超音波乳糖結晶化
多くの酪農プロセスでは、副産物として大量の乳清（乳浸透液とも呼ばれる）が発生する。この廃液には乳糖が豊富に含まれているが、その処理にはコストと環境負荷がかかる。超音波を利用して乳糖を回収することで、廃棄物の量を大幅に減らすことができ、問題のある廃液を貴重な資源に変えることができます。超音波処理により、迅速かつ効率的な結晶化が促進され、商業利用に適した均一な乳糖結晶が大量に得られる。
乳糖製造
乳糖は乳清から得られる乳糖の濃縮溶液から製造される。濃縮された乳糖スラリーは、結晶を沈殿させるために低温に冷却されなければならない。沈殿の後、遠心分離によって乳糖の結晶を分離する。その後、結晶を乾燥させて粉末にする。
乳糖の結晶化のステップ：
- 集中
- 核生成
- 結晶成長
- 収穫・洗浄
超音波処理による乳糖結晶化の改善
超音波は、結晶化と沈殿のプロセス（超音波結晶化）に良い影響を与えることでよく知られている。超音波は乳糖結晶の形成と成長も改善する。
乳糖のソノ晶析は、最短時間で最大の乳糖結晶収率を得るのに役立つ。
インライン超音波処理用超音波ガラスリアクタ
乳糖の効率的な収穫と洗浄（抽出）を確実にするためには、結晶の成長が良好であることが重要である。 & 精製）。ソニケーションはラクトースの過飽和を引き起こし、ラクトース結晶の一次核形成を開始する。さらに、連続的な超音波処理は二次核形成に寄与し、小さな結晶サイズ分散（CSD）を保証する。
超音波乳糖結晶化：超音波エネルギー入力、添加カラギーナンまたは乳清（WPC）が乳糖結晶サイズに影響する。
study and picture: ©Sanchez-García et al, 2018.
超音波の利点：
- 最大収穫量
- 非常に短いプロセス時間
- 均一な結晶サイズ
- 制御可能な結晶サイズ
- 均一な結晶形状
実現可能性からインライン生産へ：乳糖のソノ結晶化
超音波乳糖晶析のベンチトップから工業生産へのスケールアップについてもっと読む！
廃液から乳糖へ
大規模な酪農生産のため、ホエイはしばしば副産物として廃液として処理される。液体ホエーの廃棄は、その高い生物学的酸素要求量（BOD）と含水量のためにコストがかかる。乳清から乳糖を回収すると、廃棄物は後処理工程で利用され、乳糖パウダーが製造される。乳糖の回収により、ホエーのBODは80％以上減少し、副産物は有用で環境に優しいものとなる。超音波アシスト結晶化プロセスにより、結晶の成長、収量、品質が向上する。
乳糖は、食品および製薬産業の原料として、またラクチトールの製造原料として、あるいは生分解性ポリエステルの微生物生産の基材として広く使用されている。
UIP2000hdT、2000ワットの強力なソニケーター 工業用インライン晶析用フローセル付き
超音波装置
Hielscher Ultrasonics社は超音波結晶化プロセス用の超音波装置を提供しています。 – バッチ式超音波処理にも、超音波リアクターでのインライン処理にも使用できます。全てのHielscher社製ソニケーターは連続運転（24時間/7日/365日）が可能なように設計されており、装置の最大限の活用をお約束します。1台あたり0.5kWから16kWまでの工業用超音波装置は、大量の過飽和懸濁液の商業的処理に適しています。
食品グレードの乳糖加工
Hielscher社製ソニケーターは、過飽和溶液からの乳糖結晶化を促進・制御するのに非常に効果的です。強力な超音波キャビテーションを加えることで、これらのシステムは核生成速度を高め、誘導時間を短縮し、均一で明確な結晶の形成を可能にします。その結果、結晶化速度が速くなり、結晶のサイズと形態の制御が改善されます。バッチプロセスにも連続インラインプロセスにも理想的なHielscherのソニケーターは、R&Dから工業生産まで。堅牢なドイツ製エンジニアリングと医薬品グレードの規格への適合性により、乳糖の精製、製剤化、加工における要求の厳しい用途に特に適している。
