Ultrazvuková krystalizace laktózy

V mnoha mléčných procesech vznikají jako vedlejší produkt velké objemy syrovátky – označované také jako mléčný permeát. Tato odpadní voda je bohatá na laktózu, ale její likvidace je nákladná a zatěžuje životní prostředí. Použitím ultrazvuku k regeneraci laktózy lze výrazně snížit objem odpadu a přeměnit problematickou odpadní vodu na cenný zdroj. Ultrazvuku usnadňuje rychlou a účinnou krystalizaci, čímž se získává vysoké množství jednotných krystalů laktózy vhodných pro komerční použití.

Výroba laktózy

Laktóza se vyrábí z koncentrovaného roztoku laktózy (získaného ze syrovátky). Koncentrovaná laktózová suspenze musí být ochlazena na nízkou teplotu, aby se vysrážely krystaly. Po kroku srážení se krystaly laktózy oddělí odstředěním. Poté se krystaly suší na prášek.
Kroky krystalizace laktózy:

koncentrace
Nukleace
Růst krystalů
Sklizeň/ praní

Zlepšená krystalizace laktózy sonikací

Ultrazvuk je známý svým pozitivním vlivem na krystalizační a srážecí procesy (sonokrystalizace). Sonikace zlepšuje tvorbu a růst krystalů laktózy také.
Sonokrystalizace laktózy pomáhá získat maximální výtěžek krystalů laktózy v minimálním čase.

Ultrazvuková průtoková buňka pro dispergaci, rozpouštění a srážení / krystalizaci

Ultrazvukový skleněný reaktor pro inline sonikaci

Dobrý růst krystalů je nezbytný pro zajištění účinné sklizně a promývání laktózy (extrakce & čištění). Sonikace způsobuje přesycení laktózy a iniciuje primární nukleaci krystalů laktózy. Kontinuální sonikace navíc přispívá k sekundární nukleaci, což zajišťuje distribuci malých krystalů (CSD).

Ultrazvukem krystalizovaná laktóza: Ultrazvuková krystalizace laktózy může být ovlivněna přídavkem karagenanu nebo syrovátky (WPC).

Ultrazvuková krystalizace laktózy: Laktóza krystalizovaná za různých podmínek: ultrazvukový příkon energie, přidaný karagenan nebo syrovátka (WPC) ovlivňuje velikost krystalů laktózy
studie a obrázek: ©Sanchez-García et al., 2018.

Výhody ultrazvuku:

Maximální výnos
velmi krátká doba zpracování
Jednotná velikost krystalů
Kontrolovatelná velikost krystalu
Jednotný tvar krystalu

Od proveditelnosti k inline výrobě: sono-krystalizace laktózy
Přečtěte si více o rozšíření ultrazvukové krystalizace laktózy ze stolní na průmyslovou výrobu!

Od odpadních vod k laktóze

Vzhledem k velké produkci mléka je syrovátka často vedlejším produktem, se kterým se zachází jako s odpadními vodami. Likvidace tekuté syrovátky je nákladná kvůli její vysoké biologické spotřebě kyslíku (BSK) a obsahu vody. Když je laktóza získána ze syrovátky, odpadní produkt se využije v kroku následného zpracování k výrobě laktózového prášku. Regenerace laktózy snižuje BSK syrovátky o více než 80 %, díky čemuž je vedlejší produkt užitečný a šetrnější k životnímu prostředí. Ultrazvukem asistovaný proces krystalizace zlepšuje růst, výtěžnost a kvalitu krystalů.
Laktóza je široce používána jako přísada v potravinářském a farmaceutickém průmyslu, jako surovina pro výrobu laktitolu nebo jako základní materiál pro mikrobiální výrobu biologicky odbouratelných polyesterů.

UIP2000hdt je 2000 wattů výkonný sonikátor s průtokovou buňkou pro průmyslovou krystalizaci laktózy při vysoké propustnosti.

UIP2000hdT, 2000 wattů výkonný sonikátor s průtokovou buňkou pro průmyslovou inline krystalizaci

Ultrazvuková zařízení

Hielscher Ultrasonics nabízí ultrazvukové zařízení pro sono-krystalizační procesy – buď pro dávkovou sonikaci, nebo pro inline zpracování v ultrazvukovém reaktoru. Všechny Hielscher sonicators jsou navrženy tak, aby běžely nepřetržitě (24 hodin / 7d / 365 d) a zajistily maximální využití zařízení. Průmyslová ultrazvuková zařízení od 0,5 kW do 16 kW na jednotku jsou vhodná pro komerční zpracování velkých objemů přesycených suspenzí.

