تبلور اللاكتوز بالموجات فوق الصوتية
في العديد من عمليات تصنيع منتجات الألبان، تتولد كميات كبيرة من مصل اللبن – الذي يُشار إليه أيضًا باسم نفاذة الحليب – بوصفه منتجًا ثانويًا. هذه المياه المتخلفة غنية باللاكتوز، لكن التخلص منها مكلف ويشكّل عبئًا بيئيًا. وباستخدام الموجات فوق الصوتية لاسترجاع اللاكتوز، يمكن تقليل حجم النفايات بدرجة كبيرة، وتحويل مياه متخلفة يصعب التعامل معها إلى مورد قيّم. تيسّر المعالجة بالموجات فوق الصوتية تبلورًا سريعًا وفعالًا، وتنتج كمية كبيرة من بلورات اللاكتوز المتجانسة المناسبة للاستخدام التجاري.
تصنيع اللاكتوز
يُنتَج اللاكتوز من محلول مركّز من اللاكتوز (المستخلص من مصل اللبن). ويجب تبريد معلّق اللاكتوز المركّز إلى درجة حرارة منخفضة لترسيب البلورات. وبعد خطوة الترسيب، تُفصل بلورات اللاكتوز بالطرد المركزي. ثم تُجفّف البلورات للحصول على مسحوق.
خطوات تبلور اللاكتوز:
- التركيز
- التنوي
- نمو البلورات
- الجمع/ الغسل
تحسين تبلور اللاكتوز بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية
تُعرف الموجات فوق الصوتية بتأثيرها الإيجابي في عمليات التبلور والترسيب (التبلور بالموجات فوق الصوتية). كما تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تكوّن بلورات اللاكتوز ونموها.
يساعد تبلور اللاكتوز بالموجات فوق الصوتية على الحصول على أقصى مردود من بلورات اللاكتوز في أقصر وقت.
مفاعل زجاجي بالموجات فوق الصوتية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية ضمن خط الإنتاج
يُعدّ النمو الجيد للبلورات ضروريًا لضمان جمع اللاكتوز وغسله بكفاءة (الاستخلاص والتنقية). تتسبب المعالجة بالموجات فوق الصوتية في فرط تشبّع اللاكتوز وتبدأ التنوي الأولي لبلورات اللاكتوز. علاوة على ذلك، تسهم المعالجة المستمرة بالموجات فوق الصوتية في التنوي الثانوي، مما يضمن توزيعًا صغيرًا لأحجام البلورات (CSD).
تبلور اللاكتوز بالموجات فوق الصوتية: لاكتوز تبلور في ظروف مختلفة: يؤثر إدخال الطاقة فوق الصوتية، أو إضافة الكاراجينان أو مصل اللبن (WPC)، في حجم بلورات اللاكتوز
الدراسة والصورة: ©Sanchez-García et al., 2018.
فوائد الموجات فوق الصوتية:
- أقصى مردود
- زمن عملية قصير جدًا
- حجم بلورات متجانس
- حجم بلورات قابل للتحكم
- شكل بلورات متجانس
من دراسة الجدوى إلى الإنتاج ضمن خط الإنتاج: تبلور اللاكتوز بالموجات فوق الصوتية
اقرأ المزيد عن توسيع نطاق تبلور اللاكتوز بالموجات فوق الصوتية من وحدات سطح المنضدة إلى الإنتاج الصناعي!
من المياه المتخلفة إلى اللاكتوز
نظرًا إلى ضخامة إنتاج منتجات الألبان، غالبًا ما يكون مصل اللبن منتجًا ثانويًا يُعامل بوصفه مياهًا متخلفة. ويُعدّ التخلص من مصل اللبن السائل مكلفًا بسبب ارتفاع الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) ومحتواه من الماء. وعند استرجاع اللاكتوز من مصل اللبن، يُستفاد من المنتج المتخلف في خطوة معالجة لاحقة لإنتاج مسحوق اللاكتوز. ويقلل استرجاع اللاكتوز الطلب البيولوجي على الأكسجين في مصل اللبن بأكثر من 80%، مما يجعل المنتج الثانوي مفيدًا وأكثر ملاءمة للبيئة. وتحسّن عملية التبلور بمساعدة الموجات فوق الصوتية نمو البلورات والمردود والجودة.
يُستخدم اللاكتوز على نطاق واسع بوصفه مكوّنًا في الصناعات الغذائية والدوائية، ومادة خام لإنتاج اللاكتيتول، أو مادة أساسية للإنتاج الميكروبي للبوليسترات القابلة للتحلل الحيوي.
