تبلور فراصوتی لاکتوز
در بسیاری از فرایندهای لبنی، حجم زیادی آب‌پنیر – که پرمیت شیر نیز نامیده می‌شود – به‌عنوان محصول جانبی تولید می‌شود. این پساب غنی از لاکتوز است، اما دفع آن هم پرهزینه است و هم بار زیست‌محیطی دارد. با استفاده از فراصوت برای بازیابی لاکتوز، می‌توان حجم پسماند را به‌طور چشمگیری کاهش داد و پسابی مسئله‌ساز را به منبعی ارزشمند تبدیل کرد. فراصوت‌دهی تبلور سریع و کارآمد را تسهیل می‌کند و مقدار زیادی بلور یکنواخت لاکتوز، مناسب برای مصارف تجاری، به دست می‌دهد.
تولید لاکتوز
لاکتوز از محلول غلیظ لاکتوز (به‌دست‌آمده از آب‌پنیر) تولید می‌شود. دوغاب غلیظ لاکتوز باید تا دمای پایین سرد شود تا بلورها رسوب کنند. پس از مرحلهٔ رسوب‌دهی، بلورهای لاکتوز با سانتریفیوژ جدا می‌شوند. سپس بلورها خشک می‌شوند و به‌صورت پودر درمی‌آیند.
مراحل تبلور لاکتوز:
- تغلیظ
- هسته‌زایی
- رشد بلور
- برداشت/ شست‌وشو
بهبود تبلور لاکتوز با فراصوت‌دهی
فراصوت به‌دلیل تأثیر مثبت خود بر فرایندهای تبلور و رسوب‌دهی (تبلور فراصوتی) شناخته شده است. فراصوت‌دهی تشکیل و رشد بلورهای لاکتوز را نیز بهبود می‌بخشد.
تبلور فراصوتی لاکتوز به دستیابی به بیشترین بازده بلورهای لاکتوز در کمترین زمان کمک می‌کند.
راکتور شیشه‌ای فراصوتی برای فراصوت‌دهی درون‌خطی
رشد مناسب بلور برای اطمینان از برداشت و شست‌وشوی کارآمد لاکتوز (استخراج و خالص‌سازی) ضروری است. فراصوت‌دهی موجب فوق‌اشباع‌شدن لاکتوز می‌شود و هسته‌زایی اولیهٔ بلورهای لاکتوز را آغاز می‌کند. افزون بر این، فراصوت‌دهی پیوسته به هسته‌زایی ثانویه کمک می‌کند که توزیع باریک اندازهٔ بلورها (CSD) را تضمین می‌کند.
تبلور فراصوتی لاکتوز: لاکتوز متبلورشده در شرایط مختلف: انرژی فراصوتی ورودی و افزودن کاراگینان یا آب‌پنیر (WPC) بر اندازهٔ بلورهای لاکتوز تأثیر می‌گذارند
پژوهش و تصویر: ©Sanchez-García et al., 2018.
مزایای فراصوت:
- بیشترین بازده
- زمان بسیار کوتاه فرایند
- اندازهٔ یکنواخت بلورها
- اندازهٔ قابل‌کنترل بلورها
- شکل یکنواخت بلورها
از امکان‌سنجی تا تولید درون‌خطی: تبلور فراصوتی لاکتوز
دربارهٔ افزایش مقیاس تبلور فراصوتی لاکتوز از مقیاس رومیزی تا تولید صنعتی بیشتر بخوانید!
از پساب دورریز تا لاکتوز
به‌دلیل حجم بالای تولید لبنیات، آب‌پنیر اغلب محصولی جانبی است که به‌عنوان پساب دورریز با آن برخورد می‌شود. دفع آب‌پنیر مایع به‌دلیل نیاز اکسیژنی زیستی (BOD) بالا و محتوای زیاد آب، پرهزینه است. هنگام بازیابی لاکتوز از آب‌پنیر، این محصول دورریز در یک مرحلهٔ پس‌فرآوری برای تولید پودر لاکتوز به کار می‌رود. بازیابی لاکتوز، BOD آب‌پنیر را بیش از 80% کاهش می‌دهد و این محصول جانبی را مفیدتر و سازگارتر با محیط‌زیست می‌کند. فرایند تبلور به کمک فراصوت، رشد، بازده و کیفیت بلورها را بهبود می‌بخشد.
لاکتوز به‌طور گسترده به‌عنوان مادهٔ تشکیل‌دهنده در صنایع غذایی و دارویی، مادهٔ اولیه برای تولید لاکتیتول یا مادهٔ پایه برای تولید میکروبی پلی‌استرهای زیست‌تخریب‌پذیر استفاده می‌شود.
