Cristallisation du lactose par ultrasons
Dans de nombreux processus laitiers, d'importants volumes de lactosérum - également appelé perméat de lait - sont générés en tant que sous-produit. Cet effluent est riche en lactose, mais son élimination est à la fois coûteuse et polluante. En utilisant les ultrasons pour récupérer le lactose, il est possible de réduire considérablement le volume des déchets et de transformer un effluent problématique en une ressource précieuse. Les ultrasons facilitent une cristallisation rapide et efficace, ce qui permet d'obtenir une grande quantité de cristaux de lactose uniformes adaptés à une utilisation commerciale.
Fabrication de lactose
Le lactose est produit à partir d'une solution concentrée de lactose (obtenu à partir du lactosérum). La boue de lactose concentrée doit être refroidie à basse température pour faire précipiter les cristaux. Après l'étape de précipitation, les cristaux de lactose sont séparés par centrifugation. Les cristaux sont ensuite séchés jusqu'à l'obtention d'une poudre.
Étapes de la cristallisation du lactose :
- concentration
- Nucléation
- Croissance des cristaux
- Récolte/ lavage
Amélioration de la cristallisation du lactose par sonication
Les ultrasons sont bien connus pour leur impact positif sur les processus de cristallisation et de précipitation (sono-cristallisation). La sonication améliore également la formation et la croissance des cristaux de lactose.
La sono-cristallisation du lactose permet d'obtenir un rendement maximal de cristaux de lactose en un minimum de temps.
Réacteur ultrasonique en verre pour la sonication en ligne
Une bonne croissance cristalline est essentielle pour assurer une récolte et un lavage efficaces du lactose (extraction & purification). La sonication provoque une sursaturation du lactose et initie la nucléation primaire des cristaux de lactose. En outre, la sonication continue contribue à une nucléation secondaire, qui assure une petite distribution de la taille des cristaux (CSD).
Cristallisation du lactose par ultrasons : Lactose cristallisé dans différentes conditions : apport d'énergie ultrasonique, ajout de carraghénane ou de lactosérum (WPC) influençant la taille des cristaux de lactose.
étude et image : ©Sanchez-García et al., 2018.
Avantages de l'échographie :
- rendement maximal
- Temps de traitement très court
- taille uniforme des cristaux
- taille de cristal contrôlable
- forme cristalline uniforme
De la faisabilité à la production en ligne : Sono-cristallisation du lactose
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Des effluents de déchets au lactose
En raison de l'importance de la production laitière, le lactosérum est souvent un sous-produit traité comme un effluent. L'élimination du lactosérum liquide est coûteuse en raison de sa forte demande biologique en oxygène (DBO) et de sa teneur en eau. Lorsque le lactose est récupéré à partir du lactosérum, le déchet est utilisé dans une étape de post-traitement pour produire du lactose en poudre. La récupération du lactose réduit la DBO du lactosérum de plus de 80 %, ce qui rend le sous-produit utile et plus respectueux de l'environnement. Un processus de cristallisation assisté par ultrasons améliore la croissance, le rendement et la qualité des cristaux.
Le lactose est largement utilisé comme ingrédient dans l'industrie alimentaire et pharmaceutique, comme matière première pour la production de lactitol ou comme matériau de base pour la production microbienne de polyesters biodégradables.
UIP2000hdT, un sonicateur puissant de 2000 watts avec cellule d'écoulement pour la cristallisation industrielle en ligne
Équipement ultrasonique
Hielscher Ultrasonics propose des équipements à ultrasons pour les processus de sono-cristallisation – soit pour la sonication par lots, soit pour le traitement en ligne dans un réacteur à ultrasons. Tous les sonicateurs Hielscher sont conçus pour fonctionner en continu (24 heures sur 24, 7 jours sur 7, 365 jours par an), ce qui garantit une utilisation maximale de l'équipement. Les appareils à ultrasons industriels de 0,5kW à 16kW par unité conviennent au traitement commercial de grands volumes de suspensions sursaturées.
Traitement du lactose de qualité alimentaire
Les sonicateurs Hielscher sont très efficaces pour promouvoir et contrôler la cristallisation du lactose à partir de solutions sursaturées. En appliquant une cavitation ultrasonique intense, ces systèmes augmentent les taux de nucléation, réduisent les temps d'induction et permettent la formation de cristaux uniformes et bien définis. Il en résulte une cinétique de cristallisation plus rapide et un meilleur contrôle de la taille et de la morphologie des cristaux. Idéaux pour les procédés en ligne par lots ou continus, les sonicateurs Hielscher offrent des solutions modulables de R&D à la production industrielle. Leur conception allemande robuste et leur compatibilité avec les normes pharmaceutiques les rendent particulièrement adaptés aux applications exigeantes en matière de purification, de formulation et de traitement du lactose.
