Laktozes kristalizācija ar ultraskaņu

Daudzos piena pārstrādes procesos kā blakusprodukts rodas liels daudzums sūkalu – tās dēvē arī par piena permeātu. Šī notekplūsma ir bagāta ar laktozi, taču tās utilizācija ir gan dārga, gan rada slodzi videi. Izmantojot ultraskaņu laktozes atgūšanai, atkritumu apjomu var ievērojami samazināt, pārvēršot problemātisku notekplūsmu vērtīgā resursā. Apstrāde ar ultraskaņu veicina ātru un efektīvu kristalizāciju, ļaujot iegūt lielu daudzumu vienmērīgu laktozes kristālu, kas piemēroti komerciālai izmantošanai.

Laktozes ražošana

Laktozi ražo no koncentrēta laktozes šķīduma, kas iegūts no sūkalām. Koncentrētā laktozes suspensija jāatdzesē līdz zemai temperatūrai, lai izgulsnētu kristālus. Pēc izgulsnēšanas laktozes kristālus atdala centrifugējot. Pēc tam kristālus izžāvē, iegūstot pulveri.
Laktozes kristalizācijas posmi:

Koncentrēšana
Kristalizācijas kodolu veidošanās
Kristālu augšana
Savākšana/ mazgāšana

Uzlabota laktozes kristalizācija, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu

Ultraskaņa ir labi pazīstama ar savu pozitīvo ietekmi uz kristalizācijas un izgulsnēšanas procesiem (sonokristalizācija). Apstrāde ar ultraskaņu uzlabo arī laktozes kristālu veidošanos un augšanu.
Laktozes sonokristalizācija palīdz iegūt maksimālu laktozes kristālu iznākumu minimālā laikā.

Ultraskaņas plūsmas šūna disperģēšanai, šķīdināšanai un izgulsnēšanai/kristalizācijai

Ultraskaņas stikla reaktors apstrādei ar ultraskaņu plūsmā

Laba kristālu augšana ir būtiska, lai nodrošinātu efektīvu laktozes savākšanu un mazgāšanu (ekstrakciju un attīrīšanu). Apstrāde ar ultraskaņu izraisa laktozes pārsātinājumu un ierosina laktozes kristālu primāro kodolu veidošanos. Turklāt nepārtraukta apstrāde ar ultraskaņu veicina sekundāro kodolu veidošanos, kas nodrošina šauru kristālu izmēru sadalījumu (CSD).

Ar ultraskaņu kristalizēta laktoze: laktozes kristalizāciju ar ultraskaņu var ietekmēt karagināna vai sūkalu (WPC) pievienošana.

Laktozes kristalizācija ar ultraskaņu: dažādos apstākļos kristalizēta laktoze: ievadītā ultraskaņas enerģija, pievienotais karagināns vai sūkalas (WPC) ietekmē laktozes kristālu izmēru
pētījums un attēls: ©Sanchez-García et al., 2018.

Ultraskaņas priekšrocības:

maksimāls iznākums
ļoti īss procesa laiks
vienmērīgs kristālu izmērs
kontrolējams kristālu izmērs
vienmērīga kristālu forma

No īstenojamības izvērtēšanas līdz ražošanai plūsmā: laktozes sonokristalizācija
Lasiet vairāk par laktozes kristalizācijas ar ultraskaņu mērogošanu no galda iekārtām līdz rūpnieciskai ražošanai!

No atkritumu notekplūsmas līdz laktozei

Lielā piena produktu ražošanas apjoma dēļ sūkalas bieži ir blakusprodukts, ko uzskata par atkritumu notekplūsmu. Šķidro sūkalu utilizācija ir dārga to lielā bioloģiskā skābekļa patēriņa (BOD) un ūdens satura dēļ. Atgūstot laktozi no sūkalām, atkritumprodukts tiek izmantots turpmākās pārstrādes posmā laktozes pulvera ražošanai. Laktozes atgūšana samazina sūkalu BOD par vairāk nekā 80%, padarot šo blakusproduktu noderīgu un videi draudzīgāku. Ar ultraskaņu veicināts kristalizācijas process uzlabo kristālu augšanu, iznākumu un kvalitāti.
Laktozi plaši izmanto kā sastāvdaļu pārtikas un farmācijas nozarē, kā izejvielu laktitola ražošanai vai kā pamatizejvielu bioloģiski noārdāmu poliesteru mikrobiālai ražošanai.

