Ultraskaņas laktozes kristalizācija

Daudzos piena procesos liels sūkalu daudzums - saukts arī par piena permeātu - tiek radīts kā blakusprodukts. Šie notekūdeņi ir bagāti ar laktozi, bet to apglabāšana ir gan dārga, gan apgrūtinoša videi. Izmantojot ultraskaņu, lai atgūtu laktozi, atkritumu daudzumu var ievērojami samazināt, pārvēršot problemātiskos notekūdeņus par vērtīgu resursu. Ultrasonication atvieglo ātru un efektīvu kristalizāciju, radot lielu daudzumu vienmērīgu laktozes kristālu, kas piemēroti komerciālai lietošanai.

Laktozes ražošana

Laktozi ražo no koncentrēta laktozes šķīduma (kas iegūts no sūkalām). Koncentrētā laktozes virca jāatdzesē līdz zemai temperatūrai, lai izgulsnētu kristālus. Pēc nogulsnēšanas laktozes kristālus atdala centrifugējot. Pēc tam kristālus žāvē līdz pulverim.
Laktozes kristalizācijas soļi:

Koncentrācija
Nukleācija
Kristāla augšana
Ražas novākšana/ mazgāšana

Uzlabota laktozes kristalizācija ar ultraskaņu

Ultraskaņa ir labi pazīstama ar savu pozitīvo ietekmi uz kristalizācijas un nokrišņu procesiem (sonokristalizācija). Ultraskaņas apstrāde uzlabo arī laktozes kristālu veidošanos un augšanu.
Laktozes sonokristalizācija palīdz iegūt maksimālu laktozes kristālu ražu minimālā laikā.

Ultraskaņas plūsmas šūna izkliedēšanai, izšķīdināšanai un nogulsnēšanai / kristalizācijai

Ultraskaņas stikla reaktors inline ultraskaņas apstrādei

Laba kristāla augšana ir būtiska, lai nodrošinātu efektīvu laktozes novākšanu un mazgāšanu (ekstrakcija) & attīrīšana). Ultraskaņas apstrāde izraisa laktozes pārsātinājumu un uzsāk laktozes kristālu primāro nukleāciju. Turklāt nepārtraukta ultraskaņas apstrāde veicina sekundāro nukleāciju, kas nodrošina ar mazu kristāla izmēru (CSD).

Ultrasoniski kristalizēta laktoze: Ultraskaņas laktozes kristalizāciju var ietekmēt, pievienojot karaginānu vai sūkalas (WPC).

Ultraskaņas laktozes kristalizācija: Laktoze kristalizēta dažādos apstākļos: ultraskaņas enerģijas ievade, pievienots karagināns vai sūkalas (WPC) ietekmē laktozes kristāla izmēru
pētījums un attēls: ©Sanchez-García et al., 2018.

Ultraskaņas priekšrocības:

maksimālā raža
ļoti īss procesa laiks
vienots kristāla izmērs
kontrolējams kristāla izmērs
vienmērīga kristāla forma

No iespējamības līdz inline ražošanai: laktozes sonokristalizācija
Lasiet vairāk par ultraskaņas laktozes kristalizācijas palielināšanu no stenda uz rūpniecisko ražošanu!

No notekūdeņiem līdz laktozei

Lielās piena ražošanas dēļ sūkalas bieži vien ir blakusprodukts, ko apstrādā kā notekūdeņu atkritumus. Šķidro sūkalu likvidēšana ir dārga, pateicoties augstajam bioloģiskā skābekļa patēriņam (BSP) un ūdens saturam. Kad laktoze tiek atgūta no sūkalām, atkritumu produkts tiek izmantots pēcapstrādes posmā, lai iegūtu laktozes pulveri. Laktozes atgūšana samazina sūkalu BSP par vairāk nekā 80%, padarot blakusproduktu noderīgu un videi draudzīgāku. Ultrasoniski atbalstīts kristalizācijas process uzlabo kristālu augšanu, ražu un kvalitāti.
Laktozi plaši izmanto kā sastāvdaļu pārtikas un farmācijas nozarē, kā izejvielu laktitola ražošanai vai kā pamatmateriālu bioloģiski noārdāmu poliesteru mikrobu ražošanai.

