Kết tinh lactose trong dòng – từ phòng thí nghiệm đến công nghiệp

Kết tinh có hỗ trợ siêu âm là một kỹ thuật hiệu quả để tăng cường sự hình thành chất rắn trong điều kiện dòng chảy liên tục. Dưới đây, chúng tôi giới thiệu một nghiên cứu tập trung vào quá trình kết tinh lactose trong dòng từ hệ ba cấu tử lactose/nước/isopropanol, sử dụng buồng siêu âm Hielscher UP200St-TD-FlowCell. Việc ứng dụng siêu âm đã cải thiện đáng kể độ ổn định của hệ thống, hình thái tinh thể và tính liên tục của thời gian vận hành. Tại đây, bạn có thể tìm hiểu quy trình thực nghiệm đã được tối ưu hóa, các kết quả hiệu suất chính và lộ trình mở rộng lên quy mô công nghiệp.

Tăng cường quá trình: Kết tinh lactose bằng siêu âm

Kết tinh đóng vai trò thiết yếu trong ngành dược phẩm và thực phẩm để tinh chế và tạo hạt có đặc tính mong muốn. Tuy nhiên, các quy trình theo mẻ truyền thống gặp những hạn chế về khả năng tái lập và hiện tượng bám cặn, đặc biệt khi mở rộng quy mô. Kết tinh liên tục trong điều kiện siêu âm mang lại một phương án thay thế đầy sức thuyết phục nhờ tăng tốc độ tạo mầm, cải thiện phân bố kích thước và giảm thiểu các vấn đề liên quan đến bám cặn.

Trong nghiên cứu của mình, Zettl và cộng sự (2020) sử dụng một hệ ưa nước mô hình – lactose monohydrat trong hỗn hợp nước/isopropanol – để khảo sát những lợi ích vận hành của Hielscher UP200St-TD-FlowCell trong cấu hình kết tinh liên tục.

Vật liệu và phương pháp – Kết tinh lactose bằng siêu âm ở quy mô thiết bị để bàn

Vật liệu

• Chất tan: α-Lactose monohydrat
• Hệ dung môi: Nước khử ion và isopropanol với tỷ lệ pha trong hệ ba cấu tử được tối ưu hóa để tạo trạng thái quá bão hòa lactose
• Thiết bị siêu âm: UP200St-TD được trang bị buồng siêu âm dòng chảy (TD-FlowCell)

Cấu hình thiết bị
UP200St-TD-FlowCell được cấu hình trong một mạch kết tinh liên tục tuần hoàn kín. Một bơm nhu động tuần hoàn dung dịch lactose quá bão hòa qua buồng siêu âm, nơi năng lượng được truyền vào hệ thống bằng siêu âm. Việc kiểm soát nhiệt độ trong dòng bảo đảm độ ổn định nhiệt trong suốt quá trình vận hành kéo dài.

Kết tinh lactose bằng siêu âm ở chế độ liên tục
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Zettl và cộng sự, 2020)

Độ tan của lactose
Nồng độ bão hòa của lactose, một disaccharide cấu tạo từ glucose và galactose, trong nước ở nhiệt độ phòng (thường được xác định là 20–25 °C) là khoảng 18,9 wt% tại 25°C.
Độ tan của lactose tăng theo nhiệt độ, nhưng không tuyến tính. Tại 50°C, độ tan tăng lên khoảng 31 wt%, và tại 70°C, độ tan là khoảng 45 wt%.

Quy trình kết tinh lactose liên tục

Mục tiêu: Giảm thiểu bám cặn trong hệ thống và tối đa hóa thời gian vận hành khi xử lý siêu âm liên tục.

Quy trình từng bước:

