cristallizzazione del lattosio a ultrasuoni
In molti processi lattiero-caseari, come sottoprodotto si generano grandi volumi di siero di latte, detto anche permeato di latte. Questo effluente è ricco di lattosio, ma il suo smaltimento è costoso ed ecologico. Applicando gli ultrasuoni per recuperare il lattosio, è possibile ridurre significativamente il volume dei rifiuti, trasformando un effluente problematico in una risorsa preziosa. L'ultrasuono facilita una cristallizzazione rapida ed efficiente, producendo un'elevata quantità di cristalli uniformi di lattosio adatti all'uso commerciale.
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.
Reattore a ultrasuoni in vetro per la sonicazione in linea
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 a una 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
Dalla fattibilità alla produzione in linea: Cristallizzazione sono del lattosio
Per saperne di più sullo scale-up della cristallizzazione del lattosio a ultrasuoni dal banco alla produzione industriale!
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.
UIP2000hdT, un potente sonicatore da 2000 watt con cella a flusso per la cristallizzazione industriale in linea
Apparecchiature a ultrasuoni
Hielscher Ultrasonics offre apparecchiature a ultrasuoni per i processi di sono-cristallizzazione – sia per la sonicazione in batch che per il trattamento in linea in un reattore a ultrasuoni. Tutti i sonicatori Hielscher sono progettati per funzionare in modo continuo (24 ore su 24, 7 giorni su 7 e 365 giorni su 365), 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 volumi di sospensioni supersature.
Lavorazione del lattosio per uso alimentare
I sonicatori Hielscher sono molto efficaci per promuovere e controllare la cristallizzazione del lattosio da soluzioni supersature. Applicando un'intensa cavitazione ultrasonica, questi sistemi aumentano i tassi di nucleazione, riducono i tempi di induzione e consentono la formazione di cristalli uniformi e ben definiti. Ciò si traduce in una cinetica di cristallizzazione più rapida e in un migliore controllo delle dimensioni e della morfologia dei cristalli. Ideali per i processi in linea sia in batch che in continuo, i sonicatori Hielscher offrono soluzioni scalabili da R&D alla produzione industriale. La robusta ingegneria tedesca e la compatibilità con gli standard farmaceutici li rendono particolarmente adatti alle applicazioni più impegnative nella purificazione, formulazione e lavorazione del lattosio.
Gli ultrasuonatori Hielscher sono adatti alla produzione alimentare e farmaceutica in conformità agli standard cGMP. I sonicatori Hielscher sono disponibili con raccordi di tipo sanitario, per garantire la piena conformità agli standard igienici di lavorazione. I sonotrodi a ultrasuoni (detti anche sonde o corni) e i reattori a flusso continuo sono progettati con geometrie snelle e facili da pulire, per facilitare una manutenzione efficiente e ridurre al minimo i tempi di fermo. In particolare, la cavitazione a ultrasuoni agisce essa stessa come meccanismo CIP (Clean-in-Place), favorendo la pulizia delle superfici interne durante il funzionamento. Per gli ambienti asettici, tutti i sonotrodi e i reattori sono completamente autoclavabili. Grazie al loro ingombro ridotto, i sistemi Hielscher sono facilmente integrabili o retrofittabili nelle linee di produzione esistenti, il che li rende ideali per l'aggiornamento degli impianti di cristallizzazione farmaceutici e alimentari.
Contattateci oggi stesso per avere maggiori informazioni! Hielscher Ultrasonics offre diverse soluzioni standardizzate e personalizzate per la lavorazione ad ultrasuoni di prodotti lattiero-caseari e alimentari!
Ultrasuonatore UIP6000hdT con cella a flusso pressurizzabile. Una camicia di riscaldamento/raffreddamento consente di sonicare a temperature elevate o ridotte.
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 (sicochimica) e per promuovere la cristallizzazione (sonocristallizzazione). Queste tecniche hanno ricevuto l'attenzione di diverse industrie, tra cui quella farmaceutica, chimica e alimentare, per i vantaggi che offrono. Le tecniche a ultrasuoni sono economicamente valide e relativamente facili da incorporare nelle operazioni industriali. 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
Letteratura / Riferimenti
- 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 produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensioni industriali.