Lactose Inline Crystallization – 실험실에서 산업으로
초음파 보조 결정화는 연속적인 흐름 조건에서 고체 형성을 향상시키는 효율적인 기술입니다. 아래에서는 Hielscher UP200St-TD-FlowCell 초음파 처리 챔버를 사용하여 유당 / 물 / 이소프로판올 삼원 시스템에서 유당의 인라인 결정화에 초점을 맞춘 연구를 제시합니다. 초음파를 적용하면 시스템 안정성, 결정 형태 및 런타임 연속성이 크게 개선되었습니다. 여기에서 최적화된 실험 프로토콜, 주요 성능 결과 및 산업 규모 확대 경로를 찾을 수 있습니다.
공정 강화: Sonication을 사용한 유당 결정화
결정화는 제약 및 식품 산업에서 정제 및 입자 엔지니어링을 위한 필수 요소입니다. 그러나 기존의 배치 공정은 특히 확장 중에 재현성과 오염의 한계로 어려움을 겪습니다. 초음파 조건에서의 연속 결정화는 핵형성 속도를 높이고, 크기 분포를 개선하며, 오염 관련 문제를 완화함으로써 강력한 대안을 제공합니다.
그들의 연구에서 Zettl과 동료 (2020)는 모델 친수성 시스템 (물 / 이소프로판올 혼합물의 유당 일수화물)을 사용하여 연속 결정화 구성에서 Hielscher UP200St-TD-FlowCell의 작동 이점을 조사합니다.
UP200St_TD
재료 및 방법 – Laboratory top의 초음파 유당 결정화
자료
- 용질: α-유당 일수화물
- 용매 시스템: 유당 과포화에 최적화된 삼원상 비율의 탈이온수 및 이소프로판올
- 초음파 처리기 : UP200St-TD는 플로우 스루 초음파 처리 셀 (TD-FlowCell)을 갖추고 있습니다.
장비 구성
UP200St-TD-FlowCell은 폐쇄 루프 연속 결정화 회로로 구성되었습니다. 연동 펌프는 초음파 처리 챔버를 통해 과포화 유당 용액을 순환시켰고, 여기서 초음파는 시스템에 에너지를 전달했습니다. 인라인 온도 제어는 장시간 작동 시 열 안정성을 보장했습니다.
연속 모드에서의 초음파 유당 결정화
(연구 및 이미지: ©Zettl et al., 2020)
유당 용해성
포도당과 갈락토스로 구성된 이당류인 유당의 포화 농도는 실온(일반적으로 20-25°C로 정의됨)의 물에서 25°C에서 약 18.9wt%입니다.
유당 용해도는 온도에 따라 증가하지만 선형으로는 증가하지 않습니다. 50°C에서는 약 31wt%까지 상승하고 70°C에서는 약 45wt%로 상승합니다.
Continuous Lactose Crystallization을 위한 프로토콜
목표 : 시스템 오염을 최소화하고 연속 초음파 처리에서 런타임을 최대화합니다.
단계별 프로토콜:
- 사료 용액의 준비
- 포화 용액을 얻기 위해 50°C에서 탈이온수에 α-유당 일수화물을 용해시킵니다.
- 수성 유당 현탁액의 경우 물 1000g당 233g의 유당을 추가합니다
- 재료가 완전히 용해될 때까지 혼합물을 저어줍니다.
- 그런 다음 포화 용액을 얻기 위해 용액을 25°C로 식히십시오.
- 시스템 설치 프로그램
- 공급 용액으로 흐름 회로를 프라임합니다.
- 유속을 60mL/분으로 설정합니다(초음파 챔버에서 ~30초의 체류 시간에 최적).
- 공급 현탁액과 반용매는 두 개의 공급 포트를 통해 초음파 플로우 셀의 공정 챔버로 공급됩니다.
- 27g/min의 유속을 15wt % 유당 현탁액으로 설정합니다. 27g/min의 예냉각된 이소프로판올(12°C)을 첨가하여 총 질량 유량 54g/min을 얻어 강수를 유도합니다. (54g/min의 질량 유량은 60mL/min의 체적 유량에 해당)
- 100% 진폭에서 초음파 처리를 시작합니다. 작동 온도를 25–30°C 사이로 유지하십시오.
- 결정화 단계
- 중단 없이 지속적인 초음파 처리를 유지합니다. Hielscher 초음파 세척기는 24/7 작동을 위해 제작되었습니다.
- 60분마다 다운스트림 필터 모듈에서 결정화된 유당을 수집합니다.
- 포스트 프로세스 특성화
- SEM을 통해 결정 형태를 분석합니다.
- 레이저 회절(D50 타겟: 80–100μm)을 사용하여 결정 크기 분포를 정량화합니다.
- Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).
사료 내 부유 고형물 질량 분율(w s,f), 생성물 내 부유 고체 질량 분율(w s,p), 제품 내 용존 고체 질량 분율(w d,p), 제품 내 물 질량 분율(w H2O,p), 제품 내 이소프로판올 질량 분율(w IA,p) 및 제품 내 에탄올 질량 분율(w EtOH, p)를 사용하여 Zettl et al., 2020의 연구에 사용했습니다.
