Ultraschall-gestützte Laktose-Kristallisation
- Bei zahlreichen milchverarbeitenden Prozessen fällt Molke (Milchpermeat) in großen Mengen als Nebenprodukt an. Molke weist einen hohen Laktosegehalt auf und muss häufig als Abfallprodukt entsorgt werden. Die Entsorgung ist teuer und hat negative Auswirkungen auf die Umwelt.
- Durch eine Ultraschall-gestützte Rückgewinnung der Laktose lässt sich das Molke-Abwasser drastisch reduzieren. Gleichzeitig ist die gewonnene Laktose ein wertvolles Produkt, welches vermarktet werden kann.
- Ultraschall begünstigt eine schnelle und effiziente Kristallisation, so das uniforme Laktose-Kristalle gewonnen werden.
Laktose-Herstellung
Laktose wird von einer konzentrierten Laktose-Lösung, welche aus Molke gewonnen wird, produziert. Die konzentrierte Laktose-Slurry muss niedrig temperiert werden, damit die Kristalle ausgefällt werden können. Nach der Ausfällung (Präzipitation) werden die Laktose-Kristalle mittels Zentrifuge separiert. Anschließend werden die Kristalle zu einem Pulver getrocknet.
Prozessschritte der Laktose-Kristallisation:
- Aufkonzentrierung
- Nukleierung
- Kristallwachstum
- Separation/ Reinigung
Verbesserte Laktose-Kristallisation mittels Ultraschall
Ultraschall ist bekannt dafür, Kristallisations- und Fällungsreaktionen positiv zu beeinflussen (sog. Sono-Kristallisation). Die Beschallung verbessert die Formation und das Wachstum der Laktosekristalle.
Die Sono-Kristallisation von Laktose ermöglicht in sehr kurzer Zeit den maximalen Ertrag an Laktosekristallen zu produzieren.
Ein gutes Kristallwachstum ist ein wichtiger Faktor, der sich auf die anschließende Separation und Reinigung der Laktose auswirkt (Extraktion & Reinigung). Durch die Beschallung entsteht eine übersättigte Laktoselösung, in der Ultraschall die primäre Nukleierung der Laktosekristalle initiiert. Darüber hinaus kann durch eine kontinuierliche Beschallung die sekundäre Keimbildung stimulieren, wodurch eine gleichmäßige Kristallgrößen-Verteilung (crystal size distribution = CSD) gewährleistet wird.
Laktosekristallisation mit Ultraschall: Laktose, die unter verschiedenen Bedingungen kristallisiert wurde: Energiezufuhr durch Ultraschall, zugesetztes Carrageen oder Molke (WPC) beeinflussen die Kristallgröße der Laktose
Studie und Bild: ©Sanchez-García et al., 2018.
Vorteile von Ultraschall:
- maximaler Ertrag
- sehr kurze Reaktionsdauer
- einheitliche Kristallgröße
- kontrollierte Kristallgröße
- einheitliche Kristallform
Vom Abwasser zur Laktose
In der Milchproduktion ist Molke oftmals ein Nebenprodukt, welches als Abfallprodukt anfällt. Die Entsorgung der flüssigen Molke ist kostenintensiv, da sie einen hohen biologischen Sauerstoffbedarf (Biological Oxygen Demand BOD) und Wassergehalt aufweist. Wird die Laktose jedoch aus der Molke zurückgewonnen, so wird das Abfallprodukt in einem nachgelagerten Prozess aufbereitet, wodurch ein Laktosepulver hergestellt wird. Die Laktose-Rückgewinnung reduziert den BOD der Molke um mehr als 80%, so dass das Nebenprodukt in ein wertvolles Produkt umgewandelt wird und das Molke-Nebenprodukt dadurch umweltfreundlich reduziert wird. Ein ultraschall-gestützte Kristallisation verbessert das Kristallwachstum, den Ertrag und die Qualität.
Laktose ist ein häufig verwendeter Zusatzstoff in der Lebensmittel- und Pharma-Industrie. Laktose dient u.a. als Rohstoff für die Herstellung von Lactitol oder als Ausgangsstoff für die mikrobielle Produktion von biologisch abbaubaren Polyestern.
