Ultrazvučna kristalizacija laktoze
U mnogim mliječnim procesima, velike količine sirutke - također poznate kao permeat mlijeka - nastaju kao nusproizvod. Ova otpadna voda je bogata laktozom, ali je njeno zbrinjavanje skupo i opterećujuće za okoliš. Primjenom ultrazvuka za obnavljanje laktoze, volumen otpada može se značajno smanjiti, pretvarajući problematičnu otpadnu vodu u vrijedan resurs. Ultrasonication olakšava brzu i učinkovitu kristalizaciju, dajući veliku količinu jednolikih kristala laktoze pogodnih za komercijalnu upotrebu.
Proizvodnja laktoze
Laktoza se proizvodi iz koncentrirane otopine laktoze (dobivene iz sirutke). Koncentrirana smjesa laktoze mora se ohladiti na nisku temperaturu kako bi se istaložili kristali. Nakon koraka taloženja, kristali laktoze se odvajaju centrifugiranjem. Nakon toga se kristali suše u prah.
Koraci kristalizacije laktoze:
- koncentracija
- nukleacija
- Rast kristala
- Berba/pranje
Poboljšana kristalizacija laktoze sonikacijom
Ultrazvuk je poznat po svom pozitivnom utjecaju na procese kristalizacije i taloženja (sono-kristalizacija). Sonikacija također poboljšava stvaranje i rast kristala laktoze.
Sono-kristalizacija laktoze pomaže u postizanju maksimalnog prinosa kristala laktoze u minimalnom vremenu.
Ultrazvučni stakleni reaktor za inline sonikaciju
Dobar rast kristala bitan je kako bi se osiguralo učinkovito sakupljanje i ispiranje laktoze (ekstrakcija & pročišćavanje). Sonikacija uzrokuje prezasićenost laktozom i inicira primarnu nukleaciju kristala laktoze. Nadalje, kontinuirana sonikacija doprinosi sekundarnoj nukleaciji, koja osigurava distribuciju male veličine kristala (CSD).
Ultrazvučna kristalizacija laktoze: Laktoza kristalizirana pod različitim uvjetima: unos ultrazvučne energije, dodani karagenan ili sirutka (WPC) utječe na veličinu kristala laktoze
studija i slika: ©Sanchez-García et al., 2018.
Prednosti ultrazvuka:
- maksimalni prinos
- vrlo kratko vrijeme procesa
- ujednačene veličine kristala
- veličina kristala koja se može kontrolirati
- jednoličan oblik kristala
Od izvedivosti do inline proizvodnje: Sono-kristalizacija laktoze
Pročitajte više o povećanju ultrazvučne kristalizacije laktoze od stolne do industrijske proizvodnje!
Od otpadnih voda do laktoze
Zbog velike proizvodnje mlijeka, sirutka je često nusproizvod koji se tretira kao otpadna voda. Zbrinjavanje tekuće sirutke je skupo zbog visoke biološke potrebe za kisikom (BPK) i sadržaja vode. Kada se laktoza izdvoji iz sirutke, otpadni proizvod se koristi u koraku naknadne obrade za proizvodnju laktoze u prahu. Oporavak laktoze smanjuje BPK sirutke za više od 80%, čineći nusproizvod korisnim i ekološki prihvatljivijim. Proces kristalizacije potpomognut ultrazvukom poboljšava rast kristala, prinos i kvalitetu.
Laktoza se široko koristi kao sastojak u prehrambenoj i farmaceutskoj industriji, kao sirovina za proizvodnju laktitola ili kao osnovni materijal za mikrobnu proizvodnju biorazgradivih poliestera.
UIP2000hdT, sonikator snage 2000 W s protočnom ćelijom za industrijsku inline kristalizaciju
Ultrazvučna oprema
Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučnu opremu za procese sono-kristalizacije – bilo za šaržnu sonikaciju ili za inline obradu u ultrazvučnom reaktoru. Svi Hielscher sonikatori dizajnirani su za kontinuirani rad (24 sata / 7 dana / 365 dana) osiguravajući maksimalnu iskoristivost opreme. Industrijski ultrazvučni uređaji od 0,5kW do 16kW po jedinici prikladni su za komercijalnu obradu velikih količina prezasićenih suspenzija.
Prerada laktoze za hranu
Hielscher sonikatori su vrlo učinkoviti za poticanje i kontrolu kristalizacije laktoze iz prezasićenih otopina. Primjenom intenzivne ultrazvučne kavitacije, ovi sustavi povećavaju stope nukleacije, smanjuju vremena indukcije i omogućuju stvaranje jednolikih, dobro definiranih kristala. To rezultira bržom kinetikom kristalizacije i poboljšanom kontrolom veličine i morfologije kristala. Idealni za šaržne i kontinuirane inline procese, Hielscher sonikatori nude skalabilna rješenja tvrtke R&D industrijskoj proizvodnji. Njihov robusni njemački inženjering i kompatibilnost sa standardima farmaceutske kvalitete čine ih posebno prikladnima za zahtjevne primjene u pročišćavanju, formulaciji i obradi laktoze.
