Інлайн-кристалізація лактози – від лабораторії до промисловості

Ультразвукова кристалізація – це ефективна техніка для інтенсифікації утворення твердих фаз в умовах безперервного потоку. Нижче ми представляємо дослідження, зосереджене на інлайн-кристалізації лактози з тернарної системи лактоза/вода/ізопропанол, з використанням ультразвукової комірки Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Застосування ультразвуку забезпечило значне покращення стабільності системи, морфології кристалів та безперервності роботи. Тут ви можете знайти оптимізований експериментальний протокол, ключові показники ефективності та шлях до промислового масштабування.

Інтенсифікація процесу: кристалізація лактози за допомогою ультразвукової обробки

Кристалізація є важливою у фармацевтичній та харчовій промисловості для очищення та інженерії частинок. Однак традиційні періодичні процеси мають обмеження щодо відтворюваності та забруднення, особливо під час масштабування. Безперервна кристалізація в умовах ультразвуку пропонує переконливу альтернативу, підвищуючи швидкості нуклеації, покращуючи розподіл розмірів та пом’якшуючи проблеми, пов’язані із забрудненням.

У своєму дослідженні Zettl та колеги (2020) використовують модельну гідрофільну систему – лактозу моногідрат у суміші води/ізопропанолу – для вивчення експлуатаційних переваг Hielscher UP200St-TD-FlowCell у конфігурації безперервної кристалізації.

Матеріали та методи – ультразвукова кристалізація лактози на лабораторному столі

Матеріали

• Розчинена речовина: α-лактоза моногідрат
• Система розчинників: деіонізована вода та ізопропанол у тернарному фазовому співвідношенні, оптимізованому для пересичення лактози
• Ультразвуковий гомогенізатор: UP200St-TD, оснащений проточною ультразвуковою коміркою (TD-FlowCell)

Конфігурація обладнання
UP200St-TD-FlowCell було налаштовано в замкненому контурі безперервної кристалізації. Перистальтичний насос циркулював пересичений розчин лактози через ультразвукову камеру, де ультразвук передає енергію в систему. Вбудований контроль температури забезпечував термічну стабільність під час тривалої роботи.

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

Розчинність лактози
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 wt% при 25°C.
Розчинність лактози зростає зі збільшенням температури, але нелінійно. При 50°C вона зростає приблизно до 31 wt%, а при 70°C становить приблизно 45 wt%.

Протокол безперервної кристалізації лактози

Мета: мінімізувати забруднення системи та максимізувати час роботи за умов безперервної ультразвукової обробки.

Покроковий протокол:

1. Підготовка вхідного розчину
   • Розчиніть α-лактозу моногідрат у деіонізованій воді при 50°C, щоб отримати насичений розчин.
   • Для водної суспензії лактози додайте 233 г a-лактози на 1000 г води
   • Перемішуйте суміш до повного розчинення матеріалу.
   • Потім дайте розчину охолонути до 25°C, щоб отримати насичений розчин.
2. Налаштування системи
   • Заповніть проточний контур вхідним розчином.
   • Встановіть об’ємну витрату на рівні 60 mL/min (оптимально для часу перебування ~30 секунд в ультразвуковій камері).
   • Вхідна суспензія та антирозчинник подаються через два порти подачі в процесну камеру ультразвукової проточної комірки.
   • Встановіть витрату 27g/ min 15 wt % суспензії лактози. Спричиніть осадження, додаючи 27g/min попередньо охолодженого ізопропанолу (12°C), що призводить до загальної масової витрати 54g/min. (Масова витрата 54g/min відповідає об’ємній витраті 60 mL/min)
   • Розпочніть ультразвукову обробку при 100% амплітуді. Підтримуйте робочу температуру в межах 25–30°C.
3. Фаза кристалізації
   • Підтримуйте безперервну ультразвукову обробку без перерв. Ультразвукові гомогенізатори Hielscher розроблені для роботи 24/7.
   • Збирайте кристалізовану лактозу з фільтраційного модуля, розташованого нижче за потоком, кожні 60 хвилин.
4. Постобробкова характеристика
   • Аналізуйте морфологію кристалів за допомогою SEM.
   • Кількісно визначайте розподіл розмірів кристалів за допомогою лазерної дифракції (ціль D50: 80–100 µm).
   • Визначайте чистоту за допомогою HPLC (лактоза моногідрат >98%).

Склад суспензій лактози з масовою часткою зважених твердих речовин у подачі (w s,f), масовою часткою зважених твердих речовин у продукті (w s,p), масовою часткою розчинених твердих речовин у продукті (w d,p), масовою часткою води у продукті (w H2O,p), масовою часткою ізопропанолу у продукті (w IA,p) та масовою часткою етанолу у продукті (w EtOH,p), використаними в дослідженні Zettl et al., 2020.

Результати та переваги ультразвукової кристалізації лактози

• Зменшення агрегації:
  Інлайн-ультразвукова обробка ефективно пригнічувала агрегацію кристалів, забезпечуючи отримання добре розділених, призматичних кристалів лактози.
• Зменшення піни:
  Примітно, що ультразвук зменшував утворення поверхневої піни – поширену проблему в антирозчинниковій кристалізації за участю спиртів – тим самим покращуючи об’ємну пропускну здатність.
• Запобігання засміченню:
  Під час тривалої експлуатації не спостерігалося забруднення або засмічення, що підтверджує роль акустичної кавітації в підтриманні чистих поверхонь та запобіганні відкладенню твердих речовин у проточній комірці.
• Безперервний час роботи:
  Процес можна підтримувати в безперервному режимі, причому якість кристалів залишається стабільною в різних часових точках.

Ультразвукова кристалізація лактози: Лактоза, кристалізована за різних умов: вплив ультразвукової енергії, доданого каррагенану або молочної сироватки (WPC) на розмір кристалів лактози
дослідження та зображення: © Sanchez-García et al., 2018.

Масштабування ультразвукової кристалізації лактози

Інлайн-ультразвукові обробники Hielscher, розроблені в Німеччині за найвищими промисловими стандартами, пропонують надійне рішення для безперервної кристалізації лактози та інших твердих речовин із пересичених розчинів. Розроблені для застосування у фармацевтичній промисловості, ці системи забезпечують точний контроль над нуклеацією та ростом кристалів, гарантуючи відтворювані розподіли розміру частинок та стабільність процесу. Завдяки лінійному масштабуванню від лабораторного до виробничого рівня, ультразвукові реактори Hielscher забезпечують безперешкодний перенесення процесу, мінімізуючи час та вартість розробки. У поєднанні з комплексним технічним консультуванням ці обробники пропонують індивідуальні рішення, які легко інтегруються в робочі процеси кристалізації, що відповідають вимогам cGMP, – роблячи їх ідеальними для фармацевтичної, біотехнологічної та харчової промисловості.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну пропускну здатність наших ультразвукових обробників:

Розробка, виробництво та консультування – Якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові обробники Hielscher відомі своєю найвищою якістю та стандартами дизайну. Надійність та простота експлуатації дозволяють легко інтегрувати наші ультразвукові обробники в промислові об’єкти. Жорсткі умови та складні середовища легко витримуються ультразвуковими обробниками Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є компанією, сертифікованою за ISO, і приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим обробникам, що мають передові технології та зручність у використанні. Звичайно, ультразвукові обробники Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA та RoHs.