Consultant expert, Dr. Muhammad Taha Liquid-core microcapsules: A mechanism for the recovery and purification of selected molecules in different environments
On Sale
$0.00
$6.99
Consultant expert, Dr. Muhammad Taha
Liquid-core microcapsules: A
mechanism for the recovery and
purification of selected molecules in
different environments
Liquid-core microcapsules: A mechanism for the
recovery and purification of selected molecules in
different environments
A thesis submitted for the qualification of PhD by
Under the supervision of
Prof. Ian W. Marsion
Laboratory of Integrated Bioprocessing
School of Biotechnology
Dublin City University
Summary
Liquid-core microcapsules can be described as miniature sized particles (< 1 mm in
diameter) consisting of a liquid-(core) enveloped completely within a defined porous or
impermeable membrane, and can be manufactured from a wide range of natural and/or
synthetic materials. These structures usually take a spherical form and have been shown
to have many exploitable characteristics in numerous processes. In this study, these
particles were used as a tool for the recovery and/or purification of different molecules
in their associated environments.
The first section of this study was devoted to the characterization of a methodology to
manufacture microspheres/microcapsules using an alginate hydrogel as the
encapsulation matrix. Due to its many advantages, such as an easy operation and the
ability to control droplet size, the vibrating nozzle (jet) technique was chosen as the
manufacturing technique. Using the single nozzle system, and a pressurized flow
control system to delivery the polymer, it was possible to produce
microspheres/spheres, under reproducible conditions, in a size range of 100 μm to 2 mm
in diameter, with the produced structures having a standard size deviation of between 1-
1.5%, for any size generated. Whilst the size was mainly dependant on nozzle diameter,
it was identified that this feature could be altered further by increasing/decreasing the
frequency of the vibration and/or the flow of the polymer.
For the concentric system, similar reproducible results were obtained, but due to the
more complicated system, brought about by the two-flow mechanism to the nozzle, the
size deviation increased to around ± 2.5% in most cases. Due to the separate flows of
the outer and inner phases, it was possible to control the core and membrane size of the
microcapsules during production, with either being able to occupy between 10-90% of
vii
Summary
total capsule volume. It was shown throughout this work that this trait can be a very
important property, as it can affect the numerous characteristics of capsules, such as:
mechanical strength, buoyancy and most importantly for this study, the mass transfer
(permeability) of external and/or internal compounds to and from the core of the
microcapsules. For both arrangements it is possible to produce > 1.2 l/hr of
microspheres and > 2 l/hr of liquid-core microcapsules, and this can be easily and
naturally elevated to higher volumes by increasing the number of nozzles on the
encapsulator.
Firstly the microcapsules were used as an innovative technique (known as capsular
perstraction) to recover the commonly found pharmaceutically active compounds;
sulfamethoxazole, metoprolol, furosemide, carbamazepine, clofibric acid, warfarin and
diclofenac from water. The approach of preparing capsules with different solvents
within their cores and combining them in water, contaminated with pharmaceuticals,
enabled a rapid recovery of the drugs from this sphere. In addition the uptake of
warfarin was examined to assess the conditions affecting mass transfer of the molecules
into the capsules. It was subsequently determined that the stagnant organic layer was the
main limiting factor. This part of the study emphasized how the characteristics (size and
membrane thickness) of capsules can affect the removal rate of compounds into the
liquid-core and also how the rate of extraction can be simply controlled by varying these
parameters during the capsule manufacturing process.
In a second application, the capsular extraction technology was further developed by
adopting it as an aide for the recovery and purification of the antibiotic geldanamycin
from Bennett’s medium. From this work it was shown how a small quantity of capsules
was capable of rapidly extracting the molecule from the culture medium. Again the
limitations to mass transfer were accessed, and it was discovered that the main rate-
viii
Summary
ix
limiting step was the external resistance outside of the capsules, which can be governed
by controlling the outer turbulence. In a further development the capsules showed their
potential to be used as a mechanism for concentrating, purifying and enabling
crystallization of the extractant, using a very simplistic and straightforward procedure,
which was not destructive to the microcapsules, hence enabling their continuous re-use.
