Ultrazvučna kristalizacija laktoze

U mnogim postupcima prerade mlijeka nastaju velike količine sirutke – koja se naziva i mliječnim permeatom – kao nusproizvod. Ta je otpadna tekućina bogata laktozom, ali njezino je zbrinjavanje skupo i opterećuje okoliš. Primjenom ultrazvuka za izdvajanje laktoze količina otpada može se znatno smanjiti, čime se problematična otpadna tekućina pretvara u vrijedan resurs. Ultrazvučna obrada olakšava brzu i učinkovitu kristalizaciju, pri čemu nastaje velika količina ujednačenih kristala laktoze prikladnih za komercijalnu uporabu.

Proizvodnja laktoze

Laktoza se proizvodi iz koncentrirane otopine laktoze (dobivene iz sirutke). Koncentrirana suspenzija laktoze mora se ohladiti na nisku temperaturu kako bi se istaložili kristali. Nakon taloženja kristali laktoze odvajaju se centrifugiranjem. Zatim se kristali suše u prah.
Koraci kristalizacije laktoze:

Koncentriranje
Nukleacija
Rast kristala
Izdvajanje/ pranje

Poboljšana kristalizacija laktoze sonikacijom

Ultrazvuk je dobro poznat po svojem pozitivnom utjecaju na procese kristalizacije i taloženja (sonokristalizacija). Sonikacija također poboljšava nastajanje i rast kristala laktoze.
Sonokristalizacija laktoze pomaže postići maksimalan prinos kristala laktoze u minimalnom vremenu.

Ultrazvučna protočna ćelija za dispergiranje, otapanje i taloženje/kristalizaciju

Ultrazvučni stakleni reaktor za sonikaciju u liniji

Dobar rast kristala ključan je za učinkovito izdvajanje i pranje laktoze (ekstrakcija i pročišćavanje). Sonikacija uzrokuje prezasićenje laktozom i pokreće primarnu nukleaciju kristala laktoze. Nadalje, kontinuirana sonikacija pridonosi sekundarnoj nukleaciji, koja osigurava malu raspodjelu veličine kristala (CSD).

Ultrazvučno kristalizirana laktoza: na ultrazvučnu kristalizaciju laktoze može se utjecati dodatkom karagenana ili sirutke (WPC).

Ultrazvučna kristalizacija laktoze: laktoza kristalizirana u različitim uvjetima: unos ultrazvučne energije, dodani karagenan ili sirutka (WPC) utječu na veličinu kristala laktoze
istraživanje i slika: ©Sanchez-García i sur., 2018.

Prednosti ultrazvuka:

maksimalan prinos
vrlo kratko trajanje procesa
ujednačena veličina kristala
mogućnost upravljanja veličinom kristala
ujednačen oblik kristala

Od ispitivanja izvedivosti do proizvodnje u liniji: sonokristalizacija laktoze
Pročitajte više o povećanju mjerila ultrazvučne kristalizacije laktoze od stolnih sustava do industrijske proizvodnje!

Od otpadne tekućine do laktoze

Zbog velikog opsega proizvodnje mliječnih proizvoda sirutka je često nusproizvod s kojim se postupa kao s otpadnom tekućinom. Zbrinjavanje tekuće sirutke skupo je zbog njezine visoke biološke potrošnje kisika (BOD) i visokog sadržaja vode. Izdvajanjem laktoze iz sirutke otpadni se proizvod iskorištava u naknadnom koraku obrade za proizvodnju laktoze u prahu. Izdvajanje laktoze smanjuje BOD sirutke za više od 80%, čime nusproizvod postaje koristan i prihvatljiviji za okoliš. Proces kristalizacije potpomognut ultrazvukom poboljšava rast kristala, prinos i kvalitetu.
Laktoza se široko upotrebljava kao sastojak u prehrambenoj i farmaceutskoj industriji, kao sirovina za proizvodnju laktitola ili kao osnovna sirovina za mikrobnu proizvodnju biorazgradivih poliestera.

