Cristallizzazione del lattosio a ultrasuoni
- In molti processi lattiero-caseari, il siero (permeato di latte) si presenta in grandi volumi come sottoprodotto. Il siero ha un alto contenuto di lattosio e deve essere smaltito, il che è costoso e ha un impatto ambientale.
- Recuperando il lattosio con gli ultrasuoni, è possibile ridurre drasticamente l'effluente del siero, mentre il lattosio recuperato è un prodotto commerciabile.
- L'ultrasuonoterapia favorisce una cristallizzazione rapida ed efficiente, con un'elevata resa di cristalli di lattosio uniformi.
Produzione di lattosio
Il lattosio viene prodotto da una soluzione concentrata di lattosio (ottenuto dal siero di latte). La soluzione concentrata di lattosio deve essere raffreddata a bassa temperatura per far precipitare i cristalli. Dopo la fase di precipitazione, i cristalli di lattosio vengono separati per centrifugazione. Successivamente, i cristalli vengono essiccati fino a diventare polvere.
Fasi della cristallizzazione del lattosio:
- concentrazione
- nucleazione
- Crescita dei cristalli
- Raccolta/lavaggio
Miglioramento della cristallizzazione del lattosio mediante sonicazione
Gli ultrasuoni sono noti per il loro impatto positivo sui processi di cristallizzazione e precipitazione (sono-cristallizzazione). La sonicazione migliora anche la formazione e la crescita dei cristalli di lattosio.
La sono-cristallizzazione del lattosio aiuta a ottenere la massima resa di cristalli di lattosio in un tempo minimo.
Un buon accrescimento dei cristalli è fondamentale per garantire un'efficiente raccolta e lavaggio del lattosio (estrazione & purificazione). La sonicazione provoca una supersaturazione del lattosio e avvia la nucleazione primaria dei cristalli di lattosio. Inoltre, la sonicazione continua contribuisce alla nucleazione secondaria, che assicura una piccola distribuzione delle dimensioni dei cristalli (CSD).
Cristallizzazione del lattosio a ultrasuoni: Il lattosio cristallizzato in condizioni diverse: l'apporto di energia ad ultrasuoni, l'aggiunta di carragenina o siero di latte (WPC) influenza la dimensione dei cristalli di lattosio.
studio e immagine: ©Sanchez-García et al., 2018.
Vantaggi degli ultrasuoni:
- rendimento massimo
- tempo di processo molto breve
- dimensione uniforme dei cristalli
- dimensione del cristallo controllabile
- forma uniforme del cristallo
Dagli effluenti dei rifiuti al lattosio
A causa della grande produzione lattiero-casearia, il siero di latte è spesso un sottoprodotto che viene trattato come effluente di scarto. Lo smaltimento del siero liquido è costoso a causa dell'elevata richiesta biologica di ossigeno (BOD) e del contenuto di acqua. Quando il lattosio viene recuperato dal siero, il prodotto di scarto viene utilizzato in una fase di post-trattamento per produrre lattosio in polvere. Il recupero del lattosio riduce il BOD del siero di oltre l'80%, rendendo il sottoprodotto utile e più rispettoso dell'ambiente. Un processo di cristallizzazione assistito da ultrasuoni migliora la crescita dei cristalli, la resa e la qualità.
Il lattosio è ampiamente utilizzato come ingrediente nell'industria alimentare e farmaceutica, come materia prima per la produzione di lattitolo o come materiale di base per la produzione microbica di poliesteri biodegradabili.
Apparecchiature a ultrasuoni
Hielscher Ultrasonics vi offre apparecchiature ad ultrasuoni per i processi di sonocristallizzazione – sia per la sonicazione in batch che per il trattamento in linea in un reattore a ultrasuoni. Tutti i nostri dispositivi a ultrasuoni sono progettati per funzionare in modo continuo (24 ore/ 7 giorni/ 365 giorni), garantendo il massimo utilizzo dell'apparecchiatura. I dispositivi industriali a ultrasuoni da 0,5kW a 16kW per unità sono adatti per il trattamento commerciale di grandi sospensioni di siero di latte.
Lavorazione di grado alimentare
I sistemi a ultrasuoni Hielscher sono disponibili con raccordi sanitari. I sonotrodi a ultrasuoni (sonde/corna) e i reattori sono caratterizzati da una geometria semplice per una facile pulizia. La cavitazione a ultrasuoni funziona come un sistema CIP (cleaner-in-place). I nostri sonotrodi e reattori sono autoclavabili.
Grazie all'ingombro ridotto, i sistemi a ultrasuoni Hielscher possono essere facilmente integrati o installati in un secondo momento nella struttura esistente.
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Letteratura/riferimenti
- Deora, N.S.; Misra, N.N.; Deswal, A.; Mishra, H.N.; Cullen, P.J.; Tiwari, B.K. (2013): Ultrasuoni per migliorare la cristallizzazione nella lavorazione degli alimenti. 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): Sonocristallizzazione del lattosio in un sistema acquoso. International Dairy Journal 35. 2014. 43-48.
