Ultrazvučna kristalizacija laktoze
U mnogim mliječnim procesima nastaju velike količine sirutke – koja se naziva i mliječni permeat – kao nusproizvoda. Ovaj otpadni tok bogat je laktozom, ali je njegovo zbrinjavanje skupo i opterećuje okoliš. Primjenom ultrazvuka za izdvajanje laktoze količina otpada može se znatno smanjiti, čime se problematičan otpadni tok pretvara u vrijedan resurs. Ultrazvučna obrada omogućava brzu i učinkovitu kristalizaciju, pri čemu se dobija velika količina ujednačenih kristala laktoze pogodnih za komercijalnu upotrebu.
Proizvodnja laktoze
Laktoza se proizvodi iz koncentrirane otopine laktoze (dobivene iz sirutke). Koncentrirana suspenzija laktoze mora se ohladiti na nisku temperaturu kako bi se istaložili kristali. Nakon koraka taloženja kristali laktoze se odvajaju centrifugiranjem. Zatim se kristali suše do praha.
Koraci kristalizacije laktoze:
- Koncentriranje
- Nukleacija
- Rast kristala
- Izdvajanje/ ispiranje
Poboljšana kristalizacija laktoze ultrazvučnom obradom (sonikacijom)
Ultrazvuk je poznat po svom pozitivnom utjecaju na procese kristalizacije i taloženja (sonokristalizacija). Ultrazvučna obrada (sonikacija) poboljšava i stvaranje i rast kristala laktoze.
Sonokristalizacija laktoze pomaže da se u najkraćem vremenu postigne maksimalan prinos kristala laktoze.
Ultrazvučni stakleni reaktor za inline sonikaciju
Dobar rast kristala je presudan za učinkovito izdvajanje i ispiranje laktoze (ekstrakcija i pročišćavanje). Ultrazvučna obrada (sonikacija) uzrokuje prezasićenje laktoze i pokreće primarnu nukleaciju kristala laktoze. Nadalje, kontinuirana sonikacija doprinosi sekundarnoj nukleaciji, koja osigurava malu raspodjelu veličine kristala (CSD).
Ultrazvučna kristalizacija laktoze: laktoza kristalizirana pod različitim uvjetima: unos ultrazvučne energije, dodani karagenan ili sirutka (WPC) utječu na veličinu kristala laktoze
studija i slika: ©Sanchez-García et al., 2018.
Prednosti ultrazvuka:
- maksimalan prinos
- vrlo kratko vrijeme procesa
- ujednačena veličina kristala
- kontrolirana veličina kristala
- ujednačen oblik kristala
Od izvodljivosti do inline proizvodnje: sonokristalizacija laktoze
Saznajte više o povećanju razmjera ultrazvučne kristalizacije laktoze od stolnog uređaja do industrijske proizvodnje!
Od otpadnog toka do laktoze
Zbog velike proizvodnje mliječnih proizvoda sirutka je često nusproizvod koji se tretira kao otpadni tok. Zbrinjavanje tekuće sirutke skupo je zbog njene visoke biološke potrošnje kisika (BPK) i sadržaja vode. Kada se laktoza izdvoji iz sirutke, otpadni proizvod se u koraku naknadne obrade koristi za proizvodnju laktoze u prahu. Izdvajanjem laktoze BPK sirutke smanjuje se za više od 80%, čime nusproizvod postaje koristan i ekološki prihvatljiviji. Ultrazvučno potpomognut proces kristalizacije poboljšava rast kristala, prinos i kvalitetu.
Laktoza se široko koristi kao sastojak u prehrambenoj i farmaceutskoj industriji, kao sirovina za proizvodnju laktitola ili kao osnovni materijal za mikrobiološku proizvodnju biorazgradivih poliestera.
UIP2000hdT, snažan sonikator od 2000 vati s protočnom ćelijom za industrijsku inline kristalizaciju
Ultrazvučna oprema
Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučnu opremu za procese sonokristalizacije – bilo za šaržnu sonikaciju ili za inline obradu u ultrazvučnom reaktoru. Svi Hielscher sonikatori konstruirani su za kontinuirani rad (24 h/ 7 d/ 365 d), čime se osigurava maksimalna iskorištenost opreme. Industrijski ultrazvučni uređaji od 0,5kW do 16kW po jedinici pogodni su za komercijalnu obradu velikih količina prezasićenih suspenzija.
Obrada laktoze prehrambene kvalitete
Hielscher sonikatori vrlo su učinkoviti za poticanje i kontrolu kristalizacije laktoze iz prezasićenih otopina. Primjenom intenzivne ultrazvučne kavitacije ovi sistemi povećavaju brzine nukleacije, skraćuju indukcijska vremena i omogućavaju stvaranje ujednačenih, dobro definiranih kristala. To rezultira bržom kinetikom kristalizacije i boljom kontrolom veličine i morfologije kristala. Hielscher sonikatori, idealni i za šaržne i za kontinuirane inline procese, nude skalabilna rješenja od istraživanja i razvoja do industrijske proizvodnje. Njihova robusna njemačka izvedba i usklađenost sa standardima farmaceutske kvalitete čine ih posebno pogodnima za zahtjevne primjene u pročišćavanju, formulaciji i obradi laktoze.
