Cristallisation du lactose par ultrasons
Dans de nombreux procédés laitiers, de grands volumes de lactosérum – également appelé perméat de lait – sont générés comme sous-produit. Cet effluent est riche en lactose, mais son élimination est à la fois coûteuse et préjudiciable à l’environnement. L’utilisation des ultrasons pour récupérer le lactose permet de réduire considérablement le volume de déchets, transformant ainsi un effluent problématique en une ressource précieuse. La sonication facilite une cristallisation rapide et efficace, produisant une grande quantité de cristaux de lactose uniformes adaptés à un usage commercial.
Production de lactose
Le lactose est produit à partir d’une solution concentrée de lactose (obtenu à partir du lactosérum). La suspension concentrée de lactose doit être refroidie à basse température pour faire précipiter les cristaux. Après l’étape de précipitation, les cristaux de lactose sont séparés par centrifugation. Ils sont ensuite séchés pour obtenir une poudre.
Étapes de la cristallisation du lactose :
- Concentration
- Nucléation
- Croissance cristalline
- Récupération/ lavage
Amélioration de la cristallisation du lactose par sonication
Les ultrasons sont bien connus pour leur effet positif sur les procédés de cristallisation et de précipitation (sonocristallisation). La sonication améliore également la formation et la croissance des cristaux de lactose.
La sonocristallisation du lactose permet d’obtenir un rendement maximal en cristaux de lactose en un minimum de temps.
Réacteur ultrasonore en verre pour la sonication en ligne
Une bonne croissance cristalline est essentielle pour assurer une récupération et un lavage efficaces du lactose (extraction et purification). La sonication provoque une sursaturation du lactose et amorce la nucléation primaire des cristaux de lactose. En outre, la sonication continue contribue à une nucléation secondaire, qui assure une faible distribution des tailles de cristaux (CSD).
Cristallisation du lactose par ultrasons : lactose cristallisé dans différentes conditions : l’apport d’énergie ultrasonore, l’ajout de carraghénane ou de lactosérum (WPC) influencent la taille des cristaux de lactose
étude et image : ©Sanchez-García et al., 2018.
Avantages des ultrasons :
- rendement maximal
- durée de traitement très courte
- taille uniforme des cristaux
- taille des cristaux contrôlable
- forme uniforme des cristaux
De la faisabilité à la production en ligne : sonocristallisation du lactose
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De l’effluent résiduaire au lactose
En raison de l’importance de la production laitière, le lactosérum est souvent un sous-produit traité comme un effluent résiduaire. L’élimination du lactosérum liquide est coûteuse en raison de sa forte demande biologique en oxygène (DBO) et de sa teneur élevée en eau. Lorsque le lactose est récupéré à partir du lactosérum, ce déchet est valorisé lors d’une étape de traitement ultérieur pour produire du lactose en poudre. La récupération du lactose réduit la DBO du lactosérum de plus de 80%, rendant ce sous-produit utile et plus respectueux de l’environnement. Un procédé de cristallisation assistée par ultrasons améliore la croissance cristalline, le rendement et la qualité.
Le lactose est largement utilisé comme ingrédient dans les industries alimentaire et pharmaceutique, comme matière première pour la production de lactitol ou comme matière de base pour la production microbienne de polyesters biodégradables.
UIP2000hdT, un puissant sonicateur de 2000 watts avec cellule à circulation pour la cristallisation industrielle en ligne
Équipements à ultrasons
Hielscher Ultrasonics propose des équipements à ultrasons pour les procédés de sonocristallisation – pour la sonication par lots ou le traitement en ligne dans un réacteur ultrasonore. Tous les sonicateurs Hielscher sont conçus pour fonctionner en continu (24hrs/ 7d/ 365d), assurant une utilisation maximale des équipements. Les appareils industriels à ultrasons 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 favoriser et contrôler la cristallisation du lactose à partir de solutions sursaturées. En appliquant une cavitation ultrasonore intense, ces systèmes augmentent les vitesses 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 par lots comme pour les procédés continus en ligne, les sonicateurs Hielscher offrent des solutions évolutives, de la R&D à la production industrielle. Leur conception allemande robuste et leur compatibilité avec les normes de qualité pharmaceutique les rendent particulièrement adaptés aux applications exigeantes de purification, de formulation et de traitement du lactose.
