Pretočna kristalizacija laktoze – od laboratorija do industrije

Kristalizacija s pomočjo ultrazvoka je učinkovita tehnika za pospeševanje nastajanja trdne faze v pogojih neprekinjenega pretoka. V nadaljevanju predstavljamo študijo, ki se osredotoča na pretočno kristalizacijo laktoze iz ternarnega sistema laktoza/voda/izopropanol z uporabo sonikacijske komore Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Uporaba ultrazvoka je prinesla znatne izboljšave stabilnosti sistema, morfologije kristalov in neprekinjenosti delovanja. Tukaj najdete optimiziran eksperimentalni protokol, ključne rezultate glede učinkovitosti in pot do povečanja obsega na industrijsko raven.

Intenzifikacija procesa: kristalizacija laktoze s sonikacijo

Kristalizacija je v farmacevtski in živilski industriji bistvena za čiščenje in načrtno oblikovanje lastnosti delcev. Vendar imajo tradicionalni šaržni procesi omejitve glede ponovljivosti in oblaganja, zlasti pri povečevanju obsega. Neprekinjena kristalizacija ob uporabi ultrazvoka ponuja privlačno alternativo, saj poveča hitrost nukleacije, izboljša porazdelitev velikosti in ublaži težave, povezane z oblaganjem.

Zettl in sodelavci (2020) v svoji študiji uporabljajo modelni hidrofilni sistem – laktozo monohidrat v mešanici vode in izopropanola – za preučevanje prednosti delovanja naprave Hielscher UP200St-TD-FlowCell v konfiguraciji za neprekinjeno kristalizacijo.

Materiali in metode – ultrazvočna kristalizacija laktoze na laboratorijski mizi

Materiali

• Topljenec: α-laktoza monohidrat
• Sistem topil: deionizirana voda in izopropanol v ternarnem faznem razmerju, optimiziranem za prenasičenje laktoze
• Sonikator: UP200St-TD, opremljen s pretočno sonikacijsko celico (TD-FlowCell)

Konfiguracija opreme
UP200St-TD-FlowCell je bil vključen v zaprt obtočni sistem za neprekinjeno kristalizacijo. Peristaltična črpalka je poganjala prenasičeno raztopino laktoze skozi sonikacijsko komoro, kjer je ultrazvok vnašal energijo v sistem. Regulacija temperature v pretočnem sistemu je zagotavljala toplotno stabilnost med dolgotrajnim delovanjem.

Ultrazvočna kristalizacija laktoze v neprekinjenem načinu
(Študija in slika: ©Zettl et al., 2020)

Topnost laktoze
Koncentracija nasičenja laktoze, ki je disaharid, sestavljen iz glukoze in galaktoze, v vodi pri sobni temperaturi (običajno opredeljeni kot 20–25 °C) znaša približno 18,9 wt% pri 25°C.
Topnost laktoze s temperaturo narašča, vendar ne linearno. Pri 50°C naraste na približno 31 wt%, pri 70°C pa znaša približno 45 wt%.

Protokol za neprekinjeno kristalizacijo laktoze

Cilj: čim bolj zmanjšati oblaganje sistema in čim bolj podaljšati čas delovanja ob neprekinjeni sonikaciji.

Protokol po korakih:

1. Priprava dovodne raztopine
   • Raztopite α-laktozo monohidrat v deionizirani vodi pri 50°C, da dobite nasičeno raztopino.
   • Za vodno suspenzijo laktoze dodajte 233 g a-laktoze na 1000 g vode
   • Mešanico mešajte, dokler se snov popolnoma ne raztopi.
   • Nato pustite, da se raztopina ohladi na 25°C, da dobite nasičeno raztopino.
2. Nastavitev sistema
   • Napolnite pretočni tokokrog z dovodno raztopino.
   • Nastavite pretok na 60 mL/min (optimalno za zadrževalni čas ~30 sekund v ultrazvočni komori).
   • Dovodna suspenzija in antitopilo se dovajata skozi dva dovodna priključka v procesno komoro ultrazvočne pretočne celice.
   • Nastavite pretok suspenzije laktoze s koncentracijo 15 wt % na 27g/ min. Sprožite obarjanje z dodajanjem predhodno ohlajenega izopropanola (12°C) s pretokom 27g/min, kar povzroči skupni masni pretok 54g/min. (Masni pretok 54g/min ustreza volumskemu pretoku 60 mL/min)
   • Začnite sonikacijo pri 100% amplitudi. Vzdržujte delovno temperaturo med 25–30°C.
3. Faza kristalizacije
   • Vzdržujte neprekinjeno sonikacijo brez prekinitev. Sonikatorji Hielscher so izdelani za delovanje 24/7.
   • Vsakih 60 minut zberite kristalizirano laktozo iz filtrirnega modula, nameščenega v nadaljevanju toka.
4. Karakterizacija po obdelavi
   • Analizirajte morfologijo kristalov s SEM.
   • Kvantitativno določite porazdelitev velikosti kristalov z lasersko difrakcijo (ciljni D50: 80–100 µm).
   • Določite čistost s HPLC (laktoza monohidrat >98%).

Sestava suspenzij laktoze z masnim deležem suspendirane trdne snovi v dovodu (w s,f), masnim deležem suspendirane trdne snovi v produktu (w s,p), masnim deležem raztopljene trdne snovi v produktu (w d,p), masnim deležem vode v produktu (w H2O,p), masnim deležem izopropanola v produktu (w IA,p) in masnim deležem etanola v produktu (w EtOH,p), uporabljenih v študiji Zettl et al., 2020.

Rezultati in prednosti ultrazvočne kristalizacije laktoze

• Zmanjšanje aglomeracije:
  Pretočna ultrazvočna obdelava je učinkovito zavirala aglomeracijo kristalov, pri čemer so nastali dobro ločeni prizmatični kristali laktoze.
• Zmanjšanje penjenja:
  Ultrazvok je opazno zmanjšal nastajanje pene na površini – pogoste težave pri kristalizaciji z antitopili, ki vključuje alkohole – in s tem izboljšal volumsko zmogljivost obdelave.
• Preprečevanje zamašitve:
  Med daljšim delovanjem ni bilo opaženo oblaganje ali zamaševanje, kar potrjuje vlogo akustične kavitacije pri ohranjanju čistih površin in preprečevanju odlaganja trdne snovi v pretočni celici.
• Neprekinjeno delovanje:
  Proces je mogoče vzdrževati v neprekinjenem delovanju, pri čemer kakovost kristalov ostaja enaka v različnih časovnih točkah.

Ultrazvočna kristalizacija laktoze: laktoza, kristalizirana v različnih pogojih: vnos ultrazvočne energije, dodani karagenan ali sirotka (WPC) vplivajo na velikost kristalov laktoze
študija in slika: © Sanchez-García et al., 2018.

Povečanje obsega ultrazvočne kristalizacije laktoze

Pretočni sonikatorji Hielscher, zasnovani v Nemčiji po najvišjih industrijskih standardih, ponujajo robustno rešitev za neprekinjeno kristalizacijo laktoze in drugih trdnih snovi iz prenasičenih raztopin. Ti sistemi, zasnovani za uporabo, ki izpolnjuje farmacevtske zahteve, omogočajo natančen nadzor nukleacije in rasti kristalov ter zagotavljajo ponovljive porazdelitve velikosti delcev in doslednost procesa. Ultrazvočni reaktorji Hielscher z linearno razširljivostjo od laboratorijskega do proizvodnega obsega omogočajo nemoten prenos procesa, kar kar najbolj skrajša čas razvoja in zmanjša stroške. Skupaj s celovitim tehničnim svetovanjem ti sonikatorji zagotavljajo prilagojene rešitve, ki jih je mogoče preprosto vključiti v postopke kristalizacije, skladne s cGMP – zato so idealni za farmacevtsko, biotehnološko in živilsko industrijo.

Spodnja preglednica prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Načrtovanje, izdelava in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke razmere in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in uporabniku prijaznim upravljanjem. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne z zahtevami CE ter izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.