Cristalización ultrasónica de la lactosa
En muchos procesos lácteos se generan grandes volúmenes de suero de leche –también denominado permeado de leche– como subproducto. Este efluente es rico en lactosa, pero su eliminación resulta costosa y supone una carga para el medio ambiente. Al aplicar ultrasonidos para recuperar la lactosa, el volumen de residuos puede reducirse considerablemente, transformando un efluente problemático en un recurso valioso. La ultrasonicación facilita una cristalización rápida y eficiente, que permite obtener una gran cantidad de cristales de lactosa uniformes aptos para uso comercial.
Producción de lactosa
La lactosa se produce a partir de una solución concentrada de lactosa obtenida del suero de leche. La suspensión concentrada de lactosa debe enfriarse a una temperatura baja para precipitar los cristales. Tras la etapa de precipitación, los cristales de lactosa se separan por centrifugación. A continuación, los cristales se secan para obtener un polvo.
Etapas de la cristalización de la lactosa:
- Concentración
- Nucleación
- Crecimiento cristalino
- Recogida/ lavado
Mejora de la cristalización de la lactosa mediante sonicación
Los ultrasonidos son conocidos por su efecto positivo en los procesos de cristalización y precipitación (sonocristalización). 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 cristalino es fundamental para garantizar una recogida y un lavado eficientes de la lactosa (extracción y 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, que garantiza una distribución de tamaños de cristal (CSD) pequeña.
Cristalización ultrasónica de la lactosa: lactosa cristalizada en diferentes condiciones: el aporte de energía ultrasónica y la adición de carragenina o suero de leche (WPC) influyen en el tamaño de los cristales de lactosa
estudio e imagen: ©Sanchez-García et al., 2018.
Ventajas de los ultrasonidos:
- máximo rendimiento
- tiempo de procesamiento muy corto
- tamaño de cristal uniforme
- tamaño de cristal controlable
- forma de cristal uniforme
De la viabilidad a la producción en línea: sonocristalización de la lactosa
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Del efluente residual a la lactosa
Debido al gran volumen de producción láctea, el suero de leche suele ser un subproducto que se trata como efluente residual. La eliminación del suero de leche líquido resulta costosa por su elevada demanda biológica de oxígeno (BOD) y su contenido de agua. Cuando se recupera la lactosa del suero de leche, el producto residual se aprovecha en una etapa de procesamiento posterior para producir lactosa en polvo. La recuperación de lactosa reduce la BOD del suero de leche en más del 80%, lo que convierte el subproducto en un material útil y más respetuoso con el medio ambiente. Un proceso de cristalización asistida por ultrasonidos mejora el crecimiento cristalino, el rendimiento y la calidad.
La lactosa se utiliza ampliamente como ingrediente en las industrias alimentaria y farmacéutica, como materia prima para la producción de lactitol o como material de partida para la producción microbiana de poliésteres biodegradables.
UIP2000hdT, un potente sonicador de 2000 vatios con celda de flujo para la cristalización industrial en línea
Equipos ultrasónicos
Hielscher Ultrasonics ofrece equipos ultrasónicos para procesos de sonocristalización –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 (24hrs/ 7d/ 365d), lo que garantiza el máximo aprovechamiento de los equipos. Los dispositivos ultrasónicos industriales de 0,5 kW a 16 kW por unidad son adecuados para el procesamiento comercial de grandes volúmenes de suspensiones sobresaturadas.
Procesamiento de lactosa de grado alimentario
Los sonicadores Hielscher son muy eficaces para promover y controlar la cristalización de la lactosa a partir de soluciones sobresaturadas. Mediante la aplicación de una cavitación ultrasónica intensa, estos sistemas aumentan las tasas de nucleación, reducen los tiempos de inducción y permiten la formación de cristales uniformes y bien definidos. Esto da lugar a una cinética de cristalización más rápida y a un mejor control del tamaño y la morfología de los cristales. Los sonicadores Hielscher, ideales tanto para procesos por lotes como para procesos continuos en línea, ofrecen soluciones escalables desde la I+D hasta la producción industrial. Su sólida ingeniería alemana y su compatibilidad con los estándares de grado farmacéutico los hacen especialmente adecuados para aplicaciones exigentes de purificación, formulación y procesamiento de lactosa.