1. Chuẩn bị dung dịch cấp liệu
   • Hòa tan α-lactose monohydrat trong nước khử ion ở 50°C để thu được dung dịch bão hòa.
   • Để chuẩn bị huyền phù lactose trong nước, thêm 233 g a-lactose cho mỗi 1000 g nước
   • Khuấy hỗn hợp cho đến khi nguyên liệu tan hoàn toàn.
   • Sau đó, để dung dịch nguội xuống 25°C nhằm thu được dung dịch bão hòa.
2. Thiết lập hệ thống
   • Nạp đầy mạch dòng chảy bằng dung dịch cấp liệu.
   • Đặt lưu lượng ở mức 60 mL/min (tối ưu để đạt thời gian lưu khoảng ~30 giây trong buồng siêu âm).
   • Huyền phù cấp liệu và chất phản dung môi được đưa qua hai cổng cấp liệu vào buồng xử lý của buồng siêu âm dòng chảy.
   • Đặt lưu lượng huyền phù lactose 15 wt % ở mức 27g/ min. Gây kết tủa bằng cách thêm isopropanol đã được làm lạnh trước (12°C) với lưu lượng 27g/min, tạo ra tổng lưu lượng khối lượng là 54g/min. (Lưu lượng khối lượng 54g/min tương ứng với lưu lượng thể tích 60 mL/min)
   • Bắt đầu xử lý siêu âm ở biên độ 100%. Duy trì nhiệt độ vận hành trong khoảng 25–30°C.
3. Giai đoạn kết tinh
   • Duy trì xử lý siêu âm liên tục, không gián đoạn. Các thiết bị siêu âm Hielscher được chế tạo để vận hành 24/7.
   • Thu lactose đã kết tinh từ mô-đun lọc ở hạ lưu cứ mỗi 60 phút.
4. Phân tích đặc trưng sau xử lý
   • Phân tích hình thái tinh thể bằng SEM.
   • Định lượng phân bố kích thước tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ laser (D50 mục tiêu: 80–100 µm).
   • Xác định độ tinh khiết bằng HPLC (lactose monohydrat >98%).

Thành phần của các huyền phù lactose với phần khối lượng chất rắn lơ lửng trong dòng cấp (w s,f), phần khối lượng chất rắn lơ lửng trong sản phẩm (w s,p), phần khối lượng chất rắn hòa tan trong sản phẩm (w d,p), phần khối lượng nước trong sản phẩm (w H2O,p), phần khối lượng isopropanol trong sản phẩm (w IA,p) và phần khối lượng ethanol trong sản phẩm (w EtOH,p) được sử dụng trong nghiên cứu của Zettl và cộng sự, 2020.

Kết quả và lợi ích của quá trình kết tinh lactose bằng siêu âm

• Giảm kết tụ:
  Xử lý siêu âm trực tiếp trên dòng chảy đã ức chế hiệu quả sự kết tụ tinh thể, tạo ra các tinh thể lactose hình lăng trụ tách biệt rõ ràng.
• Giảm bọt:
  Đáng chú ý, siêu âm đã làm giảm sự hình thành bọt trên bề mặt – một vấn đề thường gặp trong quá trình kết tinh bằng chất phản dung môi có sử dụng alcohol – qua đó nâng cao năng suất xử lý tính theo thể tích.
• Ngăn ngừa tắc nghẽn:
  Không ghi nhận hiện tượng bám cặn hoặc tắc nghẽn trong quá trình vận hành kéo dài, khẳng định vai trò của hiện tượng xâm thực âm trong việc duy trì bề mặt sạch và ngăn chất rắn lắng đọng bên trong buồng dòng chảy.
• Thời gian vận hành liên tục:
  Quá trình có thể được duy trì ở chế độ vận hành liên tục, với chất lượng tinh thể luôn đồng nhất tại các thời điểm khác nhau.

Kết tinh lactose bằng siêu âm: Lactose được kết tinh trong các điều kiện khác nhau: năng lượng siêu âm đưa vào, carrageenan hoặc whey (WPC) được bổ sung ảnh hưởng đến kích thước tinh thể lactose
nghiên cứu và hình ảnh: © Sanchez-García và cộng sự, 2018.

Mở rộng quy mô kết tinh lactose bằng siêu âm

Các máy siêu âm trực tiếp trên dòng chảy của Hielscher, được thiết kế tại Đức theo các tiêu chuẩn công nghiệp cao nhất, cung cấp giải pháp vững chắc cho quá trình kết tinh liên tục lactose và các chất rắn khác từ dung dịch quá bão hòa. Được thiết kế cho các ứng dụng cấp dược phẩm, những hệ thống này hỗ trợ kiểm soát chính xác quá trình tạo mầm và phát triển tinh thể, đảm bảo phân bố kích thước hạt có khả năng tái lập và tính nhất quán của quá trình. Với khả năng mở rộng quy mô tuyến tính từ phòng thí nghiệm đến sản xuất, các thiết bị phản ứng siêu âm Hielscher cho phép chuyển giao quy trình liền mạch, giảm thiểu thời gian và chi phí phát triển. Kết hợp với dịch vụ tư vấn kỹ thuật toàn diện, các máy siêu âm này cung cấp các giải pháp được điều chỉnh theo nhu cầu, dễ dàng tích hợp vào quy trình kết tinh tuân thủ cGMP – khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho ngành dược phẩm, công nghệ sinh học và thực phẩm.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Các máy siêu âm Hielscher nổi tiếng với chất lượng và tiêu chuẩn thiết kế cao nhất. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các máy siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các máy siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt và môi trường có yêu cầu cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các máy siêu âm hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các máy siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.