Κρυστάλλωση λακτόζης με υπερήχους
Σε πολλές διεργασίες γαλακτοκομικής παραγωγής παράγονται μεγάλες ποσότητες ορού γάλακτος – που αναφέρεται επίσης ως διήθημα γάλακτος – ως παραπροϊόν. Αυτό το υγρό απόβλητο είναι πλούσιο σε λακτόζη, αλλά η διάθεσή του είναι τόσο δαπανηρή όσο και επιβαρυντική για το περιβάλλον. Με την εφαρμογή υπερήχων για την ανάκτηση της λακτόζης, ο όγκος των αποβλήτων μπορεί να μειωθεί σημαντικά, μετατρέποντας ένα προβληματικό υγρό απόβλητο σε πολύτιμο πόρο. Η κατεργασία με υπερήχους διευκολύνει την ταχεία και αποδοτική κρυστάλλωση, αποδίδοντας μεγάλη ποσότητα ομοιόμορφων κρυστάλλων λακτόζης κατάλληλων για εμπορική χρήση.
Παραγωγή λακτόζης
Η λακτόζη παράγεται από συμπυκνωμένο διάλυμα λακτόζης (που λαμβάνεται από ορό γάλακτος). Το συμπυκνωμένο αιώρημα λακτόζης πρέπει να ψυχθεί σε χαμηλή θερμοκρασία ώστε να καταβυθιστούν κρύσταλλοι. Μετά το στάδιο της καταβύθισης, οι κρύσταλλοι λακτόζης διαχωρίζονται με φυγοκέντρηση. Στη συνέχεια, οι κρύσταλλοι ξηραίνονται για να παραχθεί σκόνη.
Στάδια κρυστάλλωσης της λακτόζης:
- Συμπύκνωση
- Πυρήνωση
- Ανάπτυξη κρυστάλλων
- Συλλογή/ πλύση
Βελτιωμένη κρυστάλλωση λακτόζης με κατεργασία με υπερήχους
Οι υπέρηχοι είναι γνωστοί για τη θετική τους επίδραση στις διεργασίες κρυστάλλωσης και καταβύθισης (ηχοκρυστάλλωση). Η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει επίσης τον σχηματισμό και την ανάπτυξη κρυστάλλων λακτόζης.
Η ηχοκρυστάλλωση της λακτόζης συμβάλλει στην επίτευξη της μέγιστης απόδοσης κρυστάλλων λακτόζης στον ελάχιστο χρόνο.
Γυάλινος αντιδραστήρας υπερήχων για κατεργασία με υπερήχους εντός γραμμής
Η καλή ανάπτυξη των κρυστάλλων είναι ουσιώδης για την εξασφάλιση αποδοτικής συλλογής και πλύσης της λακτόζης (εκχύλιση και καθαρισμός). Η κατεργασία με υπερήχους προκαλεί υπερκορεσμό της λακτόζης και εκκινεί την πρωτογενή πυρήνωση των κρυστάλλων λακτόζης. Επιπλέον, η συνεχής κατεργασία με υπερήχους συμβάλλει στη δευτερογενή πυρήνωση, η οποία εξασφαλίζει μικρή κατανομή μεγέθους κρυστάλλων (CSD).
Κρυστάλλωση λακτόζης με υπερήχους: Λακτόζη που κρυσταλλώθηκε υπό διαφορετικές συνθήκες: η εισαγωγή ενέργειας υπερήχων, η προσθήκη καραγενάνης ή ορού γάλακτος (WPC) επηρεάζουν το μέγεθος των κρυστάλλων λακτόζης
μελέτη και εικόνα: ©Sanchez-García et al., 2018.
Πλεονεκτήματα των υπερήχων:
- μέγιστη απόδοση
- πολύ σύντομος χρόνος διεργασίας
- ομοιόμορφο μέγεθος κρυστάλλων
- ελεγχόμενο μέγεθος κρυστάλλων
- ομοιόμορφο σχήμα κρυστάλλων
Από τη μελέτη σκοπιμότητας στην παραγωγή εντός γραμμής: Ηχοκρυστάλλωση λακτόζης
Διαβάστε περισσότερα για την κλιμάκωση της κρυστάλλωσης λακτόζης με υπερήχους από την επιτραπέζια κλίμακα στη βιομηχανική παραγωγή!