Finally the capsules were applied to a real-time situation, in order to examine the
feasibility of using the simple, non-toxic and sterile technology as a novel in-situ
product recove
الخبير الاستشاري الدكتور محمد طه
الكبسولات الدقيقة السائلة:
آلية الانتعاش و
تنقية الجزيئات المختارة في
بيئات مختلفة
الكبسولات الدقيقة السائلة: آلية ل
استعادة وتنقية الجزيئات المختارة في
بيئات مختلفة
أطروحة مقدمة للتأهيل لدرجة الدكتوراه بواسطتها
تحت إشراف
البروفيسور إيان دبليو مارسيون
مختبر المعالجة الحيوية المتكاملة
مدرسة التكنولوجيا الحيوية
جامعة مدينة دبلن
ملخص
يمكن وصف الكبسولات الدقيقة السائلة بأنها جسيمات صغيرة الحجم (أقل من 1 مم بوصة
قطر) يتكون من سائل (قلب) مغلف بالكامل داخل مسامي محدد أو
غشاء غير منفذ ، ويمكن تصنيعه من مجموعة واسعة من المواد الطبيعية و / أو
مواد اصطناعية. عادة ما تأخذ هذه الهياكل شكلًا كرويًا وقد تم عرضها
تتمتع بالعديد من الخصائص القابلة للاستغلال في العديد من العمليات. في هذه الدراسة ، هذه
تم استخدام الجسيمات كأداة لاستعادة و / أو تنقية الجزيئات المختلفة
في البيئات المرتبطة بها.
تم تخصيص القسم الأول من هذه الدراسة لتوصيف منهجية ل
تصنيع الكرات الدقيقة / الكبسولات الدقيقة باستخدام هيدروجيل الجينات مثل
مصفوفة التغليف. نظرًا لمزاياها العديدة ، مثل سهولة التشغيل و
القدرة على التحكم في حجم القطرات ، تم اختيار تقنية الفوهة الاهتزازية (النفاثة) على أنها
تقنية التصنيع. باستخدام نظام الفوهة الأحادية والتدفق المضغوط
نظام التحكم لتسليم البوليمر ، كان من الممكن إنتاجه
الكرات المجهرية / الكرات ، في ظل ظروف قابلة للتكرار ، في نطاق حجم من 100 ميكرومتر إلى 2 مم
في القطر ، مع الهياكل المنتجة التي لها انحراف معياري في الحجم بين 1-
1.5٪ لأي حجم تم إنشاؤه. بينما كان الحجم يعتمد بشكل أساسي على قطر الفوهة ،
تم تحديد أنه يمكن تغيير هذه الميزة بشكل أكبر عن طريق زيادة / تقليل
تردد الاهتزاز و / أو تدفق البوليمر.
بالنسبة للنظام متحدة المركز ، تم الحصول على نتائج مماثلة قابلة للتكرار ، ولكن بسبب
نظام أكثر تعقيدًا ، ناتجًا عن آلية التدفق الثنائي إلى الفوهة ، فإن
زاد انحراف الحجم إلى حوالي ± 2.5٪ في معظم الحالات. بسبب التدفقات المنفصلة لـ
في المرحلتين الخارجية والداخلية ، كان من الممكن التحكم في حجم اللب والغشاء من
كبسولات دقيقة أثناء الإنتاج ، مع القدرة على شغل ما بين 10-90٪ من
السابع
ملخص
إجمالي حجم الكبسولة. لقد ظهر خلال هذا العمل أن هذه السمة يمكن أن تكون غاية في الأهمية
خاصية مهمة ، حيث يمكن أن تؤثر على العديد من خصائص الكبسولات ، مثل:
القوة الميكانيكية والطفو والأهم من ذلك بالنسبة لهذه الدراسة ، انتقال الكتلة
(نفاذية) المركبات الخارجية و / أو الداخلية من وإلى قلب
كبسولات صغيرة. لكلا الترتيبين من الممكن إنتاج> 1.2 لتر / ساعة من
الكرات المجهرية و> 2 لتر / ساعة من الكبسولات الدقيقة السائلة ، ويمكن أن يكون ذلك بسهولة و
يتم رفعها بشكل طبيعي إلى أحجام أعلى عن طريق زيادة عدد الفتحات الموجودة على
مغلف.