UIP2000hdt ir 2000 vatu jaudīgs ultraskaņas aparāts ar plūsmas šūnu laktozes rūpnieciskai kristalizācijai ar augstu caurlaidību.

UIP2000hdT, 2000 vatu jaudīgs sonikators ar plūsmas šūnu rūpnieciskai inline kristalizācijai

Ultraskaņas iekārtas

Hielscher Ultrasonics piedāvā ultraskaņas aprīkojumu sonokristalizācijas procesiem – vai nu partijas ultraskaņas apstrādei, vai inline apstrādei ultraskaņas reaktorā. Visi Hielscher ultraskaņas agregāti ir paredzēti nepārtrauktai darbībai (24 stundas / 7d / 365d), nodrošinot maksimālu aprīkojuma izmantošanu. Rūpnieciskās ultraskaņas ierīces no 0,5 kW līdz 16 kW uz vienību ir piemērotas liela apjoma pārsātināto suspensiju komerciālai apstrādei.

Pārtikas kvalitātes laktozes pārstrāde

Hielscher ultraskaņas agregāti ir ļoti efektīvi, lai veicinātu un kontrolētu laktozes kristalizāciju no pārsātinātiem šķīdumiem. Piemērojot intensīvu ultraskaņas kavitāciju, šīs sistēmas uzlabo kodolveidošanās ātrumu, samazina indukcijas laiku un ļauj veidot vienmērīgus, skaidri definētus kristālus. Tas rada ātrāku kristalizācijas kinētiku un uzlabotu kristālu lieluma un morfoloģijas kontroli. Ideāli piemēroti gan sēriju, gan nepārtrauktiem inline procesiem, Hielscher ultraskaņas aparāti piedāvā mērogojamus risinājumus no R&D rūpnieciskajai ražošanai. To izturīgā vācu inženierija un saderība ar farmaceitiskās kvalitātes standartiem padara tos īpaši piemērotus prasīgiem lietojumiem laktozes attīrīšanā, sagatavošanā un pārstrādē.
Hielscher ultraskaņas aparāti ir piemēroti pārtikas un farmācijas kvalitātes ražošanai, kas atbilst cGMP standartiem. Hielscher ultraskaņas agregāti ir pieejami ar sanitārās klases veidgabaliem, nodrošinot pilnīgu atbilstību higiēnas apstrādes standartiem. Ultraskaņas sonotrodes (sauktas arī par zondēm vai ragiem) un caurplūdes reaktori ir izstrādāti ar racionalizētu, viegli tīrāmu ģeometriju, kas atvieglo efektīvu apkopi un samazinot dīkstāvi. Proti, ultraskaņas kavitācija pati par sevi darbojas kā tīrs (CIP) mehānisms, atbalstot iekšējās virsmas tīrīšanu darbības laikā. Aseptiskai videi visi sonotrodi un reaktori ir pilnībā autoklāvējami. Pateicoties kompaktajam nospiedumam, Hielscher sistēmas ir viegli integrējamas vai modernizējamas esošajās ražošanas līnijās, padarot tās ideāli piemērotas farmaceitisko un pārtikas kristalizācijas iekārtu modernizācijai.
Sazinieties ar mums šodien, lai iegūtu vairāk informācijas! Hielscher Ultrasonics piedāvā dažādus standartizētus, kā arī pielāgotus risinājumus ultraskaņas piena un pārtikas pārstrādei!

Rūpnieciskā zondes tipa ultraskaņas aparāts UIP6000hdT (6kW ultraskaņas jauda, 20kHz ultraskaņas frekvence) ar plūsmas šūnu reaktoru nepārtrauktai ultraskaņas apstrādei pārsātinātiem šķīdumiem kristalizācijai un nokrišņiem ar augstu caurlaidību.

Ultrasonicator UIP6000hdT ar spiedīgu plūsmas šūnu. Apkures / dzesēšanas apvalks ļauj apstrādāt ar ultraskaņu paaugstinātā vai pazeminātā temperatūrā.

