乳糖インライン結晶化 – 研究室から産業界へ

超音波アシスト晶析は、連続フロー条件下での固体形成を促進するための効率的な技術である。以下に、Hielscher UP200St-TD-FlowCell超音波チャンバーを使用した、乳糖/水/イソプロパノールの3元系からの乳糖のインライン晶析に焦点を当てた研究を紹介します。超音波の適用により、系の安定性、結晶形態、および運転時間の連続性が大幅に改善された。ここでは、最適化された実験プロトコール、主要なパフォーマンス結果、工業的スケールアップへのルートをご覧いただけます。

プロセスの強化：ソニケーションを用いた乳糖の結晶化

晶析は、製薬や食品産業において精製や粒子工学に不可欠である。しかし、従来のバッチプロセスは、特にスケールアップ時の再現性とファウリングの限界に悩まされています。超音波条件下での連続晶析は、核生成率を高め、粒度分布を改善し、ファウリングに関連する課題を軽減することで、説得力のある代替案を提供します。

Zettlら（2020年）の研究では、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のモデル系を用いて、連続晶析構成におけるHielscher UP200St-TD-FlowCellの操作上の利点を調査している。

材料と方法 – 卓上での超音波乳糖晶析

材料

• 溶質：α-乳糖一水和物
• 溶媒系：脱イオン水とイソプロパノール、乳糖過飽和度に最適な三相比
• ソニケーターフロースルー超音波処理セル（TD-FlowCell）を装備したUP200St-TD

機器構成
UP200St-TD-FlowCellは、クローズドループの連続晶析回路に構成された。蠕動ポンプが過飽和ラクトース溶液を超音波処理チャンバーに循環させ、そこで超音波がシステムにエネルギーを与える。インライン温度制御により、長時間運転中の熱安定性が確保された。

連続モードによる超音波乳糖結晶化
(研究・画像：©Zettl et al.）

乳糖溶解度
グルコースとガラクトースからなる二糖類である乳糖の、室温（一般に20～25℃と定義される）における水中での飽和濃度は、25℃で約18.9wt％である。
ラクトースの溶解度は温度とともに上昇するが、直線的ではない。50℃では約31wt%、70℃では約45wt%まで上昇する。

乳糖連続晶析プロトコル

目的連続的な超音波処理において、システムの汚れを最小限に抑え、稼働時間を最大化する。

ステップ・バイ・ステップのプロトコル：

1. 飼料溶液の調製
   • α-ラクトース一水和物を脱イオン水に50℃で溶解し、飽和溶液を得る。
   • 乳糖水懸濁液の場合、水1000gあたり233gのa-乳糖を加える。
   • 材料が完全に溶けるまで混合物をかき混ぜる。
   • その後、飽和溶液を得るために25℃まで冷却する。
2. システム設定
   • 供給液でフロー回路をプライムする。
   • 流速を60mL/minに設定する（超音波チャンバー内の滞留時間～30秒に最適）。
   • 供給懸濁液と反溶媒は、2つの供給ポートを介して超音波フローセルのプロセスチャンバーに供給される。
   • 15wt%の乳糖懸濁液の流量を27g/分とする。予備冷却したイソプロパノール（12℃）を27g/min添加し、総流量54g/minで沈殿を誘導する。(質量流量54g/minは体積流量60mL/minに相当する）。
   • 100%の振幅で超音波処理を開始する。操作温度を25～30℃に保つ。
3. 結晶化段階
   • 中断することなく連続的な超音波処理を維持します。Hielscherのソニケーターは24時間365日稼働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分ごとに回収する。
4. ポストプロセス特性評価
   • SEMで結晶形態を分析する。
   • レーザー回折法を用いて結晶サイズ分布を定量化する（D50ターゲット：80～100 µm）。
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Zettlら、2020年の研究で使用された、飼料中の懸濁固体質量分画（w s,f）、製品中の懸濁固体質量分画（w s,p）、製品中の溶解固体質量分画（w d,p）、製品中の水分質量分画（w H2O,p）、製品中のイソプロパノール質量分画（w IA,p）、製品中のエタノール質量分画（w EtOH,p）を含む乳糖懸濁液の組成。

超音波乳糖結晶化の結果と利点

• 凝集緩和：
  インライン超音波処理により結晶の凝集が効果的に抑制され、よく分離した角柱状の乳糖結晶が得られた。
• 泡の減少：
  特筆すべきは、超音波によって、アルコールを含む反溶媒晶析でよくある問題である表面泡の形成が抑えられ、容積処理能力が向上したことである。
• 詰まり防止：
  長時間の運転中も、ファウリングや目詰まりは観察されず、音響キャビテーションがフローセル内の清浄な表面を維持し、固体の堆積を防ぐ役割を果たしていることが確認された。
• 連続ランタイム：
  このプロセスは、連続運転で維持され、結晶の品質は時点をまたいでも一定に保たれる。

超音波乳糖結晶化：超音波エネルギー入力、添加カラギーナンまたは乳清（WPC）が乳糖結晶サイズに影響する。
study and picture: © Sanchez-García et al, 2018.

超音波乳糖晶析のスケールアップ

ドイツで最高の工業規格に基づいて設計されたHielscherインラインソニケーターは、過飽和溶液から乳糖やその他の固体を連続的に晶析するための堅牢なソリューションを提供します。製薬グレードのアプリケーション用に設計されたこれらのシステムは、核生成と結晶成長を正確に制御し、再現可能な粒度分布とプロセスの一貫性を保証します。ラボスケールから生産スケールまで直線的なスケーラビリティを持つHielscherの超音波リアクターは、シームレスなプロセス移行を可能にし、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相まって、これらの超音波リアクターは、cGMPに準拠した晶析ワークフローに容易に統合できるオーダーメードのソリューションを提供し、製薬、バイオテクノロジー、食品産業に理想的です。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：

デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。