גיבוש אולטרסוני של לקטוז
בתהליכים רבים בתעשיית החלב נוצרות כמויות גדולות של מי גבינה – המכונים גם פרמיאט חלב – כתוצר לוואי. שפכים אלה עשירים בלקטוז, אך סילוקם יקר ומכביד על הסביבה. באמצעות שימוש באולטרסאונד להשבת הלקטוז, ניתן להפחית משמעותית את נפח הפסולת ולהפוך שפכים בעייתיים למשאב בעל ערך. סוניקציה מאפשרת גיבוש מהיר ויעיל, המניב כמות גדולה של גבישי לקטוז אחידים המתאימים לשימוש מסחרי.
ייצור לקטוז
לקטוז מיוצר מתמיסה מרוכזת של לקטוז (המופק ממי גבינה). יש לקרר את תרחיף הלקטוז המרוכז לטמפרטורה נמוכה כדי לשקע גבישים. לאחר שלב השיקוע, גבישי הלקטוז מופרדים באמצעות צנטריפוגה. לאחר מכן, הגבישים מיובשים לאבקה.
שלבי גיבוש הלקטוז:
- ריכוז
- התגרענות
- גידול גבישים
- איסוף/ שטיפה
שיפור גיבוש הלקטוז באמצעות סוניקציה
אולטרסאונד מוכר היטב בזכות השפעתו החיובית על תהליכי גיבוש ושיקוע (סונוקריסטליזציה). סוניקציה משפרת גם את היווצרותם וגדילתם של גבישי לקטוז.
סונוקריסטליזציה של לקטוז מסייעת להשיג את התפוקה המרבית של גבישי לקטוז בזמן מזערי.
ריאקטור זכוכית אולטרסוני לסוניקציה בקו הייצור
גידול טוב של גבישים חיוני להבטחת איסוף ושטיפה יעילים של הלקטוז (מיצוי וטיהור). סוניקציה גורמת לרוויית יתר של לקטוז ומתחילה את ההתגרענות הראשונית של גבישי הלקטוז. נוסף על כך, סוניקציה רציפה תורמת להתגרענות שניונית, המבטיחה התפלגות קטנה של גודלי גבישים (CSD).
גיבוש אולטרסוני של לקטוז: לקטוז שגובש בתנאים שונים: האנרגיה האולטרסונית המושקעת, תוספת קרגינן או מי גבינה (WPC) משפיעים על גודל גבישי הלקטוז
מחקר ותמונה: ©Sanchez-García et al., 2018.
יתרונות האולטרסאונד:
- תפוקה מרבית
- זמן תהליך קצר מאוד
- גודל גבישים אחיד
- גודל גבישים ניתן לשליטה
- צורת גבישים אחידה
מבדיקת היתכנות לייצור בקו: סונוקריסטליזציה של לקטוז
קראו עוד על הגדלת קנה המידה של גיבוש אולטרסוני של לקטוז, מציוד שולחני לייצור תעשייתי!
משפכים ללקטוז
בשל היקף הייצור הגדול בתעשיית החלב, מי גבינה הם לעיתים קרובות תוצר לוואי המטופל כשפכים. סילוק מי גבינה נוזליים כרוך בעלויות גבוהות בשל צריכת החמצן הביולוגית (BOD) הגבוהה ותכולת המים שלהם. כאשר הלקטוז מושב ממי הגבינה, תוצר הפסולת מנוצל בשלב עיבוד המשך לייצור אבקת לקטוז. השבת הלקטוז מפחיתה את צריכת החמצן הביולוגית של מי הגבינה ביותר מ־80%, והופכת את תוצר הלוואי לשימושי ולידידותי יותר לסביבה. תהליך גיבוש בסיוע אולטרסאונד משפר את גידול הגבישים, התפוקה והאיכות.
לקטוז נמצא בשימוש נרחב כרכיב בתעשיות המזון והתרופות, כחומר גלם לייצור לקטיטול או כחומר בסיס לייצור מיקרוביאלי של פוליאסטרים מתכלים ביולוגית.
