Вбудована кристалізація лактози – від лабораторії до промисловості

Кристалізація за допомогою ультразвуку є ефективним методом для посилення утворення твердих речовин в умовах безперервного потоку. Нижче ми представляємо вам дослідження, яке зосереджене на кристалізації лактози в потрійній системі лактоза/вода/ізопропанол з використанням звукової камери Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Застосування ультразвуку дало значне покращення стабільності системи, морфології кристалів та безперервності роботи. Тут ви можете знайти оптимізований експериментальний протокол, ключові результати продуктивності та шлях до промислового масштабування.

Інтенсифікація процесу: кристалізація лактози за допомогою ультразвукового апарату

Кристалізація необхідна у фармацевтичній та харчовій промисловості для очищення та інженерії частинок. Однак традиційні пакетні процеси страждають від обмежень відтворюваності та забруднення, особливо під час масштабування. Безперервна кристалізація в ультразвукових умовах пропонує переконливу альтернативу, підвищуючи швидкість зародження, покращуючи розподіл за розміром і пом'якшуючи проблеми, пов'язані з забрудненням.

У своєму дослідженні Зеттль та його колеги (2020) використовують модельну гідрофільну систему — моногідрат лактози в суміші вода та ізопропанол — для дослідження експлуатаційних переваг Hielscher UP200St-TD-FlowCell у конфігурації безперервної кристалізації.

Матеріали та методи – Ультразвукова кристалізація лактози на стільниці

Матеріали

• Розчинена речовина: α-лактози моногідрат
• Система розчинників: деіонізована вода та ізопропанол у потрійному співвідношенні фаз, оптимізованих для перенасичення лактозою
• Звуковий апарат: UP200St-TD оснащений проточною камерою для ультразвуку (TD-FlowCell)

Конфігурація обладнання
Конфігурація UP200St-TD-FlowCell була виконана в замкнутому контурі безперервної кристалізації. Перистальтичний насос забезпечує циркуляцію пересиченого розчину лактози через камеру УЗД, де ультразвук передає енергію в систему. Вбудований контроль температури забезпечив термічну стабільність при тривалій роботі.

Ультразвукова кристалізація лактози в безперервному режимі
(Дослідження та зображення: ©Zettl та ін., 2020)

Розчинність у лактозі
Концентрація насичення лактози, яка є дисахаридом, що складається з глюкози та галактози, у воді при кімнатній температурі (зазвичай визначається як 20–25 °C) становить приблизно 18,9 мас.% при 25 °C.
Розчинність лактози збільшується з температурою, але не лінійно. При температурі 50 ° C вона підвищується приблизно до 31 масти, а при 70 ° C - приблизно до 45 мас.

Протокол безперервної кристалізації лактози

Мета: Мінімізувати забруднення системи та максимізувати час роботи при безперервному ультразвуку.

Покроковий протокол:

1. Приготування кормового розчину
   • Розчиніть моногідрат α-лактози в деіонізованій воді при температурі 50 °C до отримання насиченого розчину.
   • Для водної лактозної суспензії додайте 233 г а-лактози на 1000 г води
   • Перемішуйте суміш до повного розчинення матеріалу.
   • Після цього дайте розчину охолонути до 25°С, щоб отримати насичений розчин.
2. Налаштування системи
   • Заправте проточний контур розчином, що подається.
   • Встановіть швидкість потоку на 60 мл/хв (оптимально для часу перебування ~30 секунд в ультразвуковій камері).
   • Суспензія подачі та антирозчинник подаються через два отвори подачі в технологічну камеру ультразвукової проточної камери.
   • Встановіть швидкість потоку 27 г/хв 15 мас.% лактозної суспензії. Викликайте опади, додаючи 27 г/хв попередньо охолодженого ізопропанолу (12 °C), що призводить до загальної масової витрати 54 г/хв. (Масова витрата 54 г/хв відповідає об'ємній витраті 60 мл/хв)
   • Ініціюйте ультразвук зі 100% амплітудою. Підтримуйте робочу температуру в межах 25–30°C.
3. Фаза кристалізації
   • Підтримуйте безперервне ультразвукове випромінювання без перерви. Звукоізолятори Hielscher створені для роботи в режимі 24/7.
   • Збирайте кристалізовану лактозу з модуля фільтрації кожні 60 хвилин.
4. Характеристика після процесу
   • Проаналізуйте морфологію кристалів за допомогою SEM.
   • Кількісно оцініть розподіл кристалів за розміром за допомогою лазерної дифракції (ціль D50: 80–100 мкм).
   • Determine purity via HPLC (lactose monohydrate >98%).

Склад лактозних суспензій з масовою часткою зваженої твердої речовини в кормі (w s,f), масовою часткою зваженої твердої речовини в продукті (w s,p), масовою часткою розчиненої речовини в продукті (w d,p), масовою часткою води в продукті (w H2O,p), масовою часткою ізопропанолу в продукті (w IA,p), масовою часткою етанолу в продукті (w EtOH, р) використано в дослідженні Zettl et al., 2020.

Результати та переваги ультразвукової кристалізації лактози

• Пом'якшення наслідків агломерації:
  Вбудоване ультразвукове дослідження ефективно пригнічувало агломерацію кристалів, утворюючи добре розділені призматичні кристали лактози.
• Зменшення піни:
  Примітно, що ультразвук зменшує утворення поверхневої піни — поширену проблему в антисольвентних кристалізаціях за участю спиртів — тим самим покращуючи об'ємну пропускну здатність.
• Профілактика засмічення:
  Під час тривалої експлуатації не спостерігалося забруднення або засмічення, що підтверджує роль акустичної кавітації в підтримці чистоти поверхонь і запобіганні відкладенню твердих речовин всередині проточної камери.
• Час безперервної роботи:
  Процес може підтримуватися в безперервній роботі, при цьому якість кристалів залишається незмінною в різні моменти часу.

Ультразвукова кристалізація лактози: лактоза кристалізується в різних умовах: ультразвуковий вхід енергії, додавання карагінану або сироватки (WPC) впливає на розмір кристалів лактози
дослідження та зображення: © Sanchez-García et al., 2018.

Масштабування ультразвукової кристалізації лактози

Вбудовані ультразвукові апарати Hielscher, розроблені в Німеччині за найвищими промисловими стандартами, пропонують надійне рішення для безперервної кристалізації лактози та інших твердих речовин із перенасичених розчинів. Розроблені для застосування фармацевтичного класу, ці системи підтримують точний контроль за зародженням і ростом кристалів, забезпечуючи відтворюваний розподіл частинок за розміром і узгодженість процесу. Завдяки лінійному масштабуванню від лабораторії до виробничого масштабу, ультразвукові реактори Hielscher забезпечують безперебійну передачу процесів, мінімізуючи час і витрати на розробку. У поєднанні з комплексними технічними консультаціями ці звукорежисери надають індивідуальні рішення, які легко інтегруються в робочі процеси кристалізації, що відповідають cGMP, що робить їх ідеальними для фармацевтичної, біотехнологічної та харчової промисловості.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:

Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині

Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.