Ultralydskrystallisation af laktose
I mange mejeriprocesser dannes store mængder valle – også kaldet mælkepermeat – som et biprodukt. Denne spildevandsstrøm er rig på laktose, men bortskaffelsen er både dyr og miljøbelastende. Ved at anvende ultralyd til at genvinde laktosen kan affaldsmængden reduceres betydeligt, så en problematisk spildevandsstrøm omdannes til en værdifuld ressource. Sonikering muliggør hurtig og effektiv krystallisation, som giver en stor mængde ensartede laktosekrystaller, der er egnede til kommerciel anvendelse.
Fremstilling af laktose
Laktose fremstilles af en koncentreret laktoseopløsning (udvundet af valle). Den koncentrerede laktosesuspension skal afkøles til en lav temperatur for at udfælde krystaller. Efter udfældningstrinnet separeres laktosekrystallerne ved centrifugering. Derefter tørres krystallerne til et pulver.
Trin i laktosekrystallisation:
- Koncentrering
- Kimdannelse
- Krystalvækst
- Høst/ vask
Forbedret laktosekrystallisation ved sonikering
Ultralyd er velkendt for sin positive indvirkning på krystallisations- og udfældningsprocesser (sonokrystallisation). Sonikering forbedrer også dannelsen og væksten af laktosekrystaller.
Sonokrystallisation af laktose hjælper med at opnå det maksimale udbytte af laktosekrystaller på kortest mulig tid.
Ultralydsreaktor af glas til inline-sonikering
God krystalvækst er afgørende for at sikre effektiv høst og vask af laktosen (ekstraktion og oprensning). Sonikering forårsager overmætning af laktose og igangsætter den primære kimdannelse af laktosekrystaller. Desuden bidrager kontinuerlig sonikering til sekundær kimdannelse, som sikrer en lille krystalstørrelsesfordeling (CSD).
Ultralydskrystallisation af laktose: Laktose krystalliseret under forskellige betingelser: tilført ultralydsenergi, tilsat carrageenan eller valle (WPC) påvirker laktosekrystallernes størrelse
undersøgelse og billede: ©Sanchez-García et al., 2018.
Fordele ved ultralyd:
- maksimalt udbytte
- meget kort procestid
- ensartet krystalstørrelse
- kontrollerbar krystalstørrelse
- ensartet krystalform
Fra gennemførlighed til inline-produktion: Sonokrystallisation af laktose
Læs mere om opskalering af ultralydskrystallisation af laktose fra bordapparater til industriel produktion!
Fra spildevand til laktose
På grund af den store mejeriproduktion er valle ofte et biprodukt, der behandles som spildevand. Bortskaffelse af flydende valle er omkostningskrævende på grund af dens høje biologiske iltbehov (BOD) og vandindhold. Når laktosen genvindes fra vallen, udnyttes affaldsproduktet i et efterbehandlingstrin til at fremstille laktosepulver. Genvindingen af laktose reducerer vallens BOD med mere end 80%, hvilket gør biproduktet nyttigt og mere miljøvenligt. En ultralydsassisteret krystallisationsproces forbedrer krystalvæksten, udbyttet og kvaliteten.
Laktose anvendes i vid udstrækning som ingrediens i fødevare- og medicinalindustrien, som råmateriale til fremstilling af lactitol eller som udgangsmateriale til mikrobiel produktion af bionedbrydelige polyestere.
UIP2000hdT, en kraftig sonikator på 2000 watt med flowcelle til industriel inline-krystallisation
Ultralydsudstyr
Hielscher Ultrasonics tilbyder ultralydsudstyr til sonokrystallisationsprocesser – enten til batchsonikering eller til inline-behandling i en ultralydsreaktor. Alle Hielscher sonikatorer er konstrueret til kontinuerlig drift (24hrs/ 7d/ 365d), hvilket sikrer maksimal udnyttelse af udstyret. Industrielle ultralydsapparater fra 0,5kW op til 16kW pr. enhed er egnede til kommerciel behandling af store mængder overmættede suspensioner.
Laktosebehandling i fødevarekvalitet
Hielscher sonikatorer er yderst effektive til at fremme og kontrollere laktosekrystallisation fra overmættede opløsninger. Ved at anvende intens ultralydskavitation øger disse systemer kimdannelseshastigheden, reducerer induktionstiderne og muliggør dannelsen af ensartede, veldefinerede krystaller. Dette resulterer i hurtigere krystallisationskinetik og forbedret kontrol over krystalstørrelse og morfologi. Hielscher sonikatorer er ideelle til både batchprocesser og kontinuerlige inline-processer og tilbyder skalerbare løsninger fra forskning og udvikling til industriel produktion. Deres robuste tyske konstruktion og kompatibilitet med standarder for farmaceutisk kvalitet gør dem særligt velegnede til krævende anvendelser inden for oprensning, formulering og behandling af laktose.
