Laktoosin ultraäänikiteytys

Monissa meijeriprosesseissa syntyy sivutuotteena suuria määriä heraa – jota kutsutaan myös maitopermeaatiksi. Tämä jätevesi sisältää runsaasti laktoosia, mutta sen hävittäminen on sekä kallista että ympäristöä kuormittavaa. Kun laktoosi otetaan talteen ultraäänen avulla, jätteen määrää voidaan vähentää merkittävästi ja ongelmallinen jätevesi muuttaa arvokkaaksi raaka-aineeksi. Ultraäänikäsittely edistää nopeaa ja tehokasta kiteytymistä ja tuottaa suuren määrän tasalaatuisia laktoosikiteitä, jotka soveltuvat kaupalliseen käyttöön.

Laktoosin valmistus

Laktoosia valmistetaan väkevöidystä laktoosiliuoksesta (joka saadaan herasta). Väkevöity laktoosiliete on jäähdytettävä alhaiseen lämpötilaan kiteiden saostamiseksi. Saostusvaiheen jälkeen laktoosikiteet erotetaan sentrifugoimalla. Tämän jälkeen kiteet kuivataan jauheeksi.
Laktoosin kiteytyksen vaiheet:

Väkevöinti
Ydintyminen
Kiteiden kasvu
Talteenotto/ pesu

Laktoosin kiteytyksen tehostaminen ultraäänikäsittelyllä

Ultraääni tunnetaan myönteisestä vaikutuksestaan kiteytys- ja saostusprosesseihin (ultraäänikiteytys). Ultraäänikäsittely parantaa myös laktoosikiteiden muodostumista ja kasvua.
Laktoosin ultraäänikiteytys auttaa saavuttamaan laktoosikiteiden enimmäissaannon mahdollisimman lyhyessä ajassa.

Ultraäänivirtauskenno dispergointiin, liuottamiseen ja saostukseen/kiteytykseen

Lasinen ultraäänireaktori jatkuvatoimiseen ultraäänikäsittelyyn

Kiteiden hyvä kasvu on olennaista laktoosin tehokkaan talteenoton ja pesun (erotuksen ja puhdistuksen) varmistamiseksi. Ultraäänikäsittely aiheuttaa laktoosin ylikyllästymisen ja käynnistää laktoosikiteiden primaarisen ydintymisen. Lisäksi jatkuva ultraäänikäsittely edistää sekundaarista ydintymistä, mikä varmistaa pienen kidekokojakauman (CSD).

Ultraäänellä kiteytetty laktoosi: laktoosin ultraäänikiteytykseen voidaan vaikuttaa lisäämällä karrageenia tai heraa (WPC).

Laktoosin ultraäänikiteytys: eri olosuhteissa kiteytetty laktoosi: ultraäänienergian syöttö sekä lisätty karrageeni tai hera (WPC) vaikuttavat laktoosikiteiden kokoon
tutkimus ja kuva: ©Sanchez-García et al., 2018.

Ultraäänen edut:

enimmäissaanto
erittäin lyhyt prosessiaika
tasainen kidekoko
hallittava kidekoko
yhtenäinen kidemuoto

Toteutettavuuden arvioinnista jatkuvatoimiseen tuotantoon: laktoosin ultraäänikiteytys
Lue lisää laktoosin ultraäänikiteytyksen skaalaamisesta pöytälaitteista teolliseen tuotantoon!

Jätevedestä laktoosiksi

Meijerituotannon suuren määrän vuoksi hera on usein sivutuote, jota käsitellään jätevetenä. Nestemäisen heran hävittäminen on kallista sen suuren biologisen hapenkulutuksen (BOD) ja vesipitoisuuden vuoksi. Kun laktoosi otetaan talteen herasta, jätetuote hyödynnetään jälkikäsittelyvaiheessa laktoosijauheen valmistukseen. Laktoosin talteenotto vähentää heran biologista hapenkulutusta yli 80 %, jolloin sivutuotteesta tulee hyödyllinen ja ympäristöystävällisempi. Ultraääniavusteinen kiteytysprosessi parantaa kiteiden kasvua, saantoa ja laatua.
Laktoosia käytetään laajalti ainesosana elintarvike- ja lääketeollisuudessa, laktitolin valmistuksen raaka-aineena tai biohajoavien polyesterien mikrobipohjaisen tuotannon lähtöaineena.

UIP2000hdt on tehokas 2000 watin ultraäänilaite, jossa on virtauskenno laktoosin teolliseen kiteytykseen suurella käsittelykapasiteetilla.

