Kristalisasi Laktosa dalam Jalur – dari Laboratorium ke Industri

Kristalisasi berbantuan ultrasonik merupakan teknik yang efisien untuk meningkatkan pembentukan padatan dalam kondisi aliran kontinu. Di bawah ini kami menyajikan sebuah studi yang berfokus pada kristalisasi laktosa dalam jalur dari sistem terner laktosa/air/isopropanol, menggunakan ruang sonikasi Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Penerapan ultrasonik menghasilkan peningkatan signifikan dalam stabilitas sistem, morfologi kristal, dan kesinambungan waktu operasi. Di sini, Anda dapat menemukan protokol eksperimen yang telah dioptimalkan, hasil kinerja utama, dan langkah menuju peningkatan skala industri.

Intensifikasi Proses: Kristalisasi Laktosa menggunakan Sonikasi

Kristalisasi sangat penting dalam industri farmasi dan pangan untuk pemurnian dan rekayasa partikel. Namun, proses batch tradisional memiliki keterbatasan dalam reproduktibilitas dan pembentukan endapan pada permukaan peralatan, terutama saat peningkatan skala. Kristalisasi kontinu dalam kondisi ultrasonik menawarkan alternatif yang menarik dengan meningkatkan laju nukleasi, memperbaiki distribusi ukuran, dan mengurangi tantangan terkait pembentukan endapan pada permukaan peralatan.

Dalam studi mereka, Zettl dan rekan-rekan (2020) menggunakan sistem model hidrofilik – laktosa monohidrat dalam campuran air/isopropanol – untuk menyelidiki manfaat operasional Hielscher UP200St-TD-FlowCell dalam konfigurasi kristalisasi kontinu.

Bahan dan Metode – Kristalisasi Laktosa Ultrasonik di Atas Meja Laboratorium

Bahan

• Zat terlarut: α-Laktosa monohidrat
• Sistem pelarut: Air deionisasi dan isopropanol dalam rasio fase terner yang dioptimalkan untuk kondisi lewat jenuh laktosa
• Sonikator: UP200St-TD yang dilengkapi dengan sel sonikasi aliran tembus (TD-FlowCell)

Konfigurasi Peralatan
UP200St-TD-FlowCell dikonfigurasi dalam sirkuit kristalisasi kontinu dengan loop tertutup. Pompa peristaltik mengedarkan larutan laktosa lewat jenuh melalui ruang sonikasi, tempat ultrasonik menyalurkan energi ke dalam sistem. Pengendalian suhu dalam jalur memastikan stabilitas termal selama operasi berkepanjangan.

Kristalisasi laktosa ultrasonik dalam mode kontinu
(Studi dan gambar: ©Zettl et al., 2020)

Kelarutan Laktosa
Konsentrasi jenuh laktosa, yang merupakan disakarida tersusun dari glukosa dan galaktosa, dalam air pada suhu ruang (umumnya didefinisikan sebagai 20–25 °C) adalah sekitar 18,9 wt% pada 25°C.
Kelarutan laktosa meningkat seiring kenaikan suhu, tetapi tidak secara linear. Pada 50°C, kelarutannya meningkat menjadi sekitar 31 wt%, dan pada 70°C, kelarutannya sekitar 45 wt%.

Protokol Kristalisasi Laktosa Kontinu

Tujuan: Meminimalkan pembentukan endapan pada permukaan sistem dan memaksimalkan waktu operasi dengan sonikasi kontinu.

Protokol Langkah demi Langkah:

1. Penyiapan Larutan Umpan
   • Larutkan α-laktosa monohidrat dalam air deionisasi pada 50°C untuk memperoleh larutan jenuh.
   • Untuk suspensi laktosa dalam air, tambahkan 233 g a-laktosa per 1000 g air
   • Aduk campuran hingga bahan larut sepenuhnya.
   • Setelah itu, biarkan larutan mendingin hingga 25°C untuk memperoleh larutan jenuh.
2. Penyiapan Sistem
   • Isi sirkuit aliran dengan larutan umpan sebelum pengoperasian.
   • Atur laju alir menjadi 60 mL/min (optimal untuk waktu tinggal ~30 detik dalam ruang ultrasonik).
   • Suspensi umpan dan ant pelarut dimasukkan melalui dua port pemasukan ke dalam ruang proses sel alir ultrasonik.
   • Atur laju alir suspensi laktosa 15 wt % menjadi 27g/ min. Picu presipitasi dengan menambahkan isopropanol yang telah didinginkan sebelumnya (12°C) sebanyak 27g/min, sehingga menghasilkan laju alir massa total sebesar 54g/min. (Laju alir massa sebesar 54g/min setara dengan laju alir volume sebesar 60 mL/min)
   • Mulai sonikasi pada amplitudo 100%. Pertahankan suhu operasi antara 25–30°C.
3. Fase Kristalisasi
   • Pertahankan sonikasi kontinu tanpa jeda. Sonikator Hielscher dirancang untuk operasi 24/7.
   • Kumpulkan laktosa yang telah mengkristal dari modul filter di bagian hilir setiap 60 menit.
4. Karakterisasi Pascaproses
   • Analisis morfologi kristal menggunakan SEM.
   • Kuantifikasi distribusi ukuran kristal menggunakan difraksi laser (target D50: 80–100 µm).
   • Tentukan kemurnian menggunakan HPLC (laktosa monohidrat >98%).