UIP2000hdt snažan je sonikator snage 2000 watts s protočnom ćelijom za industrijsku kristalizaciju laktoze pri velikom kapacitetu obrade.

UIP2000hdT, snažan sonikator snage 2000 watts s protočnom ćelijom za industrijsku kristalizaciju u liniji

Ultrazvučna oprema

Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučnu opremu za procese sonokristalizacije – za šaržnu sonikaciju ili za obradu u liniji u ultrazvučnom reaktoru. Svi sonikatori Hielscher projektirani su za neprekidan rad (24hrs/ 7d/ 365d), čime se osigurava maksimalna iskorištenost opreme. Industrijski ultrazvučni uređaji snage od 0,5kW do 16kW po jedinici prikladni su za komercijalnu obradu velikih količina prezasićenih suspenzija.

Obrada laktoze prehrambene kvalitete

Sonikatori Hielscher vrlo su učinkoviti u poticanju i upravljanju kristalizacijom laktoze iz prezasićenih otopina. Primjenom intenzivne ultrazvučne kavitacije ti sustavi povećavaju brzinu nukleacije, skraćuju indukcijsko vrijeme i omogućuju nastajanje ujednačenih, jasno definiranih kristala. To rezultira bržom kinetikom kristalizacije i boljom kontrolom veličine i morfologije kristala. Idealni za šaržne i kontinuirane procese u liniji, sonikatori Hielscher nude rješenja koja se mogu skalirati od istraživanja i razvoja do industrijske proizvodnje. Njihova robusna njemačka konstrukcija i kompatibilnost sa standardima farmaceutske kvalitete čine ih osobito prikladnima za zahtjevne primjene u pročišćavanju, formuliranju i obradi laktoze.
Ultrazvučni uređaji Hielscher prikladni su za proizvodnju prehrambene i farmaceutske kvalitete u skladu sa standardima cGMP. Sonikatori Hielscher dostupni su sa sanitarnim priključcima, čime se osigurava potpuna usklađenost s higijenskim standardima obrade. Ultrazvučne sonotrode (koje se nazivaju i sondama ili rogovima) i protočni reaktori projektirani su s geometrijom koja omogućuje nesmetano strujanje i jednostavno čišćenje, olakšavajući učinkovito održavanje i svodeći zastoje na minimum. Posebno valja istaknuti da sama ultrazvučna kavitacija djeluje kao mehanizam čišćenja na mjestu (CIP), podupirući čišćenje unutarnjih površina tijekom rada. Za aseptična okruženja sve sonotrode i reaktori mogu se u cijelosti sterilizirati u autoklavu. Zahvaljujući maloj površini koju zauzimaju, sustavi Hielscher lako se integriraju ili naknadno ugrađuju u postojeće proizvodne linije – što ih čini idealnima za nadogradnju postrojenja za kristalizaciju u farmaceutskoj i prehrambenoj proizvodnji.
Obratite nam se već danas za više informacija! Hielscher Ultrasonics nudi različita standardizirana i prilagođena rješenja za ultrazvučnu obradu mlijeka, mliječnih proizvoda i hrane!

Industrijski ultrazvučni uređaj sa sondom UIP6000hdT (6kW ultrazvučne snage, 20kHz ultrazvučne frekvencije) s reaktorom s protočnom ćelijom za kontinuiranu ultrazvučnu obradu prezasićenih otopina za kristalizaciju i taloženje pri velikom kapacitetu obrade.

Ultrazvučni uređaj UIP6000hdT s protočnom ćelijom koja se može staviti pod tlak. Plašt za grijanje/hlađenje omogućuje sonikaciju pri povišenim ili sniženim temperaturama.

