Krystalizacja laktozy w linii produkcyjnej – z laboratorium do przemysłu

Krystalizacja wspomagana ultradźwiękami jest skuteczną techniką zwiększania tworzenia się ciał stałych w warunkach ciągłego przepływu. Poniżej przedstawiamy badanie, które koncentruje się na krystalizacji laktozy w linii produkcyjnej z trójskładnikowego układu laktoza/woda/izopropanol, z wykorzystaniem komory sonicznej Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Zastosowanie ultradźwięków przyniosło znaczną poprawę stabilności systemu, morfologii kryształów i ciągłości działania. Tutaj można znaleźć zoptymalizowany protokół eksperymentalny, kluczowe wyniki wydajności oraz drogę do zwiększenia skali przemysłowej.

Intensyfikacja procesu: Krystalizacja laktozy za pomocą sonikacji

Krystalizacja jest niezbędna w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym do oczyszczania i inżynierii cząstek. Jednak tradycyjne procesy wsadowe mają ograniczenia w odtwarzalności i zanieczyszczaniu, szczególnie podczas zwiększania skali. Ciągła krystalizacja w warunkach ultradźwiękowych stanowi atrakcyjną alternatywę poprzez zwiększenie szybkości zarodkowania, poprawę rozkładu wielkości i złagodzenie wyzwań związanych z zanieczyszczeniem.

W swoim badaniu Zettl i współpracownicy (2020) wykorzystują modelowy system hydrofilowy — monohydrat laktozy w mieszaninie wody i izopropanolu — do zbadania korzyści operacyjnych ogniwa przepływowego Hielscher UP200St-TD-FlowCell w konfiguracji ciągłej krystalizacji.

Materiał i metody – Ultradźwiękowa krystalizacja laktozy na stole

Materiały

• Substancja rozpuszczona: α-laktoza jednowodna
• System rozpuszczalnikowy: Woda dejonizowana i izopropanol w stosunku fazy trójskładnikowej zoptymalizowane pod kątem przesycenia laktozą
• Sonikator: UP200St-TD wyposażony w przepływową komórkę soniczną (TD-FlowCell)

Konfiguracja sprzętu
Ogniwo przepływowe UP200St-TD zostało skonfigurowane w zamkniętym obiegu krystalizacji ciągłej. Pompa perystaltyczna cyrkulowała przesycony roztwór laktozy przez komorę sonikacyjną, w której ultradźwięki są przekazywane do systemu. Regulacja temperatury na linii produkcyjnej zapewniała stabilność termiczną podczas długotrwałej pracy.

Ultradźwiękowa krystalizacja laktozy w trybie ciągłym
(Badanie i zdjęcie: ©Zettl i in., 2020)

Rozpuszczalność laktozy
Stężenie nasycenia laktozy, która jest disacharydem złożonym z glukozy i galaktozy, w wodzie o temperaturze pokojowej (powszechnie określanej jako 20–25 °C) wynosi ok. 18,9% wag. w temperaturze 25°C.
Rozpuszczalność laktozy wzrasta wraz z temperaturą, ale nie liniowo. W temperaturze 50°C wzrasta do ok. 31% wag., a w temperaturze 70°C wynosi ok. 45% wag.

Protokół ciągłej krystalizacji laktozy

Cel: Zminimalizowanie zanieczyszczenia systemu i maksymalizacja czasu pracy przy ciągłej sonikacji.

Protokół krok po kroku:

