Кристализација лактозе у протоку – од лабораторије до индустрије

Кристализација потпомогнута ултразвуком је ефикасна техника за поспешивање формирања чврсте фазе у условима континуалног протока. У наставку представљамо студију усмерену на кристализацију лактозе у протоку из тернарног система лактоза/вода/изопропанол, уз употребу коморе за соникацију Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Примена ултразвука довела је до значајних побољшања стабилности система, морфологије кристала и континуитета рада. Овде можете пронаћи оптимизовани експериментални протокол, кључне резултате у погледу перформанси и поступак преласка на индустријске размере.

Интензификација процеса: кристализација лактозе применом соникације

Кристализација је неопходна у фармацеутској и прехрамбеној индустрији за пречишћавање и инжењеринг честица. Међутим, традиционални шаржни процеси имају ограничења у погледу поновљивости и стварања наслага, нарочито при повећању размере процеса. Континуална кристализација уз примену ултразвука нуди привлачну алтернативу повећањем брзине нуклеације, побољшањем расподеле величине честица и ублажавањем проблема повезаних са стварањем наслага.

У својој студији, Zettl и сарадници (2020) користе моделни хидрофилни систем – лактозу монохидрат у смеши воде и изопропанола – да би испитали предности у раду уређаја Hielscher UP200St-TD-FlowCell у конфигурацији за континуалну кристализацију.

Материјали и методе – ултразвучна кристализација лактозе на лабораторијском столу

Материјали

• Растворена супстанца: α-лактоза монохидрат
• Систем растварача: дејонизована вода и изопропанол у тернарном фазном односу оптимизованом за презасићење лактозом
• Соникатор: UP200St-TD опремљен проточном ћелијом за соникацију (TD-FlowCell)

Конфигурација опреме
UP200St-TD-FlowCell је постављен у затворено циркулационо коло за континуалну кристализацију. Перисталтичка пумпа је циркулисала презасићени раствор лактозе кроз комору за соникацију, у којој се ултразвуком уносила енергија у систем. Контрола температуре у протоку обезбеђивала је термичку стабилност током продуженог рада.

Ултразвучна кристализација лактозе у континуалном режиму
(Студија и слика: ©Zettl et al., 2020)

Растворљивост лактозе
Концентрација засићења лактозе, дисахарида састављеног од глукозе и галактозе, у води на собној температури (која се обично дефинише као 20–25 °C) износи приближно 18,9 wt% на 25°C.
Растворљивост лактозе расте са температуром, али не линеарно. На 50°C расте на приближно 31 wt%, а на 70°C износи приближно 45 wt%.

Протокол за континуалну кристализацију лактозе

Циљ: свести стварање наслага у систему на минимум и максимално продужити време рада уз континуалну соникацију.

Протокол корак по корак:

1. Припрема напојног раствора
   • Растворите α-лактозу монохидрат у дејонизованој води на 50°C да бисте добили засићен раствор.
   • За водену суспензију лактозе додајте 233 g a-лактозе на 1000 g воде
   • Мешајте смешу док се материјал потпуно не раствори.
   • Након тога оставите раствор да се охлади на 25°C да бисте добили засићен раствор.
2. Подешавање система
   • Напуните проточно коло напојним раствором.
   • Подесите проток на 60 mL/min (оптимално за време задржавања од ~30 секунди у ултразвучној комори).
   • Напојна суспензија и антирастварач доводе се кроз два улазна прикључка у процесну комору ултразвучне проточне ћелије.
   • Подесите проток суспензије лактозе концентрације 15 wt % на 27g/ min. Изазовите таложење додавањем претходно охлађеног изопропанола (12°C) при протоку од 27g/min, чиме се постиже укупан масени проток од 54g/min. (Масени проток од 54g/min одговара запреминском протоку од 60 mL/min)
   • Покрените соникацију при амплитуди од 100%. Одржавајте радну температуру у опсегу 25–30°C.
3. Фаза кристализације
   • Одржавајте континуалну соникацију без прекида. Соникатори Hielscher конструисани су за рад 24/7.
   • Сакупљајте кристализовану лактозу из филтерског модула низводно од коморе сваких 60 минута.
4. Карактеризација након процеса
   • Анализирајте морфологију кристала помоћу SEM.
   • Квантификујте расподелу величине кристала ласерском дифракцијом (циљна вредност D50: 80–100 µm).
   • Одредите чистоћу помоћу HPLC (лактоза монохидрат >98%).

Састав суспензија лактозе са масеним уделом суспендоване чврсте материје у напојној суспензији (w s,f), масеним уделом суспендоване чврсте материје у производу (w s,p), масеним уделом растворене чврсте материје у производу (w d,p), масеним уделом воде у производу (w H2O,p), масеним уделом изопропанола у производу (w IA,p) и масеним уделом етанола у производу (w EtOH,p), коришћених у истраживању Zettl et al., 2020.

Резултати и предности ултразвучне кристализације лактозе

• Смањење агломерације:
  Ултразвучна обрада у протоку ефикасно је сузбила агломерацију кристала, дајући добро раздвојене, призматичне кристале лактозе.
• Смањење пене:
  Нарочито је значајно то што је ултразвук смањио стварање пене на површини – чест проблем при кристализацији помоћу антирастварача која укључује алкохоле – чиме је повећан запремински капацитет обраде.
• Спречавање зачепљења:
  Током продуженог рада није примећено накупљање наслага нити зачепљење, што потврђује улогу акустичне кавитације у одржавању чистих површина и спречавању таложења чврсте материје унутар проточне ћелије.
• Непрекидан рад:
  Процес се може одржавати у непрекидном раду, при чему квалитет кристала остаје уједначен у различитим временским тачкама.

Ултразвучна кристализација лактозе: лактоза кристализована под различитим условима: унос ултразвучне енергије, додати карагенан или сурутка (WPC) утичу на величину кристала лактозе
истраживање и слика: © Sanchez-García et al., 2018.

Повећање размера ултразвучне кристализације лактозе

Проточни ултразвучни уређаји Hielscher, пројектовани у Немачкој према највишим индустријским стандардима, нуде робусно решење за континуалну кристализацију лактозе и других чврстих материја из презасићених раствора. Пројектовани за примене које испуњавају захтеве фармацеутског квалитета, ови системи омогућавају прецизну контролу нуклеације и раста кристала, обезбеђујући поновљиве расподеле величине честица и уједначеност процеса. Захваљујући линеарној скалабилности од лабораторијских до производних размера, ултразвучни реактори Hielscher омогућавају несметан пренос процеса, сводећи време и трошкове развоја на минимум. Уз свеобухватно техничко саветовање, ови ултразвучни уређаји пружају прилагођена решења која се лако интегришу у радне токове кристализације усклађене са cGMP захтевима – што их чини идеалним за фармацеутску, биотехнолошку и прехрамбену индустрију.

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Ултразвучни уређаји Hielscher добро су познати по највишим стандардима квалитета и дизајна. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Ултразвучни уређаји Hielscher лако се носе са тешким условима и захтевним окружењима.

Hielscher Ultrasonics је компанија са ISO сертификатом и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставношћу употребе. Наравно, ултразвучни уређаји Hielscher усклађени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.