أولاً ، تم استخدام الكبسولات الدقيقة كأسلوب مبتكر (يُعرف باسم المحفظة
استخلاص) لاستعادة المركبات النشطة صيدلانيًا الموجودة بشكل شائع ؛
سلفاميثوكسازول ، ميتوبرولول ، فوروسيميد ، كاربامازيبين ، حمض كلوفيبريك ، وارفارين و
ديكلوفيناك من الماء. طريقة تحضير الكبسولات بمذيبات مختلفة
في قلبها ودمجها في الماء الملوث بالمواد الصيدلانية ،
مكنت الانتعاش السريع للأدوية من هذا المجال. بالإضافة إلى امتصاص
تم فحص الوارفارين لتقييم الظروف التي تؤثر على النقل الجماعي للجزيئات
في الكبسولات. تم تحديد لاحقًا أن الطبقة العضوية الراكدة كانت
العامل المحدد الرئيسي. أكد هذا الجزء من الدراسة كيف أن الخصائص (الحجم و
سمك الغشاء) للكبسولات يمكن أن يؤثر على معدل إزالة المركبات في
السائل الأساسي وكيف يمكن التحكم في معدل الاستخراج ببساطة عن طريق تغييرها
المعلمات أثناء عملية تصنيع الكبسولة.
في التطبيق الثاني ، تم تطوير تقنية استخراج الكبسولة بشكل أكبر بواسطة
اعتماده كمساعد لاستعادة وتنقية المضاد الحيوي جيلداناميسين
من وسط بينيت. من هذا العمل تبين كيف كمية صغيرة من الكبسولات
كان قادرًا على استخراج الجزيء بسرعة من وسط الثقافة. مرة أخرى
تم الوصول إلى قيود النقل الجماعي ، واكتشف أن المعدل الرئيسي-
ثامنا
ملخص
التاسع
كانت الخطوة المحددة هي المقاومة الخارجية خارج الكبسولات ، والتي يمكن التحكم فيها
من خلال التحكم في الاضطراب الخارجي. في تطور آخر ، أظهرت الكبسولات
إمكانية استخدامها كآلية للتركيز والتنقية والتمكين
بلورة المستخلص ، باستخدام إجراء مبسط ومباشر للغاية ،
التي لم تكن مدمرة للكبسولات الدقيقة ، وبالتالي تمكين إعادة استخدامها بشكل مستمر.
أخيرًا ، تم تطبيق الكبسولات على الوضع في الوقت الفعلي ، من أجل فحص
جدوى استخدام التكنولوجيا البسيطة وغير السامة والمعقمة كتكنولوجيا جديدة في الموقع
استعادة المنتج
Liquid-core microcapsules: A
mechanism for the recovery and
purification of selected molecules in
different environments
Liquid-core microcapsules: A mechanism for the
recovery and purification of selected molecules in
different environments
A thesis submitted for the qualification of PhD by
Under the supervision of
Prof. Ian W. Marsion
Laboratory of Integrated Bioprocessing
School of Biotechnology
Dublin City University
Summary
Liquid-core microcapsules can be described as miniature sized particles (< 1 mm in
diameter) consisting of a liquid-(core) enveloped completely within a defined porous or
impermeable membrane, and can be manufactured from a wide range of natural and/or
synthetic materials. These structures usually take a spherical form and have been shown
to have many exploitable characteristics in numerous processes. In this study, these
particles were used as a tool for the recovery and/or purification of different molecules
in their associated environments.
The first section of this study was devoted to the characterization of a methodology to
manufacture microspheres/microcapsules using an alginate hydrogel as the
encapsulation matrix. Due to its many advantages, such as an easy operation and the
ability to control droplet size, the vibrating nozzle (jet) technique was chosen as the
manufacturing technique. Using the single nozzle system, and a pressurized flow
control system to delivery the polymer, it was possible to produce
microspheres/spheres, under reproducible conditions, in a size range of 100 μm to 2 mm
in diameter, with the produced structures having a standard size deviation of between 1-
1.5%, for any size generated. Whilst the size was mainly dependant on nozzle diameter,
it was identified that this feature could be altered further by increasing/decreasing the
frequency of the vibration and/or the flow of the polymer.
For the concentric system, similar reproducible results were obtained, but due to the
more complicated system, brought about by the two-flow mechanism to the nozzle, the
size deviation increased to around ± 2.5% in most cases. Due to the separate flows of
the outer and inner phases, it was possible to control the core and membrane size of the
microcapsules during production, with either being able to occupy between 10-90% of
vii
Summary
total capsule volume. It was shown throughout this work that this trait can be a very
important property, as it can affect the numerous characteristics of capsules, such as:
mechanical strength, buoyancy and most importantly for this study, the mass transfer
(permeability) of external and/or internal compounds to and from the core of the
microcapsules. For both arrangements it is possible to produce > 1.2 l/hr of
microspheres and > 2 l/hr of liquid-core microcapsules, and this can be easily and
naturally elevated to higher volumes by increasing the number of nozzles on the
encapsulator.
