Kristalisasi Laktosa Ultrasonik

Dalam banyak proses pengolahan susu, sejumlah besar whey – juga disebut permeat susu – dihasilkan sebagai produk samping. Limbah cair ini kaya akan laktosa, tetapi pembuangannya mahal dan membebani lingkungan. Dengan menerapkan ultrasonik untuk memulihkan laktosa, volume limbah dapat dikurangi secara signifikan, sehingga mengubah limbah cair yang bermasalah menjadi sumber daya yang bernilai. Ultrasonikasi memfasilitasi kristalisasi yang cepat dan efisien, menghasilkan kristal laktosa yang seragam dalam jumlah besar dan sesuai untuk penggunaan komersial.

Produksi Laktosa

Laktosa diproduksi dari larutan laktosa pekat (yang diperoleh dari whey). Suspensi laktosa pekat harus didinginkan hingga suhu rendah untuk mengendapkan kristal. Setelah tahap pengendapan, kristal laktosa dipisahkan melalui sentrifugasi. Selanjutnya, kristal dikeringkan menjadi bubuk.
Tahapan Kristalisasi Laktosa:

Pemekatan
Nukleasi
Pertumbuhan kristal
Pemanenan/ pencucian

Peningkatan Kristalisasi Laktosa melalui Sonikasi

Ultrasonik dikenal luas karena dampak positifnya pada proses kristalisasi dan pengendapan (sonokristalisasi). Sonikasi juga meningkatkan pembentukan dan pertumbuhan kristal laktosa.
Sonokristalisasi laktosa membantu memperoleh rendemen kristal laktosa maksimum dalam waktu minimum.

Sel alir ultrasonik untuk pendispersian, pelarutan, dan pengendapan/kristalisasi

Reaktor kaca ultrasonik untuk sonikasi dalam jalur proses

Pertumbuhan kristal yang baik sangat penting untuk memastikan pemanenan dan pencucian laktosa (ekstraksi & pemurnian) yang efisien. Sonikasi menyebabkan kondisi lewat jenuh pada laktosa dan memulai nukleasi primer kristal laktosa. Selain itu, sonikasi berkelanjutan berkontribusi pada nukleasi sekunder, yang memastikan distribusi ukuran kristal (CSD) yang kecil.

Laktosa yang dikristalkan secara ultrasonik: Kristalisasi laktosa ultrasonik dapat dipengaruhi oleh penambahan karagenan atau whey (WPC).

Kristalisasi laktosa ultrasonik: Laktosa yang dikristalkan dalam berbagai kondisi: masukan energi ultrasonik, penambahan karagenan atau whey (WPC) memengaruhi ukuran kristal laktosa
penelitian dan gambar: ©Sanchez-García et al., 2018.

Manfaat Ultrasonik:

rendemen maksimum
waktu proses yang sangat singkat
ukuran kristal yang seragam
ukuran kristal yang dapat dikendalikan
bentuk kristal yang seragam

Dari Uji Kelayakan hingga Produksi dalam Jalur Proses: Sonokristalisasi Laktosa
Baca selengkapnya tentang peningkatan skala kristalisasi laktosa ultrasonik dari skala meja laboratorium hingga produksi industri!

Dari Limbah Cair menjadi Laktosa

Karena besarnya produksi susu, whey sering menjadi produk samping yang diperlakukan sebagai limbah cair. Pembuangan whey cair memerlukan biaya tinggi karena kebutuhan oksigen biologis (BOD) dan kandungan airnya yang tinggi. Ketika laktosa dipulihkan dari whey, produk limbah tersebut dimanfaatkan dalam tahap pascapengolahan untuk menghasilkan bubuk laktosa. Pemulihan laktosa mengurangi BOD whey lebih dari 80%, sehingga menjadikan produk samping tersebut bermanfaat dan lebih ramah lingkungan. Proses kristalisasi berbantuan ultrasonik meningkatkan pertumbuhan, rendemen, dan kualitas kristal.
Laktosa banyak digunakan sebagai bahan dalam industri pangan dan farmasi, sebagai bahan baku produksi laktitol, atau sebagai bahan dasar produksi poliester yang dapat terurai secara hayati melalui proses mikrobial.

