Cristalización ultrasónica de la lactosa
En muchos procesos lácteos se generan grandes volúmenes de suero -también llamado permeado lácteo- como subproducto. Este efluente es rico en lactosa, pero su eliminación es costosa y perjudicial para el medio ambiente. Aplicando ultrasonidos para recuperar la lactosa, el volumen de residuos puede reducirse significativamente, transformando un efluente problemático en un recurso valioso. La ultrasonicación facilita una cristalización rápida y eficaz, produciendo una gran cantidad de cristales de lactosa uniformes aptos para su uso comercial.
Fabricación de lactosa
La lactosa se produce a partir de una solución concentrada de lactosa (obtenida del suero). La pasta de lactosa concentrada debe enfriarse a baja temperatura para precipitar los cristales. Tras la etapa de precipitación, los cristales de lactosa se separan por centrifugación. Después, los cristales se secan hasta obtener un polvo.
Pasos de la cristalización de la lactosa:
- concentración
- nucleación
- Crecimiento de los cristales
- Recolección/lavado
Mejora de la cristalización de la lactosa mediante sonicación
Los ultrasonidos son bien conocidos por su impacto positivo en los procesos de cristalización y precipitación (sono-cristalización). La sonicación también mejora la formación y el crecimiento de los cristales de lactosa.
La sonocristalización de la lactosa ayuda a obtener el máximo rendimiento de cristales de lactosa en un tiempo mínimo.
Reactor ultrasónico de vidrio para sonicación en línea
Un buen crecimiento de los cristales es fundamental para garantizar una recogida y un lavado eficaces de la lactosa (extracción & purificación). La sonicación provoca una sobresaturación de la lactosa e inicia la nucleación primaria de los cristales de lactosa. Además, la sonicación continua contribuye a una nucleación secundaria, lo que garantiza una pequeña distribución del tamaño de los cristales (CSD).
Cristalización ultrasónica de la lactosa: La lactosa cristalizada en diferentes condiciones: el aporte de energía ultrasónica, la carragenina añadida o el suero de leche (WPC) influyen en el tamaño de los cristales de lactosa.
estudio y fotografía: ©Sánchez-García et al., 2018.
Beneficios de los ultrasonidos:
- rendimiento máximo
- tiempo de proceso muy corto
- tamaño uniforme de los cristales
- tamaño de cristal controlable
- forma cristalina uniforme
De la viabilidad a la producción en línea: Sono-Cristalización de lactosa
Más información sobre el paso de la cristalización ultrasónica de la lactosa de la mesa de laboratorio a la producción industrial.
De efluente residual a lactosa
Debido a la gran producción láctea, el lactosuero suele ser un subproducto que se trata como efluente residual. La eliminación del lactosuero líquido es costosa debido a su elevada demanda biológica de oxígeno (DBO) y a su contenido en agua. Cuando se recupera la lactosa del lactosuero, el residuo se utiliza en una fase posterior al procesado para producir lactosa en polvo. La recuperación de la lactosa reduce la DBO del lactosuero en más de un 80%, haciendo que el subproducto sea útil y más respetuoso con el medio ambiente. Un proceso de cristalización asistido por ultrasonidos mejora el crecimiento, el rendimiento y la calidad de los cristales.
La lactosa se utiliza ampliamente como ingrediente en la industria alimentaria y farmacéutica, como materia prima para la producción de lactitol o como material de base para la producción microbiana de poliésteres biodegradables.
UIP2000hdT, un potente sonicador de 2000 vatios con célula de flujo para cristalización industrial en línea
Equipo ultrasónico
Hielscher Ultrasonics ofrece equipos de ultrasonidos para procesos de sono-cristalización – tanto para la sonicación por lotes como para el procesamiento en línea en un reactor ultrasónico. Todos los sonicadores Hielscher están diseñados para funcionar de forma continua (24 horas/7 días/365 días), lo que garantiza la máxima utilización del equipo. Los dispositivos ultrasónicos industriales de 0,5 kW hasta 16 kW por unidad son adecuados para el procesamiento comercial de grandes volúmenes de suspensiones sobresaturadas.
Procesado de lactosa para uso alimentario
Los sonicadores Hielscher son muy eficaces para promover y controlar la cristalización de la lactosa a partir de soluciones sobresaturadas. Al aplicar una intensa cavitación ultrasónica, estos sistemas mejoran las tasas de nucleación, reducen los tiempos de inducción y permiten la formación de cristales uniformes y bien definidos. El resultado es una cinética de cristalización más rápida y un mejor control del tamaño y la morfología de los cristales. Los sonicadores de Hielscher, ideales para procesos en línea tanto por lotes como continuos, ofrecen soluciones escalables desde R&D a la producción industrial. Su robusta ingeniería alemana y su compatibilidad con las normas de calidad farmacéutica las hacen especialmente adecuadas para aplicaciones exigentes de purificación, formulación y procesamiento de lactosa.
