Ултразвукова кристализация на лактоза
При много процеси в млекопреработването се образуват големи обеми суроватка – наричана също млечен пермеат – като страничен продукт. Този отпадъчен поток е богат на лактоза, но обезвреждането му е както скъпо, така и обременяващо за околната среда. Чрез прилагане на ултразвук за извличане на лактозата обемът на отпадъците може да бъде значително намален, като проблемният отпадъчен поток се превръща в ценен ресурс. Ултразвуковата обработка улеснява бързата и ефективна кристализация, при която се получава голямо количество еднородни кристали лактоза, подходящи за търговска употреба.
Производство на лактоза
Лактозата се произвежда от концентриран разтвор на лактоза (получена от суроватка). Концентрираната лактозна суспензия трябва да се охлади до ниска температура, за да се утаят кристалите. След етапа на утаяване кристалите лактоза се отделят чрез центрофугиране. След това кристалите се изсушават до прах.
Етапи на кристализацията на лактоза:
- Концентриране
- Зародишообразуване
- Растеж на кристалите
- Отделяне/ промиване
Подобрена кристализация на лактоза чрез ултразвукова обработка
Ултразвукът е добре известен с положителното си въздействие върху процесите на кристализация и утаяване (сонокристализация). Ултразвуковата обработка подобрява също образуването и растежа на кристалите лактоза.
Сонокристализацията на лактоза помага да се постигне максимален добив на кристали лактоза за минимално време.
Ултразвуков стъклен реактор за ултразвукова обработка в поточна линия
Добрият растеж на кристалите е от съществено значение за осигуряване на ефективно отделяне и промиване на лактозата (извличане и пречистване). Ултразвуковата обработка причинява пресищане с лактоза и инициира първичното зародишообразуване на кристалите лактоза. Освен това непрекъснатата ултразвукова обработка допринася за вторично зародишообразуване, което осигурява малко разпределение на кристалите по размер (CSD).
Ултразвукова кристализация на лактоза: Лактоза, кристализирала при различни условия: вложената ултразвукова енергия, добавеният карагенан или суроватка (WPC) влияят върху размера на кристалите лактоза
изследване и изображение: ©Sanchez-García и съавт., 2018.
Предимства на ултразвука:
- максимален добив
- много кратко време на процеса
- еднакъв размер на кристалите
- контролируем размер на кристалите
- еднаква форма на кристалите
От оценка на осъществимостта до производство в поточна линия: Сонокристализация на лактоза
Прочетете повече за мащабирането на ултразвуковата кристализация на лактоза от настолни системи до промишлено производство!
От отпадъчен поток до лактоза
Поради големия обем на млекопреработването суроватката често е страничен продукт, който се третира като отпадъчен поток. Обезвреждането на течната суроватка е скъпо поради високата ѝ биохимична потребност от кислород (BOD) и съдържанието на вода. Когато лактозата се извлече от суроватката, отпадъчният продукт се оползотворява в етап на последваща обработка за производство на лактоза на прах. Извличането на лактозата намалява BOD на суроватката с повече от 80%, като прави страничния продукт полезен и по-благоприятен за околната среда. Процесът на кристализация, подпомаган с ултразвук, подобрява растежа, добива и качеството на кристалите.
Лактозата се използва широко като съставка в хранителната и фармацевтичната промишленост, като суровина за производството на лактитол или като изходен материал за микробното производство на биоразградими полиестери.
UIP2000hdT, ултразвуков апарат с мощност 2000 вата с проточна клетка за промишлена кристализация в поточна линия
Ултразвуково оборудване
Hielscher Ultrasonics предлага ултразвуково оборудване за процеси на сонокристализация – както за ултразвукова обработка на партиди, така и за обработка в поточна линия в ултразвуков реактор. Всички ултразвукови апарати Hielscher са проектирани за непрекъсната работа (24hrs/ 7d/ 365d), осигурявайки максимално използване на оборудването. Промишлените ултразвукови устройства с мощност от 0,5kW до 16kW на устройство са подходящи за обработка на големи обеми преситени суспензии в търговски мащаб.
Обработка на лактоза за хранителни цели
Ултразвуковите апарати Hielscher са високоефективни за стимулиране и контролиране на кристализацията на лактоза от преситени разтвори. Чрез прилагане на интензивна ултразвукова кавитация тези системи увеличават скоростта на зародишообразуване, намаляват индукционните времена и позволяват образуването на еднородни кристали с ясно оформена структура. Това води до по-бърза кинетика на кристализацията и подобрен контрол върху размера и морфологията на кристалите. Идеални както за партидни, така и за непрекъснати процеси в поточна линия, ултразвуковите апарати Hielscher предлагат мащабируеми решения от научноизследователска и развойна дейност до промишлено производство. Надеждната им немска инженерна конструкция и съвместимостта им със стандартите за фармацевтично качество ги правят особено подходящи за взискателни приложения при пречистване, формулиране и обработка на лактоза.
