Cristallizzazione del lattosio mediante ultrasuoni
In molti processi lattiero-caseari vengono generati come sottoprodotto grandi volumi di siero di latte – detto anche permeato del latte. Questo effluente è ricco di lattosio, ma il suo smaltimento è costoso e gravoso per l’ambiente. Applicando gli ultrasuoni per recuperare il lattosio, è possibile ridurre significativamente il volume dei rifiuti, trasformando un effluente problematico in una risorsa preziosa. La sonicazione facilita una cristallizzazione rapida ed efficiente, producendo un’elevata quantità di cristalli di lattosio uniformi, adatti all’impiego commerciale.
Produzione del lattosio
Il lattosio viene prodotto da una soluzione concentrata di lattosio (ottenuto dal siero di latte). La sospensione 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 mediante centrifugazione. Successivamente, i cristalli vengono essiccati per ottenere una polvere.
Fasi della cristallizzazione del lattosio:
- Concentrazione
- Nucleazione
- Crescita dei cristalli
- Raccolta/ lavaggio
Miglioramento della cristallizzazione del lattosio mediante sonicazione
Gli ultrasuoni sono ben noti per il loro effetto positivo sui processi di cristallizzazione e precipitazione (sonocristallizzazione). La sonicazione migliora anche la formazione e la crescita dei cristalli di lattosio.
La sonocristallizzazione del lattosio consente di ottenere la massima resa di cristalli di lattosio nel minor tempo possibile.
Reattore in vetro a ultrasuoni per la sonicazione in linea
Una buona crescita dei cristalli è fondamentale per garantire una raccolta e un lavaggio efficienti del lattosio (estrazione e purificazione). La sonicazione provoca una sovrasaturazione del lattosio e avvia la nucleazione primaria dei cristalli di lattosio. Inoltre, la sonicazione continua contribuisce alla nucleazione secondaria, che assicura una distribuzione ridotta delle dimensioni dei cristalli (CSD).
Cristallizzazione del lattosio mediante ultrasuoni: lattosio cristallizzato in condizioni diverse: l’apporto di energia ultrasonica e l’aggiunta di carragenina o siero di latte (WPC) influenzano le dimensioni dei cristalli di lattosio
studio e immagine: ©Sanchez-García et al., 2018.
Vantaggi degli ultrasuoni:
- massima resa
- tempo di processo molto breve
- dimensioni uniformi dei cristalli
- dimensioni controllabili dei cristalli
- forma uniforme dei cristalli
Dallo studio di fattibilità alla produzione in linea: sonocristallizzazione del lattosio
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Dall’effluente di scarto al lattosio
A causa degli elevati volumi della produzione lattiero-casearia, il siero di latte è spesso un sottoprodotto trattato come effluente di scarto. Lo smaltimento del siero di latte liquido è costoso a causa della sua elevata domanda biologica di ossigeno (BOD) e del suo contenuto d’acqua. Quando il lattosio viene recuperato dal siero di latte, il prodotto di scarto viene utilizzato in una fase di lavorazione successiva per produrre lattosio in polvere. Il recupero del lattosio riduce la BOD del siero di latte di oltre l’80%, rendendo il sottoprodotto utile e più rispettoso dell’ambiente. Un processo di cristallizzazione assistita da ultrasuoni migliora la crescita, la resa e la qualità dei cristalli.
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 watts con cella di flusso per la cristallizzazione industriale in linea
Apparecchiature a ultrasuoni
Hielscher Ultrasonics offre apparecchiature a ultrasuoni per i processi di sonocristallizzazione – sia per la sonicazione in batch sia per il trattamento in linea in un reattore a ultrasuoni. Tutti i sonicatori Hielscher sono progettati per funzionare in continuo (24hrs/ 7d/ 365d), garantendo il massimo utilizzo delle apparecchiature. I dispositivi industriali a ultrasuoni da 0,5kW fino a 16kW per unità sono adatti al trattamento commerciale di grandi volumi di sospensioni sovrasature.
Lavorazione del lattosio di grado alimentare
I sonicatori Hielscher sono altamente efficaci nel favorire e controllare la cristallizzazione del lattosio da soluzioni sovrasature. Applicando un’intensa cavitazione ultrasonica, questi sistemi aumentano le velocità 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 sia per i processi in batch sia per quelli continui in linea, i sonicatori Hielscher offrono soluzioni scalabili dalla ricerca e sviluppo alla produzione industriale. La loro robusta progettazione tedesca e la compatibilità con gli standard di grado farmaceutico li rendono particolarmente adatti ad applicazioni impegnative nella purificazione, formulazione e lavorazione del lattosio.
