցով՝ ջերմաստիճանի, կոնցենտրացիայի, pH-ի և լուծիչի բաղադրության ազդեցությամբ։ Վերահսկվող բյուրեղացումն անհրաժեշտ է մասնիկների սահմանված չափով և պոլիմորֆային մաքրությամբ լակտոզ ստանալու համար։
Որո՞նք են բյուրեղացման 4 փուլերը։
Բյուրեղացման ընթացքում կարելի է դիտարկել բյուրեղների ձևավորման 4 փուլ՝
- Գերհագեցում. Թերմոդինամիկական շարժիչ ուժի առաջացում՝ լուծելիության սահմանը գերազանցելու միջոցով։
- Սաղմնագոյացում. Լուծույթից պինդ փուլի սկզբնական սաղմերի առաջացում։
- Բյուրեղների աճ. Լուծված նյութի մոլեկուլների միացում սաղմերին՝ ավելի խոշոր բյուրեղներ ձևավորելու համար։
- Ագլոմերացում կամ հասունացում. Երկրորդային գործընթացներ, որոնց ընթացքում բյուրեղները միավորվում են կամ լուծվում և կրկին աճում՝ ազդելով վերջնական չափային բաշխման վրա։
Այստեղ կարդացեք, թե ինչպես է ուլտրաձայնային մշակումը ազդում բյուրեղացման գործընթացի վրա։
Ի՞նչ է օժանդակ նյութը։
Օժանդակ նյութն իներտ նյութ է, որը դեղապատրաստուկների բաղադրության մեջ ներառվում է ակտիվ դեղագործական բաղադրիչի (API) հետ միասին։ Այն բարելավում է արտադրելիությունը, կայունությունը, կենսամատչելիությունը կամ հիվանդի համար ընդունելիությունը՝ առանց բուժական ազդեցություն գործադրելու։ Տարածված օժանդակ նյութերից են նոսրացնող, կապակցող, տարրալուծող և քսայուղող նյութերը, իսկ լակտոզը ամենահաճախ օգտագործվող նոսրացնող նյութերից մեկն է։
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն արտադրում է բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր չափերից մինչև արդյունաբերական չափեր։