Krystalizacja laktozy w przepływie – od laboratorium do przemysłu

Krystalizacja wspomagana ultradźwiękami jest wydajną techniką zwiększania ilości powstającej fazy stałej w warunkach ciągłego przepływu. Poniżej przedstawiamy badanie dotyczące krystalizacji laktozy w przepływie z trójskładnikowego układu laktoza/woda/izopropanol z wykorzystaniem komory sonikacyjnej Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Zastosowanie ultradźwięków przyniosło znaczną poprawę stabilności układu, morfologii kryształów i ciągłości pracy. Przedstawiamy tu zoptymalizowany protokół eksperymentalny, najważniejsze wyniki dotyczące wydajności oraz sposób zwiększania skali do poziomu przemysłowego.

Intensyfikacja procesu: krystalizacja laktozy z wykorzystaniem sonikacji

Krystalizacja jest niezbędna w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym do oczyszczania i kształtowania właściwości cząstek. Tradycyjne procesy okresowe mają jednak ograniczenia związane z odtwarzalnością i tworzeniem się osadów, szczególnie podczas zwiększania skali. Krystalizacja ciągła w warunkach działania ultradźwięków stanowi atrakcyjną alternatywę, zwiększając szybkość zarodkowania, poprawiając rozkład wielkości cząstek i ograniczając problemy związane z tworzeniem się osadów.

W swoim badaniu Zettl i współpracownicy (2020) wykorzystują modelowy układ hydrofilowy – monohydrat laktozy w mieszaninie wody i izopropanolu – do zbadania korzyści operacyjnych wynikających z zastosowania Hielscher UP200St-TD-FlowCell w układzie krystalizacji ciągłej.

Materiały i metody – ultradźwiękowa krystalizacja laktozy w skali stanowiska laboratoryjnego

Materiały

• Substancja rozpuszczona: monohydrat α-laktozy
• Układ rozpuszczalników: woda dejonizowana i izopropanol w trójskładnikowym układzie o proporcjach faz zoptymalizowanych pod kątem przesycenia laktozą
• Sonikator: UP200St-TD wyposażony w przepływową komorę sonikacyjną (TD-FlowCell)

Konfiguracja urządzeń
UP200St-TD-FlowCell skonfigurowano w obiegu krystalizacji ciągłej z zamkniętą pętlą. Pompa perystaltyczna wymuszała obieg przesyconego roztworu laktozy przez komorę sonikacyjną, w której ultradźwięki dostarczały energię do układu. Regulacja temperatury w przepływie zapewniała stabilność termiczną podczas długotrwałej pracy.

Ultradźwiękowa krystalizacja laktozy w trybie ciągłym
(Badanie i ilustracja: ©Zettl et al., 2020)

Rozpuszczalność laktozy
Stężenie nasycenia laktozy, będącej disacharydem złożonym z glukozy i galaktozy, w wodzie w temperaturze pokojowej (zwykle definiowanej jako 20–25 °C) wynosi około 18,9 wt% przy 25°C.
Rozpuszczalność laktozy wzrasta wraz z temperaturą, ale nie liniowo. Przy 50°C wzrasta do około 31 wt%, a przy 70°C wynosi około 45 wt%.

Protokół krystalizacji ciągłej laktozy

Cel: zminimalizowanie tworzenia się osadów w układzie i zmaksymalizowanie czasu pracy przy ciągłej sonikacji.

Protokół krok po kroku:

1. Przygotowanie roztworu zasilającego
   • Rozpuścić monohydrat α-laktozy w wodzie dejonizowanej w temperaturze 50°C, aby uzyskać roztwór nasycony.
   • Aby przygotować wodną zawiesinę laktozy, dodać 233 g a-laktozy na 1000 g wody
   • Mieszać mieszaninę do całkowitego rozpuszczenia materiału.
   • Następnie pozostawić roztwór do ostygnięcia do 25°C, aby uzyskać roztwór nasycony.
2. Przygotowanie układu
   • Napełnić obieg przepływowy roztworem zasilającym.
   • Ustawić natężenie przepływu na 60 mL/min (optymalne dla czasu przebywania wynoszącego ~30 sekund w komorze ultradźwiękowej).
   • Zawiesina zasilająca i antyrozpuszczalnik są podawane przez dwa króćce zasilające do komory procesowej ultradźwiękowej komory przepływowej.
   • Ustawić natężenie przepływu zawiesiny laktozy o stężeniu 15 wt % na 27g/ min. Wywołać wytrącanie przez dodawanie wstępnie schłodzonego izopropanolu (12°C) z natężeniem 27g/min, uzyskując całkowite masowe natężenie przepływu wynoszące 54g/min. (Masowe natężenie przepływu wynoszące 54g/min odpowiada objętościowemu natężeniu przepływu wynoszącemu 60 mL/min)
   • Rozpocząć sonikację przy amplitudzie 100%. Utrzymywać temperaturę roboczą w zakresie 25–30°C.
3. Faza krystalizacji
   • Utrzymywać ciągłą sonikację bez przerw. Sonikatory Hielscher są przystosowane do pracy 24/7.
   • Co 60 minut odbierać skrystalizowaną laktozę z modułu filtracyjnego umieszczonego za komorą w kierunku przepływu.
4. Charakterystyka po zakończeniu procesu
   • Analizować morfologię kryształów za pomocą SEM.
   • Ilościowo określić rozkład wielkości kryształów za pomocą dyfrakcji laserowej (docelowa wartość D50: 80–100 µm).
   • Oznaczyć czystość za pomocą HPLC (monohydrat laktozy >98%).

Skład zawiesin laktozy wykorzystanych w badaniu Zettl et al., 2020, obejmujący udział masowy zawieszonej fazy stałej w strumieniu zasilającym (w s,f), udział masowy zawieszonej fazy stałej w produkcie (w s,p), udział masowy rozpuszczonej substancji stałej w produkcie (w d,p), udział masowy wody w produkcie (w H2O,p), udział masowy izopropanolu w produkcie (w IA,p) i udział masowy etanolu w produkcie (w EtOH,p).

Wyniki i korzyści ultradźwiękowej krystalizacji laktozy

• Ograniczenie aglomeracji:
  Sonikacja w przepływie skutecznie ograniczała aglomerację kryształów, umożliwiając uzyskanie dobrze odseparowanych, pryzmatycznych kryształów laktozy.
• Ograniczenie powstawania piany:
  W szczególności ultradźwięki ograniczały powstawanie piany na powierzchni – częsty problem podczas krystalizacji antyrozpuszczalnikowej z udziałem alkoholi – zwiększając tym samym wydajność objętościową.
• Zapobieganie zatykaniu:
  Podczas długotrwałej pracy nie zaobserwowano tworzenia się osadów ani zatykania, co potwierdza rolę kawitacji akustycznej w utrzymywaniu czystości powierzchni i zapobieganiu osadzaniu się fazy stałej wewnątrz komory przepływowej.
• Ciągła praca:
  Proces można prowadzić w trybie ciągłym, przy czym jakość kryształów pozostaje stała w kolejnych punktach czasowych.

Ultradźwiękowa krystalizacja laktozy: laktoza krystalizowana w różnych warunkach: doprowadzanie energii ultradźwiękowej oraz dodatek karagenu lub serwatki (WPC) wpływają na wielkość kryształów laktozy
badanie i zdjęcie: © Sanchez-García et al., 2018.

Zwiększanie skali ultradźwiękowej krystalizacji laktozy

Sonikatory przepływowe Hielscher, zaprojektowane w Niemczech zgodnie z najwyższymi standardami przemysłowymi, stanowią solidne rozwiązanie do ciągłej krystalizacji laktozy i innych substancji stałych z roztworów przesyconych. Systemy te, zaprojektowane do zastosowań spełniających wymagania jakości farmaceutycznej, umożliwiają precyzyjną kontrolę zarodkowania i wzrostu kryształów, zapewniając odtwarzalne rozkłady wielkości cząstek i stałość procesu. Dzięki liniowej skalowalności od skali laboratoryjnej do produkcyjnej reaktory ultradźwiękowe Hielscher umożliwiają płynne przenoszenie procesu, minimalizując czas i koszty jego opracowania. W połączeniu z kompleksowym doradztwem technicznym sonikatory te zapewniają rozwiązania dostosowane do indywidualnych potrzeb, które można łatwo zintegrować z procesami krystalizacji zgodnymi z cGMP – dzięki czemu idealnie nadają się do przemysłu farmaceutycznego, biotechnologicznego i spożywczego.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość z Niemiec

Sonikatory Hielscher są znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Solidność i łatwość obsługi umożliwiają bezproblemową integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie w trudnych warunkach i wymagających środowiskach.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wyróżniające się najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z wymaganiami CE i spełniają wymagania UL, CSA oraz RoHs.