Ultrazvuková krystalizace laktózy

V mnoha mlékárenských procesech vznikají jako vedlejší produkt velké objemy syrovátky – označované také jako mléčný permeát. Tento odpadní proud je bohatý na laktózu, jeho likvidace je však nákladná a zároveň zatěžuje životní prostředí. Použitím ultrazvuku k získávání laktózy lze objem odpadu výrazně snížit a problematický odpadní proud přeměnit na cennou surovinu. Ultrazvuková sonikace usnadňuje rychlou a účinnou krystalizaci a poskytuje velké množství jednotných krystalů laktózy vhodných pro komerční využití.

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 odstřeďováním. Poté se krystaly vysuší na prášek.
Kroky krystalizace laktózy:

Koncentrace
Nukleace
Růst krystalů
Sklizeň/ promývání

Zlepšená krystalizace laktózy pomocí sonikace

Ultrazvuk je dobře známý svým pozitivním vlivem na krystalizační a srážecí procesy (sonokrystalizace). Sonikace zlepšuje také tvorbu a růst krystalů laktózy.
Sonokrystalizace laktózy pomáhá dosáhnout maximálního výtěžku krystalů laktózy v minimálním čase.

Ultrazvuková průtoková cela pro dispergaci, rozpouštění a srážení/krystalizaci

Ultrazvukový skleněný reaktor pro inline sonikaci

Dobrý růst krystalů je zásadní pro zajištění efektivní sklizně a promývání laktózy (extrakce a purifikace). Sonikace způsobuje přesycení laktózy a iniciuje primární nukleaci krystalů laktózy. Kontinuální sonikace navíc přispívá k sekundární nukleaci, která zajišťuje malou distribuci velikosti krystalů (CSD).

Ultrazvukem krystalizovaná laktóza: Ultrazvukovou krystalizaci laktózy lze ovlivnit přídavkem karagenanu nebo syrovátky (WPC).

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

Výhody ultrazvuku:

maximální výtěžek
velmi krátká doba procesu
jednotná velikost krystalů
řiditelná velikost krystalů
jednotný tvar krystalů

Od studie proveditelnosti k inline výrobě: sonokrystalizace laktózy
Přečtěte si více o převodu ultrazvukové krystalizace laktózy z laboratorního měřítka do průmyslové výroby!

Od odpadního proudu k laktóze

Vzhledem k rozsáhlé mlékárenské výrobě je syrovátka často vedlejším produktem, se kterým se zachází jako s odpadním proudem. Likvidace tekuté syrovátky je nákladná kvůli její vysoké biologické spotřebě kyslíku (BOD) a obsahu vody. Pokud se ze syrovátky získá laktóza, odpadní produkt se v navazujícím kroku zpracování využije k výrobě laktózového prášku. Získávání laktózy snižuje BOD syrovátky o více než 80 %, díky čemuž se vedlejší produkt stává užitečným a šetrnějším k životnímu prostředí. Ultrazvukem podporovaný krystalizační proces zlepšuje růst krystalů, výtěžek a kvalitu.
Laktóza se široce používá jako složka v potravinářském a farmaceutickém průmyslu, jako surovina pro výrobu laktitolu nebo jako základní materiál pro mikrobiální výrobu biologicky rozložitelných polyesterů.

UIP2000hdt je výkonný sonikátor o výkonu 2000 wattů s průtokovou celou pro průmyslovou krystalizaci laktózy s vysokou kapacitou zpracování.

UIP2000hdT, výkonný sonikátor o výkonu 2000 wattů s průtokovou celou pro průmyslovou inline krystalizaci

Ultrazvuková zařízení

Hielscher Ultrasonics nabízí ultrazvuková zařízení pro sonokrystalizační procesy – buď pro dávkovou sonikaci, nebo pro inline zpracování v ultrazvukovém reaktoru. Všechny sonikátory Hielscher jsou konstruovány pro nepřetržitý provoz (24hrs/ 7d/ 365d), což zajišťuje maximální využití zařízení. Průmyslová ultrazvuková zařízení od 0,5kW až do 16kW na jednotku jsou vhodná pro komerční zpracování velkých objemů přesycených suspenzí.

Zpracování laktózy v potravinářské kvalitě

Sonikátory Hielscher jsou vysoce účinné při podpoře a řízení krystalizace laktózy z přesycených roztoků. Působením intenzivní ultrazvukové kavitace tyto systémy zvyšují rychlost nukleace, zkracují indukční doby a umožňují tvorbu jednotných, dobře definovaných krystalů. Výsledkem je rychlejší kinetika krystalizace a lepší kontrola nad velikostí a morfologií krystalů. Sonikátory Hielscher, ideální pro dávkové i kontinuální inline procesy, nabízejí škálovatelná řešení od výzkumu a vývoje až po průmyslovou výrobu. Díky robustní německé konstrukci a kompatibilitě se standardy farmaceutické kvality jsou obzvláště vhodné pro náročné aplikace při purifikaci, formulaci a zpracování laktózy.
Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou vhodné pro výrobu v potravinářské a farmaceutické kvalitě v souladu se standardy cGMP. Sonikátory Hielscher jsou k dispozici se sanitárními přípojkami, které zajišťují plný soulad s hygienickými standardy zpracování. Ultrazvukové sonotrody (označované také jako sondy nebo horny) a průtokové reaktory mají aerodynamicky tvarované, snadno čistitelné geometrie, které usnadňují efektivní údržbu a minimalizují prostoje. Pozoruhodné je, že samotná ultrazvuková kavitace působí jako mechanismus čištění na místě (CIP), který podporuje čištění vnitřních povrchů během provozu. Pro aseptická prostředí jsou všechny sonotrody a reaktory plně autoklávovatelné. Díky kompaktním rozměrům lze systémy Hielscher snadno integrovat nebo dodatečně instalovat do stávajících výrobních linek – což je činí ideálními pro modernizaci farmaceutických a potravinářských krystalizačních provozů.
Kontaktujte nás ještě dnes a získejte více informací! Hielscher Ultrasonics nabízí různá standardizovaná i zakázková řešení pro ultrazvukové zpracování mléčných výrobků a potravin!

