乳糖のインライン晶析 – ラボから産業規模へ

超音波支援晶析は、連続流条件下での固体形成を促進する効率的な技術です。以下では、Hielscher UP200St-TD-FlowCell超音波処理チャンバーを用いて、乳糖／水／イソプロパノールの三成分系から乳糖をインライン晶析する研究をご紹介します。超音波の適用により、システムの安定性、結晶形態、および運転時間の連続性が大幅に改善されました。ここでは、最適化された実験プロトコル、主要な性能上の成果、および産業規模へのスケールアップの道筋をご確認いただけます。

プロセス強化：超音波処理による乳糖の晶析

晶析は、製薬業界および食品業界における精製や粒子設計に不可欠です。しかし、従来のバッチプロセスには、特にスケールアップ時の再現性やファウリングに関する制約があります。超音波条件下での連続晶析は、核生成速度の向上、粒径分布の改善、およびファウリングに関連する課題の軽減によって、有力な代替手段となります。

Zettlら（2020）は、水／イソプロパノール混合液中の乳糖一水和物という親水性モデル系を用いて、連続晶析構成におけるHielscher UP200St-TD-FlowCellの運転上の利点を研究しています。

材料と方法 – ベンチトップでの超音波乳糖晶析

材料

• 溶質：α-乳糖一水和物
• 溶媒系：乳糖の過飽和に最適化された三成分の相組成比における脱イオン水とイソプロパノール
• 超音波処理装置：フロースルー型超音波処理セル（TD-FlowCell）を装備したUP200St-TD

装置構成
UP200St-TD-FlowCellを閉ループ型の連続晶析回路に組み込みました。ペリスタルティックポンプにより過飽和乳糖溶液を超音波処理チャンバー内に循環させ、そこで超音波によってシステムにエネルギーを投入しました。インライン温度制御により、長時間の運転中も熱的安定性が確保されました。

連続モードでの超音波乳糖晶析
（研究および画像：©Zettl et al., 2020）

乳糖の溶解度
グルコースとガラクトースから構成される二糖である乳糖の、室温（一般に20–25 °Cと定義）における水中の飽和濃度は、25°Cで約18.9 wt%です。
乳糖の溶解度は温度とともに上昇しますが、直線的ではありません。50°Cでは約31 wt%に上昇し、70°Cでは約45 wt%になります。

乳糖の連続晶析プロトコル

目的：連続超音波処理下でシステムのファウリングを最小限に抑え、運転時間を最大化すること。

段階別プロトコル：

1. 供給溶液の調製
   • α-乳糖一水和物を50°Cの脱イオン水に溶解し、飽和溶液を得ます。
   • 乳糖の水性懸濁液には、水1000 gあたり233 gのa-乳糖を添加します
   • 物質が完全に溶解するまで混合物を撹拌します。
   • その後、飽和溶液を得るために溶液を25°Cまで冷却します。
2. システムのセットアップ
   • 供給溶液で流路回路を満たします。
   • 流量を60 mL/minに設定します（超音波チャンバー内で約30秒の滞留時間を確保するのに最適）。
   • 供給懸濁液と貧溶媒を、二つの供給ポートから超音波フローセルの処理チャンバーに供給します。
   • 15 wt %乳糖懸濁液の流量を27g/ minに設定します。あらかじめ冷却したイソプロパノール（12°C）を27g/minで添加して沈殿を誘導し、合計質量流量を54g/minにします。（質量流量54g/minは体積流量60 mL/minに相当します）
   • 振幅100%で超音波処理を開始します。運転温度を25–30°Cに維持します。
3. 晶析段階
   • 超音波処理を中断せずに連続して行います。Hielscherの超音波処理装置は、24時間・週7日の運転に対応するように設計されています。
   • 下流のフィルターモジュールから、結晶化した乳糖を60分ごとに回収します。
4. 処理後の特性評価
   • SEMで結晶形態を分析します。
   • レーザー回折法で結晶の粒径分布を定量化します（D50の目標：80–100 µm）。
   • HPLCで純度を測定します（乳糖一水和物 >98%）。

Zettl et al., 2020の研究で使用された乳糖懸濁液の組成：供給物中の懸濁固体質量分率（w s,f）、生成物中の懸濁固体質量分率（w s,p）、生成物中の溶解固体質量分率（w d,p）、生成物中の水質量分率（w H2O,p）、生成物中のイソプロパノール質量分率（w IA,p）、および生成物中のエタノール質量分率（w EtOH,p）。

超音波乳糖晶析の結果と利点

• 凝集の軽減：
  インライン超音波処理は結晶の凝集を効果的に抑制し、互いに十分に分離した柱状の乳糖結晶を生成しました。
• 泡の低減：
  特に、超音波は表面での泡の形成 – アルコールを用いる貧溶媒晶析でよく見られる問題 – を低減し、それによって体積ベースの処理能力を向上させました。
• 閉塞の防止：
  長時間の運転中にファウリングや閉塞は観察されず、表面を清浄に保ち、フローセル内での固体の堆積を防ぐうえでの音響キャビテーションの役割が確認されました。
• 連続運転時間：
  このプロセスは連続運転を維持でき、各時点で結晶の品質は一定に保たれます。

超音波乳糖晶析：異なる条件下で結晶化した乳糖：超音波エネルギーの投入、添加したカラギーナンまたはホエイ（WPC）が乳糖結晶の大きさに影響します
研究および画像：© Sanchez-García et al., 2018.

超音波乳糖晶析のスケールアップ

最高水準の産業規格に従ってドイツで設計されたHielscherのインライン超音波処理装置は、過飽和溶液から乳糖やその他の固体を連続晶析するための堅牢なソリューションを提供します。医薬品グレードの用途向けに設計されたこれらのシステムは、核生成と結晶成長の精密な制御を可能にし、再現性のある粒径分布とプロセスの一貫性を確保します。ラボ規模から生産規模へのリニアなスケールアップが可能なHielscherの超音波反応器は、円滑なプロセス移管を実現し、開発時間とコストを最小限に抑えます。包括的な技術コンサルティングと組み合わせることで、これらの超音波処理装置は、cGMP準拠の晶析ワークフローに容易に組み込める個別仕様のソリューションを提供し、製薬、バイオテクノロジー、および食品業界に最適です。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波処理装置は、最高水準の品質と設計基準で広く知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業施設に円滑に組み込むことができます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証企業であり、最先端の技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置に特に重点を置いています。当然ながら、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、およびRoHsの要件を満たしています。