Από το υγρό απόβλητο στη λακτόζη
Λόγω της μεγάλης γαλακτοκομικής παραγωγής, ο ορός γάλακτος αποτελεί συχνά παραπροϊόν που αντιμετωπίζεται ως υγρό απόβλητο. Η διάθεση του υγρού ορού γάλακτος είναι δαπανηρή λόγω της υψηλής βιολογικής απαίτησής του σε οξυγόνο (BOD) και της περιεκτικότητάς του σε νερό. Όταν η λακτόζη ανακτάται από τον ορό γάλακτος, το απόβλητο αξιοποιείται σε ένα στάδιο μετεπεξεργασίας για την παραγωγή σκόνης λακτόζης. Η ανάκτηση της λακτόζης μειώνει το BOD του ορού γάλακτος κατά περισσότερο από 80%, καθιστώντας το παραπροϊόν χρήσιμο και πιο φιλικό προς το περιβάλλον. Μια διεργασία κρυστάλλωσης υποβοηθούμενη από υπερήχους βελτιώνει την ανάπτυξη των κρυστάλλων, την απόδοση και την ποιότητα.
Η λακτόζη χρησιμοποιείται ευρέως ως συστατικό στη βιομηχανία τροφίμων και στη φαρμακευτική βιομηχανία, ως πρώτη ύλη για την παραγωγή λακτιτόλης ή ως βασική ύλη για τη μικροβιακή παραγωγή βιοαποικοδομήσιμων πολυεστέρων.
UIP2000hdT, μια ισχυρή συσκευή υπερήχων 2000 watts με κυψελίδα ροής για βιομηχανική κρυστάλλωση εντός γραμμής
Εξοπλισμός υπερήχων
Η Hielscher Ultrasonics προσφέρει εξοπλισμό υπερήχων για διεργασίες ηχοκρυστάλλωσης – είτε για κατεργασία με υπερήχους κατά παρτίδες είτε για επεξεργασία εντός γραμμής σε αντιδραστήρα υπερήχων. Όλες οι συσκευές υπερήχων Hielscher είναι σχεδιασμένες για συνεχή λειτουργία (24hrs/ 7d/ 365d), εξασφαλίζοντας τη μέγιστη αξιοποίηση του εξοπλισμού. Οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων από 0,5kW έως και 16kW ανά μονάδα είναι κατάλληλες για την εμπορική επεξεργασία μεγάλων όγκων υπερκορεσμένων αιωρημάτων.
Επεξεργασία λακτόζης κατάλληλης για τρόφιμα
Οι συσκευές υπερήχων Hielscher είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικές στην προώθηση και τον έλεγχο της κρυστάλλωσης λακτόζης από υπερκορεσμένα διαλύματα. Με την εφαρμογή έντονης σπηλαίωσης υπερήχων, αυτά τα συστήματα αυξάνουν τους ρυθμούς πυρήνωσης, μειώνουν τους χρόνους επαγωγής και επιτρέπουν τον σχηματισμό ομοιόμορφων, σαφώς καθορισμένων κρυστάλλων. Αυτό οδηγεί σε ταχύτερη κινητική κρυστάλλωσης και βελτιωμένο έλεγχο του μεγέθους και της μορφολογίας των κρυστάλλων. Ιδανικές τόσο για διεργασίες κατά παρτίδες όσο και για συνεχείς διεργασίες εντός γραμμής, οι συσκευές υπερήχων Hielscher προσφέρουν κλιμακούμενες λύσεις από την έρευνα και ανάπτυξη έως τη βιομηχανική παραγωγή. Η στιβαρή γερμανική μηχανολογική κατασκευή τους και η συμβατότητά τους με πρότυπα φαρμακευτικής ποιότητας τις καθιστούν ιδιαίτερα κατάλληλες για απαιτητικές εφαρμογές καθαρισμού, παρασκευής σκευασμάτων και επεξεργασίας λακτόζης.
