ლაქტოზის ინლაინ კრისტალიზაცია – ლაბორატორიიდან მრეწველობამდე
ულტრაბგერითი კრისტალიზაცია არის ეფექტური ტექნიკა მყარი ფაზის წარმოქმნის გასაძლიერებლად უწყვეტი ნაკადის პირობებში. ქვემოთ წარმოგიდგენთ კვლევას, რომელიც ეხება ლაქტოზის ინლაინ კრისტალიზაციას ლაქტოზა/წყალი/იზოპროპანოლის სამკომპონენტიანი სისტემიდან, Hielscher UP200St-TD-FlowCell ულტრაბგერითი დამუშავების კამერის გამოყენებით. ულტრაბგერის გამოყენებამ მნიშვნელოვანი გაუმჯობესება მოიტანა სისტემის სტაბილურობაში, კრისტალურ მორფოლოგიასა და მუშაობის უწყვეტობაში. აქ შეგიძლიათ იპოვოთ ოპტიმიზებული ექსპერიმენტული პროტოკოლი, ძირითადი მახასიათებლები და გზა სამრეწველო მასშტაბამდე გაზრდისკენ.
პროცესის ინტენსიფიკაცია: ლაქტოზის კრისტალიზაცია ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით
კრისტალიზაცია აუცილებელია ფარმაცევტულ და საკვებ მრეწველობაში გასუფთავებისა და ნაწილაკების ინჟინერიისთვის. თუმცა, ტრადიციული პარტიული პროცესები განიცდის შეზღუდვებს გამეორებადობასა და ჭუჭყიანებაში (ფაულინგში), განსაკუთრებით მასშტაბის გაზრდისას. უწყვეტი კრისტალიზაცია ულტრაბგერით პირობებში გთავაზობთ დამაჯერებელ ალტერნატივას ნუკლეაციის სიჩქარეების გაზრდით, ზომის განაწილების გაუმჯობესებით და ფაულინგთან დაკავშირებული გამოწვევების შემცირებით.
თავიანთ კვლევაში, Zettl და კოლეგები (2020) იყენებენ მოდელ ჰიდროფილურ სისტემას – ლაქტოზის მონოჰიდრატს წყალი/იზოპროპანოლის ნარევში – რათა შეისწავლონ Hielscher UP200St-TD-FlowCell-ის ოპერაციული სარგებელი უწყვეტი კრისტალიზაციის კონფიგურაციაში.
UP200St_TD
მასალები და მეთოდები – ულტრაბგერითი ლაქტოზის კრისტალიზაცია სამაგიდო მასშტაბით
მასალები
- გახსნილი ნივთიერება: α-ლაქტოზის მონოჰიდრატი
- გამხსნელი სისტემა: დეიონიზებული წყალი და იზოპროპანოლი სამკომპონენტიანი ფაზური თანაფარდობით, ოპტიმიზებული ლაქტოზის ზეგაჯერებისთვის
- ულტრაბგერითი დამუშავების აპარატი: UP200St-TD, აღჭურვილი ნაკადის გავლითი ულტრაბგერითი დამუშავების კამერით (TD-FlowCell)
მოწყობილობის კონფიგურაცია
UP200St-TD-FlowCell კონფიგურირებული იყო დახურული ციკლის უწყვეტი კრისტალიზაციის სქემაში. პერისტალტიკური ტუმბო აცირკლებდა სუპერსატურირებულ ლაქტოზის ხსნარს ულტრაბგერითი დამუშავების კამერაში, სადაც ულტრაბგერა ენერგიას აწვდის სისტემას. ინლაინ ტემპერატურული კონტროლი უზრუნველყოფდა თერმულ სტაბილურობას ხანგრძლივი ექსპლუატაციის დროს.
ულტრაბგერითი ლაქტოზის კრისტალიზაცია უწყვეტ რეჟიმში
(კვლევა და სურათი: ©Zettl et al., 2020)
ლაქტოზის ხსნადობა
ლაქტოზის, რომელიც არის დისაქარიდი, შედგება გლუკოზისა და გალაქტოზისგან, გაჯერების კონცენტრაცია წყალში ოთახის ტემპერატურაზე (ჩვეულებრივ განისაზღვრება როგორც 20–25 °C) არის დაახლოებით 18,9 wt% 25°C-ზე.
ლაქტოზის ხსნადობა იზრდება ტემპერატურასთან ერთად, მაგრამ არა ლინეარულად. 50°C-ზე ის იზრდება დაახლოებით 31 wt%-მდე, ხოლო 70°C-ზე ის არის დაახლოებით 45 wt%.