Ултразвуковите апарати Hielscher са подходящи за производство за хранителни и фармацевтични цели в съответствие със стандартите cGMP. Ултразвуковите апарати Hielscher се предлагат с хигиенични фитинги, осигуряващи пълно съответствие със стандартите за хигиенична обработка. Ултразвуковите сонотроди (наричани също сонди или рогове) и проточните реактори са проектирани с обтекаема, лесна за почистване геометрия, която улеснява ефективната поддръжка и свежда до минимум престоя. Самата ултразвукова кавитация действа като механизъм за почистване на място (CIP), подпомагайки почистването на вътрешните повърхности по време на работа. За асептични среди всички сонотроди и реактори могат да бъдат изцяло стерилизирани в автоклав. Благодарение на компактните си размери системите Hielscher лесно се интегрират или монтират при модернизация на съществуващи производствени линии – което ги прави идеални за обновяване на съоръжения за кристализация за фармацевтични и хранителни цели.
Свържете се с нас още днес, за да получите повече информация! Hielscher Ultrasonics предлага разнообразни стандартизирани, както и персонализирани решения за ултразвукова обработка на млечни и хранителни продукти!
Ултразвуков апарат UIP6000hdT с проточна клетка, която може да работи под налягане. Кожух за нагряване/ охлаждане позволява ултразвукова обработка при повишени или понижени температури.
За сонокристализацията
Когато се прилага мощен ултразвук за предизвикване и подобряване на процесите на кристализация, това е известно като сонокристализация. Сонокристализацията се основава на прилагането на „акустични вълни за предизвикване на физикохимични промени в материала. Някои често срещани приложения на мощния ултразвук включват използването му за предизвикване на химични реакции (сонохимия) и за стимулиране на кристализацията (сонокристализация). Тези техники привлякоха вниманието на редица промишлени отрасли, включително фармацевтичната, химическата и хранителната промишленост, поради предимството, което предлагат. Ултразвуковите техники са икономически изгодни и сравнително лесни за внедряване в промишлените процеси. Тези техники могат да се използват за подобряване както на възпроизводимостта, така и на производствения добив; те са нетермични и екологично чисти“. [Martini 2013, 4]
Зародишообразуване и растеж на кристалите
Кристализацията се определя като процес на образуване, при който твърди кристали се отделят от преситен разтвор, стопилка или газ.
Процесът на кристализация се състои от два основни етапа: зародишообразуване и растеж на кристалите.
По време на зародишообразуването разтворените молекули в разтвора започват да образуват клъстери, които трябва да са достатъчно големи, за да бъдат стабилни при работните условия. Такъв стабилен клъстер образува зародиш. След достигане на критичния размер за образуване на стабилен зародиш започва етапът на растеж на кристалите.
Във фазата на растеж на кристалите образуваните зародиши нарастват, тъй като към клъстера се свързват още молекули. Процесът на растеж зависи от степента на насищане и други параметри, като равномерно смесване, температура и др.
Класическата теория на кристализацията се основава на термодинамичната концепция, че една изолирана система е абсолютно стабилна, когато ентропията ѝ е неизменна.
Факти за лактозата
Лактозата (млечната захар) е дизахарид, изграден от глюкоза и галактоза, свързани с β(1→4) гликозидна връзка.
Поради наличието на хирален въглероден атом лактозата може да съществува под формата на следните 2 вида изомери: α- или β-лактоза. Лактозата най-често се среща като хидратиран кристал на α-лактоза монохидрат. Другият полиморф, безводната β-лактоза, се среща по-рядко и кристализира над 93,5°C. α- и β-аномерите имат много различни свойства. Полиморфите могат да бъдат разграничени по специфичното оптично въртене (+89°C и +35°C съответно за α- и β-лактоза) и разтворимостта (70 и 500g/L (при 20°C) съответно за α- и β-лактоза). [McSweeney et al. 2009]
Тя е основният въглехидрат в млякото и се среща в концентрации от 2–8 wt%. Лактозата е безвкусна и има ниска сладост. Лактозата действа като редуцираща захар и стимулира реакциите на Maillard и Stecker. По този начин лактозата се използва за подобряване на цвета и вкуса на хранителни продукти като хлебни изделия, сладкиши и захарни изделия.
Лактозата е широко използвана хранителна добавка, която изпълнява ролята на носител, пълнител, стабилизатор и разредител за таблетки в хранителни и фармацевтични продукти.
α-лактозата е най-чистата форма, която се използва за фармацевтични продукти.
Лактозата е важна съставка по отношение на вкуса, аромата и реакциите на покафеняване.
Формула: C12H22O11
Идентификатор по IUPAC: β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
Моларна маса: 342,3 g/mol
Температура на топене: 202,8°C
Плътност: 1,53 g/cm3
Класификация: FODMAP
Разтворима във: вода, етанол
Литература / Източници
- 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.
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори от лабораторен до промишлен мащаб.