Ultraheli laktoosi kristallisatsioon

Paljudes piimatöötlusprotsessides tekib kõrvalsaadusena suurtes kogustes vadakut – mida nimetatakse ka piimapermeaadiks. See heitvesi on rikas laktoosi poolest, kuid selle kõrvaldamine on nii kulukas kui ka keskkonnale koormav. Kui laktoos taaskasutatakse ultraheli abil, saab jäätmete mahtu oluliselt vähendada, muutes probleemse heitvee väärtuslikuks ressursiks. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) võimaldab kiiret ja tõhusat kristallisatsiooni, andes suure koguse ühtlaseid laktoosikristalle, mis sobivad kommertskasutuseks.

Laktoosi tootmine

Laktoosi toodetakse kontsentreeritud laktoosilahusest (saadud vadakust). Kontsentreeritud laktoosisuspensioon tuleb kristallide sadestamiseks jahutada madalale temperatuurile. Pärast sadestamisetappi eraldatakse laktoosikristallid tsentrifuugimise teel. Seejärel kuivatatakse kristallid pulbriks.
Laktoosi kristallisatsiooni etapid:

Kontsentreerimine
Nukleatsioon
Kristallide kasv
Kogumine/ pesemine

Laktoosi kristallisatsiooni parandamine ultraheli töötlusega

Ultraheli on hästi tuntud oma positiivse mõju poolest kristallisatsiooni- ja sadestamisprotsessidele (sonokristallisatsioon). Ultraheli töötlus (sonikeerimine) parandab ka laktoosikristallide teket ja kasvu.
Laktoosi sonokristallisatsioon aitab saavutada laktoosikristallide maksimaalse saagise minimaalse ajaga.

Ultraheli läbivoolukamber dispergeerimiseks, lahustamiseks ja sadestamiseks/kristallisatsiooniks

Ultraheli klaasreaktor inline-ultraheli töötluseks

Hea kristallide kasv on oluline laktoosi tõhusaks kogumiseks ja pesemiseks (ekstraheerimine & puhastamine). Ultraheli töötlus põhjustab laktoosi üleküllastumise ja käivitab laktoosikristallide primaarse nukleatsiooni. Lisaks aitab pidev ultraheli töötlus kaasa sekundaarsele nukleatsioonile, mis tagab väikese kristallide suurusjaotuse (CSD).

Ultraheli abil kristalliseeritud laktoos: ultraheli laktoosi kristallisatsiooni saab mõjutada karrageeni või vadaku (WPC) lisamisega.

Ultraheli laktoosi kristallisatsioon: erinevates tingimustes kristalliseeritud laktoos: ultraheli energiasisend, lisatud karrageen või vadak (WPC) mõjutab laktoosikristallide suurust
uuring ja pilt: ©Sanchez-García et al., 2018.

Ultraheli eelised:

maksimaalne saagis
väga lühike protsessiaeg
ühtlane kristallide suurus
reguleeritav kristallide suurus
ühtlane kristallide kuju

Teostatavusest inline-tootmiseni: laktoosi sonokristallisatsioon
Loe lähemalt ultraheli laktoosi kristallisatsiooni mastaapimisest lauaseadme tasemelt tööstusliku tootmiseni!

Heitveest laktoosini

Suure piimatootmise tõttu on vadak sageli kõrvalsaadus, mida käsitletakse heitveena. Vedela vadaku kõrvaldamine on kulukas selle kõrge biokeemilise hapnikutarbe (BHT) ja veesisalduse tõttu. Kui laktoos vadakust taaskasutatakse, kasutatakse jääkprodukti järeltöötlusetapis laktoosipulbri tootmiseks. Laktoosi taaskasutus vähendab vadaku BHT-d enam kui 80% võrra, muutes kõrvalsaaduse kasulikuks ja keskkonnasõbralikumaks. Ultraheli abil toetatud kristallisatsiooniprotsess parandab kristallide kasvu, saagist ja kvaliteeti.
Laktoosi kasutatakse laialdaselt koostisainena toidu- ja farmaatsiatööstuses, toorainena laktitooli tootmiseks või lähtematerjalina biolagunevate polüestrite mikrobiaalseks tootmiseks.