Firstly the microcapsules were used as an innovative technique (known as capsular
perstraction) to recover the commonly found pharmaceutically active compounds;
sulfamethoxazole, metoprolol, furosemide, carbamazepine, clofibric acid, warfarin and
diclofenac from water. The approach of preparing capsules with different solvents
within their cores and combining them in water, contaminated with pharmaceuticals,
enabled a rapid recovery of the drugs from this sphere. In addition the uptake of
warfarin was examined to assess the conditions affecting mass transfer of the molecules
into the capsules. It was subsequently determined that the stagnant organic layer was the
main limiting factor. This part of the study emphasized how the characteristics (size and
membrane thickness) of capsules can affect the removal rate of compounds into the
liquid-core and also how the rate of extraction can be simply controlled by varying these
parameters during the capsule manufacturing process.
In a second application, the capsular extraction technology was further developed by
adopting it as an aide for the recovery and purification of the antibiotic geldanamycin
from Bennett’s medium. From this work it was shown how a small quantity of capsules
was capable of rapidly extracting the molecule from the culture medium. Again the
limitations to mass transfer were accessed, and it was discovered that the main rate-
viii
Summary
ix
limiting step was the external resistance outside of the capsules, which can be governed
by controlling the outer turbulence. In a further development the capsules showed their
potential to be used as a mechanism for concentrating, purifying and enabling
crystallization of the extractant, using a very simplistic and straightforward procedure,
which was not destructive to the microcapsules, hence enabling their continuous re-use.
Finally the capsules were applied to a real-time situation, in order to examine the
feasibility of using the simple, non-toxic and sterile technology as a novel in-situ
product recove
الخبير الاستشاري الدكتور محمد طه
الكبسولات الدقيقة السائلة:
آلية الانتعاش و
تنقية الجزيئات المختارة في
بيئات مختلفة
الكبسولات الدقيقة السائلة: آلية ل
استعادة وتنقية الجزيئات المختارة في
بيئات مختلفة
أطروحة مقدمة للتأهيل لدرجة الدكتوراه بواسطتها
تحت إشراف
البروفيسور إيان دبليو مارسيون
مختبر المعالجة الحيوية المتكاملة
مدرسة التكنولوجيا الحيوية
جامعة مدينة دبلن
ملخص
يمكن وصف الكبسولات الدقيقة السائلة بأنها جسيمات صغيرة الحجم (أقل من 1 مم بوصة
قطر) يتكون من سائل (قلب) مغلف بالكامل داخل مسامي محدد أو
غشاء غير منفذ ، ويمكن تصنيعه من مجموعة واسعة من المواد الطبيعية و / أو
مواد اصطناعية. عادة ما تأخذ هذه الهياكل شكلًا كرويًا وقد تم عرضها
تتمتع بالعديد من الخصائص القابلة للاستغلال في العديد من العمليات. في هذه الدراسة ، هذه
تم استخدام الجسيمات كأداة لاستعادة و / أو تنقية الجزيئات المختلفة
في البيئات المرتبطة بها.
تم تخصيص القسم الأول من هذه الدراسة لتوصيف منهجية ل
تصنيع الكرات الدقيقة / الكبسولات الدقيقة باستخدام هيدروجيل الجينات مثل
مصفوفة التغليف. نظرًا لمزاياها العديدة ، مثل سهولة التشغيل و
القدرة على التحكم في حجم القطرات ، تم اختيار تقنية الفوهة الاهتزازية (النفاثة) على أنها
تقنية التصنيع. باستخدام نظام الفوهة الأحادية والتدفق المضغوط
نظام التحكم لتسليم البوليمر ، كان من الممكن إنتاجه
الكرات المجهرية / الكرات ، في ظل ظروف قابلة للتكرار ، في نطاق حجم من 100 ميكرومتر إلى 2 مم
في القطر ، مع الهياكل المنتجة التي لها انحراف معياري في الحجم بين 1-
1.5٪ لأي حجم تم إنشاؤه. بينما كان الحجم يعتمد بشكل أساسي على قطر الفوهة ،
تم تحديد أنه يمكن تغيير هذه الميزة بشكل أكبر عن طريق زيادة / تقليل
تردد الاهتزاز و / أو تدفق البوليمر.