UIP2000hdT, tehokas 2000 watin ultraäänilaite varustettuna virtauskennolla teollista jatkuvatoimista kiteytystä varten

Ultraäänilaitteet

Hielscher Ultrasonics tarjoaa ultraäänilaitteita ultraäänikiteytysprosesseihin – joko erien ultraäänikäsittelyyn tai tuotantolinjassa tapahtuvaan käsittelyyn ultraäänireaktorissa. Hielscher on suunnitellut kaikki ultraäänilaitteensa jatkuvaan käyttöön (24hrs/ 7d/ 365d), mikä varmistaa laitteiden maksimaalisen käyttöasteen. Teolliset ultraäänilaitteet, joiden laitekohtainen teho on alkaen 0,5kW ja enintään 16kW, soveltuvat suurten ylikyllästyneiden suspensiomäärien kaupalliseen käsittelyyn.

Elintarvikelaatuisen laktoosin käsittely

Hielscher tarjoaa ultraäänilaitteita, jotka edistävät ja hallitsevat erittäin tehokkaasti laktoosin kiteytymistä ylikyllästyneistä liuoksista. Voimakkaan ultraäänikavitaation avulla nämä järjestelmät nopeuttavat ydintymistä, lyhentävät induktioaikoja ja mahdollistavat tasalaatuisten, selväpiirteisten kiteiden muodostumisen. Tämä nopeuttaa kiteytymiskinetiikkaa ja parantaa kidekoon ja morfologian hallintaa. Hielscher tarjoaa ultraäänilaitteillaan sekä eräprosesseihin että tuotantolinjassa tapahtuviin jatkuviin prosesseihin ihanteellisesti soveltuvia, skaalautuvia ratkaisuja tutkimuksesta ja tuotekehityksestä (R&D) teolliseen tuotantoon. Niiden vankka saksalainen suunnittelu ja yhteensopivuus lääkelaatuisen tuotannon standardien kanssa tekevät niistä erityisen sopivia laktoosin puhdistuksen, formuloinnin ja käsittelyn vaativiin sovelluksiin.
Hielscher tarjoaa ultraäänilaitteita, jotka soveltuvat elintarvike- ja lääkelaatuiseen tuotantoon, joka noudattaa cGMP-standardeja. Hielscher tarjoaa ultraäänilaitteitaan hygienialiittimillä, jotka varmistavat hygieenisen käsittelyn standardien täydellisen noudattamisen. Ultraäänisonotrodien (joita kutsutaan myös koettimiksi tai torviksi) ja läpivirtausreaktorien geometria on suunniteltu virtaviivaiseksi ja helposti puhdistettavaksi, mikä helpottaa tehokasta huoltoa ja minimoi seisokkiajan. Erityisesti ultraäänikavitaatio itsessään toimii paikallaanpuhdistuksen (CIP) mekanismina ja tukee sisäpintojen puhdistamista käytön aikana. Aseptisia ympäristöjä varten kaikki sonotrodit ja reaktorit ovat täysin autoklavoitavia. Hielscher tarjoaa järjestelmiä, jotka voidaan pienen tilantarpeensa ansiosta helposti integroida tai jälkiasentaa olemassa oleviin tuotantolinjoihin – mikä tekee niistä ihanteellisia lääke- ja elintarvikelaatuisen kiteytyksen tuotantolaitosten päivityksiin.
Ota meihin yhteyttä jo tänään saadaksesi lisätietoja! Hielscher Ultrasonics tarjoaa erilaisia vakioratkaisuja ja räätälöityjä ratkaisuja meijeri- ja elintarviketuotteiden ultraäänikäsittelyyn!

Teollinen koetintyyppinen ultraäänilaite UIP6000hdT (ultraääniteho 6 kW, ultraäänitaajuus 20 kHz), jossa on virtauskennoreaktori ylikyllästyneiden liuosten jatkuvaan ultraäänikäsittelyyn kiteytystä ja saostusta varten suurella käsittelykapasiteetilla.

Ultraäänilaite UIP6000hdT varustettuna paineistettavalla virtauskennolla. Lämmitys-/ jäähdytysvaippa mahdollistaa ultraäänikäsittelyn korotetuissa tai alennetuissa lämpötiloissa.

