การตกผลึกแลคโตสในสายการผลิต – จากห้องปฏิบัติการสู่อุตสาหกรรม
การตกผลึกโดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มการเกิดของแข็งภายใต้สภาวะการไหลต่อเนื่อง ด้านล่างนี้เรานำเสนอการศึกษาที่มุ่งเน้นการตกผลึกแลคโตสในสายการผลิตจากระบบสามองค์ประกอบแลคโตส/น้ำ/ไอโซโพรพานอล โดยใช้ห้องให้คลื่นอัลตราโซนิก Hielscher UP200St-TD-FlowCell การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยปรับปรุงเสถียรภาพของระบบ สัณฐานวิทยาของผลึก และความต่อเนื่องของระยะเวลาการทำงานอย่างมีนัยสำคัญ ที่นี่คุณจะพบขั้นตอนการทดลองที่ผ่านการปรับให้เหมาะสม ผลลัพธ์สำคัญด้านสมรรถนะ และแนวทางการขยายขนาดสู่อุตสาหกรรม
การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ: การตกผลึกแลคโตสด้วยคลื่นอัลตราโซนิก
การตกผลึกมีความสำคัญอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมยาและอาหารสำหรับการทำให้บริสุทธิ์และวิศวกรรมอนุภาค อย่างไรก็ตาม กระบวนการแบบแบตช์ดั้งเดิมมีข้อจำกัดด้านความสามารถในการทำซ้ำและการเกิดคราบสะสม โดยเฉพาะระหว่างการขยายขนาด การตกผลึกแบบต่อเนื่องภายใต้สภาวะอัลตราโซนิกเป็นทางเลือกที่น่าสนใจ โดยเพิ่มอัตราการเกิดนิวเคลียส ปรับปรุงการกระจายขนาด และลดปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการเกิดคราบสะสม
ในการศึกษาของ Zettl และคณะ (2020) ผู้วิจัยใช้ระบบต้นแบบที่ชอบน้ำ – แลคโตสโมโนไฮเดรตในส่วนผสมของน้ำ/ไอโซโพรพานอล – เพื่อศึกษาประโยชน์ด้านการดำเนินงานของ Hielscher UP200St-TD-FlowCell ในระบบการตกผลึกแบบต่อเนื่อง
UP200St_TD
วัสดุและวิธีการ – การตกผลึกแลคโตสด้วยคลื่นอัลตราโซนิกบนโต๊ะปฏิบัติการ
วัสดุ
- ตัวถูกละลาย: α-แลคโตสโมโนไฮเดรต
- ระบบตัวทำละลาย: น้ำปราศจากไอออนและไอโซโพรพานอลในอัตราส่วนเฟสของระบบสามองค์ประกอบที่ปรับให้เหมาะสมกับการอิ่มตัวยิ่งยวดของแลคโตส
- เครื่องอัลตราโซนิก: UP200St-TD ที่ติดตั้งเซลล์ให้คลื่นอัลตราโซนิกแบบไหลผ่าน (TD-FlowCell)
การจัดระบบอุปกรณ์
UP200St-TD-FlowCell ถูกจัดให้อยู่ในวงจรการตกผลึกแบบต่อเนื่องชนิดวงปิด ปั๊มเพอริสตัลติกหมุนเวียนสารละลายแลคโตสอิ่มตัวยิ่งยวดผ่านห้องให้คลื่นอัลตราโซนิก ซึ่งคลื่นอัลตราโซนิกถ่ายทอดพลังงานเข้าสู่ระบบ การควบคุมอุณหภูมิในสายการผลิตช่วยให้มั่นใจถึงเสถียรภาพทางความร้อนระหว่างการทำงานเป็นเวลานาน
การตกผลึกแลคโตสด้วยคลื่นอัลตราโซนิกในโหมดต่อเนื่อง
(การศึกษาและภาพ: ©Zettl et al., 2020)
ความสามารถในการละลายของแลคโตส
ความเข้มข้นอิ่มตัวของแลคโตส ซึ่งเป็นไดแซ็กคาไรด์ที่ประกอบด้วยกลูโคสและกาแลคโตส ในน้ำที่อุณหภูมิห้อง (โดยทั่วไปกำหนดเป็น 20–25 °C) อยู่ที่ประมาณ 18.9 wt% ที่ 25°C
ความสามารถในการละลายของแลคโตสเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ แต่ไม่ได้เพิ่มขึ้นแบบเชิงเส้น ที่ 50°C ค่านี้เพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 31 wt% และที่ 70°C อยู่ที่ประมาณ 45 wt%
ขั้นตอนสำหรับการตกผลึกแลคโตสแบบต่อเนื่อง
วัตถุประสงค์: ลดการเกิดคราบสะสมในระบบให้เหลือน้อยที่สุดและเพิ่มระยะเวลาการทำงานให้สูงสุดภายใต้การให้คลื่นอัลตราโซนิกอย่างต่อเนื่อง
