Cristalizarea în linie a lactozei – de la laborator la industrie

Cristalizarea asistată de ultrasunete este o tehnică eficientă pentru îmbunătățirea formării solide în condiții de curgere continuă. Mai jos vă prezentăm un studiu care se concentrează pe cristalizarea în linie a lactozei dintr-un sistem ternar lactoză/apă/izopropanol, utilizând camera de sonicare Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Aplicarea ultrasunetelor a adus îmbunătățiri semnificative în stabilitatea sistemului, morfologia cristalelor și continuitatea timpului de execuție. Aici puteți găsi protocolul experimental optimizat, rezultatele cheie ale performanței și calea către extinderea industrială.

Intensificarea procesului: cristalizarea lactozei folosind sonicarea

Cristalizarea este esențială în industria farmaceutică și alimentară pentru purificare și ingineria particulelor. Cu toate acestea, procesele tradiționale pe loturi suferă de limitări în ceea ce privește reproductibilitatea și murdărirea, în special în timpul scale-up-ului. Cristalizarea continuă în condiții de ultrasunete oferă o alternativă convingătoare prin îmbunătățirea ratelor de nucleare, îmbunătățirea distribuției dimensiunilor și atenuarea provocărilor legate de murdărire.

În studiul lor, Zettl și colegii săi (2020) folosesc 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 cu ultrasunete a lactozei pe banc

Materiale

• Solut: α-lactoză monohidrat
• Sistem cu solvent: Apă deionizată și izopropanol într-un raport de fază ternară optimizat pentru suprasaturația 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 de cristalizare continuă în buclă închisă. O pompă peristaltică a circulat soluția de lactoză suprasaturată prin camera de sonicare, unde ultrasunetele sunt transmise energiei în sistem. Controlul temperaturii în linie a asigurat stabilitatea termică în timpul funcționării prelungite.

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

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

Protocol pentru cristalizarea continuă a lactozei

Obiectiv: Minimizarea murdăririi sistemului și maximizarea timpului de funcționare sub sonicare continuă.

Protocol pas cu pas:

1. Pregătirea soluției furajere
   • Se dizolvă α-lactoza monohidrat în apă deionizată la 50°C pentru a obține o soluție saturată.
   • Pentru suspensia apoasă de lactoză, se adaugă 233 g de a-lactoză la 1000 g de apă
   • Se amestecă amestecul până când materialul este complet dizolvat.
   • După aceea, lăsați soluția să se răcească la 25°C pentru a obține o soluție saturată.
2. Configurare sistem
   • Amorsați circuitul de curgere cu soluția de alimentare.
   • Setați debitul la 60 ml/min (optim pentru un timp de ședere de ~30 de secunde în camera cu ultrasunete).
   • Suspensia de alimentare și antisolventul sunt alimentate prin două orificii de alimentare în camera de proces a celulei de flux cu ultrasunete.
   • Setați debitul de 27 g/min de suspensie de lactoză de 15 % în greutate. Inducerea precipitațiilor prin adăugarea a 27 g/min de izopropanol pre-răcit (12 °C), rezultând un debit masic total de 54 g/min. (Debitul masic de 54 g/min corespunde unui debit volumic de 60 ml/min)
   • Inițiați sonicarea la 100% amplitudine. Mențineți temperatura de funcționare 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 dimensiunii cristalelor folosind difracția laser (țintă D50: 80-100 μm).
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Compoziția suspensiilor de lactoză cu fracția de masă solidă în suspensie în furaj (w s,f), fracția de masă solidă în suspensie în produs (w s,p), fracția de masă solidă dizolvată în produs (w d,p), fracția de masă de apă în produs (w H2O,p), fracția de masă de izopropanol în produs (w IA,p) și fracția de masă a etanolului în produs (w EtOH, p) utilizate în studiul de Zettl et al., 2020.

Rezultate și beneficii ale cristalizării lactozei cu ultrasunete

• Atenuarea aglomerării:
  Ultrasunetele în linie au suprimat eficient aglomerarea cristalinelor, producând cristale de lactoză prismatice bine separate.
• Reducerea spumei:
  În special, ultrasunetele au redus formarea de spumă de suprafață - o problemă comună în cristalizările antisolvenților care implică alcooli - îmbunătățind astfel randamentul volumetric.
• Prevenirea înfundării:
  Nu s-a observat murdărire sau înfundare în timpul funcționării prelungite, confirmând rolul cavitației acustice în menținerea suprafețelor curate și prevenirea depunerii solide în celula de curgere.
• Timp de execuție continuu:
  Procesul poate fi menținut în funcționare continuă, calitatea cristalelor rămânând constantă în toate punctele de timp.

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

Extinderea cristalizării lactozei cu ultrasunete

Sonicatoarele în linie 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 susțin controlul precis asupra nucleării și creșterii cristalelor, asigurând distribuții reproductibile ale dimensiunii particulelor și consistența procesului. Cu scalabilitate liniară de la laborator la scară de producție, reactoarele cu ultrasunete Hielscher permit transferul fără probleme al proceselor, minimizând timpul și costurile de dezvoltare. Împreună cu consultanță tehnică cuprinzătoare, aceste sonicatoare oferă soluții personalizate care se integrează cu ușurință în fluxurile de lucru de cristalizare conforme cu cGMP, făcându-le ideale pentru industria farmaceutică, biotehnologică și alimentară.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.

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