Ultraheli laktoosi kristalliseerumine

Paljudes piimatootmisprotsessides tekib kõrvalsaadusena suures koguses vadakut - mida nimetatakse ka piimapermeaadiks. See heitvesi on laktoosirikas, kuid selle kõrvaldamine on nii kulukas kui ka keskkonnale koormav. Laktoosi taastamiseks ultraheli abil saab jäätmete mahtu oluliselt vähendada, muutes probleemse heitvee väärtuslikuks ressursiks. Ultraheli hõlbustab kiiret ja tõhusat kristalliseerumist, andes suure koguse ühtlasi laktoosikristalle, mis sobivad kaubanduslikuks kasutamiseks.

Laktoosi tootmine

Laktoosi toodetakse kontsentreeritud laktoosilahusest (saadakse vadakust). Kristallide sadestamiseks tuleb kontsentreeritud laktoosisuspensioon jahutada madalale temperatuurile. Pärast sadestamisetapi eraldatakse laktoosikristallid tsentrifuugimise teel. Seejärel kuivatatakse kristallid pulbriks.
Laktoosi kristalliseerumise etapid:

Kontsentratsioon
tuum
Kristallide kasv
Saagikoristus/ pesemine

Parem laktoosi kristalliseerumine ultrahelitöötluse abil

Ultraheli on tuntud oma positiivse mõju kohta kristalliseerumis- ja sademeprotsessidele (sonokristallisatsioon). Sonikatsioon parandab ka laktoosikristallide moodustumist ja kasvu.
Laktoosi sonokristalliseerumine aitab saavutada laktoosikristallide maksimaalset saagikust minimaalse aja jooksul.

Ultraheli voolurakk dispergeerimiseks, lahustamiseks ja sadestamiseks / kristalliseerimiseks

Ultraheli klaasist reaktor sisemise ultrahelitöötluse jaoks

Hea kristallide kasv on oluline, et tagada laktoosi tõhus kogumine ja pesemine (ekstraheerimine) & puhastamine). Sonikatsioon põhjustab laktoosi üleküllastumist ja algatab laktoosikristallide primaarse tuuma. Lisaks aitab pidev ultrahelitöötlus kaasa sekundaarsele tuumale, mis tagab väikese kristallisuuruse distibutsiooni (CSD).

Ultraheli kristalliseerunud laktoos: Ultraheli laktoosi kristalliseerumist võib mõjutada karrageeni või vadaku (WPC) lisamine.

Ultraheli laktoosi kristalliseerumine: Laktoos kristalliseerub erinevates tingimustes: 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
kontrollitava kristalli suurus
ühtlane kristallide kuju

Teostatavusest inline-tootmiseni: laktoosi sonokristalliseerumine
Loe lähemalt ultraheli laktoosi kristalliseerimise laiendamise kohta laualt tööstuslikule tootmisele!

Heitveest laktoosini

Suure piimatootmise tõttu on vadak sageli kõrvalsaadus, mida käideldakse heitveena. Vedela vadaku kõrvaldamine on kulukas selle suure bioloogilise hapnikutarbe (BHT) ja veesisalduse tõttu. Kui laktoos on vadakust taaskasutatud, kasutatakse jääkaineid järeltöötlusetapis laktoosipulbri tootmiseks. Laktoosi taaskasutamine vähendab vadaku BHT-d rohkem kui 80%, muutes kõrvalsaaduse kasulikuks ja keskkonnasõbralikumaks. Ultraheli abil kristalliseerumisprotsess parandab kristallide kasvu, saagist ja kvaliteeti.
Laktoosi kasutatakse laialdaselt koostisosana toiduaine- ja farmaatsiatööstuses, toorainena laktitooli tootmiseks või lähtematerjalina biolagunevate polüestrite mikroobseks tootmiseks.

UIP2000hdt on 2000-vatine võimas ultraheliaator koos vooluelemendiga laktoosi tööstuslikuks kristalliseerimiseks suure läbilaskevõimega.