UIP2000hdT، جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية قوي بقدرة 2000 واط مزوّد بخلية التدفق للتبلور الصناعي ضمن خط الإنتاج
معدات الموجات فوق الصوتية
تقدّم Hielscher Ultrasonics معدات بالموجات فوق الصوتية لعمليات التبلور بالموجات فوق الصوتية – سواء للمعالجة بالموجات فوق الصوتية على دفعات أو للمعالجة ضمن خط الإنتاج في مفاعل بالموجات فوق الصوتية. صُمّمت جميع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher للتشغيل المستمر (24hrs/ 7d/ 365d)، بما يضمن أقصى استفادة من المعدات. وتناسب الأجهزة الصناعية بالموجات فوق الصوتية، التي تتراوح قدرتها من 0.5kW إلى 16kW لكل وحدة، المعالجة التجارية لكميات كبيرة من المعلّقات مفرطة التشبّع.
معالجة اللاكتوز وفق المعايير الغذائية
تتميز أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بفعالية عالية في تعزيز تبلور اللاكتوز من المحاليل مفرطة التشبّع والتحكم فيه. ومن خلال إحداث تجويف شديد بالموجات فوق الصوتية، تزيد هذه الأنظمة معدلات التنوي، وتقلل أزمنة الحث، وتتيح تكوّن بلورات متجانسة ومحددة المعالم. وينتج عن ذلك تسارع حركية التبلور وتحسّن التحكم في حجم البلورات ومورفولوجيتها. وتُعدّ أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مثالية لكلٍّ من العمليات على دفعات والعمليات المستمرة ضمن خط الإنتاج، وتقدّم حلولًا قابلة لتوسيع النطاق من البحث والتطوير إلى الإنتاج الصناعي. وتجعلها هندستها الألمانية المتينة وتوافقها مع معايير الجودة الدوائية ملائمة بوجه خاص للتطبيقات ذات المتطلبات الصارمة في تنقية اللاكتوز وصياغة مستحضراته ومعالجته.
تناسب أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher الإنتاج وفق معايير الجودة الغذائية والدوائية، مع الامتثال لمعايير cGMP. وتتوفر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بوصلات ذات جودة صحية، بما يضمن الامتثال الكامل لمعايير المعالجة الصحية. وصُمّمت السونوترودات فوق الصوتية (التي يُشار إليها أيضًا باسم المجسّات أو الأبواق) ومفاعلات التدفق عبرها بأشكال هندسية انسيابية سهلة التنظيف، مما ييسّر الصيانة الفعالة ويقلل فترات التوقف. ومن الجدير بالذكر أن التجويف بالموجات فوق الصوتية نفسه يعمل بوصفه آلية للتنظيف في المكان (CIP)، ويدعم تنظيف الأسط�� الداخلية أثناء التشغيل. وفي البيئات المعقّمة، يمكن تعقيم جميع السونوترودات والمفاعلات بالكامل في الأوتوكلاف. وبفضل المساحة الصغيرة التي تشغلها أنظمة Hielscher، يسهل دمجها في خطوط الإنتاج القائمة أو إضافتها إليها لتحديثها – مما يجعلها مثالية لتطوير منشآت التبلور وفق معايير الجودة الدوائية والغذائية.
تواصل معنا اليوم للحصول على مزيد من المعلومات! تقدّم Hielscher Ultrasonics حلولًا متنوعة قياسية ومخصصة لمعالجة منتجات الألبان والأغذية بالموجات فوق الصوتية!
جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UIP6000hdT مزوّد بخلية التدفق القابلة للضغط. ويتيح غلاف تسخين/ تبريد إجراء المعالجة بالموجات فوق الصوتية عند درجات حرارة مرتفعة أو منخفضة.
حول التبلور بالموجات فوق الصوتية
عندما تُستخدم الموجات فوق الصوتية عالية القدرة لإحداث عمليات التبلور وتحسينها، يُعرف ذلك بالتبلور بالموجات فوق الصوتية. ويعتمد التبلور بالموجات فوق الصوتية على استخدام “الموجات الصوتية لإحداث تغيرات فيزيائية كيميائية في المادة. ومن التطبيقات الشائعة للموجات فوق الصوتية عالية القدرة استخدامها لإحداث تفاعلات كيميائية (الكيمياء الصوتية) وتعزيز التبلور (التبلور بالموجات فوق الصوتية). وقد حظيت هذه التقنيات باهتمام عدة صناعات، منها الصناعات الدوائية والكيميائية والغذائية، نظرًا إلى المزايا التي تقدّمها. وتتميز تقنيات الموجات فوق الصوتية بجدواها الاقتصادية وسهولة دمجها نسبيًا في العمليات الصناعية. ويمكن استخدام هذه التقنيات لتحسين كلٍّ من قابلية تكرار النتائج ومردود الإنتاج؛ وهي تقنيات غير حرارية ونظيفة بيئيًا”. [Martini 2013, 4]
التنوي ونمو البلورات
يُعرَّف التبلور بأنه عملية تكوّن تترسّب فيها بلورات صلبة من محلول مفرط التشبّع أو مصهور أو غاز.