- Kougoulos E, Marziano I, Miller PR. (2010): Ingegneria delle particelle di lattosio: influenza degli ultrasuoni e dell'antisolvente sull'aspetto cristallino e sulle dimensioni delle particelle. J Cryst Growth 312(23):3509-20.
- Martini, Silvana (2013): Sonocristallizzazione dei grassi. Springer Briefs in Food, Health, and Nutrition. 2013.
- Yanira I. Sánchez-García, Karen S. García-Vega, Martha Y. Leal-Ramos, Ivan Salmeron, Néstor Gutiérrez-Méndez (2018): Cristallizzazione assistita da ultrasuoni del lattosio in presenza di proteine del siero e κ-carragenina. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 42, 2018. 714-722.
- McSweeney, P.L.H.; Fox P.F. (2009): Chimica lattiero-casearia avanzata. Vol. 3. Lattosio, acqua, sali e vitamine. New York: Springer Science + Business Media. 759p.
- Patel, S.R.; Murthy, Z.V.P. (2011): Effetto dei parametri di processo sulle dimensioni dei cristalli e sulla morfologia del lattosio nella cristallizzazione assistita da ultrasuoni. Crystal Research Technology 46/3. 2011. 243-248.
- Wong, S.Y.; Hartel, R.W. (2014): Cristallizzazione nella raffinazione del lattosio – Una revisione. Journal of Food Science 79/3, 2014. 257-272.
Informazioni sulla sonocristallizzazione
Quando gli ultrasuoni di potenza vengono applicati per indurre e migliorare i processi di cristallizzazione, si parla di sonocristallizzazione. La sonocristallizzazione si basa sull'applicazione di “onde acustiche per indurre cambiamenti fisico-chimici nel materiale. Alcune applicazioni comuni degli ultrasuoni di potenza includono il loro uso per indurre reazioni chimiche (sionochimica) e per promuovere la cristallizzazione (sonocristallizzazione). Queste tecniche hanno ricevuto l'attenzione di diversi settori industriali, tra cui quello farmaceutico, chimico e alimentare, per i vantaggi che offrono. Le tecniche a ultrasuoni sono economicamente valide e relativamente facili da incorporare nelle operazioni industriali. Queste tecniche possono essere utilizzate per migliorare la riproducibilità e la resa della produzione; non sono termiche e sono pulite dal punto di vista ambientale.”. [Martini 2013, 4]
Nucleazione e crescita dei cristalli
Per cristallizzazione si intende il processo di formazione in cui i cristalli solidi precipitano da una soluzione, una fusione o un gas sovrasaturi.
Il processo di cristallizzazione consiste in due fasi principali: la nucleazione e la crescita dei cristalli.
Durante la nucleazione, le molecole disciolte nella soluzione iniziano a formare cluster, che devono essere abbastanza grandi da essere stabili nelle condizioni operative. Un cluster così stabile forma un nucleo. Dopo aver raggiunto la dimensione critica per formare un nucleo stabile, inizia la fase di crescita del cristallo.
Nella fase di crescita dei cristalli, i nuclei formati diventano più grandi poiché un maggior numero di molecole si lega al cluster. Il processo di crescita dipende dal grado di saturazione e da altri parametri come la miscelazione uniforme, la temperatura, ecc.
La teoria classica della cristallizzazione si basa sulla concezione termodinamica secondo cui un sistema isolato è assolutamente stabile quando la sua entropia è invariabile.
Fatti sul lattosio
Il lattosio (zucchero del latte) è un disaccaride formato da glucosio e galattosio collegati da un legame glicosidico β(1→4).
A causa della presenza di un carbonio chirale, il lattosio può presentarsi sotto forma dei seguenti 2 tipi di isomeri: α- o β-lattosio. Il lattosio si trova più frequentemente come cristallo idrato di α-lattosio monoidrato. L'altro polimorfo, il β-lattosio anidro, è meno comune e cristallizza a temperature superiori a 93,5°C. Gli anomeri α e β hanno proprietà molto diverse. I polimorfi si distinguono per la rotazione specifica (+89°C e +35°C per l'α- e il β-lattosio, rispettivamente) e la solubilità (70 e 500g/L (a 20°C) per l'α- e il β-lattosio, rispettivamente). [McSweeney et al. 2009].
È il principale carboidrato del latte e si trova in concentrazioni del 2-8% in peso. Il lattosio è insapore e poco dolce. Il lattosio agisce come zucchero riducente e promuove le reazioni di Maillard e Stecker. Pertanto, il lattosio viene utilizzato per migliorare il colore e il sapore di prodotti alimentari come prodotti da forno, pasticceria e confetteria.
Il lattosio è un additivo alimentare ampiamente utilizzato che funge da supporto, riempitivo, stabilizzante e diluente per compresse in prodotti alimentari e farmaceutici.
L'α-lattosio è la forma più pura, utilizzata per i prodotti farmaceutici.
Il lattosio è un ingrediente importante per le reazioni di sapore, aroma e doratura.
Formula: C12H22O11
ID IUPAC: β-D-galactopiranosil-(1→4)-D-glucosio
Massa molare: 342,3 g/mol
Punto di fusione: 202,8°C
Densità: 1,53 g/cm3
Classificazione: FODMAP
Solubile in: acqua, etanolo
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