ขั้นตอนการปฏิบัติทีละขั้น:
- การเตรียมสารละลายป้อน
- ละลาย α-แลคโตสโมโนไฮเดรตในน้ำปราศจากไอออนที่ 50°C เพื่อให้ได้สารละลายอิ่มตัว
- สำหรับสารแขวนลอยแลคโตสในน้ำ ให้เติม a-แลคโตส 233 g ต่อน้ำ 1000 g
- กวนส่วนผสมจนวัสดุละลายหมด
- จากนั้นปล่อยให้สารละลายเย็นลงถึง 25°C เพื่อให้ได้สารละลายอิ่มตัว
- การตั้งค่าระบบ
- เติมสารละลายป้อนให้เต็มวงจรการไหลก่อนเริ่มเดินระบบ
- ตั้งอัตราการไหลไว้ที่ 60 mL/min (เหมาะสมที่สุดสำหรับเวลาพำนักประมาณ ~30 วินาทีในห้องอัลตราโซนิก)
- สารแขวนลอยป้อนและสารต้านตัวทำละลายถูกป้อนผ่านช่องป้อนสองช่องเข้าสู่ห้องกระบวนการของเซลล์การไหลอัลตราโซนิก
- ตั้งอัตราการไหลของสารแขวนลอยแลคโตส 15 wt % ไว้ที่ 27g/ min กระตุ้นให้เกิดการตกตะกอนโดยเติมไอโซโพรพานอลที่ทำให้เย็นไว้ล่วงหน้า (12°C) ในอัตรา 27g/min ทำให้ได้อัตราการไหลเชิงมวลรวม 54g/min (อัตราการไหลเชิงมวล 54g/min เทียบเท่ากับอัตราการไหลเชิงปริมาตร 60 mL/min)
- เริ่มให้คลื่นอัลตราโซนิกที่แอมพลิจูด 100% รักษาอุณหภูมิการทำงานไว้ระหว่าง 25–30°C
- ระยะการตกผลึก
- ให้คลื่นอัลตราโซนิกอย่างต่อเนื่องโดยไม่หยุดชะงัก เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher สร้างขึ้นเพื่อการทำงาน 24/7
- เก็บแลคโตสที่ตกผลึกจากโมดูลกรองปลายน้ำทุก 60 นาที
- การวิเคราะห์คุณลักษณะหลังกระบวนการ
- วิเคราะห์สัณฐานวิทยาของผลึกด้วย SEM
- วัดการกระจายขนาดผลึกในเชิงปริมาณโดยใช้การเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์ (ค่าเป้าหมาย D50: 80–100 µm)
- ตรวจวัดความบริสุทธิ์ด้วย HPLC (แลคโตสโมโนไฮเดรต >98%)
องค์ประกอบของสารแขวนลอยแลคโตส พร้อมสัดส่วนมวลของแข็งแขวนลอยในสารป้อน (w s,f) สัดส่วนมวลของแข็งแขวนลอยในผลิตภัณฑ์ (w s,p) สัดส่วนมวลของแข็งที่ละลายในผลิตภัณฑ์ (w d,p) สัดส่วนมวลน้ำในผลิตภัณฑ์ (w H2O,p) สัดส่วนมวลไอโซโพรพานอลในผลิตภัณฑ์ (w IA,p) และสัดส่วนมวลเอทานอลในผลิตภัณฑ์ (w EtOH,p) ที่ใช้ในการศึกษาของ Zettl et al., 2020
ผลลัพธ์และประโยชน์ของการตกผลึกแลคโตสด้วยคลื่นอัลตราโซนิก
- การลดการเกาะกลุ่ม:
การให้คลื่นอัลตราโซนิกในสายการผลิตยับยั้งการเกาะกลุ่มของผลึกได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ได้ผลึกแลคโตสทรงปริซึมที่แยกจากกันอย่างชัดเจน - การลดฟอง:
คลื่นอัลตราโซนิกช่วยลดการเกิดฟองบนผิวหน้าได้อย่างเด่นชัด – ซึ่งเป็นปัญหาที่พบบ่อยในการตกผลึกด้วยสารต้านตัวทำละลายที่เกี่ยวข้องกับแอลกอฮอล์ – จึงเพิ่มปริมาณที่ประมวลผลได้ต่อหน่วยเวลาในเชิงปริมาตร - การป้องกันการอุดตัน:
ไม่พบการเกิดคราบสะสมหรือการอุดตันระหว่างการทำงานเป็นเวลานาน ซึ่งยืนยันบทบาทของคาวิเทชันจากคลื่นเสียงในการรักษาความสะอาดของพื้นผิวและป้องกันการสะสมของของแข็งภายในเซลล์การไหล - ระยะเวลาการทำงานต่อเนื่อง:
กระบวนการสามารถดำเนินงานอย่างต่อเนื่องได้ โดยคุณภาพของผลึกยังคงสม่ำเสมอในแต่ละช่วงเวลา
การตกผลึกแลคโตสด้วยคลื่นอัลตราโซนิก: แลคโตสที่ตกผลึกภายใต้สภาวะต่าง ๆ ได้แก่ การป้อนพลังงานอัลตราโซนิก การเติมคาราจีแนนหรือเวย์ (WPC) ซึ่งมีอิทธิพลต่อขนาดผลึกแลคโตส
การศึกษาและภาพ: © Sanchez-García et al., 2018.