تتكون عملية التبلور من مرحلتين رئيسيتين: التنوي ونمو البلورات.
أثناء التنوي، تبدأ الجزيئات المذابة في المحلول بتكوين تجمعات يجب أن تكون كبيرة بما يكفي لتظل مستقرة في ظروف التشغيل. ويشكّل التجمع المستقر من هذا النوع نواة. وبعد بلوغ الحجم الحرج لتكوين نواة مستقرة، تبدأ مرحلة نمو البلورات.
في مرحلة نمو البلورات، تكبر النوى المتكوّنة مع ارتباط مزيد من الجزيئات بالتجمع. وتعتمد عملية النمو على درجة التشبّع ومعلمات أخرى، مثل تجانس الخلط ودرجة الحرارة وغير ذلك.
تستند النظرية الكلاسيكية للتبلور إلى التصور الديناميكي الحراري القائل إن النظام المعزول يكون مستقرًا استقرارًا مطلقًا عندما تظل إنتروبيته ثابتة.
حقائق عن اللاكتوز
اللاكتوز (سكر الحليب) سكر ثنائي يتكوّن من الغلوكوز والغالاكتوز المرتبطين برابطة غليكوسيدية β(1→4).
بسبب وجود ذرة كربون كيرالية، يمكن أن يوجد اللاكتوز في صورة أحد نوعَي المتماكبات التاليين، وعددهما 2: α-لاكتوز أو β-لاكتوز. ويوجد اللاكتوز غالبًا في صورة بلورة α-لاكتوز مميّه أحادي الماء. أما الشكل البلوري الآخر، β-لاكتوز اللامائي، فهو أقل شيوعًا ويتبلور فوق 93.5°C. وتختلف خصائص الأنومرين α وβ اختلافًا كبيرًا. ويمكن التمييز بين الأشكال البلورية بواسطة الدوران النوعي (+89°C و+35°C للاكتوز α وβ، على التوالي) والذوبانية (70 و500g/L (عند 20°C) للاكتوز α وβ، على التوالي). [McSweeney et al. 2009]
وهو الكربوهيدرات الرئيسي في الحليب ويوجد بتركيزات 2–8 wt%. واللاكتوز عديم النكهة ومنخفض الحلاوة. ويعمل اللاكتوز كسكر مختزل ويعزز تفاعلات Maillard وStecker. ولذلك يُستخدم اللاكتوز لتحسين لون المنتجات الغذائية ونكهتها، مثل منتجات المخابز والمعجنات والحلويات.
اللاكتوز مضاف غذائي واسع الاستخدام يعمل بوصفه مادة حاملة ومالئة ومثبّتة ومخفِّفة للأقراص في المنتجات الغذائية والدوائية.
يُعدّ α-لاكتوز الشكل الأنقى، ويُستخدم في المنتجات الدوائية.
اللاكتوز مكوّن مهم فيما يتعلق بالنكهة والرائحة وتفاعلات الاسمرار.
الصيغة: C12H22O11
معرّف IUPAC: β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
الكتلة المولية: 342.3 g/mol
نقطة الانصهار: 202.8°C
الكثافة: 1.53 g/cm3
التصنيف: FODMAP
قابل للذوبان في: الماء، الإيثانول
الأدبيات / المراجع
- Deora, N.S.; Misra, N.N.; Deswal, A.; Mishra, H.N.; Cullen, P.J.; Tiwari, B.K. (2013): Ultrasound for Improved Crystallisation in Food Processing. Food Engineering Reviews 5/1, 2013. 36-44.
- Dincer, T.D.; Zisu, B.; Vallet, C.G.M.R.; Jayasena, V.; Palmer, M.; Weeks, M. (2014): Sonocrystallisation of lactose in an aqueous system. International Dairy Journal 35. 2014. 43-48.
- 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.
- Kougoulos E, Marziano I, Miller PR. (2010): Lactose particle engineering: influence of ultrasound and anti-solvent on crystal habit and particle size. J Cryst Growth 312(23):3509–20.
- 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.
- Patel, S.R.; Murthy, Z.V.P. (2011): Effect of process parameters on crystal size and morphology of lactose in ultrasound-assisted crystallization. Crystal Research Technology 46/3. 2011. 243-248.