Los ultrasonicadores Hielscher son adecuados para la producción de grado alimentario y farmacéutico conforme a las normas cGMP. Los sonicadores Hielscher están disponibles con conexiones sanitarias, 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 de flujo optimizadas y fáciles de limpiar, lo que facilita un mantenimiento eficiente y minimiza los tiempos de inactividad. Cabe destacar que la propia cavitación ultrasónica actúa como mecanismo de limpieza in situ (CIP), contribuyendo a la limpieza de las superficies internas durante el funcionamiento. Para entornos asépticos, todos los sonotrodos y reactores son totalmente esterilizables en autoclave. Gracias a su reducido espacio de instalación, los sistemas Hielscher se integran fácilmente en las líneas de producción existentes o se incorporan a ellas mediante adaptación –lo que los hace ideales para modernizar instalaciones de cristalización de grado farmacéutico y alimentario–.
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Ultrasonicador UIP6000hdT con celda de flujo presurizable. Una camisa de calentamiento/refrigeración permite realizar la sonicación a temperaturas elevadas o reducidas.
Acerca de la sonocristalización
La aplicación de 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 habituales de los ultrasonidos de potencia incluyen su uso para inducir reacciones químicas (sonoquímica) y promover la cristalización (sonocristalización). Estas técnicas han despertado el interés de diversas industrias, entre ellas la farmacéutica, la química y la alimentaria, dadas las ventajas que ofrecen. Las técnicas ultrasónicas son económicamente viables y relativamente fáciles de incorporar a las operaciones industriales. Estas técnicas pueden utilizarse para mejorar tanto la reproducibilidad como el rendimiento de la producción; son no térmicas y ambientalmente limpias». [Martini 2013, 4]
Nucleación y crecimiento cristalino
La cristalización se define 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 cristalino.
Durante la nucleación, las moléculas disueltas en la solución empiezan a formar agrupaciones, que deben ser lo suficientemente grandes para mantenerse estables en las condiciones de operación. Una agrupación estable de este tipo forma un núcleo. Tras alcanzar el tamaño crítico necesario para formar un núcleo estable, comienza la etapa de crecimiento cristalino.
En la fase de crecimiento cristalino, los núcleos formados aumentan de tamaño a medida que más moléculas se unen a la agrupación. El proceso de crecimiento depende del grado de saturación y de otros parámetros, como la uniformidad de la mezcla, 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 mediante un enlace glucosídico β(1→4).
Debido a la presencia de un carbono quiral, la lactosa puede presentarse en los siguientes 2 tipos de isómeros: α-lactosa o β-lactosa. La lactosa se encuentra con mayor frecuencia en forma de cristal hidratado de α-lactosa monohidrato. El otro polimorfo, la β-lactosa anhidra, es menos común y cristaliza por encima de 93,5 °C. Los anómeros α y β tienen propiedades muy diferentes. Los polimorfos pueden distinguirse por su rotación específica (+89 °C y +35 °C para la α-lactosa y la β-lactosa, respectivamente) y su solubilidad (70 y 500 g/L (a 20 °C) para la α-lactosa y la β-lactosa, respectivamente). [McSweeney et al. 2009]
Es el principal carbohidrato de la leche y se encuentra en concentraciones de 2-8 wt%. La lactosa es insípida y tiene un dulzor bajo. Actúa como azúcar reductor y favorece las reacciones de Maillard y Stecker. Por ello, la lactosa se utiliza para mejorar el color y el sabor de productos alimenticios como los productos de panadería, la bollería y la confitería.
La lactosa es un aditivo alimentario ampliamente utilizado que actúa como vehículo, agente de carga, estabilizante y diluyente para comprimidos en productos alimenticios y farmacéuticos.
La α-lactosa es la forma más pura y se utiliza en productos farmacéuticos.
La lactosa es un ingrediente importante para el sabor, el aroma y las reacciones de pardeamiento.
Fórmula: C12H22O11
Identificador IUPAC: β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
Masa molar: 342,3 g/mol
Punto de fusión: 202,8 °C
Densidad: 1,53 g/cm3
Clasificación: FODMAP
Soluble en: agua, etanol
Bibliografía / 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 desde escala de laboratorio hasta escala industrial.