Hielscher の超音波発生装置は、cGMP 基準に準拠した食品および医薬品グレードの製造に適しています。Hielscher 社の超音波装置は、衛生的な加工基準に完全に準拠するよう、サニタリーグレードのフィッティングをご用意しています。超音波ソノトロード（プローブまたはホーンとも呼ばれる）とフロースルーリアクターは、合理的で洗浄しやすい形状に設計されており、効率的なメンテナンスを容易にし、ダウンタイムを最小限に抑えます。特筆すべきは、超音波キャビテーション自体がクリーンインプレイス（CIP）メカニズムとして機能し、運転中の内部表面洗浄をサポートすることです。無菌環境のために、すべてのソノトロードとリアクターは完全にオートクレーブ可能です。コンパクトな設置面積のため、Hielscherのシステムは既存の生産ラインに簡単に統合または後付けすることができ、製薬および食品グレードの晶析設備のアップグレードに理想的です。
今すぐお問い合わせください！Hielscher Ultrasonicsは、超音波乳製品および食品加工用の様々な標準化されたソリューションだけでなく、カスタマイズされたソリューションも提供しています！
超音波発生装置 UIP6000hdT 加圧可能なフローセル加熱/冷却ジャケットにより、高温または低温での超音波処理が可能。
超音波結晶化について
パワー超音波が結晶化プロセスを誘導し、改善するために適用される場合、それは音波結晶化として知られている。超音波結晶化は “音響波を使って、材料の物理化学的変化を誘発する。パワー超音波の一般的な応用例としては、化学反応の誘導（ソノケミストリー）や結晶化の促進（ソノクリスタリゼーション）などがある。これらの技術は、その利点から製薬、化学、食品産業を含むいくつかの産業で注目されている。超音波技術は経済的に実行可能であり、工業的操業に組み込むのが比較的容易である。これらの技術は、生産の再現性と歩留まりの両方を向上させるために使用することができ、非熱的で環境的にクリーンである。”.[Martini 2013, 4] 。
核生成と結晶成長
晶析とは、過飽和の溶液、融液、気体から固体の結晶が析出する形成過程と定義される。
結晶化プロセスは、核生成と結晶成長という2つの主要な段階からなる。
核形成の際、溶液中の溶解分子はクラスターを形成し始めるが、このクラスターは使用条件下で安定するのに十分な大きさでなければならない。このような安定したクラスターが核を形成する。安定した核を形成する臨界サイズに達した後、結晶成長の段階が始まる。
結晶成長の段階では、形成された核は、より多くの分子がクラスターに結合するにつれて大きくなる。成長プロセスは、飽和グレードや、均一混合、温度などの他のパラメータに依存する。
古典的な結晶化理論は、孤立した系はそのエントロピーが不変であれば絶対的に安定であるという熱力学的概念に基づいている。
乳糖に関する事実
乳糖はグルコースとガラクトースがβ(1→4)グリコシド結合で結合した二糖類である。
不斉炭素が存在するため、乳糖はα-またはβ-ラクトースの2種類の異性体の形で存在する。乳糖は水和α-乳糖一水和物結晶として最も頻繁に見出される。もう一方の多形体である無水β-ラクトースはあまり一般的ではなく、93.5℃以上で結晶化する。α-アノマーとβ-アノマーは性質が大きく異なる。多形体は比旋光度（α-ラクトースは+89℃、β-ラクトースは+35℃）と溶解度（α-ラクトースは70g/L、β-ラクトースは500g/L（20℃））で区別できる。[McSweeney et al.］
牛乳の主な炭水化物で、2～8wt％の濃度で含まれている。乳糖は風味がなく、甘味が少ない。乳糖は還元糖として働き、メイラード反応やステッカー反応を促進する。そのため、乳糖はベーカリー製品、ペストリー、菓子などの食品の色や風味を向上させるために使用される。
乳糖は広く使用されている食品添加物で、食品や医薬品の担体、充填剤、安定剤、錠剤希釈剤として機能する。
α-ラクトースは最も純粋な形態で、医薬品に使用される。
乳糖は風味、香り、褐変反応に関して重要な成分である。
式C12H22O11
IUPAC ID: β-D-ガラクトピラノシル-(1→4)-D-グルコース
モル質量342.3 g/mol
融点：202.8
密度：1.53g/cm3
分類FODMAP
可溶性：水、エタノール
文献・参考文献
- 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.