Liittyvät aiheet

Tietoa ultraäänikiteytyksestä

Kun kiteytysprosesseja käynnistetään ja tehostetaan teho-ultraäänellä, puhutaan ultraäänikiteytyksestä. Ultraäänikiteytys perustuu siihen, että käytetään ”akustisia aaltoja fysikaalis-kemiallisten muutosten aikaansaamiseksi materiaalissa. Teho-ultraäänen yleisiin sovelluksiin kuuluvat sen käyttö kemiallisten reaktioiden käynnistämiseen (sonokemia) ja kiteytymisen edistämiseen (ultraäänikiteytys). Nämä tekniikat ovat herättäneet useiden teollisuudenalojen, kuten lääke-, kemian- ja elintarviketeollisuuden, kiinnostuksen tarjoamiensa etujen vuoksi. Ultraäänitekniikat ovat taloudellisesti kannattavia ja suhteellisen helppoja sisällyttää teolliseen toimintaan. Näillä tekniikoilla voidaan parantaa sekä tuotannon toistettavuutta että saantoa; ne ovat ei-termisiä ja ympäristön kannalta puhtaita”. [Martini 2013, 4]

Ydintyminen ja kiteiden kasvu

Kiteytyminen määritellään muodostumisprosessiksi, jossa kiinteitä kiteitä saostuu ylikyllästyneestä liuoksesta, sulasta tai kaasusta.
Kiteytymisprosessi koostuu kahdesta päävaiheesta: ydintymisestä ja kiteiden kasvusta.
Ydintymisen aikana liuokseen liuenneet molekyylit alkavat muodostaa ryhmittymiä, joiden on oltava riittävän suuria pysyäkseen vakaina käyttöolosuhteissa. Tällainen vakaa ryhmittymä muodostaa kiteytymisytimen. Kun vakaan ytimen muodostumiseen tarvittava kriittinen koko on saavutettu, kiteiden kasvuvaihe alkaa.
Kiteiden kasvuvaiheessa muodostuneet ytimet suurenevat, kun ryhmittymään sitoutuu lisää molekyylejä. Kasvuprosessi riippuu kyllästysasteesta ja muista parametreista, kuten tasaisesta sekoituksesta, lämpötilasta jne.
Klassinen kiteytymisteoria perustuu termodynaamiseen käsitykseen, jonka mukaan eristetty järjestelmä on ehdottoman vakaa, kun sen entropia pysyy muuttumattomana.

Tietoa laktoosista

Laktoosi (maitosokeri) on disakkaridi, joka koostuu β(1→4)-glykosidisidoksella toisiinsa liittyneistä glukoosista ja galaktoosista.
Kiraalisen hiiliatomin vuoksi laktoosi voi esiintyä seuraavina 2 isomeerityyppinä: α- tai β-laktoosina. Laktoosia esiintyy yleisimmin hydratoituneena α-laktoosimonohydraattikiteenä. Toinen polymorfi, vedetön β-laktoosi, on harvinaisempi, ja se kiteytyy yli 93,5 °C:n lämpötilassa. α- ja β-anomeerien ominaisuudet ovat hyvin erilaiset. Polymorfit voidaan erottaa toisistaan ominaiskierron (α-laktoosilla +89 °C ja β-laktoosilla +35 °C) ja liukoisuuden (α-laktoosilla 70 ja β-laktoosilla 500 g/L (20 °C:ssa)) perusteella. [McSweeney et al. 2009]
Se on maidon tärkein hiilihydraatti, ja sitä esiintyy 2–8 wt%:n pitoisuuksina. Laktoosi on mautonta ja vain vähän makeaa. Laktoosi toimii pelkistävänä sokerina ja edistää Maillard- ja Stecker-reaktioita. Siksi laktoosia käytetään parantamaan elintarvikkeiden, kuten leipomotuotteiden, leivonnaisten ja makeisten, väriä ja makua.
Laktoosi on laajalti käytetty elintarvikelisäaine, joka toimii kantaja-aineena, täyteaineena, stabilointiaineena ja tablettien laimennusaineena elintarvikkeissa ja lääkkeissä.
α-laktoosi on puhtain muoto, jota käytetään lääkkeissä.
Laktoosi on tärkeä ainesosa maun, aromin ja ruskistumisreaktioiden kannalta.
Kaava: C₁₂H₂₂O₁₁
IUPAC-tunniste: β-D-galaktopyranosyyli-(1→4)-D-glukoosi
Moolimassa: 342,3 g/mol
Sulamispiste: 202,8 °C
Tiheys: 1,53 g/cm³
Luokitus: FODMAP
Liukenee: veteen, etanoliin

Kirjallisuus / lähteet

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.

Suorituskykyistä ultraäänitekniikkaa! Hielscherin tuotevalikoima kattaa koko kirjon kompaktista laboratorioultraäänilaitteesta pöytälaitteisiin ja täysimittaisiin teollisiin ultraäänijärjestelmiin.

Hielscher Ultrasonics valmistaa suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita laboratoriokoosta aina teolliseen kokoon asti.