Hielscher ultralydsapparater er egnede til produktion i fødevare- og farmaceutisk kvalitet i overensstemmelse med cGMP-standarder. Hielscher sonikatorer fås med fittings i hygiejnisk udførelse, hvilket sikrer fuld overholdelse af standarder for hygiejnisk behandling. Ultralydssonotroderne (også kaldet prober eller horn) og gennemstrømningsreaktorerne er konstrueret med strømlinede geometrier, der er nemme at rengøre, hvilket letter effektiv vedligeholdelse og minimerer driftsstop. Det er bemærkelsesværdigt, at selve ultralydskavitationen fungerer som en mekanisme til rengøring på stedet (CIP), der understøtter rengøring af indvendige overflader under drift. Til aseptiske miljøer kan alle sonotroder og reaktorer autoklaveres fuldt ud. Takket være deres kompakte størrelse kan Hielscher systemer nemt integreres eller eftermonteres i eksisterende produktionslinjer – hvilket gør dem ideelle til opgraderinger af krystallisationsanlæg til farmaceutisk produktion og produktion i fødevarekvalitet.
Kontakt os i dag for at få flere oplysninger! Hielscher Ultrasonics tilbyder forskellige standardiserede såvel som kundetilpassede løsninger til ultralydsbehandling af mejeriprodukter og fødevarer!
Ultralydsapparat UIP6000hdT med flowcelle, der kan tryksættes. En varme-/ kølekappe muliggør sonikering ved forhøjede eller sænkede temperaturer.
Om sonokrystallisation
Når effektultralyd anvendes til at igangsætte og forbedre krystallisationsprocesser, kaldes det sonokrystallisation. Sonokrystallisation er baseret på anvendelsen af “akustiske bølger til at fremkalde fysisk-kemiske ændringer i materialet. Nogle almindelige anvendelser af effektultralyd omfatter brugen til at igangsætte kemiske reaktioner (sonokemi) og fremme krystallisation (sonokrystallisation). Disse teknikker har tiltrukket sig opmærksomhed fra flere industrier, herunder medicinalindustrien, den kemiske industri og fødevareindustrien, på grund af den fordel, de tilbyder. Ultralydsteknikker er økonomisk rentable og relativt nemme at integrere i industriel drift. Disse teknikker kan anvendes til at forbedre både reproducerbarheden og udbyttet af produktionen; de er ikke-termiske og miljømæssigt rene”. [Martini 2013, 4]
Kimdannelse og krystalvækst
Krystallisation defineres som den dannelsesproces, hvor faste krystaller udfældes fra en overmættet opløsning, smelte eller gas.
Krystallisationsprocessen består af to hovedstadier: kimdannelse og krystalvækst.
Under kimdannelsen begynder de opløste molekyler i opløsningen at danne klynger, som skal være store nok til at være stabile under driftsbetingelserne. En sådan stabil klynge danner en kim. Når den kritiske størrelse for dannelsen af en stabil kim er nået, begynder krystalvækststadiet.
I krystalvækstfasen bliver de dannede kim større, efterhånden som flere molekyler bindes til klyngen. Vækstprocessen afhænger af mætningsgraden og andre parametre såsom ensartet blanding, temperatur osv.
Den klassiske krystallisationsteori er baseret på den termodynamiske opfattelse, at et isoleret system er absolut stabilt, når dets entropi er uforanderlig.
Fakta om laktose
Laktose (mælkesukker) er et disakkarid opbygget af glukose og galaktose, som er forbundet med en β(1→4)-glykosidbinding.
På grund af tilstedeværelsen af et chiralt kulstofatom kan laktose forekomme som følgende 2 isomertyper: α- eller β-laktose. Laktose findes oftest som en hydreret α-laktosemonohydratkrystal. Den anden polymorf, vandfri β-laktose, er mindre almindelig og krystalliserer over 93,5°C. α- og β-anomererne har meget forskellige egenskaber. Polymorferne kan skelnes ved deres specifikke drejning (+89°C og +35°C for henholdsvis α- og β-laktose) og opløselighed (70 og 500g/L (ved 20°C) for henholdsvis α- og β-laktose). [McSweeney et al. 2009]
Det er mælkens vigtigste kulhydrat og findes i koncentrationer på 2–8 wt%. Laktose er smagsneutral og har en lav sødme. Laktose fungerer som et reducerende sukker og fremmer Maillard- og Stecker-reaktionerne. Derfor anvendes laktose til at forbedre farve og smag i fødevarer såsom bagværk, kager og konfekture.
Laktose er et udbredt fødevaretilsætningsstof, der fungerer som bærestof, fyldstof, stabilisator og fortyndingsmiddel i tabletter i fødevarer og farmaceutiske produkter.
α-laktose er den reneste form, som anvendes til farmaceutiske produkter.
Laktose er en vigtig ingrediens, når det gælder smag, aroma og bruningsreaktioner.
Formel: C12H22O11
IUPAC-ID: β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
Molarmasse: 342,3 g/mol
Smeltepunkt: 202,8°C
Densitet: 1,53 g/cm3
Klassifikation: FODMAP
Opløselig i: vand, ethanol
Litteratur / referencer
- 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 fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra laboratoriestørrelse til industriel størrelse.