UIP2000hdT, 2000 vatti võimas sonikaator vooluelemendiga tööstuslikuks inline kristalliseerimiseks

Ultraheli seadmed

Hielscher Ultrasonics pakub ultraheliseadmeid sonokristallisatsiooniprotsesside jaoks – kas partii ultrahelitöötluseks või ultrahelireaktoris sisemiseks töötlemiseks. Kõik Hielscheri sonikaatorid on loodud töötama pidevalt (24 tundi / 7 d / 365d), tagades seadmete maksimaalse kasutamise. Tööstuslikud ultraheliseadmed vahemikus 0,5 kW kuni 16 kW ühiku kohta sobivad suures koguses üleküllastunud suspensioonide kaubanduslikuks töötlemiseks.

Toidukvaliteediga laktoosi töötlemine

Hielscheri sonikaatorid on väga tõhusad laktoosi kristalliseerumise soodustamiseks ja kontrollimiseks üleküllastunud lahustest. Intensiivse ultraheli kavitatsiooni rakendamisega suurendavad need süsteemid tuumade moodustumise kiirust, vähendavad induktsiooniaegu ja võimaldavad ühtlaste, täpselt määratletud kristallide moodustumist. Selle tulemuseks on kiirem kristalliseerumiskineetika ning parem kontroll kristallide suuruse ja morfoloogia üle. Hielscheri sonikaatorid, mis sobivad ideaalselt nii partii- kui ka pidevate inline-protsesside jaoks, pakuvad R-i skaleeritavaid lahendusi&D tööstuslikule tootmisele. Nende tugev Saksa inseneritöö ja ühilduvus farmaatsiastandarditega muudavad need eriti hästi sobivaks nõudlikeks rakendusteks laktoosi puhastamisel, formuleerimisel ja töötlemisel.
Hielscheri ultrasonikaatorid sobivad toidu- ja farmaatsiatoodete tootmiseks, mis vastab cGMP standarditele. Hielscheri sonikaatorid on saadaval sanitaarkvaliteediga liitmikega, mis tagavad täieliku vastavuse hügieenilistele töötlemisstandarditele. Ultraheli sonotroodid (nimetatakse ka sondideks või sarvedeks) ja läbivoolureaktorid on konstrueeritud voolujoonelise ja kergesti puhastatava geomeetriaga, hõlbustades tõhusat hooldust ja minimeerides seisakuid. Eelkõige toimib ultraheli kavitatsioon ise kohapeal puhastamise (CIP) mehhanismina, mis toetab töö ajal sisepindade puhastamist. Aseptilises keskkonnas on kõik sonotroodid ja reaktorid täielikult autoklaavitavad. Tänu oma kompaktsele jalajäljele on Hielscheri süsteeme lihtne integreerida või moderniseerida olemasolevatesse tootmisliinidesse, muutes need ideaalseks farmaatsia- ja toidutööstuse kristalliseerimisrajatiste uuendamiseks.
Lisateabe saamiseks võtke meiega ühendust juba täna! Hielscher Ultrasonics pakub erinevaid standardiseeritud ja kohandatud lahendusi ultraheli piimatoodete ja toiduainete töötlemiseks!

Tööstuslik sondi tüüpi ultrasonikaator UIP6000hdT (6kW ultraheli võimsus, 20kHz ultraheli sagedus) vooluraku reaktoriga üleküllastunud lahuste pidevaks ultraheli töötlemiseks kristalliseerimiseks ja sadestamiseks suure läbilaskevõimega.

Ultrasonikaator UIP6000hdT survestatava vooluelemendiga. Kütte- / jahutusjakk võimaldab ultraheliga töödelda kõrgendatud või langetatud temperatuuridel.