เครื่องอัลตราโซนิก UIP6000hdT พร้อมเซลล์การไหลที่สามารถเพิ่มความดันได้ แจ็กเก็ตทำความร้อน/ทำความเย็นช่วยให้สามารถให้คลื่นอัลตราโซนิกที่อุณหภูมิสูงขึ้นหรือต่ำลงได้
การขยายขนาดการตกผลึกแลคโตสด้วยคลื่นอัลตราโซนิก
เครื่องอัลตราโซนิกในสายการผลิตของ Hielscher ซึ่งออกแบบทางวิศวกรรมในเยอรมนีตามมาตรฐานอุตสาหกรรมสูงสุด เป็นโซลูชันที่แข็งแกร่งสำหรับการตกผลึกแลคโตสและของแข็งอื่น ๆ จากสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดอย่างต่อเนื่อง ระบบเหล่านี้ออกแบบมาสำหรับการใช้งานระดับมาตรฐานเภสัชกรรม รองรับการควบคุมการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของผลึกอย่างแม่นยำ ทำให้มั่นใจได้ถึงการกระจายขนาดอนุภาคที่ทำซ้ำได้และความสม่ำเสมอของกระบวนการ ด้วยความสามารถในการขยายขนาดแบบเชิงเส้นจากระดับห้องปฏิบัติการสู่ระดับการผลิต เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิก Hielscher ช่วยให้ถ่ายทอดกระบวนการได้อย่างราบรื่น ลดเวลาและต้นทุนในการพัฒนาให้เหลือน้อยที่สุด เมื่อผสานกับการให้คำปรึกษาทางเทคนิคอย่างครอบคลุม เครื่องอัลตราโซนิกเหล่านี้จึงเป็นโซลูชันที่ปรับให้ตรงกับความต้องการและผสานเข้ากับขั้นตอนการตกผลึกที่เป็นไปตาม cGMP ได้อย่างง่ายดาย – ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุตสาหกรรมยา เทคโนโลยีชีวภาพ และอาหาร
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:
| ปริมาตรต่อแบตช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนำ |
|---|---|---|
| 10–50mL | 10–300mL/min | UP200St_TD |
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| ไม่ใช้กับกรณีนี้ | 10–100L/min | UIP16000hdT |
| ไม่ใช้กับกรณีนี้ | สูงกว่านี้ | กลุ่มเครื่อง UIP16000hdT |
การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี
เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นที่รู้จักจากมาตรฐานคุณภาพและการออกแบบสูงสุด ความแข็งแกร่งทนทานและการใช้งานง่ายช่วยให้สามารถผสานเครื่องอัลตราโซนิกของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher รับมือกับสภาวะที่รุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดการทำงานสูงได้อย่างง่ายดาย
Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงที่มีเทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานง่าย แน่นอนว่าเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นไปตามข้อกำหนด CE และตรงตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs
UIP2000hdT เครื่องอัลตราโซนิกกำลังสูง 2000 วัตต์ พร้อมเซลล์การไหลสำหรับการตกผลึกในสายการผลิตระดับอุตสาหกรรม
วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง
- Zettl, M., Kreimer, M., Aigner, I., Mannschott, T., van der Wel, P., Khinast, J., Krumme, M. (2020): Runtime Maximization of Continuous Precipitation in an Ultrasonic Process Chamber. Organic Process Research & Development, 24(4), 2020. 508–519.