Hielscher ultrasonicators su prikladni za prehrambenu i farmaceutsku proizvodnju u skladu s cGMP standardima. Hielscher sonikatori dostupni su sa sanitarnim priborom, čime se osigurava potpuna usklađenost sa higijenskim standardima obrade. Ultrazvučne sonotrode (također se nazivaju sonde ili rogovi) i protočni reaktori dizajnirani su s aerodinamičnim geometrijama koje se lako čiste, što olakšava učinkovito održavanje i smanjuje vrijeme zastoja. Naime, sama ultrazvučna kavitacija djeluje kao mehanizam za čišćenje na mjestu (CIP), podržavajući unutarnje čišćenje površine tijekom rada. Za aseptična okruženja, sve sonotrode i reaktori u potpunosti se mogu autoklavirati. Zahvaljujući svom kompaktnom otisku, Hielscher sustavi se lako integriraju ili naknadno ugrađuju u postojeće proizvodne linije—što ih čini idealnim za nadogradnju u farmaceutskim i prehrambenim objektima za kristalizaciju.
Kontaktirajte nas danas da biste dobili više informacija! Hielscher Ultrasonics nudi razna standardizirana, kao i prilagođena rješenja za ultrazvučnu obradu mlijeka i hrane!
Ultrazvučni uređaj UIP6000hdT s protočnom ćelijom pod pritiskom. Grijaći/rashladni plašt omogućuje sonikaciju na povišenim ili sniženim temperaturama.
O sonokristalizaciji
Kada se snažni ultrazvuk primjenjuje za induciranje i poboljšanje procesa kristalizacije, to je poznato kao sonokristalizacija. Sonokristalizacija se temelji na primjeni “akustični valovi za izazivanje fizikalno-kemijskih promjena u materijalu. Neke uobičajene primjene snažnog ultrazvuka uključuju njegovu upotrebu za izazivanje kemijskih reakcija (sonokemija) i poticanje kristalizacije (sonokristalizacija). Ove su tehnike privukle pozornost nekoliko industrija, uključujući farmaceutsku, kemijsku i prehrambenu industriju s obzirom na prednost koju nude. Ultrazvučne tehnike su ekonomski održive i relativno ih je lako uključiti u industrijski rad. Ove se tehnike mogu koristiti za poboljšanje i ponovljivosti i prinosa proizvodnje; ne termički su i ekološki čisti”. [Martini 2013., 4]
Nukleacija i rast kristala
Kristalizacija se određuje kao proces formiranja, gdje se čvrsti kristali talože iz prezasićene otopine, taline ili plina.
Proces kristalizacije sastoji se od dvije glavne faze: nukleacije i rasta kristala.
Tijekom nukleacije otopljene molekule u otopini počinju stvarati klastere koji moraju biti dovoljno veliki da budu stabilni u radnim uvjetima. Takav stabilan klaster tvori jezgru. Nakon postizanja kritične veličine za formiranje stabilne jezgre, počinje faza rasta kristala.
U fazi rasta kristala, formirane jezgre postaju veće što je više molekula vezano za klaster. Proces rasta ovisi o stupnju zasićenja i drugim parametrima kao što su ravnomjerno miješanje, temperatura itd.
Klasična teorija kristalizacije temelji se na termodinamičkoj koncepciji da je izolirani sustav apsolutno stabilan kada je njegova entropija nepromjenjiva.
Činjenice o laktozi
Laktoza (mliječni šećer) je disaharid građen od glukoze i galaktoze povezanih β(1→4) glikozidnom vezom.
Zbog prisutnosti kiralnog ugljika, laktoza se može pojaviti u obliku sljedeća 2 tipa izomera: α- ili β-laktoza. 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 po specifičnoj rotaciji (+89°C i +35°C za α- i β-laktozu, respektivno) i topivosti (70 i 500 g/L (pri 20°C) za α- i β-laktozu , odnosno). [McSweeney et al. 2009]
To je glavni ugljikohidrat mlijeka i nalazi se u koncentracijama od 2-8 tež.%. Laktoza je bez okusa i niske slatkoće. Laktoza djeluje kao reducirajući šećer i potiče Maillardovu i Steckerovu reakciju. Pritom se laktoza koristi za poboljšanje boje i okusa prehrambenih proizvoda kao što su pekarski proizvodi, peciva i slastice.
Laktoza je široko korišten prehrambeni aditiv koji djeluje kao nosač, punilo, stabilizator i razrjeđivač tableta u hrani i farmaceutskim proizvodima.
α-laktoza je najčišći oblik koji se koristi za farmaceutske proizvode.
Laktoza je važan sastojak kada se radi o okusu, mirisu i reakcijama tamnjenja.
Formula: C12H22O11
IUPAC ID: β-D-galaktopiranozil-(1→4)-D-glukoza
Molarna masa: 342,3 g/mol
Talište: 202,8°C
Gustoća: 1,53 g/cm3
Klasifikacija: FODMAP
Topljiv 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.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.