Saistītās tēmas

Par sonokristalizāciju

Kad jaudas ultraskaņa tiek pielietota, lai izraisītu un uzlabotu kristalizācijas procesus, to sauc par sonokristalizāciju. Sonokristalizācijas pamatā ir “akustiskie viļņi, lai izraisītu materiāla fizikāli ķīmiskās izmaiņas. Daži izplatīti jaudas ultraskaņas pielietojumi ietver tās izmantošanu, lai izraisītu ķīmiskas reakcijas (sonochemistry) un veicinātu kristalizāciju (sonokristalizāciju). Šīs metodes ir pievērsušas vairāku nozaru, tostarp farmācijas, ķīmijas un pārtikas rūpniecības, uzmanību, ņemot vērā to piedāvātās priekšrocības. Ultraskaņas metodes ir ekonomiski dzīvotspējīgas un salīdzinoši viegli iekļaujamas rūpnieciskajā darbībā. Šīs metodes var izmantot, lai uzlabotu gan reproducējamību, gan produkcijas ražību; tie nav termiski un ekoloģiski tīri”. [Mārtiņš 2013, 4]

Nukleācija un kristāla augšana

Kristalizāciju nosaka kā veidošanās procesu, kurā cietie kristāli izgulsnējas no pārsātināta šķīduma, kausējuma vai gāzes.
Kristalizācijas process sastāv no diviem galvenajiem posmiem: nukleācijas un kristāla augšanas.
Nukleācijas laikā izšķīdušās molekulas šķīdumā sāk veidot klasterus, kuriem jābūt pietiekami lieliem, lai tie būtu stabili darba apstākļos. Šāds stabils klasteris veido kodolu. Pēc kritiskā izmēra sasniegšanas, lai izveidotu stabilu kodolu, sākas kristāla augšanas stadija.
Kristāla augšanas fāzē veidotie kodoli kļūst lielāki, jo vairāk molekulu ir saistītas ar klasteri. Augšanas process ir atkarīgs no piesātinājuma pakāpes un citiem parametriem, piemēram, vienmērīgas sajaukšanas, temperatūras utt.
Klasiskās kristalizācijas teorijas pamatā ir termodinamiskā koncepcija, ka izolēta sistēma ir absolūti stabila, ja tās entropija ir nemainīga.

Fakti par laktozi

Laktoze (piena cukurs) ir disaharīds, kas veidots no glikozes un galaktozes, ko savieno β(1→4) glikozīdu saite.
Hirālā oglekļa klātbūtnes dēļ laktoze var rasties šādu 2 izomēru veidu veidā: α- vai β-laktoze. Laktoze visbiežāk sastopama kā hidratēts α-laktozes monohidrāta kristāls. Otrs polimorfs, bezūdens β-laktoze, ir retāk sastopams, un tas kristalizējas virs 93,5 °C. α- un β-anomēriem ir ļoti atšķirīgas īpašības. Polimorfus var atšķirt pēc īpatnējās rotācijas (attiecīgi +89°C un +35°C α- un β-laktozei) un šķīdības (70 un 500g/L (20°C temperatūrā) attiecīgi α- un β-laktozei). [McSweeney et al. 2009]
Tas ir galvenais piena ogļhidrāts un ir atrodams koncentrācijā 2-8 masas%. Laktoze ir bez garšas un ar zemu saldumu. Laktoze darbojas kā reducējošs cukurs un veicina Maillard un Stecker reakcijas. Tādējādi laktozi izmanto, lai uzlabotu pārtikas produktu, piemēram, maizes izstrādājumu, konditorejas izstrādājumu un konditorejas izstrādājumu, krāsu un garšu.
Laktoze ir plaši izmantota pārtikas piedeva, kas darbojas kā nesējs, pildviela, stabilizators un tablešu atšķaidītājs pārtikas un farmācijas produktos.
α-laktoze ir tīrākā forma, ko izmanto farmaceitiskiem produktiem.
Laktoze ir svarīga sastāvdaļa, ja runa ir par garšu, aromātu un brūnināšanas reakcijām.
Formula: C₁₂H₂₂O₁₁
IUPAC ID: β-D-galaktopiranozil-(1→4)-D-glikoze
Molmasa: 342,3 g/mol
Kušanas punkts: 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 ultrasonogrāfija! Hielscher produktu klāsts aptver pilnu spektru no kompaktā laboratorijas ultrasonikatora virs galda vienībām līdz pilnas rūpniecības ultraskaņas sistēmām.

Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.