Les appareils à ultrasons Hielscher conviennent à la production de qualité alimentaire et pharmaceutique conforme aux normes cGMP. Les sonicateurs Hielscher sont disponibles avec des raccords sanitaires, assurant une conformité totale aux normes de traitement hygiénique. Les sonotrodes ultrasonores (également appelées sondes ou cornets) et les réacteurs à circulation sont conçus avec des géométries épurées et faciles à nettoyer, ce qui facilite une maintenance efficace et réduit les temps d’arrêt. La cavitation ultrasonore elle-même agit notamment comme un mécanisme de nettoyage en place (CIP), contribuant au 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 s’intègrent facilement aux lignes de production existantes ou peuvent y être installés lors d’une modernisation – ce qui les rend idéaux pour moderniser les installations de cristallisation de qualité pharmaceutique et alimentaire.
Contactez-nous dès aujourd’hui pour obtenir davantage d’informations ! Hielscher Ultrasonics propose diverses solutions standardisées et personnalisées pour le traitement par ultrasons des produits laitiers et alimentaires !
Appareil à ultrasons UIP6000hdT avec cellule à circulation pressurisable. Une double enveloppe de chauffage/refroidissement permet la sonication à des températures élevées ou basses.
À propos de la sonocristallisation
Lorsque des ultrasons de puissance sont appliqués pour induire et améliorer les procédés de cristallisation, on parle de sonocristallisation. La sonocristallisation repose sur l’application d’« ondes acoustiques pour induire des modifications physicochimiques dans le matériau. Parmi les applications courantes des ultrasons de puissance figurent leur utilisation pour induire des réactions chimiques (sonochimie) et favoriser la cristallisation (sonocristallisation). Ces techniques ont suscité l’intérêt de plusieurs secteurs industriels, notamment les industries pharmaceutique, chimique et alimentaire, en raison des avantages qu’elles offrent. Les techniques ultrasonores sont économiquement viables et relativement faciles à intégrer aux opérations industrielles. Elles peuvent être utilisées pour améliorer à la fois la reproductibilité et le rendement de la production ; elles sont non thermiques et respectueuses de l’environnement ». [Martini 2013, 4]
Nucléation et croissance cristalline
La cristallisation est définie comme le processus de formation au cours duquel des cristaux solides précipitent à partir d’une solution sursaturée, d’une matière fondue ou d’un gaz.
Le processus de cristallisation comprend deux étapes principales : la nucléation et la croissance cristalline.
Pendant la nucléation, les molécules dissoutes dans la solution commencent à former des agrégats, qui doivent être suffisamment grands pour être stables dans les conditions de fonctionnement. Un tel agrégat stable forme un germe. Une fois atteinte la taille critique permettant de former un germe stable, l’étape de croissance cristalline commence.
Pendant la phase de croissance cristalline, les germes formés grossissent à mesure que davantage de molécules se lient à l’agrégat. Le processus de croissance dépend du degré de saturation et d’autres paramètres, tels que l’homogénéité du mélange, 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.
Informations sur le lactose
Le lactose (sucre du lait) est un disaccharide composé 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 les 2 types d’isomères suivants : α-lactose ou β-lactose. Le lactose se trouve le plus souvent sous forme de cristal hydraté d’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 peuvent être distingués par leur pouvoir rotatoire spécifique (+89°C et +35°C pour l’α-lactose et le β-lactose, respectivement) et leur solubilité (70 et 500g/L (à 20°C) pour l’α-lactose et le β-lactose, respectivement). [McSweeney et al. 2009]
C’est le principal glucide du lait, où il est présent à des concentrations de 2–8 wt%. Le lactose est sans saveur et possède un faible pouvoir sucrant. Il agit comme un sucre réducteur et favorise les réactions de Maillard et de Stecker. Le lactose est ainsi utilisé pour accentuer la couleur et la saveur de produits alimentaires tels que les produits de boulangerie, les pâtisseries et les confiseries.
Le lactose est un additif alimentaire largement utilisé qui sert de support, d’agent de charge, de stabilisant et de diluant pour comprimés dans les produits alimentaires et pharmaceutiques.
L’α-lactose est la forme la plus pure, utilisée dans les produits pharmaceutiques.
Le lactose est un ingrédient important pour la saveur, l’arôme et les réactions de brunissement.
Formule : C12H22O11
Identifiant IUPAC : β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
Masse molaire : 342,3 g/mol
Point de fusion : 202,8°C
Masse volumique : 1,53 g/cm3
Classification : FODMAP
Soluble dans : eau, éthanol
Bibliographie / 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 haute performance, de l’échelle du laboratoire à l’échelle industrielle.