UIP2000hdT, מכשיר סוניקציה רב עוצמה בהספק של 2000 ואט עם תא זרימה לגיבוש תעשייתי בקו הייצור
ציוד אולטרסוני
Hielscher Ultrasonics מציעה ציוד אולטרסוני לתהליכי סונוקריסטליזציה – לסוניקציה באצוות או לעיבוד בקו הייצור בריאקטור אולטרסוני. כל מכשירי הסוניקציה של Hielscher מתוכננים לפעול ברציפות (24hrs/ 7d/ 365d), ובכך מבטיחים ניצול מרבי של הציוד. מכשירים אולטרסוניים תעשייתיים בהספק של 0.5kW ועד 16kW ליחידה מתאימים לעיבוד מסחרי של כמויות גדולות של תרחיפים ברוויית יתר.
עיבוד לקטוז בדרגת איכות למזון
מכשירי הסוניקציה של Hielscher יעילים מאוד בקידום ובבקרה של גיבוש לקטוז מתמיסות ברוויית יתר. באמצעות הפעלת קוויטציה אולטרסונית עזה, מערכות אלה מגבירות את קצבי ההתגרענות, מקצרות את זמני ההשראה ומאפשרות היווצרות גבישים אחידים ובעלי צורה מוגדרת היטב. התוצאה היא קינטיקת גיבוש מהירה יותר ושליטה משופרת בגודל הגבישים ובמורפולוגיה שלהם. מכשירי הסוניקציה של Hielscher אידיאליים הן לתהליכים באצוות והן לתהליכים רציפים בקו הייצור, ומציעים פתרונות הניתנים להגדלה בקנה מידה, ממחקר ופיתוח ועד לייצור תעשייתי. ההנדסה הגרמנית העמידה שלהם והתאמתם לתקנים בדרגת איכות לתרופות הופכות אותם למתאימים במיוחד ליישומים תובעניים בטיהור לקטוז, בהכנת פורמולציות ובעיבודו.
המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתאימים לייצור בדרגת איכות למזון ולתרופות, תוך עמידה בתקני cGMP. מכשירי הסוניקציה של Hielscher זמינים עם מחברים סניטריים, המבטיחים עמידה מלאה בתקני עיבוד היגייני. הסונוטרודות האולטרסוניות (המכונות גם גשושים או קרניים) והריאקטורים לזרימה רציפה מתוכננים בגאומטריות המאפשרות זרימה חלקה וקלות לניקוי, וכך מקלים על תחזוקה יעילה וממזערים זמני השבתה. ראוי לציין שהקוויטציה האולטרסונית עצמה פועלת כמנגנון ניקוי במקום (CIP), המסייע לניקוי המשטחים הפנימיים במהלך הפעולה. לשימוש בסביבות אספטיות, ניתן לעקר את כל הסונוטרודות והריאקטורים במלואם באוטוקלב. הודות לשטח הרצפה הקטן שהן תופסות, ניתן לשלב בקלות את מערכות Hielscher בקווי ייצור קיימים או להתקינן בהם במסגרת שדרוג – תכונה ההופכת אותן לאידיאליות לשדרוג מתקני גיבוש בדרגת איכות לתרופות ולמזון.
צרו איתנו קשר עוד היום לקבלת מידע נוסף! Hielscher Ultrasonics מציעה מגוון פתרונות סטנדרטיים ומותאמים אישית לעיבוד אולטרסוני של מוצרי חלב ומזון!
המכשיר האולטרסוני UIP6000hdT עם תא זרימה הניתן להפעלה בלחץ. מעטפת חימום/ קירור מאפשרת לבצע סוניקציה בטמפרטורות מוגבהות או מונמכות.