Los ultrasonidos de Hielscher son adecuados para la producción de alimentos y productos farmacéuticos de conformidad con las normas cGMP. Los sonicadores de Hielscher están disponibles con accesorios de grado sanitario, lo que garantiza el pleno cumplimiento de las normas de procesamiento higiénico. Los sonotrodos ultrasónicos (también denominados sondas o bocinas) y los reactores de flujo continuo están diseñados con geometrías aerodinámicas y fáciles de limpiar, lo que facilita un mantenimiento eficaz y minimiza el tiempo de inactividad. En particular, la cavitación ultrasónica actúa como mecanismo de limpieza in situ (CIP), facilitando la limpieza de las superficies internas durante el funcionamiento. Para entornos asépticos, todos los sonotrodos y reactores son totalmente autoclavables. Gracias a su tamaño compacto, los sistemas de Hielscher se integran fácilmente en las líneas de producción existentes, por lo que resultan ideales para modernizar las instalaciones de cristalización de productos farmacéuticos y alimentarios.
Póngase en contacto con nosotros hoy mismo para obtener más información. Hielscher Ultrasonics ofrece diversas soluciones estandarizadas y personalizadas para el procesamiento ultrasónico de productos lácteos y alimentos.
Ultrasonicador UIP6000hdT con célula de flujo presurizable. Una camisa de calentamiento/enfriamiento permite sonicar a temperaturas elevadas o bajas.
Acerca de la sonocristalización
Cuando se aplican ultrasonidos de potencia para inducir y mejorar los procesos de cristalización, se conoce como sonocristalización. La sonocristalización se basa en la aplicación de “ondas acústicas para inducir cambios fisicoquímicos en el material. Algunas aplicaciones comunes de los ultrasonidos de potencia incluyen su uso para inducir reacciones químicas (sonoquímica) y para promover la cristalización (sonocristalización). Estas técnicas han recibido la atención de varias industrias, entre ellas la farmacéutica, la química y la alimentaria, dadas las ventajas que ofrecen. Las técnicas de ultrasonidos son económicamente viables y relativamente fáciles de incorporar al funcionamiento industrial. Estas técnicas pueden utilizarse para mejorar tanto la reproducibilidad como el rendimiento de la producción; no son térmicas y son limpias desde el punto de vista medioambiental.”. [Martini 2013, 4]
Nucleación y crecimiento de cristales
La cristalización se determina como el proceso de formación, en el que los cristales sólidos precipitan a partir de una solución sobresaturada, un fundido o un gas.
El proceso de cristalización consta de dos etapas principales: la nucleación y el crecimiento del cristal.
Durante la nucleación, las moléculas disueltas en la solución empiezan a formar cúmulos, que deben ser lo suficientemente grandes para ser estables en las condiciones de funcionamiento. Un conglomerado estable de este tipo forma un núcleo. Una vez alcanzado el tamaño crítico para formar un núcleo estable, comienza la fase de crecimiento del cristal.
En la fase de crecimiento de los cristales, los núcleos formados aumentan de tamaño a medida que se unen más moléculas a la agrupación. El proceso de crecimiento depende del grado de saturación y de otros parámetros como la mezcla uniforme, la temperatura, etc.
La teoría clásica de la cristalización se basa en la concepción termodinámica de que un sistema aislado es absolutamente estable cuando su entropía es invariable.
Datos sobre la lactosa
La lactosa (azúcar de la leche) es un disacárido formado por glucosa y galactosa unidas por un enlace β(1→4) glucosídico.
Debido a la presencia de un carbono quiral, la lactosa puede presentarse en forma de los 2 tipos de isómeros siguientes: α- o β-lactosa. La lactosa se encuentra con mayor frecuencia en forma de cristal de α-lactosa hidratada monohidratada. El otro polimorfo, la β-lactosa anhidra, es menos frecuente y cristaliza por encima de los 93,5°C. Los anómeros α y β tienen propiedades muy diferentes. Los polimorfos se distinguen por la rotación específica (+89°C y +35°C para α- y β-lactosa, respectivamente) y la solubilidad (70 y 500g/L (a 20°C) para α- y β-lactosa, respectivamente). [McSweeney et al. 2009].
Es el principal hidrato de carbono de la leche y se encuentra en concentraciones del 2-8% en peso. La lactosa es insípida y poco dulce. La lactosa actúa como azúcar reductor y favorece las reacciones de Maillard y Stecker. Por ello, la lactosa se utiliza para realzar el color y el sabor de productos alimenticios como panadería, pastelería y confitería.
La lactosa es un aditivo alimentario muy utilizado como soporte, relleno, estabilizador y diluyente de comprimidos en productos alimentarios y farmacéuticos.
La α-lactosa es la forma más pura, que se utiliza para productos farmacéuticos.
La lactosa es un ingrediente importante en las reacciones de sabor, aroma y pardeamiento.
Fórmula: C12H22O11
IUPAC ID: β-D-galactopiranosil-(1→4)-D-glucosa
Masa molar: 342,3 g/mol
Punto de fusión: 202,8°C
Densidad: 1,53 g/cm3
Clasificación: FODMAP
Soluble en: agua, etanol
Literatura / Referencias
- 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 fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.