Zpracování laktózy v potravinářské kvalitě

Hielscherovy sonikátory jsou vysoce účinné pro podporu a kontrolu krystalizace laktózy z přesycených roztoků. Použitím intenzivní ultrazvukové kavitace tyto systémy zvyšují rychlost nukleace, zkracují dobu indukce a umožňují tvorbu jednotných, dobře definovaných krystalů. To má za následek rychlejší kinetiku krystalizace a lepší kontrolu nad velikostí a morfologií krystalů. Ideální pro dávkové i kontinuální inline procesy, Hielscher sonikátory nabízejí škálovatelná řešení od R&D na průmyslovou výrobu. Díky robustní německé konstrukci a kompatibilitě s farmaceutickými normami jsou obzvláště vhodné pro náročné aplikace při čištění, formulaci a zpracování laktózy.
Hielscher ultrasonicators jsou vhodné pro potravinářskou a farmaceutickou výrobu v souladu s normami cGMP. Hielscher sonikátory jsou k dispozici s sanitárním kováním, které zajišťuje plnou shodu s hygienickými standardy zpracování. Ultrazvukové sonotrody (také označované jako sondy nebo houkačky) a průtokové reaktory jsou navrženy s efektivní, snadno čistitelnou geometrií, což usnadňuje efektivní údržbu a minimalizuje prostoje. Pozoruhodné je, že ultrazvuková kavitace sama o sobě působí jako mechanismus čištění na místě (CIP), který podporuje čištění vnitřního povrchu během provozu. Pro aseptická prostředí jsou všechny sonotrody a reaktory plně autoklávovatelné. Díky svému kompaktnímu půdorysu lze systémy Hielscher snadno integrovat nebo dodatečně namontovat do stávajících výrobních linek - což je činí ideálními pro modernizace ve farmaceutických a potravinářských krystalizačních zařízeních.
Kontaktujte nás ještě dnes a získejte více informací! Hielscher Ultrasonics nabízí různá standardizovaná i přizpůsobená řešení pro ultrazvukové mlékárenské a potravinářské zpracování!

Průmyslová sonda typu ultrasonicator UIP6000hdT (6kW ultrazvukový výkon, 20kHz ultrazvuková frekvence) s reaktorem s průtokovými buňkami pro kontinuální ultrazvukové zpracování přesycených roztoků pro krystalizaci a srážení při vysoké propustnosti.

Ultrasonicator UIP6000hdT s tlakovou průtočnou celou. Topný / chladicí plášť umožňuje sonikovat při zvýšených nebo snížených teplotách.

Příbuzná témata

O sonokrystalizaci

Když se výkonový ultrazvuk aplikuje k indukci a zlepšení krystalizačních procesů, je to známé jako sonokrystalizace. Sonokrystalizace je založena na aplikaci “akustické vlny k vyvolání fyzikálně-chemických změn v materiálu. Některé běžné aplikace výkonového ultrazvuku zahrnují jeho použití k vyvolání chemických reakcí (sonochemie) a k podpoře krystalizace (sonokrystalizace). Tyto techniky si získaly pozornost několika průmyslových odvětví, včetně farmaceutického, chemického a potravinářského průmyslu vzhledem k výhodě, kterou nabízejí. Ultrazvukové techniky jsou ekonomicky životaschopné a relativně snadno se začleňují do průmyslového provozu. Tyto techniky lze použít ke zlepšení reprodukovatelnosti i výtěžnosti produkce; Jsou netepelné a ekologicky čisté”. [Martini 2013, 4]

Nukleace a růst krystalů

Krystalizace je určena jako proces tvorby, při kterém se pevné krystaly vysráží z přesyceného roztoku, taveniny nebo plynu.
Proces krystalizace se skládá ze dvou hlavních fází: nukleace a růst krystalů.
Během nukleace začnou rozpuštěné molekuly v roztoku tvořit shluky, které musí být dostatečně velké, aby byly za provozních podmínek stabilní. Taková stabilní hvězdokupa tvoří jádro. Po dosažení kritické velikosti pro vytvoření stabilního jádra začíná fáze růstu krystalů.
Ve fázi růstu krystalů se vytvořená jádra zvětšují, protože na shluk je vázáno více molekul. Proces růstu závisí na stupni nasycení a dalších parametrech, jako je rovnoměrné míchání, teplota atd.
Klasická krystalizační teorie je založena na termodynamické koncepci, že izolovaný systém je absolutně stabilní, když je jeho entropie neměnná.

Fakta o laktóze

Laktóza (mléčný cukr) je disacharid vytvořený z glukózy a galaktózy spojených glykosidickou vazbou β(1→4).
Vzhledem k přítomnosti chirálního uhlíku se laktóza může vyskytovat ve formě následujících 2 typů izomerů: α- nebo β-laktóza. Laktóza se nejčastěji vyskytuje jako hydratovaný krystal monohydrátu α-laktózy. Druhý polymorf, bezvodá β-laktóza, je méně častý a krystalizuje nad 93,5 °C. α a β-anomery mají velmi odlišné vlastnosti. Polymorfy lze rozlišit podle specifické rotace (+89 °C a +35 °C pro α a +35 °C pro β-laktózu) a rozpustnost (70 a 500 g/l (při 20 °C) pro α-laktózu a β-laktózu). [McSweeney et al. 2009]
Je hlavním sacharidem mléka a nachází se v koncentracích 2-8 % hm. Laktóza je bez chuti a má nízkou sladivost. Laktóza působí jako redukující cukr a podporuje Maillardovu a Steckerovu reakci. Laktóza se tak používá ke zvýraznění barvy a chuti potravinářských výrobků, jako jsou pekařské výrobky, pečivo a cukrovinky.
Laktóza je široce používaná potravinářská přídatná látka, která funguje jako nosič, plnivo, stabilizátor a ředidlo tablet v potravinářských a farmaceutických výrobcích.
α-laktóza je nejčistší forma, která se používá pro farmaceutické výrobky.
Laktóza je důležitou složkou, pokud jde o chuť, vůni a reakce na zhnědnutí.
Vzorec: C₁₂H₂₂O₁₁
IUPAC ID: β-D-galaktopyranosyl-(1→4)-D-glukóza
Molární hmotnost: 342.3 g/mol
Bod tání: 202,8 ° C
Hustota: 1,53 g/cm³
Klasifikace: FODMAP
Rozpustný v: vodě, ethanolu

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.

Vysoce výkonný ultrazvuk! Produktová řada Hielscher pokrývá celé spektrum od kompaktního laboratorního ultrasonicator přes stolní jednotky až po plně průmyslové ultrazvukové systémy.

Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.