UIP2000hdt on 2000-vatine võimas sonikaator läbivoolukambriga laktoosi tööstuslikuks kristallisatsiooniks suure läbilaskevõimega.

UIP2000hdT, 2000-vatine võimas sonikaator läbivoolukambriga tööstuslikuks inline-kristallisatsiooniks

Ultraheliseadmed

Hielscher Ultrasonics pakub ultraheliseadmeid sonokristallisatsiooniprotsessideks – kas partii-ultraheli töötluseks või inline-töötluseks ultraheli reaktoris. Kõik Hielscheri sonikaatorid on mõeldud pidevaks tööks (24 h/ 7 p/ 365 p), tagades seadmete maksimaalse kasutuse. Tööstuslikud ultraheliseadmed võimsusega 0,5kW kuni 16kW seadme kohta sobivad üleküllastunud suspensioonide suurte mahtude kommertstöötluseks.

Toidukvaliteediga laktoosi töötlemine

Hielscheri sonikaatorid on väga tõhusad laktoosi kristallisatsiooni soodustamiseks ja kontrollimiseks üleküllastunud lahustest. Intensiivse ultraheli kavitatsiooni rakendamisel suurendavad need süsteemid nukleatsioonikiirust, lühendavad induktsiooniaega ning võimaldavad moodustada ühtlaseid, selgelt piiritletud kristalle. Selle tulemuseks on kiirem kristallisatsioonikineetika ning parem kristallide suuruse ja morfoloogia kontroll. Hielscheri sonikaatorid sobivad ideaalselt nii partii- kui ka pidevateks inline-protsessideks ning pakuvad skaleeritavaid lahendusi alates T&A-st kuni tööstusliku tootmiseni. Nende töökindel Saksa inseneritöö ja vastavus farmaatsiakvaliteedi standarditele muudavad need eriti sobivaks nõudlikeks rakendusteks laktoosi puhastamisel, koostamisel ja töötlemisel.
Hielscheri ultraheli seadmed sobivad toidu- ja farmaatsiakvaliteediga tootmiseks, vastates cGMP standarditele. Hielscheri sonikaatorid on saadaval sanitaarkvaliteediga liitmikega, mis tagavad täieliku vastavuse hügieenilise töötlemise standarditele. Ultraheli sonotroodid (nimetatakse ka sondideks või sarvedeks) ja läbivoolureaktorid on kavandatud voolujooneliste, kergesti puhastatavate geomeetriatega, mis hõlbustavad tõhusat hooldust ja minimeerivad seisakuid. Eriti oluline on, et ultraheli kavitatsioon ise toimib kohapealse puhastuse (CIP) mehhanismina, toetades sisepindade puhastamist töö ajal. Aseptiliste keskkondade jaoks on kõik sonotroodid ja reaktorid täielikult autoklaavitavad. Tänu kompaktsele aluspinnale on Hielscheri süsteemid hõlpsasti integreeritavad või olemasolevatele tootmisliinidele järelpaigaldatavad – need sobivad ideaalselt farmaatsia- ja toidukvaliteediga kristallisatsiooniüksuste uuendamiseks.
Võtke meiega ühendust juba täna, et saada lisateavet! Hielscher Ultrasonics pakub mitmesuguseid standardseid ning kohandatud lahendusi ultraheli piima- ja toidutöötluseks!

Tööstuslik sondtüüpi ultraheli seade UIP6000hdT (6kW ultraheli võimsus, 20kHz ultraheli sagedus) läbivoolukamber-reaktoriga üleküllastunud lahuste pidevaks ultraheli töötluseks kristallisatsiooni ja sadestamise jaoks suure läbilaskevõimega.

Ultraheli seade UIP6000hdT rõhustatava läbivoolukambriga. Kütte-/ jahutusmantel võimaldab ultraheli töötlust kõrgendatud või alandatud temperatuuridel.