უწყვეტი ლაქტოზის კრისტალიზაციის პროტოკოლი
მიზანი: სისტემის დაბინძურების მინიმიზაცია და დროული უწყვეტობის მაქსიმიზაცია უწყვეტი ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში.
ნაბიჯ-ნაბიჯ პროტოკოლი:
- საკვები ხსნარის მომზადება
- გახსენით α-ლაქტოზის მონოჰიდრატი დეიონიზებულ წყალში 50°C-ზე გაჯერებული ხსნარის მისაღებად.
- წყალში ლაქტოზის სუსპენზიისთვის, დაამატეთ 233 g a-ლაქტოზა 1000 g წყალზე
- აურიეთ ნარევი მანამ, სანამ მასალა სრულად არ გაიხსნება.
- შემდეგ, გააცივეთ ხსნარი 25°C-მდე გაჯერებული ხსნარის მისაღებად.
- სისტემის დაყენება
- შეავსეთ ნაკადის სქემა საკვები ხსნარით.
- დააყენეთ მოცულობითი ხარჯი 60 mL/min (ოპტიმალური დაყოვნების დროისთვის ~30 წამი ულტრაბგერით კამერაში).
- საკვები სუსპენზია და ანტიხსნადი ნივთიერება იკვებება ორი საკვები პორტის მეშვეობით ულტრაბგერითი ნაკადის კამერის პროცესის კამერაში.
- დააყენეთ მოცულობითი ხარჯი 27g/ min 15 wt % ლაქტოზის სუსპენზიისთვის. გამოიწვიეთ ნალექი 27g/min წინასწარ გააცივებული იზოპროპანოლის (12°C) დამატებით, რის შედეგადაც მიიღება მთლიანი მასური ხარჯი 54g/min. (მასური ხარჯი 54g/min შეესაბამება მოცულობით ხარჯს 60 mL/min)
- დაიწყეთ ულტრაბგერითი დამუშავება 100% ამპლიტუდაზე. შეინარჩუნეთ სამუშაო ტემპერატურა 25–30°C შორის.
- კრისტალიზაციის ფაზა
- შეინარჩუნეთ უწყვეტი ულტრაბგერითი დამუშავება შეუფერხებლად. Hielscher ულტრაბგერითი დამუშავების აპარატები შექმნილია 24/7 ექსპლუატაციისთვის.
- მოაგროვეთ კრისტალიზებული ლაქტოზა ქვემდებარე ფილტრის მოდულიდან ყოველ 60 წუთში.
- პროცესის შემდგომი დამახასიათებელი
- გაანალიზეთ კრისტალური მორფოლოგია SEM-ის მეშვეობით.
- გაზომეთ კრისტალური ზომის განაწილება ლაზერული დიფრაქციის გამოყენებით (D50 მიზანი: 80–100 µm).
- დაადგინეთ სიწმინდე HPLC-ის მეშვეობით (ლაქტოზის მონოჰიდრატი >98%).
ლაქტოზის სუსპენზიების შემადგენლობა საკვებში (w s,f), პროდუქტში (w s,p) და პროდუქტში (w d,p) გახსნილი მყარი მასის წილი, პროდუქტში (w H2O,p) წყლის მასის წილი, პროდუქტში (w IA,p) იზოპროპანოლის მასის წილი და პროდუქტში (w EtOH,p) ეთანოლის მასის წილი, რომელიც გამოიყენება Zettl et al., 2020-ის კვლევაში.
ულტრაბგერითი ლაქტოზის კრისტალიზაციის შედეგები და სარგებელი
- აგლომერაციის შემცირება:
ინლაინ ულტრაბგერითი დამუშავება ეფექტურად აფერხებდა კრისტალების აგლომერაციას, რის შედეგადაც მიიღებოდა კარგად განცალკევებული, პრიზმული ლაქტოზის კრისტალები. - ქაფის შემცირება:
გასათვალისწინებელია, რომ ულტრაბგერამ შეამცირა ზედაპირული ქაფის წარმოქმნა – რაც ხშირი პრობლემაა სპირტების მონაწილეობით მიმდინარე ანტიგამხსნელ კრისტალიზაციაში – და ამით გააუმჯობესა მოცულობითი გამტარობა. - გადახშობის თავიდან აცილება:
ხანგრძლივი ექსპლუატაციის დროს დაფიქსირებული არ იყო ჭუჭყი ან გადახშობა, რაც ადასტურებს აკუსტიკური კავიტაციის როლს სუფთა ზედაპირების შენარჩუნებასა და მყარი ნაშთების დალექვის თავიდან აცილებას ნაკადის კამერაში. - უწყვეტი მუშაობის დრო:
პროცესი შეიძლება შენარჩუნდეს უწყვეტ რეჟიმში, კრისტალების ხარისხი დროის სხვადასხვა წერტილში თანაბარი რჩება.
