Inline kryštalizácia laktózy – z laboratória do priemyslu

Ultrazvukom asistovaná kryštalizácia je účinná technika na zlepšenie tvorby pevných látok v podmienkach kontinuálneho toku. Nižšie vám predstavujeme štúdiu, ktorá sa zameriava na inline kryštalizáciu laktózy z ternárneho systému laktózy/vody/izopropanolu s využitím sonikačnej komory Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Aplikácia ultrazvuku priniesla významné zlepšenie stability systému, morfológie kryštálov a kontinuity behu. Tu nájdete optimalizovaný experimentálny protokol, kľúčové výkonnostné výsledky a cestu k priemyselnému rozšíreniu.

Intenzifikácia procesu: Kryštalizácia laktózy pomocou sonikácie

Kryštalizácia je vo farmaceutickom a potravinárskom priemysle nevyhnutná pre čistenie a časticové inžinierstvo. Tradičné dávkové procesy však trpia obmedzeniami reprodukovateľnosti a znečistenia, najmä počas rozširovania. Kontinuálna kryštalizácia v ultrazvukových podmienkach ponúka presvedčivú alternatívu zvýšením rýchlosti nukleácie, zlepšením distribúcie veľkosti a zmiernením problémov súvisiacich so znečistením.

Zettl a kolegovia (2020) vo svojej štúdii používajú modelový hydrofilný systém - monohydrát laktózy v zmesi voda/izopropanol - na preskúmanie prevádzkových výhod Hielscher UP200St-TD-FlowCell v konfigurácii kontinuálnej kryštalizácie.

Materiály a metódy – Ultrazvuková kryštalizácia laktózy na stole

Materiály

• Rozpustená látka: monohydrát α-laktózy
• Rozpúšťadlový systém: Deionizovaná voda a izopropanol v ternárnom fázovom pomere optimalizovaný pre presýtenie laktózou
• Sonicator: UP200St-TD vybavený prietokovou sonikačnou bunkou (TD-FlowCell)

Konfigurácia zariadenia
UP200St-TD-FlowCell bol nakonfigurovaný v uzavretom okruhu kontinuálnej kryštalizácie. Peristaltická pumpa cirkulovala presýtený roztok laktózy cez sonikačnú komoru, kde ultrazvuk prenáša energiu do systému. Inline regulácia teploty zabezpečila tepelnú stabilitu pri dlhšej prevádzke.

Ultrazvuková kryštalizácia laktózy v kontinuálnom režime
(Štúdia a obrázok: ©Zettl et al., 2020)

Rozpustnosť laktózy
Koncentrácia nasýtenia laktózy, čo je disacharid zložený z glukózy a galaktózy, vo vode pri izbovej teplote (bežne definovanej ako 20–25 °C) je približne 18,9 % hmotnosti pri 25 °C.
Rozpustnosť laktózy sa zvyšuje s teplotou, ale nie lineárne. Pri 50 °C stúpa na cca. 31 % a pri 70 °C je to cca 45 hm. %.

Protokol pre kontinuálnu kryštalizáciu laktózy

Cieľ: Minimalizovať znečistenie systému a maximalizovať dobu chodu pri nepretržitej sonikacii.

Protokol krok za krokom:

1. Príprava kŕmneho roztoku
   • Monohydrát α-laktózy sa rozpustí v deionizovanej vode pri 50 °C, aby sa získal nasýtený roztok.
   • Na vodnú suspenziu laktózy pridajte 233 g a-laktózy na 1000 g vody
   • Zmes miešajte, kým sa materiál úplne nerozpustí.
   • Potom nechajte roztok vychladnúť na 25 °C, aby sa získal nasýtený roztok.
2. Nastavenie systému
   • Naplňte prietokový okruh prívodným roztokom.
   • Nastavte prietok na 60 ml/min (optimálny pre čas zotrvania ~30 sekúnd v ultrazvukovej komore).
   • Podávacia suspenzia a antirozpúšťadlo sa privádzajú cez dva plniace otvory do procesnej komory ultrazvukovej prietokovej cely.
   • Nastavte prietok 27 g/min 15 hm. % laktózovej suspenzie. Vyvolajte zrážanie pridaním 27 g/min predchladeného izopropanolu (12 °C), výsledkom čoho je celkový hmotnostný prietok 54 g/min. (Hmotnostný prietok 54 g/min zodpovedá objemovému prietoku 60 ml/min)
   • Spustite sonikáciu pri 100% amplitúde. Udržujte prevádzkovú teplotu medzi 25 – 30 °C.
3. Fáza kryštalizácie
   • Udržujte nepretržitú sonikaciu bez prerušenia. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú skonštruované pre prevádzku 24/7.
   • Každých 60 minút zbierajte kryštalizovanú laktózu z následného filtračného modulu.
4. Charakterizácia po procese
   • Analyzujte morfológiu kryštálov pomocou SEM.
   • Kvantifikujte distribúciu veľkosti kryštálov pomocou laserovej difrakcie (cieľ D50: 80–100 μm).
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Zloženie suspenzií laktózy s hmotnostným podielom suspendovaných pevných látok v krmive (w, s, f), hmotnostným podielom suspendovaných pevných látok vo výrobku (w, s, p), hmotnostným podielom rozpustených pevných látok vo výrobku (w, d, p), hmotnostným podielom vody vo výrobku (w2O,p), hmotnostným podielom izopropanolu vo výrobku (w IA,p) a hmotnostným podielom etanolu vo výrobku (w EtOH, p) použité v štúdii Zettl et al., 2020.

Výsledky a výhody ultrazvukovej kryštalizácie laktózy

• Zmiernenie aglomerácie:
  Inline ultrazvuk účinne potlačil kryštálovú aglomeráciu a poskytol dobre oddelené, prizmatické kryštály laktózy.
• Redukcia peny:
  Ultrazvuk najmä znížil tvorbu povrchovej peny - bežný problém pri kryštalizáciách antirozpúšťadiel zahŕňajúcich alkoholy - čím sa zlepšila objemová priepustnosť.
• Prevencia upchávania:
  Počas dlhšej prevádzky nebolo pozorované žiadne znečistenie alebo upchatie, čo potvrdzuje úlohu akustickej kavitácie pri udržiavaní čistých povrchov a zabránení usadzovaniu pevných látok v prietokovej bunke.
• Nepretržitá doba chodu:
  Proces je možné udržiavať v nepretržitej prevádzke, pričom kvalita kryštálov zostáva konzistentná vo všetkých časových bodoch.

Ultrazvuková kryštalizácia laktózy: Laktóza kryštalizovaná za rôznych podmienok: ultrazvukový vstup energie, pridaný karagénan alebo srvátka (WPC) ovplyvňuje veľkosť kryštálov laktózy
štúdia a obrázok: © Sanchez-García a kol., 2018.

Rozšírenie ultrazvukovej kryštalizácie laktózy

Inline sonikátory Hielscher, navrhnuté v Nemecku podľa najvyšších priemyselných štandardov, ponúkajú robustné riešenie pre kontinuálnu kryštalizáciu laktózy a iných pevných látok z presýtených roztokov. Tieto systémy sú navrhnuté pre farmaceutické aplikácie a podporujú presnú kontrolu nukleácie a rastu kryštálov, čím zabezpečujú reprodukovateľnú distribúciu veľkosti častíc a konzistenciu procesu. Vďaka lineárnej škálovateľnosti od laboratória až po výrobné meradlo umožňujú ultrazvukové reaktory Hielscher bezproblémový prenos procesov, čím sa minimalizuje čas a náklady na vývoj. V spojení s komplexným technickým poradenstvom poskytujú tieto sonikátory riešenia na mieru, ktoré sa ľahko integrujú do pracovných postupov kryštalizácie v súlade s cGMP, vďaka čomu sú ideálne pre farmaceutický, biotechnologický a potravinársky priemysel.

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.