Komposisi Suspensi Laktosa dengan Fraksi Massa Padatan Tersuspensi dalam Umpan (w s,f), Fraksi Massa Padatan Tersuspensi dalam Produk (w s,p), Fraksi Massa Padatan Terlarut dalam Produk (w d,p), Fraksi Massa Air dalam Produk (w H2O,p), Fraksi Massa Isopropanol dalam Produk (w IA,p), dan Fraksi Massa Etanol dalam Produk (w EtOH,p) yang digunakan dalam studi oleh Zettl et al., 2020.

Hasil dan Manfaat Kristalisasi Laktosa Ultrasonik

• Pengurangan Aglomerasi:
  Ultrasonikasi dalam jalur secara efektif menekan aglomerasi kristal, menghasilkan kristal laktosa prismatik yang terpisah dengan baik.
• Pengurangan Busa:
  Ultrasonik secara nyata mengurangi pembentukan busa di permukaan – masalah umum dalam kristalisasi dengan ant pelarut yang melibatkan alkohol – sehingga meningkatkan kapasitas pemrosesan volumetrik.
• Pencegahan Penyumbatan:
  Tidak ditemukan pembentukan endapan pada permukaan peralatan atau penyumbatan selama operasi berkepanjangan, yang menegaskan peran kavitasi akustik dalam menjaga kebersihan permukaan dan mencegah pengendapan padatan di dalam sel alir.
• Waktu Operasi Kontinu:
  Proses dapat dipertahankan dalam operasi kontinu, dengan kualitas kristal tetap konsisten pada berbagai titik waktu.

Kristalisasi laktosa ultrasonik: Laktosa yang dikristalkan dalam berbagai kondisi: masukan energi ultrasonik, penambahan karagenan atau whey (WPC) memengaruhi ukuran kristal laktosa
studi dan gambar: © Sanchez-García et al., 2018.

Peningkatan Skala Kristalisasi Laktosa Ultrasonik

Sonikator Hielscher untuk pemrosesan dalam jalur, yang direkayasa di Jerman sesuai standar industri tertinggi, menawarkan solusi yang tangguh untuk kristalisasi kontinu laktosa dan padatan lainnya dari larutan lewat jenuh. Dirancang untuk aplikasi kelas farmasi, sistem ini mendukung pengendalian nukleasi dan pertumbuhan kristal secara presisi, sehingga memastikan distribusi ukuran partikel yang dapat direproduksi dan konsistensi proses. Dengan kemampuan peningkatan skala secara linear dari skala laboratorium ke skala produksi, reaktor ultrasonik Hielscher memungkinkan transfer proses yang lancar, sehingga meminimalkan waktu dan biaya pengembangan. Disertai konsultasi teknis yang menyeluruh, sonikator ini menyediakan solusi yang disesuaikan dan mudah diintegrasikan ke dalam alur kerja kristalisasi yang memenuhi cGMP – menjadikannya ideal untuk industri farmasi, bioteknologi, dan pangan.

Tabel di bawah ini memberikan gambaran tentang perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator ultrasonik kami:

Desain, Manufaktur, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Sonikator ultrasonik Hielscher dikenal karena standar kualitas dan desainnya yang tertinggi. Ketangguhan dan kemudahan pengoperasian memungkinkan integrasi sonikator ultrasonik kami secara lancar ke dalam fasilitas industri. Kondisi berat dan lingkungan yang menuntut dapat ditangani dengan mudah oleh sonikator ultrasonik Hielscher.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikasi ISO dan memberikan perhatian khusus pada sonikator ultrasonik berkinerja tinggi yang memiliki teknologi mutakhir dan mudah digunakan. Tentu saja, sonikator ultrasonik Hielscher memenuhi ketentuan CE serta persyaratan UL, CSA, dan RoHs.