Οι συσκευές υπερήχων Hielscher είναι κατάλληλες για παραγωγή ποιότητας τροφίμων και φαρμακευτικής ποιότητας σύμφωνα με τα πρότυπα cGMP. Οι συσκευές υπερήχων Hielscher διατίθενται με εξαρτήματα σύνδεσης υγειονομικού τύπου, εξασφαλίζοντας πλήρη συμμόρφωση με τα πρότυπα υγιεινής επεξεργασίας. Τα ηχοτρόδια υπερήχων (που αναφέρονται επίσης ως καθετήρες ή κέρατα) και οι αντιδραστήρες συνεχούς ροής έχουν σχεδιαστεί με γεωμετρίες ομαλής ροής που καθαρίζονται εύκολα, διευκολύνοντας την αποδοτική συντήρηση και ελαχιστοποιώντας τον χρόνο διακοπής λειτουργίας. Αξιοσημείωτο είναι ότι η ίδια η σπηλαίωση υπερήχων λειτουργεί ως μηχανισμός επιτόπιου καθαρισμού (CIP), υποστηρίζοντας τον καθαρισμό των εσωτερικών επιφανειών κατά τη λειτουργία. Για ασηπτικά περιβάλλοντα, όλα τα ηχοτρόδια και οι αντιδραστήρες μπορούν να αποστειρωθούν πλήρως σε αυτόκλειστο. Χάρη στο μικρό τους αποτύπωμα, τα συστήματα Hielscher ενσωματώνονται εύκολα ή εγκαθίστανται εκ των υστέρων σε υφιστάμενες γραμμές παραγωγής – γεγονός που τα καθιστά ιδανικά για αναβαθμίσεις σε εγκαταστάσεις κρυστάλλωσης φαρμακευτικής ποιότητας και ποιότητας τροφίμων.
Επικοινωνήστε μαζί μας σήμερα για περισσότερες πληροφορίες! Η Hielscher Ultrasonics προσφέρει διάφορες τυποποιημένες καθώς και εξατομικευμένες λύσεις για την επεξεργασία γαλακτοκομικών προϊόντων και τροφίμων με υπερήχους!
Συσκευή υπερήχων UIP6000hdT με κυψελίδα ροής που μπορεί να τεθεί υπό πίεση. Ένας μανδύας θέρμανσης/ ψύξης επιτρέπει την κατεργασία με υπερήχους σε αυξημένες ή μειωμένες θερμοκρασίες.
Σχετικά με την ηχοκρυστάλλωση
Όταν εφαρμόζονται υπέρηχοι ισχύος για την πρόκληση και τη βελτίωση διεργασιών κρυστάλλωσης, η διαδικασία είναι γνωστή ως ηχοκρυστάλλωση. Η ηχοκρυστάλλωση βασίζεται στην εφαρμογή «ακουστικών κυμάτων για την πρόκληση φυσικοχημικών μεταβολών στο υλικό. Ορισμένες συνήθεις εφαρμογές των υπερήχων ισχύος περιλαμβάνουν τη χρήση τους για την πρόκληση χημικών αντιδράσεων (ηχοχημεία) και την προώθηση της κρυστάλλωσης (ηχοκρυστάλλωση). Οι τεχνικές αυτές έχουν προσελκύσει την προσοχή διαφόρων βιομηχανιών, συμπεριλαμβανομένων της φαρμακευτικής βιομηχανίας, της χημικής βιομηχανίας και της βιομηχανίας τροφίμων, λόγω του πλεονεκτήματος που προσφέρουν. Οι τεχνικές υπερήχων είναι οικονομικά βιώσιμες και σχετικά εύκολο να ενσωματωθούν στη βιομηχανική λειτουργία. Οι τεχνικές αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση τόσο της αναπαραγωγιμότητας όσο και της απόδοσης της παραγωγής· είναι μη θερμικές και περιβαλλοντικά καθαρές». [Martini 2013, 4]
Πυρήνωση και ανάπτυξη κρυστάλλων
Η κρυστάλλωση ορίζεται ως η διεργασία σχηματισμού κατά την οποία στερεοί κρύσταλλοι καταβυθίζονται από υπερκορεσμένο διάλυμα, τήγμα ή αέριο.
Η διεργασία κρυστάλλωσης αποτελείται από δύο κύρια στάδια: την πυρήνωση και την ανάπτυξη των κρυστάλλων.
