Cristalizarea inline a lactozei – de la laborator la industrie

Cristalizarea asistată de ultrasunete este o tehnică eficientă pentru stimularea formării fazei solide în condiții de flux continuu. Mai jos vă prezentăm un studiu axat pe cristalizarea inline a lactozei dintr-un sistem ternar lactoză/apă/izopropanol, utilizând camera de sonicare Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Aplicarea ultrasunetelor a adus îmbunătățiri semnificative ale stabilității sistemului, ale morfologiei cristalelor și ale continuității funcționării. Aici puteți găsi protocolul experimental optimizat, principalele rezultate de performanță și calea către extinderea la scară industrială.

Intensificarea proceselor: cristalizarea lactozei prin sonicare

Cristalizarea este esențială în industria farmaceutică și în cea alimentară pentru purificare și ingineria particulelor. Totuși, procesele tradiționale în șarje au limitări privind reproductibilitatea și depunerile (fouling), în special la extinderea la scară. Cristalizarea continuă în condiții ultrasonice oferă o alternativă convingătoare, prin creșterea vitezelor de nucleație, îmbunătățirea distribuției dimensiunilor și atenuarea problemelor legate de depuneri.

În studiul lor, Zettl și colaboratorii (2020) utilizează un sistem hidrofil model – lactoză monohidrat într-un amestec apă/izopropanol – pentru a investiga beneficiile operaționale ale Hielscher UP200St-TD-FlowCell într-o configurație de cristalizare continuă.

Materiale și metode – Cristalizarea lactozei cu ultrasunete pe banc de laborator

Materiale

• Substanță dizolvată: α-lactoză monohidrat
• Sistem de solvenți: apă deionizată și izopropanol într-un raport de fază ternar optimizat pentru suprasaturarea lactozei
• Sonicator: UP200St-TD echipat cu celula de sonicare cu flux continuu (TD-FlowCell)

Configurația echipamentului
UP200St-TD-FlowCell a fost configurat într-un circuit închis de cristalizare continuă. O pompă peristaltică a recirculat soluția suprasaturată de lactoză prin camera de sonicare, unde ultrasunetele transmit energie sistemului. Controlul inline al temperaturii a asigurat stabilitatea termică în timpul funcționării prelungite.

Cristalizarea lactozei cu ultrasunete în regim continuu
(Studiu și imagine: ©Zettl et al., 2020)

Solubilitatea lactozei
Concentrația de saturație a lactozei, o dizaharidă compusă din glucoză și galactoză, în apă la temperatura camerei (definită de obicei ca 20–25 °C) este de aprox. 18,9 wt% la 25°C.
Solubilitatea lactozei crește odată cu temperatura, dar nu liniar. La 50°C, aceasta crește la aprox. 31 wt%, iar la 70°C este de aprox. 45 wt%.

Protocol pentru cristalizarea continuă a lactozei

Obiectiv: minimizarea depunerilor în sistem și maximizarea duratei de funcționare în condiții de sonicare continuă.

Protocol pas cu pas:

1. Prepararea soluției de alimentare
   • Dizolvați α-lactoza monohidrat în apă deionizată la 50°C pentru a obține o soluție saturată.
   • Pentru suspensia apoasă de lactoză, adăugați 233 g de a-lactoză la 1000 g de apă
   • Agitați amestecul până când materialul se dizolvă complet.
   • Apoi lăsați soluția să se răcească la 25°C pentru a obține o soluție saturată.
2. Configurarea sistemului
   • Amorsați circuitul de flux cu soluția de alimentare.
   • Setați debitul la 60 mL/min (optim pentru un timp de rezidență de ~30 de secunde în camera ultrasonică).
   • Suspensia de alimentare și antisolventul sunt introduse prin două porturi de alimentare în camera de proces a celulei de flux ultrasonice.
   • Setați debitul la 27g/ min pentru suspensia de lactoză de 15 wt %. Induceți precipitarea prin adăugarea a 27g/min de izopropanol prerăcit (12°C), rezultând un debit masic total de 54g/min. (Debitul masic de 54g/min corespunde unui debit volumic de 60 mL/min)
   • Porniți sonicarea la o amplitudine de 100%. Mențineți temperatura de lucru între 25–30°C.
3. Faza de cristalizare
   • Mențineți sonicarea continuă fără întrerupere. Sonicatoarele Hielscher sunt construite pentru funcționare 24/7.
   • Colectați lactoza cristalizată dintr-un modul de filtrare din aval la fiecare 60 de minute.
4. Caracterizarea post-proces
   • Analizați morfologia cristalelor prin SEM.
   • Cuantificați distribuția dimensiunilor cristalelor prin difracție laser (țintă D50: 80–100 µm).
   • Determinați puritatea prin HPLC (lactoză monohidrat >98%).

Compoziția suspensiilor de lactoză, cu fracția masică de solid în suspensie în alimentare (w s,f), fracția masică de solid în suspensie în produs (w s,p), fracția masică de solid dizolvat în produs (w d,p), fracția masică de apă în produs (w H2O,p), fracția masică de izopropanol în produs (w IA,p) și fracția masică de etanol în produs (w EtOH,p), utilizată în studiul lui Zettl et al., 2020.

Rezultatele și beneficiile cristalizării lactozei cu ultrasunete

• Atenuarea aglomerării:
  Ultrasonicarea inline a suprimat eficient aglomerarea cristalelor, producând cristale de lactoză prismatice, bine separate.
• Reducerea spumei:
  În mod notabil, ultrasunetele au redus formarea spumei la suprafață – o problemă frecventă în cristalizarea cu antisolvent care implică alcooli –, îmbunătățind astfel capacitatea volumetrică de procesare.
• Prevenirea înfundării:
  Nu s-au observat depuneri sau înfundări în timpul funcționării prelungite, ceea ce confirmă rolul cavitației acustice în menținerea suprafețelor curate și în prevenirea depunerii de solide în interiorul celulei de flux.
• Funcționare continuă:
  Procesul poate fi menținut în funcționare continuă, calitatea cristalelor rămânând constantă în toate momentele analizate.

Cristalizarea lactozei cu ultrasunete: lactoză cristalizată în condiții diferite: aportul de energie ultrasonică, adăugarea de caragenan sau zer (WPC) influențează dimensiunea cristalelor de lactoză
studiu și imagine: © Sanchez-García et al., 2018.

Extinderea la scară a cristalizării lactozei cu ultrasunete

Sonicatoarele inline Hielscher, proiectate în Germania la cele mai înalte standarde industriale, oferă o soluție robustă pentru cristalizarea continuă a lactozei și a altor solide din soluții suprasaturate. Concepute pentru aplicații de calitate farmaceutică, aceste sisteme permit controlul precis al nucleației și al creșterii cristalelor, asigurând distribuții reproductibile ale dimensiunii particulelor și consecvența procesului. Datorită scalabilității liniare de la laborator la scară de producție, reactoarele ultrasonice Hielscher permit un transfer fluid al procesului, minimizând timpul și costurile de dezvoltare. Împreună cu consultanța tehnică cuprinzătoare, aceste sonicatoare oferă soluții personalizate care se integrează ușor în fluxurile de lucru de cristalizare conforme cGMP – ceea ce le face ideale pentru industria farmaceutică, biotehnologică și alimentară.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt bine cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și operarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicatoarelor noastre în instalațiile industriale. Condițiile dificile și mediile solicitante sunt gestionate cu ușurință de ultrasonicatoarele Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicatoare de înaltă performanță, cu tehnologie de ultimă generație și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicatoarele Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.