Inline kristalizacija laktoze – od laboratorija do industrije

Ultrazvočno podprta kristalizacija je učinkovita tehnika za izboljšanje tvorbe trdnih snovi v pogojih neprekinjenega pretoka. Spodaj vam predstavljamo študijo, ki se osredotoča na inline kristalizacijo laktoze iz trinarnega sistema laktoze / vode / izopropanola, z uporabo ultrazvočne komore Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Uporaba ultrazvoka je prinesla pomembne izboljšave v stabilnosti sistema, morfologiji kristalov in kontinuiteti delovanja. Tukaj lahko najdete optimiziran eksperimentalni protokol, ključne rezultate uspešnosti in pot do industrijskega povečanja.

Intenziviranje procesa: kristalizacija laktoze z uporabo ultrazvočnega razbijanja

Kristalizacija je bistvenega pomena v farmacevtski in živilski industriji za čiščenje in inženiring delcev. Vendar pa tradicionalni šaržni postopki trpijo zaradi omejitev obnovljivosti in obraščanja, zlasti med povečanjem obsega. Neprekinjena kristalizacija v ultrazvočnih pogojih ponuja prepričljivo alternativo s povečanjem stopnje nukleacije, izboljšanjem porazdelitve velikosti in ublažitvijo izzivov, povezanih z obraščanjem.

V svoji študiji Zettl in sodelavci (2020) uporabljajo modelni hidrofilni sistem - laktozni monohidrat v mešanici vode / izopropanola - za raziskovanje operativnih prednosti Hielscher UP200St-TD-FlowCell v konfiguraciji neprekinjene kristalizacije.

Materiali in metode – Ultrazvočna kristalizacija laktoze na klopi

Materiali

• Topna raztopina: α-laktoza monohidrat
• Sistem topil: Deionizirana voda in izopropanol v trikomponentnem faznem razmerju, optimiziran za prenasičenost laktoze
• Sonicator: UP200St-TD opremljen s pretočno ultrazvočno celico (TD-FlowCell)

Konfiguracija opreme
UP200St-TD-FlowCell je bil konfiguriran v neprekinjenem kristalizacijskem krogu z zaprto zanko. Peristaltična črpalka je krožila prenasičeno raztopino laktoze skozi ultrazvočno komoro, kjer ultrazvok prenaša energijo v sistem. Inline nadzor temperature je zagotovil toplotno stabilnost med daljšim delovanjem.

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

Topnost laktoze
Koncentracija nasičenosti laktoze, ki je disaharid, sestavljen iz glukoze in galaktoze, v vodi pri sobni temperaturi (običajno opredeljena kot 20–25 °C) je približno 18,9 mas. % pri 25 °C.
Topnost laktoze se povečuje s temperaturo, vendar ne linearno. Pri 50 °C se dvigne na približno 31 mas.%, pri 70 °C pa na približno 45 mas. %.

Protokol za neprekinjeno kristalizacijo laktoze

Cilj: Zmanjšati obraščanje sistema in povečati čas delovanja pri neprekinjenem ultrazvočnem razbijanju.

Protokol po korakih:

1. Priprava krmne raztopine
   • α-laktozo monohidrat raztopimo v deionizirani vodi pri 50 °C, da dobimo nasičeno raztopino.
   • Za vodno suspenzijo laktoze dodamo 233 g a-laktoze na 1000 g vode
   • Mešajte mešanico, dokler se material popolnoma ne raztopi.
   • Nato pustimo, da se raztopina ohladi na 25 °C, da dobimo nasičeno raztopino.
2. Nastavitev sistema
   • Pretočni krog napolnite s dovajalno raztopino.
   • Nastavite pretok na 60 ml / min (optimalno za čas zadrževanja ~ 30 sekund v ultrazvočni komori).
   • Dovodna suspenzija in antitopilo se dovajata prek dveh dovodnih odprtin v procesno komoro ultrazvočne pretočne celice.
   • Nastavite pretok 27 g/min 15 mas. % laktozne suspenzije. Sprožite obarjanje z dodajanjem 27 g/min predhodno ohlajenega izopropanola (12 ° C), kar ima skupni masni pretok 54 g / min. (Masni pretok 54 g / min ustreza prostornskemu pretoku do 60 ml / min)
   • Začnite ultrazvočno razbijanje pri 100% amplitudi. Vzdržujte delovno temperaturo med 25–30 °C.
3. Faza kristalizacije
   • Ohranite neprekinjeno ultrazvočno razbijanje brez prekinitev. Hielscher sonicatorji so zgrajeni za delovanje 24/7.
   • Vsakih 60 minut zberite kristalizirano laktozo iz nadaljnjega filtrirnega modula.
4. Karakterizacija po postopku
   • Analizirajte morfologijo kristalov prek SEM.
   • Kvantificirajte porazdelitev velikosti kristalov z lasersko difrakcijo (tarča D50: 80–100 μm).
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Sestava suspenzij laktoze z masnim deležem suspendiranih trdnih snovi v krmi (w s, f), masnim deležem suspendiranih trdnih snovi v proizvodu (w s, p), masnim deležem raztopljene trdne snovi v proizvodu (w d, p), masnim deležem vode v proizvodu (w H2O,p), masnim deležem izopropanola v proizvodu (w IA,p) in masnim deležem etanola v proizvodu (w EtOH, p) uporabljen v študiji Zettl et al., 2020.

Rezultati in prednosti ultrazvočne kristalizacije laktoze

• Ublažitev aglomeracije:
  Inline ultrasonication je učinkovito zatrl kristalno aglomeracijo in dal dobro ločene, prizmatične kristale laktoze.
• Zmanjšanje pene:
  Predvsem je ultrazvok zmanjšal nastajanje površinske pene - pogosta težava pri kristalizacijah proti topilu, ki vključujejo alkohole - s čimer se izboljša volumetrična prepustnost.
• Preprečevanje zamašitve:
  Med daljšim delovanjem niso opazili obraščanja ali zamašitve, kar potrjuje vlogo akustične kavitacije pri ohranjanju čistih površin in preprečevanju odlaganja trdnih snovi v pretočni celici.
• Neprekinjeno izvajanje:
  Proces se lahko vzdržuje v neprekinjenem delovanju, pri čemer kakovost kristalov ostane dosledna v vseh časovnih točkah.

Ultrazvočna kristalizacija laktoze: Laktoza kristalizirana pod različnimi pogoji: ultrazvočni vnos energije, dodan karagenan ali sirotka (WPC) vpliva na velikost kristalov laktoze
študija in slika: © Sanchez-García et al., 2018.

Povečanje ultrazvočne kristalizacije laktoze

Hielscher inline sonicatorji, 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 farmacevtske aplikacije, podpirajo natančen nadzor nad nukleacijo in rastjo kristalov, kar zagotavlja ponovljivo porazdelitev velikosti delcev in doslednost procesa. Z linearno razširljivostjo od laboratorija do proizvodne lestvice Hielscher ultrazvočni reaktorji omogočajo brezhiben prenos procesov, kar zmanjšuje čas in stroške razvoja. Skupaj s celovitim tehničnim svetovanjem ti sonicatorji zagotavljajo prilagojene rešitve, ki se enostavno integrirajo v poteke kristalizacije, skladne s cGMP, zaradi česar so idealni za farmacevtsko, biotehnološko in živilsko industrijo.

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:

Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji

Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.