ულტრაბგერითი ლაქტოზის კრისტალიზაცია: ლაქტოზა კრისტალიზებულია სხვადასხვა პირობებში: ულტრაბგერითი ენერგიის შეყვანა, დამატებული კარაგინანი ან შრატის ცილის კონცენტრატი (WPC) გავლენას ახდენს ლაქტოზის კრისტალების ზომაზე
კვლევა და სურათი: © Sanchez-García et al., 2018.
ულტრაბგერითი დამამუშავებელი UIP6000hdT წნევის ქვეშ მყოფი ნაკადის კამერით. გათბობის/გაცივების გარსი საშუალებას იძლევა ულტრაბგერითი დამუშავება მოხდეს მაღალ ან დაბალ ტემპერატურაზე.
ულტრაბგერითი ლაქტოზის კრისტალიზაციის მასშტაბირება
Hielscher-ის ინლაინ ულტრაბგერითი დამამუშავებლები, რომლებიც გერმანიაში შეიქმნა უმაღლესი სამრეწველო სტანდარტების შესაბამისად, სთავაზობენ მყარ გადაწყვეტას ლაქტოზისა და სხვა მყარი ნივთიერებების უწყვეტი კრისტალიზაციისთვის ზეგაჯერებული ხსნარებიდან. ფარმაცევტული ხარისხის გამოყენებისთვის შექმნილი ეს სისტემები უზრუნველყოფენ ნუკლეაციისა და კრისტალური ზრდის ზუსტ კონტროლს, რაც იძლევა რეპროდუქციული ნაწილაკების ზომის განაწილებისა და პროცესის მდგრადობის გარანტიას. ლაბორატორიულიდან წარმოების მასშტაბამდე ლინეარული მასშტაბირების შესაძლებლობით, Hielscher-ის ულტრაბგერითი რეაქტორები უზრუნველყოფენ პროცესის უწყვეტ გადაცემას, ამცირებენ დამუშავების დროსა და ღირებულებას. სრულყოფილი ტექნიკური კონსულტაციის თანხლებით, ეს დამამუშავებლები სთავაზობენ მორგებულ გადაწყვეტებს, რომლებიც მარტივად ინტეგრირდება cGMP-თან თავსებად კრისტალიზაციის სამუშაო ნაკადებში – რაც მათ იდეალურს ხდის ფარმაცევტული, ბიოტექნოლოგიური და საკვები მრეწველობისთვის.
ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაწვდით ინფორმაციას ჩვენი ულტრაბგერითი დამამუშავებლების დაახლოებითი დამუშავების სიმძლავრის შესახებ:
| პარტიის მოცულობა | მოცულობითი ხარჯი | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 10-დან 50mL-მდე | 10-დან 300mL/min-მდე | UP200St_TD |
| 1-დან 500mL-მდე | 10-დან 200mL/min-მდე | UP100H |
| 10-დან 2000mL-მდე | 20-დან 400mL/min-მდე | UP200Ht, UP400St |
| 0,1-დან 20L-მდე | 0,2-დან 4L/min-მდე | UIP2000hdT |
| 10-დან 100L-მდე | 2-დან 10L/min-მდე | UIP4000hdT |
| 15-დან 150L-მდე | 3-დან 15L/min-მდე | UIP6000hdT |
| n.a. | 10-დან 100L/min-მდე | UIP16000hdT |
| n.a. | უფრო დიდი | ჯგუფი UIP16000hdT |
დიზაინი, წარმოება და კონსულტაცია – ხარისხი, დამზადებულია გერმანიაში
Hielscher-ის ულტრაბგერითი დამამუშავებლები ცნობილია თავიანთი უმაღლესი ხარისხითა და დიზაინის სტანდარტებით. მდგრადობა და მარტივი ექსპლუატაცია საშუალებას იძლევა ჩვენი ულტრაბგერითი დამამუშავებლები მარტივად ინტეგრირდეს სამრეწველო ობიექტებში. მკაცრი პირობები და მოთხოვნადი გარემო Hielscher-ის ულტრაბგერითი დამამუშავებლებისთვის მარტივად გადასაჭრელია.