- Gielen, B.; Jordens, J.; Thomassen, L.C.J.; Braeken, L.; Van Gerven, T. (2027): Agglomeration Control during Ultrasonic Crystallization of an Active Pharmaceutical Ingredient. Crystals 2017, 7, 40.
- Yanira I. Sánchez-García, Karen S. García-Vega, Martha Y. Leal-Ramos, Ivan Salmeron, Néstor Gutiérrez-Méndez (2018): Ultrasound-assisted crystallization of lactose in the presence of whey proteins and κ-carrageenan. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 42, 2018. 714-722.
คำถามที่พบบ่อย
แลคโตสคืออะไร?
แลคโตสเป็นไดแซ็กคาไรด์ที่ประกอบด้วยกลูโคสและกาแลคโตสอย่างละหนึ่งโมเลกุล เป็นคาร์โบไฮเดรตหลักในนมและผลิตภัณฑ์นม ในทางเคมี แลคโตสมีรูปแอโนเมอร์ α และ β โดย α-แลคโตสโมโนไฮเดรตเป็นรูปผลึกที่พบเป็นหลักภายใต้สภาวะแวดล้อมทั่วไป
แลคโตสใช้ทำอะไร?
แลคโตสใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นส่วนผสมที่มีหน้าที่เฉพาะในอุตสาหกรรมยา อาหาร และเทคโนโลยีชีวภาพ ในทางเภสัชกรรม แลคโตสทำหน้าที่หลักเป็นสารเติมเต็มหรือสารช่วยทางเภสัชกรรมในรูปแบบยาแข็งสำหรับรับประทาน นอกจากนี้ยังเป็นสารตั้งต้นในกระบวนการหมักและสารให้ความหวานในสูตรอาหาร
การตกผลึกแลคโตสคืออะไร?
การตกผลึกแลคโตสหมายถึงกระบวนการเปลี่ยนแลคโตสที่ละลายอยู่ในสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดให้เป็นผลึกของแข็ง กระบวนการนี้เกิดขึ้นผ่านการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของผลึกที่ตามมา โดยได้รับอิทธิพลจากอุณหภูมิ ความเข้มข้น pH และองค์ประกอบของตัวทำละลาย การตกผลึกที่มีการควบคุมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตแลคโตสที่มีขนาดอนุภาคตามที่กำหนดและมีความบริสุทธิ์ด้านรูปผลึกพหุสัณฐาน
การตกผลึกมี 4 ขั้นตอนอะไรบ้าง?
ระหว่างการตกผลึก สามารถสังเกตการเกิดผลึกได้ 4 ระยะ:
- การอิ่มตัวยิ่งยวด: การสร้างแรงขับทางอุณหพลศาสตร์โดยเพิ่มความเข้มข้นให้เกินขีดความสามารถในการละลาย
- การเกิดนิวเคลียส: การเกิดนิวเคลียสเริ่มต้นของเฟสของแข็งจากสารละลาย
- การเติบโตของผลึก: การสะสมของโมเลกุลตัวถูกละลายบนนิวเคลียสเพื่อสร้างผลึกที่ใหญ่ขึ้น
- การเกาะกลุ่มหรือการบ่มผลึก: กระบวนการทุติยภูมิที่ผลึกเกาะรวมกัน หรือละลายและเติบโตขึ้นใหม่ ซึ่งส่งผลต่อการกระจายขนาดสุดท้าย
อ่านที่นี่ว่าการให้คลื่นอัลตราโซนิกมีอิทธิพลต่อกระบวนการตกผลึกอย่างไร!
สารช่วยทางเภสัชกรรมคืออะไร?
สารช่วยทางเภสัชกรรมเป็นสารเฉื่อยที่ใช้ในการตั้งตำรับร่วมกับสารออกฤทธิ์ทางเภสัชกรรม (API) ในผลิตภัณฑ์ยา ช่วยเพิ่มความสามารถในการผลิต ความคงตัว ชีวปริมาณออกฤทธิ์ หรือการยอมรับของผู้ป่วย โดยไม่ให้ผลในการรักษา สารช่วยทางเภสัชกรรมที่ใช้ทั่วไป ได้แก่ สารเพิ่มปริมาณ สารยึดเกาะ สารช่วยแตกตัว และสารหล่อลื่น – โดยแลคโตสเป็นหนึ่งในสารเพิ่มปริมาณที่ใช้บ่อยที่สุด
Hielscher Ultrasonics ผลิตเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกสมรรถนะสูงตั้งแต่ ระดับห้องปฏิบัติการ จนถึง ขนาดระดับอุตสาหกรรม