Průmyslový ultrazvukový přístroj sondového typu UIP6000hdT (ultrazvukový výkon 6kW, ultrazvuková frekvence 20kHz) s průtokovým reaktorem pro kontinuální ultrazvukové zpracování přesycených roztoků pro krystalizaci a srážení s vysokou kapacitou zpracování.

Ultrazvukový přístroj UIP6000hdT s tlakovatelnou průtokovou celou. Topný/ chladicí plášť umožňuje sonikaci při zvýšených nebo snížených teplotách.

Související témata

O sonokrystalizaci

Pokud se k vyvolání a zlepšení krystalizačních procesů používá výkonový ultrazvuk, označuje se to jako sonokrystalizace. Sonokrystalizace je založena na použití „akustických vln k vyvolání fyzikálně-chemických změn v materiálu. Mezi běžné aplikace výkonového ultrazvuku patří jeho použití k vyvolání chemických reakcí (sonochemie) a k podpoře krystalizace (sonokrystalizace). Tyto techniky si vzhledem k výhodám, které nabízejí, získaly pozornost řady průmyslových odvětví, včetně farmaceutického, chemického a potravinářského průmyslu. Ultrazvukové techniky jsou ekonomicky životaschopné a relativně snadno začlenitelné do průmyslového provozu. Tyto techniky lze použít ke zlepšení reprodukovatelnosti i výtěžnosti výroby; jsou netermální a ekologicky čisté“. [Martini 2013, 4]

Nukleace a růst krystalů

Krystalizace je definována jako proces tvorby, při kterém se pevné krystaly vylučují z přesyceného roztoku, taveniny nebo plynu.
Krystalizační proces se skládá ze dvou hlavních fází: nukleace a růstu krystalů.
Během nukleace začnou rozpuštěné molekuly v roztoku vytvářet shluky, které musí být dostatečně velké, aby byly za provozních podmínek stabilní. Takový stabilní shluk tvoří zárodek. Po dosažení kritické velikosti pro vznik stabilního zárodku začíná fáze růstu krystalů.
Ve fázi růstu krystalů se vytvořené zárodky zvětšují, jak se ke shluku vážou další molekuly. Proces růstu závisí na stupni nasycení a dalších parametrech, jako je rovnoměrné míchání, teplota atd.
Klasická teorie krystalizace vychází z termodynamické koncepce, že izolovaný systém je absolutně stabilní, když je jeho entropie neměnná.

Fakta o laktóze

Laktóza (mléčný cukr) je disacharid složený z glukózy a galaktózy spojených β(1→4) glykosidickou vazbou.
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 α-laktóza monohydrátu. Druhý polymorf, bezvodá β-laktóza, je méně běžný a krystalizuje nad 93,5°C. α- a β-anomery mají velmi odlišné vlastnosti. Polymorfy lze rozlišit podle specifické otáčivosti (+89°C pro α-laktózu a +35°C pro β-laktózu) a rozpustnosti (70 pro α-laktózu a 500g/L pro β-laktózu (při 20°C)). [McSweeney et al. 2009]
Je hlavním sacharidem mléka a vyskytuje se v koncentracích 2–8 wt%. Laktóza je bez chuti a má nízkou sladkost. Laktóza působí jako redukující cukr a podporuje Maillardovu a Steckerovu reakci. Proto se laktóza používá ke zvýraznění barvy a chuti potravinářských výrobků, jako jsou pekařské výrobky, pečivo a cukrovinky.
Laktóza je široce používaná potravinářská přísada, která v potravinářských a farmaceutických výrobcích slouží jako nosič, plnivo, stabilizátor a ředidlo tablet.
α-laktóza je nejčistší forma, která se používá pro farmaceutické výrobky.
Laktóza je důležitou složkou z hlediska chuti, vůně a reakcí hnědnutí.
Vzorec: C₁₂H₂₂O₁₁
IUPAC ID: β-D-galaktopyranosyl-(1→4)-D-glukóza
Molární hmotnost: 342,3 g/mol
Teplota tání: 202,8°C
Hustota: 1,53 g/cm³
Klasifikace: FODMAP
Rozpustná v: voda, ethanol

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 ultrazvukového přístroje přes stolní jednotky až po plně průmyslové ultrazvukové systémy.

Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratorních až po průmyslové velikosti.