על סונוקריסטליזציה
כאשר משתמשים באולטרסאונד רב עוצמה כדי להשרות ולשפר תהליכי גיבוש, התהליך נקרא סונוקריסטליזציה. סונוקריסטליזציה מבוססת על שימוש ב"גלים אקוסטיים להשראת שינויים פיזיקוכימיים בחומר. כמה מהיישומים הנפוצים של אולטרסאונד רב עוצמה כוללים שימוש בו להשראת תגובות כימיות (סונוכימיה) ולקידום גיבוש (סונוקריסטליזציה). טכניקות אלה משכו את תשומת ליבן של כמה תעשיות, ובהן תעשיות התרופות, הכימיקלים והמזון, בזכות היתרון שהן מציעות. טכניקות אולטרסוניות הן כדאיות מבחינה כלכלית וקלות יחסית לשילוב בפעילות תעשייתית. ניתן להשתמש בטכניקות אלה כדי לשפר הן את הדירות התוצאות והן את תפוקת הייצור; הן אינן תרמיות והן נקיות מבחינה סביבתית". [Martini 2013, 4]
התגרענות וגידול גבישים
גיבוש מוגדר כתהליך היווצרות שבו גבישים מוצקים שוקעים מתוך תמיסה ברוויית יתר, נתך או גז.
תהליך הגיבוש מורכב משני שלבים עיקריים: התגרענות וגידול גבישים.
במהלך ההתגרענות, המולקולות המומסות בתמיסה מתחילות ליצור צברים, שחייבים להיות גדולים דיים כדי להיות יציבים בתנאי התפעול. צבר יציב כזה יוצר גרעין. לאחר הגעה לגודל הקריטי להיווצרות גרעין יציב, מתחיל שלב גידול הגבישים.
בשלב גידול הגבישים, הגרעינים שנוצרו גדלים ככל שמולקולות נוספות נקשרות לצבר. תהליך הגידול תלוי בדרגת הרוויה ובפרמטרים נוספים, כגון ערבוב אחיד, טמפרטורה וכדומה.
תאוריית הגיבוש הקלאסית מבוססת על התפיסה התרמודינמית שלפיה מערכת מבודדת יציבה לחלוטין כאשר האנטרופיה שלה אינה משתנה.
עובדות על לקטוז
לקטוז (סוכר החלב) הוא דו־סוכר הבנוי מגלוקוז ומגלקטוז המחוברים בקשר גליקוזידי β(1→4).
בשל נוכחותו של אטום פחמן כיראלי, לקטוז יכול להופיע בצורת 2 סוגי האיזומרים הבאים: α-לקטוז או β-לקטוז. לקטוז נמצא לרוב כגביש ממוים של α-לקטוז מונוהידרט. הפולימורף האחר, β-לקטוז נטול מים, נפוץ פחות ומתגבש מעל 93.5°C. לאנומרים α ו־β יש תכונות שונות מאוד. ניתן להבחין בין הפולימורפים לפי הסיבוב הסגולי (+89°C ו־+35°C עבור α-לקטוז ו־β-לקטוז, בהתאמה) והמסיסות (70 ו־500g/L (ב־20°C) עבור α-לקטוז ו־β-לקטוז, בהתאמה). [McSweeney et al. 2009]
זוהי הפחמימה העיקרית בחלב, והיא מצויה בריכוזים של 2–8 wt%. לקטוז חסר טעם ובעל מתיקות נמוכה. לקטוז פועל כסוכר מחזר ומקדם את תגובות מייאר וסטקר. לפיכך, משתמשים בלקטוז לשיפור הצבע והטעם של מוצרי מזון כגון מוצרי מאפה, מאפים מתוקים ומוצרי קונדיטוריה.
לקטוז הוא תוסף מזון נפוץ המשמש כנשא, כחומר מילוי, כמייצב וכחומר דילול לטבליות במוצרי מזון ותרופות.
α-לקטוז הוא הצורה הטהורה ביותר, המשמשת למוצרים פרמצבטיים.
לקטוז הוא רכיב חשוב בכל הנוגע לטעם, לארומה ולתגובות השחמה.
נוסחה: C12H22O11
מזהה IUPAC: β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
מסה מולרית: 342.3 g/mol
נקודת התכה: 202.8°C
צפיפות: 1.53 g/cm3
סיווג: FODMAP
מסיס ב: מים, אתנול
ספרות / מקורות
- 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.