UIP2000hdT، سونیکاتوری قدرتمند با توان 2000 وات مجهز به سلول جریان برای تبلور صنعتی درون‌خطی
تجهیزات فراصوتی
Hielscher Ultrasonics تجهیزات فراصوتی برای فرایندهای تبلور فراصوتی ارائه می‌کند – چه برای فراصوت‌دهی ناپیوسته و چه برای فرآوری درون‌خطی در راکتور فراصوتی. همهٔ سونیکاتورهای Hielscher برای کارکرد پیوسته (24hrs/ 7d/ 365d) طراحی شده‌اند و حداکثر بهره‌برداری از تجهیزات را تضمین می‌کنند. دستگاه‌های فراصوتی صنعتی با توان 0٫5kW تا 16kW برای هر واحد، برای فرآوری تجاری حجم زیادی از سوسپانسیون‌های فوق‌اشباع مناسب‌اند.
فرآوری لاکتوز با گرید غذایی
سونیکاتورهای Hielscher برای تقویت و کنترل تبلور لاکتوز از محلول‌های فوق‌اشباع بسیار مؤثرند. این سامانه‌ها با اعمال کاویتاسیون فراصوتی شدید، نرخ هسته‌زایی را افزایش می‌دهند، زمان القا را کاهش می‌دهند و تشکیل بلورهای یکنواخت با شکل مشخص را امکان‌پذیر می‌کنند. نتیجه، سینتیک سریع‌تر تبلور و کنترل بهتر بر اندازه و ریخت‌شناسی بلورها است. سونیکاتورهای Hielscher که هم برای فرایندهای ناپیوسته و هم برای فرایندهای پیوستهٔ درون‌خطی ایدئال‌اند، راهکارهایی مقیاس‌پذیر از تحقیق و توسعه تا تولید صنعتی ارائه می‌کنند. مهندسی مستحکم آلمانی و سازگاری آن‌ها با استانداردهای گرید دارویی، این دستگاه‌ها را به‌ویژه برای کاربردهای سخت‌گیرانه در خالص‌سازی، فرمولاسیون و فرآوری لاکتوز مناسب می‌سازد.
دستگاه‌های فراصوتی Hielscher برای تولید با گرید غذایی و دارویی مطابق با استانداردهای cGMP مناسب‌اند. سونیکاتورهای Hielscher با اتصالات گرید بهداشتی عرضه می‌شوند و انطباق کامل با استانداردهای فرآوری بهداشتی را تضمین می‌کنند. سونوتْرودهای فراصوتی (که پروب یا هورن نیز نامیده می‌شوند) و راکتورهای جریان‌گذر با هندسه‌هایی روان برای عبور جریان و با قابلیت تمیزکاری آسان طراحی شده‌اند که نگهداری کارآمد را تسهیل می‌کنند و زمان توقف را به حداقل می‌رسانند. شایان توجه است که خود کاویتاسیون فراصوتی به‌عنوان سازوکار شست‌وشو در محل (CIP) عمل می‌کند و به تمیزشدن سطوح داخلی حین کار کمک می‌کند. برای محیط‌های آسپتیک، همهٔ سونوتْرودها و راکتورها قابلیت اتوکلاو کامل دارند. سامانه‌های Hielscher به‌دلیل فضای نصب کم، به‌آسانی در خطوط تولید موجود ادغام یا به آن‌ها افزوده می‌شوند – ویژگی‌ای که آن‌ها را برای ارتقای تأسیسات تبلور با گرید دارویی و غذایی ایدئال می‌سازد.
همین امروز برای دریافت اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید! Hielscher Ultrasonics راهکارهای متنوع استاندارد و سفارشی برای فرآوری فراصوتی لبنیات و مواد غذایی ارائه می‌کند!
دستگاه فراصوتی UIP6000hdT مجهز به سلول جریان قابل‌فشارگذاری. یک ژاکت گرمایش/سرمایش امکان فراصوت‌دهی در دماهای بالاتر یا پایین‌تر را فراهم می‌کند.