Seotud teemad

Sonokristallisatsioonist

Kui võimsat ultraheli kasutatakse kristallisatsiooniprotsesside esilekutsumiseks ja parandamiseks, nimetatakse seda sonokristallisatsiooniks. Sonokristallisatsioon põhineb “akustiliste lainete rakendamisel materjalis füüsikalis-keemiliste muutuste esilekutsumiseks. Võimsa ultraheli levinud rakendused hõlmavad selle kasutamist keemiliste reaktsioonide esilekutsumiseks (sonokeemia) ja kristallisatsiooni soodustamiseks (sonokristallisatsioon). Need tehnikad on pälvinud mitme tööstusharu, sealhulgas farmaatsia-, keemia- ja toiduainetööstuse tähelepanu, arvestades nende pakutavaid eeliseid. Ultraheli tehnikad on majanduslikult otstarbekad ja suhteliselt lihtsasti tööstuslikku tegevusse integreeritavad. Neid tehnikaid saab kasutada nii tootmise reprodutseeritavuse kui ka saagise parandamiseks; need on mittetermilised ja keskkonnahoidlikud”. [Martini 2013, 4]

Nukleatsioon ja kristallide kasv

Kristallisatsioon on defineeritud kui tekkeprotsess, kus tahked kristallid sadenevad üleküllastunud lahusest, sulamist või gaasist.
Kristallisatsiooniprotsess koosneb kahest põhietapist: nukleatsioonist ja kristallide kasvust.
Nukleatsiooni ajal hakkavad lahuses lahustunud molekulid moodustama klastreid, mis peavad olema piisavalt suured, et olla töötingimustes stabiilsed. Selline stabiilne klaster moodustab tuuma. Pärast stabiilse tuuma moodustamiseks vajaliku kriitilise suuruse saavutamist algab kristallide kasvu etapp.
Kristallide kasvu faasis muutuvad tekkinud tuumad suuremaks, kuna klastriga seondub rohkem molekule. Kasvuprotsess sõltub küllastusastmest ja muudest parameetritest, nagu ühtlane segamine, temperatuur jne.
Klassikaline kristallisatsiooniteooria põhineb termodünaamilisel käsitlusel, et isoleeritud süsteem on absoluutselt stabiilne, kui selle entroopia on muutumatu.

Faktid laktoosi kohta

Laktoos (piimasuhkur) on disahhariid, mis koosneb glükoosist ja galaktoosist, mis on ühendatud β(1→4) glükosiidsideme kaudu.
Kiraalse süsiniku olemasolu tõttu võib laktoos esineda järgmise 2 isomeertüübina: α- või β-laktoos. Laktoosi leidub kõige sagedamini hüdraatunud α-laktoosmonohüdraadi kristallina. Teine polümorf, veevaba β-laktoos, on vähem levinud ja see kristalliseerub üle 93,5°C. α- ja β-anomeeridel on väga erinevad omadused. Polümorfe saab eristada eripöörde (+89°C ja +35°C vastavalt α- ja β-laktoosi puhul) ja lahustuvuse järgi (70 ja 500g/L (temperatuuril 20°C) vastavalt α- ja β-laktoosi puhul). [McSweeney et al. 2009]
See on piima peamine süsivesik ja seda leidub kontsentratsioonidel 2-8 wt%. Laktoos on maitsetu ja vähese magususega. Laktoos toimib redutseeriva suhkruna ning soodustab Maillardi ja Stecker’i reaktsioone. Seetõttu kasutatakse laktoosi toiduainete, nagu pagaritoodete, kondiitritoodete ja maiustuste, värvuse ja maitse parandamiseks.
Laktoos on laialdaselt kasutatav toidu lisaaine, mis toimib kandja, täiteaine, stabilisaatori ja tableti lahjendina toidu- ja farmaatsiatoodetes.
α-laktoos on puhtaim vorm, mida kasutatakse farmaatsiatoodetes.
Laktoos on oluline koostisosa, kui tegemist on maitse, aroomi ja pruunistumisreaktsioonidega.
Valem: C₁₂H₂₂O₁₁
IUPAC ID: β-D-galaktopüranosüül-(1→4)-D-glükoos
Moolmass: 342,3 g/mol
Sulamistemperatuur: 202,8°C
Tihedus: 1,53 g/cm³
Klassifikatsioon: FODMAP
Lahustub: vees, etanoolis

Kirjandus / viited

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.

Suure jõudlusega ultraheli! Hielscheri tootevalik hõlmab kogu spektrit kompaktsest laboriultraheli seadmest lauaseadmete kaudu täismahus tööstuslike ultraheli süsteemideni.

Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laboriskaalast kuni tööstusliku skaalani.