Les appareils à ultrasons Hielscher conviennent à la production de produits alimentaires et pharmaceutiques conformes aux normes cGMP. Les sonicateurs Hielscher sont disponibles avec des raccords de qualité sanitaire, garantissant une conformité totale avec les normes de traitement hygiénique. Les sonotrodes ultrasoniques (également appelées sondes ou cornets) et les réacteurs à circulation sont conçus avec des géométries rationalisées et faciles à nettoyer, ce qui facilite une maintenance efficace et minimise les temps d'arrêt. En particulier, la cavitation ultrasonique agit elle-même comme un mécanisme de nettoyage en place (CIP), permettant le nettoyage des surfaces internes pendant le fonctionnement. Pour les environnements aseptiques, toutes les sonotrodes et tous les réacteurs sont entièrement autoclavables. Grâce à leur faible encombrement, les systèmes Hielscher sont faciles à intégrer ou à moderniser dans les lignes de production existantes, ce qui les rend idéaux pour les mises à niveau dans les installations de cristallisation pharmaceutiques et de qualité alimentaire.
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Ultrasonateur UIP6000hdT avec cellule d'écoulement pressurisable. Une enveloppe de chauffage/refroidissement permet de soniquer à des températures élevées ou basses.
À propos de la sonocristallisation
Lorsque des ultrasons de puissance sont appliqués pour induire et améliorer les processus de cristallisation, on parle de sonocristallisation. La sonocristallisation est basée sur l'application d'ultrasons de puissance pour induire et améliorer les processus de cristallisation. “des ondes acoustiques pour induire des changements physico-chimiques dans le matériau. Parmi les applications courantes des ultrasons de puissance, on peut citer leur utilisation pour induire des réactions chimiques (sonochimie) et pour favoriser la cristallisation (sonocristallisation). Ces techniques ont retenu l'attention de plusieurs industries, notamment les industries pharmaceutiques, chimiques et alimentaires, en raison des avantages qu'elles offrent. Les techniques à ultrasons sont économiquement viables et relativement faciles à intégrer dans les opérations industrielles. Elles peuvent être utilisées pour améliorer la reproductibilité et le rendement de la production ; elles sont non thermiques et respectueuses de l'environnement.”. [Martini 2013, 4]
Nucléation et croissance des cristaux
La cristallisation est le processus de formation au cours duquel des cristaux solides précipitent à partir d'une solution sursaturée, d'un produit fondu ou d'un gaz.
Le processus de cristallisation se déroule en deux étapes principales : la nucléation et la croissance des cristaux.
Lors de la nucléation, les molécules dissoutes dans la solution commencent à former des amas, qui doivent être suffisamment grands pour être stables dans les conditions d'utilisation. Un tel amas stable forme un noyau. Après avoir atteint la taille critique pour former un noyau stable, l'étape de la croissance cristalline commence.
Dans la phase de croissance cristalline, les noyaux formés deviennent plus grands car davantage de molécules sont liées à l'amas. Le processus de croissance dépend du degré de saturation et d'autres paramètres tels que le mélange uniforme, la température, etc.
La théorie classique de la cristallisation repose sur la conception thermodynamique selon laquelle un système isolé est absolument stable lorsque son entropie est invariable.
Faits concernant le lactose
Le lactose (sucre du lait) est un disaccharide constitué de glucose et de galactose reliés par une liaison glycosidique β(1→4).
En raison de la présence d'un carbone chiral, le lactose peut se présenter sous la forme des deux types d'isomères suivants : α- ou β-lactose. Le lactose se présente le plus souvent sous la forme d'un cristal hydraté de α-lactose monohydraté. L'autre polymorphe, le β-lactose anhydre, est moins courant et cristallise au-dessus de 93,5°C. Les anomères α- et β- ont des propriétés très différentes. Les polymorphes se distinguent par leur rotation spécifique (+89°C et +35°C pour l'α- et le β-lactose, respectivement) et leur solubilité (70 et 500g/L (à 20°C) pour l'α- et le β-lactose, respectivement). [McSweeney et al. 2009]
Il s'agit du principal hydrate de carbone du lait, dont la concentration est comprise entre 2 et 8 % en poids. Le lactose est insipide et peu sucré. Le lactose agit comme un sucre réducteur et favorise les réactions de Maillard et de Stecker. Le lactose est donc utilisé pour renforcer la couleur et la saveur des produits alimentaires tels que les produits de boulangerie, les pâtisseries et les confiseries.
Le lactose est un additif alimentaire largement utilisé comme support, charge, stabilisateur et diluant de comprimés dans les produits alimentaires et pharmaceutiques.
L'α-lactose est la forme la plus pure, utilisée pour les produits pharmaceutiques.
Le lactose est un ingrédient important en ce qui concerne la saveur, l'arôme et les réactions de brunissement.
Formule : C12H22O11
IUPAC ID : β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
Masse molaire : 342,3 g/mol
Point de fusion : 202,8°C
Densité : 1,53 g/cm3
Classification : FODMAP
Soluble dans : l'eau, l'éthanol
Littérature / Références
- 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 fabrique des homogénéisateurs à ultrasons très performants à partir de laboratoires à taille industrielle.