Ultraschallgeräte
Hielscher Ultrasonics bietet Ihnen das passende Ultraschallsystem für ihren Sonokristallisationsprozess – entweder für eine Verarbeitung im Batch oder für die kontinuierliche Beschallung in einem Ultraschallreaktor. Alle unsere Ultraschall Geräte können rund um die Uhr (24h/ 7d/ 365d) betrieben werden. Durch die maximale Geräteauslastung erreichen Sie die optimale Nutzung Ihrer Investition. Industrielle Ultraschallgeräte von 0.5kW bis 16kW pro Einheit sind für die kommerzielle Verarbeitung großer Molkesuspensionen geeignet.
Ultraschall für die Lebensmittel-Verarbeitung
Alle Hielscher Ultraschallsysteme sind mit Sanitäranschlüssen erhältlich. Die Ultraschallsonotroden (auch Ultraschallstab/ -horn genannt) sowie die Reaktoren verfügen über eine einfache Geometrie, so dass diese einfach gereinigt werden können. Die ultraschall-erzeugte Kavitation fungiert zudem als Cleaner-in-Place (CIP). Unsere Sonotroden und Reaktoren sind selbstverständlich autoklavierbar.
Aufgrund ihrer geringen Stellfläche können Hielscher Ultraschallsysteme problemlos in Ihre bestehende Anlage integriert bzw. nachgerüstet werden.
Kontaktieren Sie uns um weitere Informationen zu erhalten! Hielscher Ultrasonics bietet verschiedene standardisierte wie auch kundenspezifische Lösungen für die Ultraschallverarbeitung von Milch- und Lebensmittelprodukten!
Literatur
- Deora, N.S.; Misra, N.N.; Deswal, A.; Mishra, H.N.; Cullen, P.J.; Tiwari, B.K. (2013): Ultraschall zur Verbesserung der Kristallisation in der Lebensmittelverarbeitung. 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): Sonokristallisation von Laktose in einem wässrigen System. Internationale Milchwirtschaftliche Zeitschrift 35. 2014. 43-48.
- Kougoulos E, Marziano I, Miller PR. (2010): Laktosepartikeltechnik: Einfluss von Ultraschall und Antilösungsmittel auf Kristallhabitus und Partikelgröße. J Cryst Growth 312(23):3509-20.
- Martini, Silvana (2013): Sonocrystallization of Fats. Springer Briefs in Food, Health, and Nutrition. 2013.
- Yanira I. Sánchez-García, Karen S. García-Vega, Martha Y. Leal-Ramos, Ivan Salmeron, Néstor Gutiérrez-Méndez (2018): Ultraschallunterstützte Kristallisation von Laktose in Gegenwart von Molkenproteinen und κ-Carrageenan. Ultrasonics Sonochemistry, Band 42, 2018. 714-722.
- McSweeney, P.L.H.; Fox P.F. (2009): Advanced Dairy Chemistry. Vol. 3. Lactose, water, salts and vitamins. New York: Springer Science Business Media. 759p.
- 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.
- Wong, S.Y.; Hartel, R.W. (2014): Crystallization in Lactose Refining – A Review. Journal of Food Science 79/3, 2014. 257-272.
Sono-Kristallisation
Wenn intensiver Ultraschall angewendet wird, um Kristallisationsprozesse zu initiieren und zu verbessern, wird dies als Sonokristallisation bezeichnet. Die Sonokristallisation basiert darauf, dass „akustische Wellen eingetragen werden, um physikalisch-chemische Veränderungen im Material zu bewirken. Zu den gängige Anwendungen für Hochleistungs-Ultraschall zählt das Initiieren chemischer Reaktionen (Sonochemie) und das Verbessern von Kristallisationsprozessen (Sonokristallisation). Diese Verfahren werden von verschiedensten Industriezweigen, z.B. der Pharma-, Chemie- und Lebensmittelindustrie, eingesetzt, da sich durch die Sonochemie und Sonokristallisation deutliche Vorteile erzielen lassen. Die Ultraschalltechnologie ist effizient und kann einfach in die industriellen Produktion integriert werden. Mit dieser Technik werden sowohl die Reproduzierbarkeit als auch der Produktionsertrag verbessert; dabei handelt es sich um eine nicht-thermische und ökologisch-saubere Technologie“. [Martini-2013, 4]
Nukleierung und Kristallwachstum
Bei der Kristallisation handelt es sich um den Prozess der Kristallbildung, bei dem feste Kristalle aus einer übersättigten Lösung, Schmelze oder Gas ausgefällt werden.