UIP2000hdt adalah sonikator bertenaga 2000 watt dengan sel alir untuk kristalisasi laktosa industri dengan kapasitas pemrosesan yang tinggi.

UIP2000hdT, sonikator bertenaga 2000 watt dengan sel alir untuk kristalisasi industri dalam jalur proses

Peralatan Ultrasonik

Hielscher Ultrasonics menawarkan peralatan ultrasonik untuk proses sonokristalisasi – baik untuk sonikasi secara batch maupun untuk pengolahan dalam jalur proses menggunakan reaktor ultrasonik. Semua sonikator Hielscher dirancang untuk beroperasi terus-menerus (24 jam/ 7 hari/ 365 hari), sehingga memastikan pemanfaatan peralatan secara maksimum. Perangkat ultrasonik industri mulai dari 0,5kW hingga 16kW per unit sesuai untuk pengolahan komersial suspensi lewat jenuh dalam volume besar.

Pengolahan Laktosa Mutu Pangan

Sonikator Hielscher sangat efektif untuk mendorong dan mengendalikan kristalisasi laktosa dari larutan lewat jenuh. Dengan menerapkan kavitasi ultrasonik yang intens, sistem ini meningkatkan laju nukleasi, mengurangi waktu induksi, dan memungkinkan pembentukan kristal yang seragam dengan bentuk yang terdefinisi dengan baik. Hal ini menghasilkan kinetika kristalisasi yang lebih cepat serta pengendalian ukuran dan morfologi kristal yang lebih baik. Ideal untuk proses batch maupun proses kontinu dalam jalur proses, sonikator Hielscher menawarkan solusi yang dapat ditingkatkan skalanya dari penelitian dan pengembangan hingga produksi industri. Rekayasa Jerman yang tangguh dan kesesuaiannya dengan standar mutu farmasi menjadikannya sangat sesuai untuk aplikasi yang menuntut dalam pemurnian, formulasi, dan pengolahan laktosa.
Ultrasonikator Hielscher sesuai untuk produksi mutu pangan dan farmasi yang memenuhi standar cGMP. Sonikator Hielscher tersedia dengan sambungan berstandar saniter, sehingga memastikan kepatuhan penuh terhadap standar pengolahan higienis. Sonotrode ultrasonik (juga disebut probe atau horn) dan reaktor aliran tembus dirancang dengan geometri yang mendukung kelancaran aliran dan mudah dibersihkan, sehingga memudahkan pemeliharaan yang efisien dan meminimalkan waktu henti. Kavitasi ultrasonik itu sendiri berfungsi sebagai mekanisme pembersihan di tempat (CIP), yang mendukung pembersihan permukaan internal selama pengoperasian. Untuk lingkungan aseptik, semua sonotrode dan reaktor dapat disterilkan sepenuhnya dalam autoklaf. Berkat kebutuhan ruangnya yang ringkas, sistem Hielscher mudah diintegrasikan atau dipasang sebagai tambahan pada lini produksi yang sudah ada – menjadikannya ideal untuk peningkatan fasilitas kristalisasi mutu farmasi dan pangan.
Hubungi kami hari ini untuk mendapatkan informasi lebih lanjut! Hielscher Ultrasonics menawarkan berbagai solusi standar maupun yang disesuaikan untuk pengolahan susu dan pangan secara ultrasonik!

Ultrasonikator industri tipe probe UIP6000hdT (daya ultrasonik 6kW, frekuensi ultrasonik 20kHz) dengan reaktor sel alir untuk pengolahan ultrasonik kontinu larutan lewat jenuh untuk kristalisasi dan pengendapan dengan kapasitas pemrosesan yang tinggi.

Ultrasonikator UIP6000hdT dengan sel alir yang dapat diberi tekanan. Jaket pemanas/pendingin memungkinkan sonikasi pada suhu yang dinaikkan atau diturunkan.