UIP2000hdt ir jaudīga ultraskaņas apstrādes ierīce ar 2000 vatu jaudu un plūsmas šūnu laktozes rūpnieciskai kristalizācijai ar lielu ražīgumu.

UIP2000hdT, jaudīga ultraskaņas apstrādes ierīce ar 2000 vatu jaudu ar plūsmas šūnu rūpnieciskai kristalizācijai plūsmā

Ultraskaņas iekārtas

Hielscher Ultrasonics piedāvā ultraskaņas iekārtas sonokristalizācijas procesiem – gan apstrādei ar ultraskaņu partijās, gan apstrādei plūsmā ultraskaņas reaktorā. Visas Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces ir paredzētas nepārtrauktai darbībai (24 stundas/ 7 dienas/ 365 dienas), nodrošinot maksimālu iekārtu noslodzi. Rūpnieciskās ultraskaņas ierīces ar jaudu no 0,5kW līdz pat 16kW vienai ierīcei ir piemērotas lielu pārsātinātu suspensiju apjomu komerciālai apstrādei.

Laktozes apstrāde atbilstoši pārtikas kvalitātes prasībām

Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces ir ļoti efektīvas laktozes kristalizācijas veicināšanai un kontrolei pārsātinātos šķīdumos. Izmantojot intensīvu ultraskaņas kavitāciju, šīs sistēmas palielina kristalizācijas kodolu veidošanās ātrumu, saīsina indukcijas laiku un ļauj veidoties vienmērīgiem kristāliem ar skaidri izteiktu formu. Tas paātrina kristalizācijas kinētiku un uzlabo kristālu izmēra un morfoloģijas kontroli. Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces ir ideāli piemērotas gan procesiem partijās, gan nepārtrauktiem procesiem plūsmā un piedāvā mērogojamus risinājumus no pētniecības un izstrādes līdz rūpnieciskai ražošanai. To izturīgā vācu konstrukcija un saderība ar farmaceitiskās kvalitātes standartiem padara tās īpaši piemērotas prasīgiem laktozes attīrīšanas, formulēšanas un apstrādes lietojumiem.
Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces ir piemērotas pārtikas un farmaceitiskās kvalitātes ražošanai atbilstoši cGMP standartiem. Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces ir pieejamas ar higiēniskām prasībām atbilstošiem savienojumiem, nodrošinot pilnīgu atbilstību higiēniskas apstrādes standartiem. Ultraskaņas sonotrodes (sauktas arī par zondēm vai ragiem) un caurplūdes reaktori ir konstruēti ar plūdlīniju, viegli tīrāmu ģeometriju, kas atvieglo efektīvu apkopi un samazina dīkstāvi. Zīmīgi, ka pati ultraskaņas kavitācija darbojas kā tīrīšanas bez demontāžas (CIP) mehānisms, veicinot iekšējo virsmu tīrīšanu darbības laikā. Aseptiskai videi visas sonotrodes un reaktorus var pilnībā sterilizēt autoklāvā. Pateicoties kompaktajam izvietojumam, Hielscher sistēmas ir viegli integrējamas esošajās ražošanas līnijās vai uzstādāmas to modernizācijas laikā – tādēļ tās ir ideāli piemērotas farmācijas un pārtikas kvalitātes prasībām atbilstošu kristalizācijas ražotņu modernizācijai.
Sazinieties ar mums jau šodien, lai iegūtu vairāk informācijas! Hielscher Ultrasonics piedāvā dažādus standartizētus, kā arī pielāgotus risinājumus piena produktu un pārtikas apstrādei ar ultraskaņu!

Rūpnieciska zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīce UIP6000hdT (6kW ultraskaņas jauda, 20kHz ultraskaņas frekvence) ar plūsmas šūnas reaktoru nepārtrauktai pārsātinātu šķīdumu apstrādei ar ultraskaņu kristalizācijas un izgulsnēšanas nolūkā ar lielu ražīgumu.

Ultraskaņas apstrādes ierīce UIP6000hdT ar plūsmas šūnu, kurā var paaugstināt spiedienu. Sildīšanas/ dzesēšanas apvalks ļauj veikt apstrādi ar ultraskaņu paaugstinātā vai pazeminātā temperatūrā.