Hielscher ultrazvučni uređaji pogodni su za proizvodnju prehrambene i farmaceutske kvalitete u skladu sa cGMP standardima. Hielscher sonikatori dostupni su sa priključcima sanitarne kvalitete, čime se osigurava potpuna usklađenost sa standardima higijenske obrade. Ultrazvučne sonotrode (koje se nazivaju i sonde ili rogovi) i protočni reaktori konstruirani su sa aerodinamičnim geometrijama koje se lako čiste, što olakšava učinkovito održavanje i smanjuje zastoje. Posebno treba istaći da sama ultrazvučna kavitacija djeluje kao mehanizam čišćenja na licu mjesta (CIP), podržavajući čišćenje unutrašnjih površina tokom rada. Za aseptične okoline sve sonotrode i reaktori mogu se u potpunosti autoklavirati. Zahvaljujući kompaktnim dimenzijama, Hielscher sistemi lako se integriraju ili naknadno ugrađuju u postojeće proizvodne linije – što ih čini idealnim za nadogradnju farmaceutskih i prehrambenih pogona za kristalizaciju.
Kontaktirajte nas još danas za više informacija! Hielscher Ultrasonics nudi razna standardizirana i prilagođena rješenja za ultrazvučnu obradu mliječnih i prehrambenih proizvoda!
Ultrazvučni uređaj UIP6000hdT s protočnom ćelijom koja se može staviti pod pritisak. Grijaći/ rashladni omotač omogućava sonikaciju na povišenim ili sniženim temperaturama.
O sonokristalizaciji
Kada se snažni ultrazvuk primjenjuje za izazivanje i poboljšanje procesa kristalizacije, naziva se sonokristalizacija. Sonokristalizacija se temelji na primjeni “akustičnih talasa za izazivanje fizikalno-kemijskih promjena u materijalu. Neke uobičajene primjene snažnog ultrazvuka uključuju njegovu upotrebu za izazivanje kemijskih reakcija (sonokemija) i za poticanje kristalizacije (sonokristalizacija). Ove tehnike privukle su pažnju nekoliko industrija, uključujući farmaceutsku, kemijsku i prehrambenu industriju, s obzirom na prednosti koje nude. Ultrazvučne tehnike su ekonomski isplative i relativno ih je lako uvesti u industrijski pogon. Ove tehnike mogu se koristiti za poboljšanje i ponovljivosti i prinosa proizvodnje; nisu toplinske i ekološki su čiste”. [Martini 2013, 4]
Nukleacija i rast kristala
Kristalizacija se određuje kao proces stvaranja u kojem se čvrsti kristali talože iz prezasićene otopine, taline ili plina.
Proces kristalizacije sastoji se od dvije glavne faze: nukleacije i rasta kristala.
Tokom nukleacije otopljene molekule u otopini počinju stvarati skupine (klastere) koje moraju biti dovoljno velike da budu stabilne u radnim uvjetima. Takva stabilna skupina čini nukleus. Nakon što se dostigne kritična veličina potrebna za stvaranje stabilnog nukleusa, počinje faza rasta kristala.
U fazi rasta kristala nastali nukleusi postaju veći jer se na skupinu veže sve više molekula. Proces rasta ovisi o stupnju zasićenja i drugim parametrima, kao što su ujednačeno miješanje, temperatura itd.
Klasična teorija kristalizacije temelji se na termodinamičkom shvatanju da je izolirani sistem apsolutno stabilan kada je njegova entropija nepromjenjiva.
Činjenice o laktozi
Laktoza (mliječni šećer) je disaharid izgrađen od glukoze i galaktoze povezanih β(1→4) glikozidnom vezom.
Zbog prisustva kiralnog ugljika laktoza se može javiti u obliku sljedeća 2 tipa izomera: α- ili β-laktoza. Laktoza se najčešće nalazi kao hidratizirani kristal α-laktoze monohidrata. Drugi polimorf, bezvodna β-laktoza, rjeđi je i kristalizira iznad 93,5°C. α- i β-anomeri imaju vrlo različita svojstva. Polimorfi se mogu razlikovati po specifičnoj rotaciji (+89°C i +35°C za α- odnosno β-laktozu) i topljivosti (70 i 500g/L (na 20°C) za α- odnosno β-laktozu). [McSweeney et al. 2009]
To je glavni ugljikohidrat mlijeka i nalazi se u koncentracijama od 2-8 wt%. Laktoza je bez okusa i slabo je slatka. Laktoza djeluje kao reducirajući šećer i potiče Maillardove i Steckerove reakcije. Zbog toga se laktoza koristi za poboljšanje boje i okusa prehrambenih proizvoda kao što su pekarski proizvodi, peciva i slastice.
Laktoza je široko korišten prehrambeni aditiv koji funkcionira kao nosač, punilo, stabilizator i razrjeđivač tableta u prehrambenim i farmaceutskim proizvodima.
α-laktoza je najčišći oblik, koji se koristi za farmaceutske proizvode.
Laktoza je važan sastojak kada je riječ o okusu, aromi i reakcijama posmeđivanja.
Formula: C12H22O11
IUPAC ID: β-D-galaktopiranozil-(1→4)-D-glukoza
Molarna masa: 342,3 g/mol
Tačka topljenja: 202,8°C
Gustoća: 1,53 g/cm3
Klasifikacija: FODMAP
Topljiva u: vodi, etanolu
Literatura / reference
- 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 proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore, od laboratorijske do industrijske veličine.