Поточная кристаллизация лактозы – Из лаборатории в промышленность

Ультразвуковая кристаллизация является эффективным методом повышения эффективности образования твердых частиц в условиях непрерывного потока. Ниже мы представляем вам исследование, посвященное встроенной кристаллизации лактозы из тройной системы лактоза/вода/изопропанол с использованием камеры ультразвуковой обработки Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Применение ультразвука привело к значительному улучшению стабильности системы, морфологии кристаллов и непрерывности во время работы. Здесь вы можете найти оптимизированный протокол эксперимента, ключевые результаты производительности и путь к промышленному масштабированию.

Интенсификация процесса: кристаллизация лактозы с помощью ультразвуковой обработки

Кристаллизация необходима в фармацевтической и пищевой промышленности для очистки и инженерии частиц. Тем не менее, традиционные периодические процессы имеют ограничения в воспроизводимости и загрязнения, особенно при масштабировании. Непрерывная кристаллизация в ультразвуковых условиях представляет собой привлекательную альтернативу за счет повышения скорости зародышеобразования, улучшения распределения по размерам и смягчения проблем, связанных с загрязнением.

В своем исследовании Зеттл и коллеги (2020) используют модельную гидрофильную систему — моногидрат лактозы в смеси вода/изопропанол — для изучения эксплуатационных преимуществ Hielscher UP200St-TD-FlowCell в конфигурации непрерывной кристаллизации.

Материалы и методы – Ультразвуковая кристаллизация лактозы на столе

Материалы

• Растворенное вещество: α-моногидрат лактозы
• Система растворителей: Деионизированная вода и изопропанол в тройном соотношении фаз, оптимизированное для пересыщения лактозы
• Ультразвуковой аппарат: UP200St-TD оснащен проточной ультразвуковой ячейкой (TD-FlowCell)

Конфигурация оборудования
Ячейка UP200St-TD-FlowCell была сконфигурирована в замкнутом контуре непрерывной кристаллизации. Перистальтический насос циркулировал перенасыщенный раствор лактозы через камеру ультразвука, где ультразвук подает энергию в систему. Встроенный контроль температуры обеспечивает термостабильность при длительной работе.

Ультразвуковая кристаллизация лактозы в непрерывном режиме
(Исследование и изображение: ©Zettl et al., 2020)

Растворимость лактозы
Насыщенная концентрация лактозы, которая представляет собой дисахарид, состоящий из глюкозы и галактозы, в воде при комнатной температуре (обычно определяется как 20–25 °C) составляет около 18,9 мас.% при 25 °C.
Растворимость лактозы увеличивается с температурой, но не линейно. При 50°C она поднимается примерно до 31 мас.%, а при 70°C составляет около 45 мас.%.

Протокол непрерывной кристаллизации лактозы

Цель: Свести к минимуму загрязнение системы и увеличить время работы при непрерывной обработке ультразвуком.

Пошаговый протокол:

1. Приготовление кормового раствора
   • Растворите моногидрат α-лактозы в деионизированной воде при температуре 50°C до получения насыщенного раствора.
   • Для водной суспензии лактозы добавьте 233 г а-лактозы на 1000 г воды
   • Перемешивайте смесь до полного растворения материала.
   • После этого дайте раствору остыть до 25°C, чтобы получить насыщенный раствор.
2. Настройка системы
   • Загрунтуйте проточный контур с помощью питательного раствора.
   • Установите скорость потока на 60 мл/мин (оптимально для времени пребывания ~30 секунд в ультразвуковой камере).
   • Подающая суспензия и антирастворитель подаются через два подающих отверстия в технологическую камеру ультразвуковой проточной ячейки.
   • Установите расход 27 г/мин 15 мас.% лактозной суспензии. Вызывайте осаждение, добавляя 27 г/мин предварительно охлажденного изопропанола (12 °C), в результате чего общий массовый расход составляет 54 г/мин. (Массовый расход 54 г/мин соответствует объемному расходу до 60 мл/мин)
   • Инициируйте ультразвук на 100% амплитуде. Поддерживайте рабочую температуру в пределах 25–30 °C.
3. Фаза кристаллизации
   • Поддерживайте непрерывную ультразвук без перерывов. Ультразвуковые аппараты Hielscher созданы для работы в режиме 24/7.
   • Собирайте кристаллизованную лактозу из последующего фильтрующего модуля каждые 60 минут.
4. Определение характеристик после обработки
   • Анализируйте морфологию кристаллов с помощью SEM.
   • Количественное определение распределения кристаллов по размерам с помощью лазерной дифракции (мишень D50: 80–100 мкм).
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Состав суспензий лактозы с массовой долей взвешенных твердых частиц в сырье (w s,f), массовой долей взвешенных твердых частиц в продукте (w s,p), массовой долей растворенного твердого вещества в продукте (w d,p), массовой долей воды в продукте (w H2O,p), массовой долей изопропанола в продукте (w IA,p) и массовой долей этанола в продукте (w EtOH, p) использовано в исследовании Zettl et al., 2020.

Результаты и преимущества ультразвуковой кристаллизации лактозы

• Смягчение последствий агломерации:
  Встроенная ультразвуковая технология эффективно подавляет агломерацию кристаллов, получая хорошо отделяющиеся призматические кристаллы лактозы.
• Уменьшение пены:
  Примечательно, что ультразвук снижает образование поверхностной пены — распространенную проблему при кристаллизации антирастворителей с использованием спиртов — тем самым улучшая объемную производительность.
• Профилактика засорения:
  Во время длительной эксплуатации не наблюдалось загрязнения или засорения, что подтверждает роль акустической кавитации в поддержании чистоты поверхностей и предотвращении отложения твердых частиц внутри проточной ячейки.
• Непрерывное время выполнения:
  Процесс может поддерживаться в непрерывном режиме, при этом качество кристаллов остается неизменным во все моменты времени.

Ультразвуковая кристаллизация лактозы: Лактоза кристаллизуется в различных условиях: ультразвуковое поступление энергии, добавленный каррагинан или сыворотка (WPC) влияют на размер кристаллов лактозы
исследование и фото: © Sanchez-García et al., 2018.

Масштабирование ультразвуковой кристаллизации лактозы

Встраиваемые ультразвуковые аппараты Hielscher, разработанные в Германии в соответствии с высочайшими промышленными стандартами, представляют собой надежное решение для непрерывной кристаллизации лактозы и других твердых веществ из пересыщенных растворов. Эти системы, разработанные для применения в фармацевтической промышленности, обеспечивают точный контроль зародышеобразования и роста кристаллов, обеспечивая воспроизводимое распределение частиц по размерам и стабильность процесса. Благодаря линейной масштабируемости от лаборатории до производства, ультразвуковые реакторы Hielscher обеспечивают бесшовную передачу процесса, сводя к минимуму время и затраты на разработку. В сочетании с комплексными техническими консультациями эти ультразвуковые аппараты представляют собой индивидуальные решения, которые легко интегрируются в рабочие процессы кристаллизации, соответствующие требованиям cGMP, что делает их идеальными для фармацевтической, биотехнологической и пищевой промышленности.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.