Die Kristallisation besteht aus zwei wichtigen Phasen: die Keimbildung (Nukleiierung) und das Kristallwachstum.
Während der Keimbildung beginnen die gelösten Moleküle in die Lösung Cluster zu bilden, welche groß genug werden müssen, um ausreichende Stabilität zu erlangen. Ein solches stabiles Cluster bildet den Kern eines Kristalls. Nachdem die kritischen Größe für einen stabilen Kern erreicht ist, beginnt die Phase des Kristallwachstums.
In der Phase des Kristallwachstums werden die Kristallkernen größer, da sich weitere Moleküle an das Cluster anlagern. Der Wachstumsprozess hängt vom Sättigungsgrad der Lösung und anderen Prozessparameter wie der gleichmäßigen Durchmischung, Temperatur etc.
Die klassische Kristallisation-Theorie basiert auf dem Konzept der Thermodynamik, welches besagt, dass ein isoliertes System absolut stabil ist, wenn seine Entropie konstant ist.
Fakten über Laktose
Laktose (Milchzucker) ist ein Disaccharid, welches aus Glukose und Galaktose besteht, die über eine β(1→4) glykosidische Bindung miteinander verbunden sind.
Aufgrund eines chiralen Kohlenstoffes, kann Laktose in Form der folgenden beiden Isomere auftreten: α- oder β-Laktose. Meistens tritt Laktose als hydratisiertes α-Laktose-Monohydrat-Kristall auf. Das andere Polymorph, die anhydrische β-Laktose, kommt seltener vor und kristallisiert erst bei mehr als 93,5°C. Die α- und β-Anomeres weisen sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Die polymorphe Objekte unterscheiden sich in ihrer spezifischen Drehung ( 89°C für α-Laktose und 35°C für β-Laktose) und ihre Löslichkeit (70g/L für α-Laktose und 500 g/L für β-Laktose (bei 20°C)). [McSweeney et al. 2009]
Bei Laktose handelt es sich um das wichtigste Milch-Kohlenhydrat und kommt in einer Konzentration von 2-8 Gew.-% vor. Laktose ist geschmacklos und hat eine geringe Süße. Sie dient als Reduktionszucker und fördert die Maillard- und Stecker-Reaktionen. Deshalb wird Laktose häufig verwendet, um Farbe und Geschmack von Lebensmitteln wie Backwaren, Gebäck und Süßwaren zu verbessern.
Laktose ist ein weit verbreiteter Lebensmittelzusatzstoff, der als Träger, Füllstoff, Stabilisator und Tablettenfüllstoff in der Lebensmittelindustrie und Pharmazie verwendet wird.
α-Laktose ist die reinste Form und wird daher meist für pharmazeutische Produkte verwendet.
Laktose ist ein wichtiger Bestandteil, wenn es um Geschmack, Aroma und Browning-Reaktionen bei Lebensmitteln geht.
Formel: C12H22O11
IUPAC ID: β-D-Galactopyranosyl-(1→4)-D-Glukose
Molmasse: 342.3 g/Mol
Schmelzpunkt: 202,8°C
Dichte: 1,53 g/cm3
Klassifizierung: FODMAP
Löslich in: Wasser, Ethanol
Bioaktive Verbindungen Extraktion Lebensmittel Nano Pharma Phytochemikalien Prozessintensivierung Lösungsmittelextraktion Sonochemie UIP2000hdT UIP4000hdT Beschallung Ultraschall-Extraktion Ultraschall-Extraktor UP400St