Hielscher Ultrasonics არის ISO სერტიფიცირებული კომპანია და განსაკუთრებულ ყურადღებას უთმობს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით დამამუშავებლებს, რომლებიც გამოირჩევიან თანამედროვე ტექნოლოგიითა და მოხმარების სიმარტივით. რა თქმა უნდა, Hielscher-ის ულტრაბგერითი დამამუშავებლები შეესაბამება CE სტანდარტებს და აკმაყოფილებენ UL, CSA და RoHs მოთხოვნებს.
UIP2000hdT, 2000 ვატიანი მძლავრი ულტრაბგერითი დამამუშავებელი ნაკადის კამერით სამრეწველო ინლაინ კრისტალიზაციისთვის
ლიტერატურა / რეფერენსები
- 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.
ხშირად დასმული კითხვები
რა არის ლაქტოზა?
ლაქტოზა არის დისაქარიდი, რომელიც შედგება გლუკოზისა და გალაქტოზის თითო-თითო მოლეკულისგან. ის არის ძირითადი ნახშირწყალი რძესა და რძის პროდუქტებში. ქიმიურად, ის არსებობს α- და β-ანომერულ ფორმებში, სადაც α-ლაქტოზის მონოჰიდრატი არის დომინანტური კრისტალური ფორმა გარემო პირობებში.
რისთვის გამოიყენება ლაქტოზა?
ლაქტოზა ფართოდ გამოიყენება, როგორც ფუნქციური ინგრედიენტი ფარმაცევტულ, საკვებ და ბიოტექნოლოგიურ მრეწველობაში. ფარმაცევტიკაში ის ძირითადად გამოიყენება, როგორც შემავსებელი ან ექსციპიენტი პირის ღრუს მყარი ფორმის პრეპარატებში. ის ასევე წარმოადგენს სუბსტრატს ფერმენტაციის პროცესებში და ტკბილებელს საკვებ ფორმულაციებში.
რა არის ლაქტოზის კრისტალიზაცია?
ლაქტოზის კრისტალიზაცია გულისხმობს გახსნილი ლაქტოზის გადაყვანის პროცესს ზეგაჯერებული ხსნარიდან მყარ კრისტალებში. ეს ხდება ნუკლეაციისა და შემდგომი კრისტალური ზრდის გზით, რომელზეც გავლენას ახდენს ტემპერატურა, კონცენტრაცია, pH და გამხსნელის შემადგენლობა. კონტროლირებადი კრისტალიზაცია აუცილებელია ლაქტოზის მისაღებად განსაზღვრული ნაწილაკების ზომით და პოლიმორფული სიწმინდით.
რა არის კრისტალიზაციის 4 ეტაპი?
კრისტალიზაციის დროს შეიძლება დაფიქსირდეს კრისტალური ფორმაციის 4 ეტაპი:
- ზეგაჯერებულობა: ხსნადობის გადაჭარბებით თერმოდინამიკური მამოძრავებელი ძალის შექმნა.
- ნუკლეაცია: საწყისი მყარი ფაზის ბირთვების წარმოქმნა ხსნარიდან.
- კრისტალური ზრდა: გახსნილი ნივთიერების მოლეკულების შეკრება ბირთვებზე უფრო დიდი კრისტალების წარმოქმნის მიზნით.
- აგლომერაცია ან მწიფვა: მეორეული პროცესები, როდესაც კრისტალები აგრეგირდება ან იხსნება და ხელახლა იზრდება, რაც გავლენას ახდენს საბოლოო ზომის განაწილებაზე.
წაიკითხეთ აქ, თუ როგორ მოქმედებს ულტრაბგერითი დამუშავება კრისტალიზაციის პროცესზე!
რა არის ექსციპიენტი?
ექსციპიენტი არის ინერტული ნივთიერება, რომელიც ფორმულირდება წამლის პროდუქტებში აქტიური ფარმაცევტული ინგრედიენტთან (API) ერთად. ის ზრდის წარმოების შესაძლებლობას, სტაბილურობას, ბიოშეღწევადობას ან პაციენტის მიერ აღქმის შესაძლებლობას, თერაპიული ეფექტის გამოუვლენად. გავრცელებული ექსციპიენტებია დილუენტები, ბინდერები, დისინტეგრანტები და ლუბრიკანტები – ლაქტოზა ერთ-ერთი ყველაზე ხშირად გამოყენებადი დილუენტია.
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს ლაბორატორიული დან სამრეწველო ზომამდე.