Povezane teme

O sonokristalizaciji

Primjena ultrazvuka velike snage za poticanje i poboljšanje procesa kristalizacije naziva se sonokristalizacijom. Sonokristalizacija se temelji na primjeni „akustičnih valova za izazivanje fizikalno-kemijskih promjena u materijalu. Neke uobičajene primjene ultrazvuka velike snage uključuju njegovu uporabu za poticanje kemijskih reakcija (sonokemija) i kristalizacije (sonokristalizacija). Te su tehnike privukle pozornost nekoliko industrija, uključujući farmaceutsku, kemijsku i prehrambenu industriju, zbog prednosti koje nude. Ultrazvučne tehnike ekonomski su isplative i relativno ih je lako uključiti u industrijski rad. Te se tehnike mogu upotrebljavati za poboljšanje ponovljivosti i prinosa proizvodnje; netoplinske su i ekološki čiste”. [Martini 2013, 4]

Nukleacija i rast kristala

Kristalizacija se definira kao proces nastajanja pri kojem se čvrsti kristali izlučuju iz prezasićene otopine, taline ili plina.
Proces kristalizacije sastoji se od dviju glavnih faza: nukleacije i rasta kristala.
Tijekom nukleacije otopljene molekule u otopini počinju tvoriti nakupine, koje moraju biti dovoljno velike da bi bile stabilne u radnim uvjetima. Takva stabilna nakupina tvori jezgru. Nakon što se dosegne kritična veličina za stvaranje stabilne jezgre, započinje faza rasta kristala.
U fazi rasta kristala nastale se jezgre povećavaju jer se na nakupinu veže sve više molekula. Proces rasta ovisi o stupnju zasićenja i drugim parametrima, kao što su ujednačeno miješanje, temperatura itd.
Klasična teorija kristalizacije temelji se na termodinamičkoj predodžbi da je izolirani sustav apsolutno stabilan kada mu je entropija nepromjenjiva.

Činjenice o laktozi

Laktoza (mliječni šećer) disaharid je građen od glukoze i galaktoze povezanih β(1→4) glikozidnom vezom.
Zbog prisutnosti kiralnog ugljikova atoma laktoza se može pojaviti u obliku sljedećih 2 tipova izomera: α- ili β-laktoze. Laktoza se najčešće nalazi u obliku hidratiziranog kristala α-laktoze monohidrata. Drugi polimorf, bezvodna β-laktoza, rjeđi je i kristalizira iznad 93,5°C. α- i β-anomeri imaju vrlo različita svojstva. Polimorfi se mogu razlikovati prema specifičnoj rotaciji (+89°C za α-laktozu i +35°C za β-laktozu) i topljivosti (70 za α-laktozu i 500g/L za β-laktozu (pri 20°C)). [McSweeney et al. 2009]
Ona je glavni ugljikohidrat mlijeka i nalazi se u koncentracijama od 2–8 wt%. Laktoza je bez okusa i slabo je slatka. Laktoza djeluje kao reducirajući šećer te potiče Maillardove i Steckerove reakcije. Stoga se laktoza upotrebljava za poboljšanje boje i okusa prehrambenih proizvoda kao što su pekarski proizvodi, peciva i slastice.
Laktoza je široko upotrebljavan prehrambeni aditiv koji služi kao nosač, punilo, stabilizator i sredstvo za razrjeđivanje u tabletama u prehrambenim i farmaceutskim proizvodima.
α-laktoza je najčišći oblik, koji se upotrebljava za farmaceutske proizvode.
Laktoza je važan sastojak kada je riječ o okusu, aromi i reakcijama posmeđivanja.
Formula: C₁₂H₂₂O₁₁
IUPAC ID: β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
Molarna masa: 342,3 g/mol
Talište: 202,8°C
Gustoća: 1,53 g/cm³
Klasifikacija: FODMAP
Topljivo u: vodi, etanolu

Literatura / reference

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.

Ultrazvučna tehnologija visokih performansi! Asortiman proizvoda Hielscher obuhvaća cijeli spektar, od kompaktnog laboratorijskog ultrazvučnog uređaja preko stolnih jedinica do potpuno industrijskih ultrazvučnih sustava.

Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorijskih do industrijskih veličina.