Topik Terkait

Tentang Sonokristalisasi

Penerapan ultrasonik berdaya tinggi untuk menginduksi dan meningkatkan proses kristalisasi dikenal sebagai sonokristalisasi. Sonokristalisasi didasarkan pada penerapan “gelombang akustik untuk menginduksi perubahan fisikokimia pada material. Beberapa aplikasi umum ultrasonik berdaya tinggi mencakup penggunaannya untuk menginduksi reaksi kimia (sonokimia) dan mendorong kristalisasi (sonokristalisasi). Teknik-teknik ini telah menarik perhatian sejumlah industri, termasuk industri farmasi, kimia, dan pangan, berkat keunggulan yang ditawarkannya. Teknik ultrasonik layak secara ekonomi dan relatif mudah diintegrasikan ke dalam operasi industri. Teknik-teknik ini dapat digunakan untuk meningkatkan reproduksibilitas maupun rendemen produksi; teknik ini bersifat nontermal dan bersih bagi lingkungan”. [Martini 2013, 4]

Nukleasi dan Pertumbuhan Kristal

Kristalisasi didefinisikan sebagai proses pembentukan ketika kristal padat mengendap dari larutan lewat jenuh, lelehan, atau gas.
Proses kristalisasi terdiri atas dua tahap utama: nukleasi dan pertumbuhan kristal.
Selama nukleasi, molekul terlarut dalam larutan mulai membentuk gugus, yang harus cukup besar agar stabil pada kondisi operasi. Gugus yang stabil tersebut membentuk inti. Setelah ukuran kritis untuk membentuk inti yang stabil tercapai, tahap pertumbuhan kristal dimulai.
Pada fase pertumbuhan kristal, inti yang terbentuk menjadi lebih besar seiring bertambahnya molekul yang terikat pada gugus. Proses pertumbuhan bergantung pada derajat kejenuhan dan parameter lain seperti pencampuran yang seragam, suhu, dan sebagainya.
Teori kristalisasi klasik didasarkan pada konsep termodinamika bahwa suatu sistem terisolasi benar-benar stabil ketika entropinya tidak berubah.

Fakta tentang Laktosa

Laktosa (gula susu) adalah disakarida yang tersusun dari glukosa dan galaktosa yang dihubungkan oleh ikatan glikosidik β(1→4).
Karena adanya karbon kiral, laktosa dapat hadir dalam 2 jenis isomer berikut: α-laktosa atau β-laktosa. Laktosa paling sering ditemukan sebagai kristal α-laktosa monohidrat terhidrasi. Polimorf lainnya, β-laktosa anhidrat, lebih jarang ditemukan dan mengkristal di atas 93,5°C. Anomer α dan β memiliki sifat yang sangat berbeda. Polimorf tersebut dapat dibedakan berdasarkan rotasi spesifik (masing-masing +89°C dan +35°C untuk α-laktosa dan β-laktosa) serta kelarutan (masing-masing 70 dan 500g/L (pada 20°C) untuk α-laktosa dan β-laktosa). [McSweeney et al. 2009]
Laktosa merupakan karbohidrat utama dalam susu dan ditemukan pada konsentrasi 2–8 wt%. Laktosa tidak memiliki cita rasa dan memiliki tingkat kemanisan yang rendah. Laktosa bertindak sebagai gula pereduksi dan mendorong reaksi Maillard dan Stecker. Oleh karena itu, laktosa digunakan untuk meningkatkan warna dan cita rasa produk pangan seperti produk roti, pastri, dan kembang gula.
Laktosa merupakan bahan tambahan pangan yang banyak digunakan dan berfungsi sebagai pembawa, pengisi, penstabil, dan pengencer tablet dalam produk pangan dan farmasi.
α-laktosa adalah bentuk paling murni, yang digunakan untuk produk farmasi.
Laktosa merupakan bahan penting dalam hal cita rasa, aroma, dan reaksi pencokelatan.
Rumus: C₁₂H₂₂O₁₁
ID IUPAC: β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
Massa molar: 342,3 g/mol
Titik leleh: 202,8°C
Densitas: 1,53 g/cm³
Klasifikasi: FODMAP
Larut dalam: air, etanol

Literatur / Referensi

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.

Ultrasonik berkinerja tinggi! Rangkaian produk Hielscher mencakup seluruh spektrum, mulai dari ultrasonikator laboratorium yang ringkas, unit meja laboratorium, hingga sistem ultrasonik berskala industri penuh.

Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi dari skala laboratorium hingga industri.