دربارهٔ تبلور فراصوتی
هنگامی که فراصوت پرتوان برای القا و بهبود فرایندهای تبلور به کار می‌رود، این فرایند تبلور فراصوتی نامیده می‌شود. تبلور فراصوتی بر کاربرد «امواج صوتی برای القای تغییرات فیزیکوشیمیایی در ماده استوار است. برخی کاربردهای رایج فراصوت پرتوان شامل استفاده از آن برای القای واکنش‌های شیمیایی (سونوشیمی) و تقویت تبلور (تبلور فراصوتی) است. این روش‌ها با توجه به مزیتی که ارائه می‌کنند، توجه صنایع گوناگون از جمله صنایع دارویی، شیمیایی و غذایی را جلب کرده‌اند. روش‌های فراصوتی از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه‌اند و ادغام آن‌ها در عملیات صنعتی نسبتاً آسان است. از این روش‌ها می‌توان برای بهبود تکرارپذیری و بازده تولید استفاده کرد؛ این روش‌ها غیرحرارتی و از نظر زیست‌محیطی پاک‌اند». [Martini 2013, 4]
هسته‌زایی و رشد بلور
تبلور به‌عنوان فرایند تشکیلی تعریف می‌شود که طی آن بلورهای جامد از محلول فوق‌اشباع، مذاب یا گاز رسوب می‌کنند.
فرایند تبلور از دو مرحلهٔ اصلی تشکیل می‌شود: هسته‌زایی و رشد بلور.
در طول هسته‌زایی، مولکول‌های حل‌شده در محلول شروع به تشکیل خوشه‌هایی می‌کنند که باید به‌اندازهٔ کافی بزرگ باشند تا در شرایط عملیاتی پایدار بمانند. چنین خوشهٔ پایداری یک هسته تشکیل می‌دهد. پس از رسیدن به اندازهٔ بحرانی برای تشکیل هستهٔ پایدار، مرحلهٔ رشد بلور آغاز می‌شود.
در مرحلهٔ رشد بلور، با اتصال مولکول‌های بیشتر به خوشه، هسته‌های تشکیل‌شده بزرگ‌تر می‌شوند. فرایند رشد به درجهٔ اشباع و پارامترهای دیگری مانند اختلاط یکنواخت، دما و غیره بستگی دارد.
نظریهٔ کلاسیک تبلور بر این مفهوم ترمودینامیکی استوار است که یک سامانهٔ منزوی هنگامی که آنتروپی آن تغییرناپذیر باشد، کاملاً پایدار است.
دانستنی‌هایی دربارهٔ لاکتوز
لاکتوز (قند شیر) یک دی‌ساکارید متشکل از گلوکز و گالاکتوز است که با پیوند گلیکوزیدی β(1→4) به هم متصل شده‌اند.
به‌دلیل وجود کربن کایرال، لاکتوز می‌تواند به شکل 2 نوع ایزومر زیر وجود داشته باشد: α-لاکتوز یا β-لاکتوز. لاکتوز اغلب به‌صورت بلور آب‌دار α-لاکتوز مونوهیدرات یافت می‌شود. پلی‌مورف دیگر، β-لاکتوز بی‌آب، کمتر رایج است و در دمای بالاتر از 93٫5°C متبلور می‌شود. آنومرهای α و β خواص بسیار متفاوتی دارند. این پلی‌مورف‌ها را می‌توان بر اساس چرخش ویژه (به‌ترتیب +89°C و +35°C برای α-لاکتوز و β-لاکتوز) و حلالیت (به‌ترتیب 70 و 500g/L (در 20°C) برای α-لاکتوز و β-لاکتوز) از هم متمایز کرد. [McSweeney et al. 2009]
این ماده کربوهیدرات اصلی شیر است و در غلظت‌های 2-8 wt% یافت می‌شود. لاکتوز بی‌طعم است و شیرینی کمی دارد. لاکتوز به‌عنوان قند احیاکننده عمل می‌کند و واکنش‌های Maillard و Stecker را تقویت می‌کند. ازاین‌رو، لاکتوز برای بهبود رنگ و طعم محصولات غذایی مانند محصولات نانوایی، شیرینی‌های پختنی و فرآورده‌های قنادی استفاده می‌شود.
لاکتوز یک افزودنی غذایی پرکاربرد است که در محصولات غذایی و دارویی نقش حامل، پرکننده، پایدارکننده و رقیق‌کنندهٔ قرص را ایفا می‌کند.
α-لاکتوز خالص‌ترین شکل است که برای محصولات دارویی استفاده می‌شود.
لاکتوز از نظر طعم، عطر و واکنش‌های قهوه‌ای‌شدن، مادهٔ تشکیل‌دهندهٔ مهمی است.
فرمول: C12H22O11
شناسهٔ IUPAC: β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
جرم مولی: 342٫3 g/mol
نقطهٔ ذوب: 202٫8°C
چگالی: 1٫53 g/cm3
طبقه‌بندی: FODMAP
محلول در: آب، اتانول
منابع / مراجع
- 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 هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس‌های مختلف، از آزمایشگاهی تا صنعتی، تولید می‌کند.