1. Przygotowanie roztworu paszowego
   • Rozpuść monohydrat α-laktozy w wodzie dejonizowanej o temperaturze 50°C do uzyskania nasyconego roztworu.
   • Do wodnej zawiesiny laktozy dodać 233 g a-laktozy na 1000 g wody
   • Mieszaj mieszaninę, aż materiał całkowicie się rozpuści.
   • Następnie pozwól roztworowi ostygnąć do 25°C, aby uzyskać nasycony roztwór.
2. Ustawienia systemu
   • Zalać obwód przepływu roztworem zasilającym.
   • Ustaw natężenie przepływu na 60 ml/min (optymalne dla czasu przebywania ~30 sekund w komorze ultradźwiękowej).
   • Zawiesina zasilająca i antyrozpuszczalnik są podawane przez dwa porty zasilające do komory procesowej ultradźwiękowej komory przepływowej.
   • Ustaw natężenie przepływu 27 g / min zawiesiny laktozy 15 % wag. Wywołać wytrącanie poprzez dodanie 27 g/min wstępnie schłodzonego izopropanolu (12°C), co daje całkowite masowe natężenie przepływu 54 g/min. (Masowe natężenie przepływu 54 g/min odpowiada objętościowemu natężeniu przepływu do 60 ml/min)
   • Rozpocznij sonikację przy amplitudzie 100%. Utrzymuj temperaturę roboczą w zakresie 25–30°C.
3. Faza krystalizacji
   • Utrzymuj ciągłą sonikację bez przerwy. Sonikatory firmy Hielscher są przystosowane do pracy w trybie 24/7.
   • Skrystalizowaną laktozę należy zbierać z modułu filtrującego znajdującego się za nią co 60 minut.
4. Charakterystyka po procesie
   • Analizuj morfologię kryształów za pomocą SEM.
   • Określ ilościowo rozkład wielkości kryształów za pomocą dyfrakcji laserowej (cel D50: 80–100 μm).
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Skład zawiesin laktozy z zawieszoną frakcją masową w stanie stałym w paszy (w s,f), frakcją masową zawiesiny w produkcie (w s,p), frakcją masową rozpuszczonych substancji stałych w produkcie (w d,p), frakcją masową wody w produkcie (w H2O,p), frakcją masową izopropanolu w produkcie (w IA,p) i frakcją masową etanolu w produkcie (w EtOH, p) wykorzystane w badaniu Zettl i wsp., 2020.

Wyniki i korzyści z ultradźwiękowej krystalizacji laktozy

• Łagodzenie aglomeracji:
  Ultradźwięki w linii produkcyjnej skutecznie tłumiły aglomerację kryształów, dając dobrze oddzielone, pryzmatyczne kryształy laktozy.
• Redukcja piany:
  Warto zauważyć, że ultradźwięki zmniejszyły tworzenie się piany powierzchniowej – co jest częstym problemem w krystalizacjach antyrozpuszczalników z udziałem alkoholi – poprawiając w ten sposób przepustowość objętościową.
• Zapobieganie zatykaniu:
  Podczas długotrwałej pracy nie zaobserwowano żadnych zanieczyszczeń ani zatkań, co potwierdza rolę kawitacji akustycznej w utrzymaniu czystości powierzchni i zapobieganiu osadzaniu się ciał stałych w komorze przepływowej.
• Ciągły czas pracy:
  Proces może być utrzymywany w trybie ciągłym, a jakość kryształów pozostaje niezmienna we wszystkich punktach czasowych.

Ultradźwiękowa krystalizacja laktozy: Laktoza krystalizowana w różnych warunkach: dopływ energii ultradźwiękowej, dodatek karagenu lub serwatki (WPC) wpływa na wielkość kryształu laktozy
badanie i zdjęcie: © Sanchez-García i in., 2018.

Zwiększenie skali ultradźwiękowej krystalizacji laktozy

Ultradźwiękowce liniowe firmy Hielscher, zaprojektowane w Niemczech zgodnie z najwyższymi standardami przemysłowymi, oferują solidne rozwiązanie do ciągłej krystalizacji laktozy i innych ciał stałych z przesyconych roztworów. Zaprojektowane do zastosowań farmaceutycznych, systemy te wspierają precyzyjną kontrolę zarodkowania i wzrostu kryształów, zapewniając powtarzalny rozkład wielkości cząstek i spójność procesu. Dzięki liniowej skalowalności od skali laboratoryjnej do produkcyjnej, reaktory ultradźwiękowe firmy Hielscher umożliwiają bezproblemowy transfer procesów, minimalizując czas i koszty rozwoju. W połączeniu z kompleksowym doradztwem technicznym, sonikatory te zapewniają rozwiązania dostosowane do indywidualnych potrzeb, które łatwo integrują się z procesami krystalizacji zgodnymi z cGMP - co czyni je idealnymi dla przemysłu farmaceutycznego, biotechnologicznego i spożywczego.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.