بالنسبة للنظام متحدة المركز ، تم الحصول على نتائج مماثلة قابلة للتكرار ، ولكن بسبب
نظام أكثر تعقيدًا ، ناتجًا عن آلية التدفق الثنائي إلى الفوهة ، فإن
زاد انحراف الحجم إلى حوالي ± 2.5٪ في معظم الحالات. بسبب التدفقات المنفصلة لـ
في المرحلتين الخارجية والداخلية ، كان من الممكن التحكم في حجم اللب والغشاء من
كبسولات دقيقة أثناء الإنتاج ، مع القدرة على شغل ما بين 10-90٪ من
السابع
ملخص
إجمالي حجم الكبسولة. لقد ظهر خلال هذا العمل أن هذه السمة يمكن أن تكون غاية في الأهمية
خاصية مهمة ، حيث يمكن أن تؤثر على العديد من خصائص الكبسولات ، مثل:
القوة الميكانيكية والطفو والأهم من ذلك بالنسبة لهذه الدراسة ، انتقال الكتلة
(نفاذية) المركبات الخارجية و / أو الداخلية من وإلى قلب
كبسولات صغيرة. لكلا الترتيبين من الممكن إنتاج> 1.2 لتر / ساعة من
الكرات المجهرية و> 2 لتر / ساعة من الكبسولات الدقيقة السائلة ، ويمكن أن يكون ذلك بسهولة و
يتم رفعها بشكل طبيعي إلى أحجام أعلى عن طريق زيادة عدد الفتحات الموجودة على
مغلف.
أولاً ، تم استخدام الكبسولات الدقيقة كأسلوب مبتكر (يُعرف باسم المحفظة
استخلاص) لاستعادة المركبات النشطة صيدلانيًا الموجودة بشكل شائع ؛
سلفاميثوكسازول ، ميتوبرولول ، فوروسيميد ، كاربامازيبين ، حمض كلوفيبريك ، وارفارين و
ديكلوفيناك من الماء. طريقة تحضير الكبسولات بمذيبات مختلفة
في قلبها ودمجها في الماء الملوث بالمواد الصيدلانية ،
مكنت الانتعاش السريع للأدوية من هذا المجال. بالإضافة إلى امتصاص
تم فحص الوارفارين لتقييم الظروف التي تؤثر على النقل الجماعي للجزيئات
في الكبسولات. تم تحديد لاحقًا أن الطبقة العضوية الراكدة كانت
العامل المحدد الرئيسي. أكد هذا الجزء من الدراسة كيف أن الخصائص (الحجم و
سمك الغشاء) للكبسولات يمكن أن يؤثر على معدل إزالة المركبات في
السائل الأساسي وكيف يمكن التحكم في معدل الاستخراج ببساطة عن طريق تغييرها
المعلمات أثناء عملية تصنيع الكبسولة.
في التطبيق الثاني ، تم تطوير تقنية استخراج الكبسولة بشكل أكبر بواسطة
اعتماده كمساعد لاستعادة وتنقية المضاد الحيوي جيلداناميسين
من وسط بينيت. من هذا العمل تبين كيف كمية صغيرة من الكبسولات
كان قادرًا على استخراج الجزيء بسرعة من وسط الثقافة. مرة أخرى
تم الوصول إلى قيود النقل الجماعي ، واكتشف أن المعدل الرئيسي-
ثامنا
ملخص
التاسع
كانت الخطوة المحددة هي المقاومة الخارجية خارج الكبسولات ، والتي يمكن التحكم فيها
من خلال التحكم في الاضطراب الخارجي. في تطور آخر ، أظهرت الكبسولات
إمكانية استخدامها كآلية للتركيز والتنقية والتمكين
بلورة المستخلص ، باستخدام إجراء مبسط ومباشر للغاية ،
التي لم تكن مدمرة للكبسولات الدقيقة ، وبالتالي تمكين إعادة استخدامها بشكل مستمر.
أخيرًا ، تم تطبيق الكبسولات على الوضع في الوقت الفعلي ، من أجل فحص
جدوى استخدام التكنولوجيا البسيطة وغير السامة والمعقمة كتكنولوجيا جديدة في الموقع
استعادة المنتج