I sonicatori Hielscher sono adatti alla produzione di grado alimentare e farmaceutico conforme agli standard cGMP. I sonicatori Hielscher sono disponibili con raccordi sanitari, garantendo la piena conformità agli standard igienici di lavorazione. I sonotrodi a ultrasuoni (detti anche sonde o horn) e i reattori a flusso continuo sono progettati con geometrie lineari e facili da pulire, facilitando una manutenzione efficiente e riducendo al minimo i tempi di fermo. In particolare, la cavitazione ultrasonica stessa agisce come meccanismo di pulizia in situ (CIP), favorendo la pulizia delle superfici interne durante il funzionamento. Per gli ambienti asettici, tutti i sonotrodi e i reattori sono interamente autoclavabili. Grazie al loro ingombro ridotto, i sistemi Hielscher possono essere facilmente integrati nelle linee di produzione esistenti o installati per ammodernarle – il che li rende ideali per gli aggiornamenti degli impianti di cristallizzazione di grado farmaceutico e alimentare.
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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 comprendono il loro impiego per indurre reazioni chimiche (sonochimica) e favorire la cristallizzazione (sonocristallizzazione). Queste tecniche hanno attirato l’attenzione di diversi settori industriali, tra cui quello farmaceutico, chimico e alimentare, grazie ai vantaggi che offrono. Le tecniche a ultrasuoni sono economicamente sostenibili e relativamente facili da integrare nelle attività industriali. Queste tecniche possono essere utilizzate per migliorare sia la riproducibilità sia la resa della produzione; sono non termiche e pulite dal punto di vista ambientale”. [Martini 2013, 4]
Nucleazione e crescita dei cristalli
La cristallizzazione è definita come il processo di formazione in cui cristalli solidi precipitano da una soluzione sovrasatura, da un fuso o da un gas.
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 aggregati, che devono essere sufficientemente grandi da risultare stabili nelle condizioni operative. Un aggregato stabile di questo tipo forma un nucleo. Una volta raggiunta la dimensione critica necessaria per formare un nucleo stabile, inizia la fase di crescita dei cristalli.
Nella fase di crescita dei cristalli, i nuclei formati aumentano di dimensioni man mano che altre molecole si legano all’aggregato. Il processo di crescita dipende dal grado di saturazione e da altri parametri, quali l’uniformità della miscelazione, la temperatura ecc.
La teoria classica della cristallizzazione si basa sul concetto termodinamico secondo cui un sistema isolato è assolutamente stabile quando la sua entropia è invariabile.
Informazioni sul lattosio
Il lattosio (zucchero del latte) è un disaccaride costituito da glucosio e galattosio uniti da un legame glicosidico β(1→4).
Per la presenza di un carbonio chirale, il lattosio può presentarsi nei seguenti 2 tipi di isomeri: α-lattosio o β-lattosio. Il lattosio si trova più frequentemente sotto forma di cristallo idratato di α-lattosio monoidrato. L’altro polimorfo, il β-lattosio anidro, è meno comune e cristallizza al di sopra di 93,5°C. Gli anomeri α e β hanno proprietà molto diverse. I polimorfi possono essere distinti in base alla rotazione specifica (+89°C e +35°C rispettivamente per l’α-lattosio e il β-lattosio) e alla solubilità (70 e 500g/L (a 20°C) rispettivamente per l’α-lattosio e il β-lattosio). [McSweeney et al. 2009]
È il principale carboidrato del latte ed è presente in concentrazioni del 2–8 wt%. Il lattosio è insapore e ha una dolcezza ridotta. Il lattosio agisce come zucchero riducente e favorisce le reazioni di Maillard e Stecker. Per questo motivo, il lattosio viene utilizzato per migliorare il colore e il sapore di prodotti alimentari come prodotti da forno, prodotti di pasticceria e dolciumi.
Il lattosio è un additivo alimentare ampiamente utilizzato che funge da veicolo, riempitivo, stabilizzante e diluente per compresse nei prodotti alimentari e farmaceutici.
L’α-lattosio è la forma più pura, utilizzata per i prodotti farmaceutici.
Il lattosio è un ingrediente importante per il sapore, l’aroma e le reazioni di imbrunimento.
Formula: C12H22O11
Identificativo IUPAC: β-D-galattopiranosil-(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
Riferimenti bibliografici
- 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, dai modelli da laboratorio a quelli di dimensioni industriali.