Seotud teemad

Sonokristalliseerumise kohta

Kui kristalliseerumisprotsesside indutseerimiseks ja parandamiseks rakendatakse võimsuse ultraheli, on see tuntud kui sonokristallisatsioon. Sonokristalliseerimine põhineb “akustilised lained materjali füüsikalis-keemiliste muutuste esilekutsumiseks. Mõned võimsuse ultraheli levinumad rakendused hõlmavad selle kasutamist keemiliste reaktsioonide esilekutsumiseks (sonochemistry) ja kristalliseerumise edendamiseks (sonokristalliseerumine). Need tehnikad on pälvinud mitme tööstusharu, sealhulgas farmaatsia-, keemia- ja toiduainetööstuse tähelepanu, arvestades nende pakutavat eelist. Ultraheli tehnikad on majanduslikult elujõulised ja suhteliselt kergesti integreeritavad tööstustegevusse. Neid meetodeid võib kasutada nii toodangu reprodutseeritavuse kui ka saagise parandamiseks; need on mittetermilised ja keskkonnasõbralikud”. [Martini 2013, 4]

Nukleatsioon ja kristallide kasv

Kristalliseerumine määratakse moodustumisprotsessina, kus tahked kristallid sadestuvad üleküllastunud lahusest, sulatist või gaasist.
Kristalliseerumisprotsess koosneb kahest peamisest etapist: tuumastumisest ja kristallide kasvust.
Tuumamise ajal hakkavad lahuses lahustunud molekulid moodustama klastreid, mis peavad olema piisavalt suured, et olla töötingimustes stabiilsed. Selline stabiilne klaster moodustab tuuma. Pärast kriitilise suuruse saavutamist stabiilse tuuma moodustamiseks algab kristallide kasvu etapp.
Kristallide kasvu faasis muutuvad moodustunud tuumad suuremaks, kuna klastriga on seotud rohkem molekule. Kasvuprotsess sõltub küllastusastmest ja muudest parameetritest, nagu ühtlane segamine, temperatuur jne.
Klassikaline kristalliseerumisteooria põhineb termodünaamilisel kontseptsioonil, et isoleeritud süsteem on täiesti stabiilne, kui selle entroopia on muutumatu.

Faktid laktoosi kohta

Laktoos (piimasuhkur) on glükoosist ja galaktoosist ehitatud disahhariid, mis on ühendatud β(1→4) glükosiidsidemega.
Kiraalse süsiniku olemasolu tõttu võib laktoos esineda järgmiste 2 isomeeri tüübi kujul: α- või β-laktoos. Laktoosi leidub kõige sagedamini hüdraatunud α-laktoosmonohüdraadi kristallina. Teine polümorf, veevaba β-laktoos, on vähem levinud ja kristalliseerub üle 93,5 °C. α- ja β-anomeeride omadused on väga erinevad. Polümorfe saab eristada spetsiifilise pöörlemise (vastavalt +89 °C ja +35 °C α- ja β-laktoosi puhul) ja lahustuvuse (vastavalt 70 ja 500 g/l (20 °C juures) α- ja β-laktoosi puhul). [McSweeney et al. 2009]
See on piima peamine süsivesik ja seda leidub kontsentratsioonides 2-8 massiprotsenti. Laktoos on maitsetu ja madala magususega. Laktoos toimib redutseeriva suhkruna ja soodustab Maillardi ja Steckeri reaktsioone. Seega kasutatakse laktoosi toiduainete, näiteks pagaritoodete, kondiitritoodete ja kondiitritoodete värvi ja maitse parandamiseks.
Laktoos on laialdaselt kasutatav toidulisand, mis toimib toiduainetes ja farmaatsiatoodetes kandja, täiteaine, stabilisaatori ja tableti lahjendina.
α-laktoos on kõige puhtam vorm, mida kasutatakse farmaatsiatoodetes.
Laktoos on oluline koostisosa maitse, aroomi ja pruunistusreaktsioonide osas.
Valem: C₁₂H₂₂O₁₁
IUPACi ID: β-D-galaktopüranosüül-(1→4)-D-glükoos
Molaarmass: 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 labori ultrasonikaatorist üle pink-top ühikute kuni täistööstuslike ultraheli süsteemideni.

Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates Lab kuni tööstuslik suurus.