Κατά την πυρήνωση, τα διαλυμένα μόρια στο διάλυμα αρχίζουν να σχηματίζουν συσσωματώματα, τα οποία πρέπει να είναι αρκετά μεγάλα ώστε να παραμένουν σταθερά υπό τις συνθήκες λειτουργίας. Ένα τέτοιο σταθερό συσσωμάτωμα σχηματίζει έναν πυρήνα. Αφού επιτευχθεί το κρίσιμο μέγεθος για τον σχηματισμό σταθερού πυρήνα, αρχίζει το στάδιο ανάπτυξης των κρυστάλλων.
Στη φάση ανάπτυξης των κρυστάλλων, οι σχηματισμένοι πυρήνες μεγαλώνουν καθώς περισσότερα μόρια συνδέονται στο συσσωμάτωμα. Η διεργασία ανάπτυξης εξαρτάται από τον βαθμό κορεσμού και άλλες παραμέτρους, όπως η ομοιόμορφη ανάμειξη, η θερμοκρασία κ.λπ.
Η κλασική θεωρία κρυστάλλωσης βασίζεται στη θερμοδυναμική αντίληψη ότι ένα απομονωμένο σύστημα είναι απολύτως σταθερό όταν η εντροπία του παραμένει αμετάβλητη.
Στοιχεία για τη λακτόζη
Η λακτόζη (σάκχαρο του γάλακτος) είναι ένας δισακχαρίτης που αποτελείται από γλυκόζη και γαλακτόζη συνδεδεμένες με έναν β(1→4) γλυκοζιτικό δεσμό.
Λόγω της παρουσίας ενός χειρόμορφου ατόμου άνθρακα, η λακτόζη μπορεί να εμφανίζεται με τη μορφή των ακόλουθων 2 τύπων ισομερών: α- ή β-λακτόζη. Η λακτόζη απαντάται συχνότερα ως ένυδρος κρύσταλλος μονοϋδρικής α-λακτόζης. Η άλλη πολυμορφική μορφή, η άνυδρη β-λακτόζη, είναι λιγότερο συχνή και κρυσταλλώνεται πάνω από τους 93,5°C. Τα α- και β-ανωμερή έχουν πολύ διαφορετικές ιδιότητες. Οι πολυμορφικές μορφές μπορούν να διακριθούν με βάση την ειδική στροφική ικανότητα (+89°C και +35°C για την α- και τη β-λακτόζη, αντίστοιχα) και τη διαλυτότητα (70 και 500g/L (στους 20°C) για την α- και τη β-λακτόζη, αντίστοιχα). [McSweeney et al. 2009]
Είναι ο κύριος υδατάνθρακας του γάλακτος και απαντάται σε συγκεντρώσεις 2–8 wt%. Η λακτόζη είναι άγευστη και έχει χαμηλή γλυκύτητα. Η λακτόζη δρα ως αναγωγικό σάκχαρο και προάγει τις αντιδράσεις Maillard και Stecker. Έτσι, η λακτόζη χρησιμοποιείται για την ενίσχυση του χρώματος και της γεύσης προϊόντων διατροφής, όπως τα αρτοσκευάσματα, τα γλυκά αρτοσκευάσματα και τα προϊόντα ζαχαροπλαστικής.
Η λακτόζη είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο πρόσθετο τροφίμων που λειτουργεί ως φορέας, πληρωτικό υλικό, σταθεροποιητής και αραιωτικό δισκίων σε τρόφιμα και φαρμακευτικά προϊόντα.
Η α-λακτόζη είναι η καθαρότερη μορφή, η οποία χρησιμοποιείται για φαρμακευτικά προϊόντα.
Η λακτόζη είναι σημαντικό συστατικό όσον αφορά τη γεύση, το άρωμα και τις αντιδράσεις αμαύρωσης.
Τύπος: C12H22O11
Αναγνωριστικό IUPAC: β-D-γαλακτοπυρανοζυλο-(1→4)-D-γλυκόζη
Μοριακή μάζα: 342,3 g/mol
Σημείο τήξης: 202,8°C
Πυκνότητα: 1,53 g/cm3
Ταξινόμηση: FODMAP
Διαλυτή σε: νερό, αιθανόλη
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- 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.
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλής απόδοσης από εργαστηριακή έως βιομηχανική κλίμακα.