초음파 유당 결정화(Ultrasonic Lactose Crystallization)의 결과 및 이점
- 응집 완화:
인라인 초음파는 결정 응집을 효과적으로 억제하여 잘 분리된 프리즘 유당 결정을 생성했습니다. - 거품 감소:
특히, 초음파는 알코올과 관련된 반용매 결정화에서 흔히 발생하는 문제인 표면 폼 형성을 줄여 체적 처리량을 개선했습니다. - 막힘 방지:
장시간 작동 중에 오염이나 막힘이 관찰되지 않았으며, 이는 깨끗한 표면을 유지하고 플로우 셀 내의 고체 침착을 방지하는 음향 캐비테이션의 역할을 확인했습니다. - 연속 런타임:
이 공정은 연속 작동으로 유지될 수 있으며, 결정 품질은 시점에 걸쳐 일관되게 유지됩니다.
초음파 유당 결정화: 다양한 조건에서 결정화된 유당: 초음파 에너지 입력, 카라기난 또는 유청(WPC) 첨가가 유당 결정 크기에 영향을 미칩니다.
연구 및 그림: © Sanchez-García et al., 2018.
초음파기 UIP6000hdT 가압이 가능한 플로우 셀 포함. 가열 / 냉각 재킷을 사용하면 상승 또는 하강 된 온도에서 초음파 처리 할 수 있습니다.
Ultrasonic Lactose Crystallization의 규모 확대
독일에서 최고의 산업 표준에 따라 설계된 Hielscher 인라인 초음파 발생기는 과포화 용액에서 유당 및 기타 고체의 연속 결정화를 위한 강력한 솔루션을 제공합니다. 제약 등급 응용 분야를 위해 설계된 이 시스템은 핵형성 및 결정 성장에 대한 정밀한 제어를 지원하여 재현 가능한 입자 크기 분포 및 공정 일관성을 보장합니다. 실험실에서 생산 규모까지 선형 확장 성을 갖춘 Hielscher 초음파 반응기는 원활한 프로세스 이전을 가능하게하여 개발 시간과 비용을 최소화합니다. 포괄적인 기술 컨설팅과 결합된 이 초음파 처리기는 cGMP 준수 결정화 워크플로우에 쉽게 통합되는 맞춤형 솔루션을 제공하므로 제약, 생명 공학 및 식품 산업에 이상적입니다.
아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 10 - 50mL | 10 - 300mL/분 | UP200St_TD |
| 1 내지 500mL | 10 내지 200mL/분 | 업100H |
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000hdt 님 |
| 15에서 150L | 3 내지 15L/min | UIP6000hdT 님 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000hdT 님 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000hdT 님 |
설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질
Hielscher 초음파는 최고의 품질과 디자인 표준으로 잘 알려져 있습니다. 견고 함과 쉬운 작동으로 초음파를 산업 시설에 원활하게 통합 할 수 있습니다. 거친 조건과 까다로운 환경은 Hielscher 초음파기로 쉽게 처리 할 수 있습니다.
Hielscher 초음파는 ISO 인증 회사이며 최첨단 기술과 사용자 친화성을 갖춘 고성능 초음파에 특히 중점을 둡니다. 물론, Hielscher 초음파는 CE를 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.
UIP2000hdT, 2000 와트의 강력한 초음파 발생기 산업용 인라인 결정화를 위한 플로우 셀 포함
문헌 / 참고문헌
- 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.
자주 묻는 질문
유당이란 무엇입니까?
유당(Lactose)은 포도당과 갈락토스(galactose)의 분자로 구성된 이당류입니다. 우유와 유제품의 주요 탄수화물입니다. 화학적으로, 그것은 α 및 β 아노머 형태로 존재하며, α-lactose monohydrate는 주변 조건에서 우세한 결정 형태입니다.
유당은 무엇에 사용됩니까?
유당은 제약, 식품 및 생명 공학 산업에서 기능성 성분으로 널리 사용됩니다. 제약에서, 그것은 주로 경구 고형 투여 형태에서 충전제 또는 부형제로 작용합니다. 또한 발효 공정의 기질이며 식품 제형의 감미료입니다.
유당 결정화란 무엇입니까?
유당 결정화(lactose crystallization)는 과포화 용액의 용해된 유당을 고체 결정으로 변환하는 과정을 말합니다. 이는 핵형성 및 후속 결정 성장을 통해 발생하며 온도, 농도, pH 및 용매 조성의 영향을 받습니다. 제어된 결정화는 정의된 입자 크기와 다형성 순도를 가진 유당을 생산하는 데 필수적입니다.
결정화의 4단계는 무엇입니까?
결정화하는 동안 결정 형성의 4단계를 관찰할 수 있습니다.
- 과채도: 용해도를 초과하여 열역학적 추진력의 생성.
- 핵형성: 용액으로부터 초기 고체상 핵의 형성.
- 결정 성장: 더 큰 결정을 형성하기 위해 용질 분자가 핵에 부착됩니다.
- 응집 또는 숙성: 결정이 응집되거나 용해되고 다시 성장하여 최종 크기 분포에 영향을 미치는 2차 공정.
여기에서 초음파 처리가 결정화 과정에 어떻게 영향을 미치는지 읽어보십시오!
부형제란 무엇입니까?
부형제는 의약품의 활성 제약 성분(API)과 함께 제조된 불활성 물질입니다. 치료 효과를 발휘하지 않고도 제조 가능성, 안정성, 생체 이용률 또는 환자 수용성을 향상시킵니다. 일반적인 부형제에는 희석제, 결합제, 붕해제, 윤활제 등이 있으며, 유당은 가장 자주 사용되는 희석제 중 하나입니다.