Saistītās tēmas

Par sonokristalizāciju

Ja lieljaudas ultraskaņu izmanto kristalizācijas procesu ierosināšanai un uzlabošanai, to sauc par sonokristalizāciju. Sonokristalizācijas pamatā ir “akustisko viļņu izmantošana fizikāli ķīmisku izmaiņu izraisīšanai materiālā. Daži izplatīti lieljaudas ultraskaņas lietojumi ietver tās izmantošanu ķīmisku reakciju ierosināšanai (sonoķīmija) un kristalizācijas veicināšanai (sonokristalizācija). Šīs metodes ir piesaistījušas vairāku nozaru, tostarp farmācijas, ķīmijas un pārtikas nozares, uzmanību to sniegto priekšrocību dēļ. Ultraskaņas metodes ir ekonomiski izdevīgas un samērā viegli ieviešamas rūpnieciskajā darbībā. Šīs metodes var izmantot, lai uzlabotu gan ražošanas atkārtojamību, gan iznākumu; tās ir netermiskas un ekoloģiski tīras”. [Martini 2013, 4]

Kristalizācijas kodolu veidošanās un kristālu augšana

Kristalizāciju definē kā veidošanās procesu, kurā cieti kristāli izgulsnējas no pārsātināta šķīduma, kausējuma vai gāzes.
Kristalizācijas process sastāv no diviem galvenajiem posmiem: kristalizācijas kodolu veidošanās un kristālu augšanas.
Kristalizācijas kodolu veidošanās laikā šķīdumā izšķīdušās molekulas sāk veidot kopas, kurām jābūt pietiekami lielām, lai tās būtu stabilas procesa apstākļos. Šāda stabila kopa veido kristalizācijas kodolu. Kad sasniegts kritiskais izmērs stabila kodola izveidei, sākas kristālu augšanas posms.
Kristālu augšanas fāzē izveidotie kodoli kļūst lielāki, jo kopai pievienojas vairāk molekulu. Augšanas process ir atkarīgs no piesātinājuma pakāpes un citiem parametriem, piemēram, vienmērīgas sajaukšanas, temperatūras u. c.
Klasiskā kristalizācijas teorija balstās uz termodinamisko priekšstatu, ka izolēta sistēma ir absolūti stabila, ja tās entropija ir nemainīga.

Fakti par laktozi

Laktoze (piena cukurs) ir disaharīds, kas sastāv no glikozes un galaktozes, kuras savieno β(1→4) glikozīdiskā saite.
Hirāla oglekļa atoma klātbūtnes dēļ laktoze var pastāvēt šādu 2 izomēru veidā: α- vai β-laktoze. Laktoze visbiežāk sastopama hidratēta α-laktozes monohidrāta kristāla veidā. Otrs polimorfs, bezūdens β-laktoze, ir retāk sastopams un kristalizējas temperatūrā virs 93,5°C. α- un β-anomēru īpašības ir ļoti atšķirīgas. Polimorfus var atšķirt pēc īpatnējās optiskās griešanas (+89°C un +35°C attiecīgi α- un β-laktozei) un šķīdības (70 un 500g/L (20°C temperatūrā) attiecīgi α- un β-laktozei). [McSweeney et al. 2009]
Tā ir galvenais piena ogļhidrāts, un tās koncentrācija ir 2–8 wt%. Laktozei nav izteiktas garšas, un tai ir zema salduma pakāpe. Laktoze darbojas kā reducējošs cukurs un veicina Maijāra un Stecker reakcijas. Tādēļ laktozi izmanto, lai uzlabotu tādu pārtikas produktu kā maizes izstrādājumu, konditorejas izstrādājumu un saldumu krāsu un garšu.
Laktoze ir plaši izmantota pārtikas piedeva, kas pārtikas un farmaceitiskajos produktos darbojas kā nesējviela, pildviela, stabilizators un tablešu atšķaidītājviela.
α-laktoze ir vistīrākā forma, ko izmanto farmaceitiskajos produktos.
Laktoze ir svarīga sastāvdaļa garšas, aromāta un brūnināšanās reakciju nodrošināšanai.
Formula: C₁₂H₂₂O₁₁
IUPAC identifikators: β-D-galaktopiranozil-(1→4)-D-glikoze
Molmasa: 342,3 g/mol
Kušanas temperatūra: 202,8°C
Blīvums: 1,53 g/cm³
Klasifikācija: FODMAP
Šķīst: ūdenī, etanolā

Literatūra / atsauces

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.

Augstas veiktspējas ultraskaņas tehnoloģijas! Hielscher produktu klāsts aptver visu spektru no kompaktas laboratorijas ultraskaņas apstrādes ierīces un galda iekārtām līdz pilnībā rūpnieciskām ultraskaņas sistēmām.

Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no laboratorijas mēroga līdz rūpnieciskam mērogam.