Ultrasone kristallisatie van lactose

In veel zuivelprocessen worden grote hoeveelheden wei - ook wel melkpermeaat genoemd - gegenereerd als bijproduct. Dit afvalwater is rijk aan lactose, maar de verwijdering ervan is zowel kostbaar als milieubelastend. Door ultrageluid toe te passen om de lactose terug te winnen, kan het afvalvolume aanzienlijk worden verminderd, waardoor een problematisch afvalwater wordt omgezet in een waardevolle hulpbron. Ultrasoonbehandeling vergemakkelijkt een snelle en efficiënte kristallisatie, wat een grote hoeveelheid uniforme lactosekristallen oplevert die geschikt zijn voor commercieel gebruik.

Lactose productie

Lactose wordt geproduceerd uit een geconcentreerde oplossing van lactose (gewonnen uit wei). De geconcentreerde lactoseslurry moet worden afgekoeld tot een lage temperatuur om kristallen te laten neerslaan. Na de neerslagstap worden de lactosekristallen gescheiden door centrifugeren. Daarna worden de kristallen gedroogd tot een poeder.
Stappen van Lactose Kristallisatie:

concentratie
nucleatie
Kristalgroei
Oogsten/wassen

Verbeterde kristallisatie van lactose door Sonicatie

Ultrasoon geluid staat bekend om zijn positieve invloed op kristallisatie- en neerslagprocessen (sonokristallisatie). Sonificatie verbetert ook de vorming en groei van lactosekristallen.
Sonokristallisatie van lactose helpt om een maximale opbrengst aan lactosekristallen te krijgen in een minimale tijd.

Ultrasone flowcel voor dispergeeren, oplossen en precipiteren/kristalliseren

Ultrasone glazen reactor voor inline sonicatie

Een goede kristalgroei is belangrijk om de lactose efficiënt te kunnen oogsten en wassen (extractie & zuivering). Sonificatie veroorzaakt een oververzadiging van lactose en initieert de primaire nucleatie van lactosekristallen. Bovendien draagt continue sonificatie bij aan een secundaire nucleatie, die zorgt voor een kleine kristalgrootteverdeling (CSD).

Ultrasonisch gekristalliseerde lactose: Ultrasone kristallisatie van lactose kan worden beïnvloed door de toevoeging van carrageen of wei (WPC).

Ultrasone kristallisatie van lactose: Lactose gekristalliseerd onder verschillende omstandigheden: ultrasone energie-input, toegevoegd carrageen of wei (WPC) beïnvloedt kristalgrootte lactose
studie en foto: ©Sanchez-García et al., 2018.

Voordelen van echografie:

maximaal rendement
zeer korte procestijd
uniforme kristalgrootte
regelbare kristalgrootte
uniforme kristalvorm

Van haalbaarheid tot inline productie: Sono-kristallisatie van lactose
Lees meer over de opschaling van ultrasone lactosekristallisatie van bench-top naar industriële productie!

Van afvalwater naar lactose

Vanwege de grote zuivelproductie is wei vaak een bijproduct dat wordt behandeld als afvalwater. De verwijdering van vloeibare wei is kostenintensief vanwege het hoge biologische zuurstofverbruik (BZV) en het hoge watergehalte. Als de lactose uit de wei wordt teruggewonnen, wordt het afvalproduct in een nabewerkingsstap gebruikt om lactosepoeder te produceren. De terugwinning van lactose vermindert de BOD van wei met meer dan 80%, waardoor het bijproduct nuttig en milieuvriendelijker wordt. Een ultrasoon ondersteund kristallisatieproces verbetert de kristalgroei, opbrengst en kwaliteit.
Lactose wordt veel gebruikt als ingrediënt in de voedings- en farmaceutische industrie, als grondstof voor de productie van lactitol of als basismateriaal voor de microbiële productie van biologisch afbreekbare polyesters.

De UIP2000hdt is een krachtige sonicator van 2000 watt met flowcel voor industriële kristallisatie van lactose met hoge doorvoer.

UIP2000hdT, een 2000 watt krachtige sonicator met flowcel voor industriële inline kristallisatie

Ultrasone apparatuur

Hielscher Ultrasonics biedt ultrasone apparatuur voor sono-kristallisatieprocessen – hetzij voor batchsonicatie of voor de inline verwerking in een ultrasone reactor. Alle Hielscher sonicators zijn ontworpen om continu te draaien (24 uur / 7d / 365d) en zorgen voor een maximaal gebruik van de apparatuur. Industriële ultrasone apparaten van 0,5 kW tot 16 kW per eenheid zijn geschikt voor de commerciële verwerking van grote volumes oververzadigde suspensies.

Lactoseverwerking van voedingskwaliteit

Hielscher sonicators zijn zeer effectief voor het bevorderen en beheersen van lactosekristallisatie uit oververzadigde oplossingen. Door intense ultrasone cavitatie toe te passen, verbeteren deze systemen de kiematiesnelheid, verkorten ze de inductietijden en maken ze de vorming van uniforme, goed gedefinieerde kristallen mogelijk. Dit resulteert in een snellere kristallisatiekinetiek en een betere controle over de kristalgrootte en morfologie. Ideaal voor zowel batch- als continue inline-processen, Hielscher sonicators bieden schaalbare oplossingen van R&D op industriële productie. Hun robuuste Duitse techniek en compatibiliteit met farmaceutische normen maken ze bijzonder geschikt voor veeleisende toepassingen in de lactosezuivering, formulering en verwerking.
Hielscher ultrasoonapparaten zijn geschikt voor productie van voedings- en farmaceutische kwaliteit die voldoet aan de cGMP-normen. Hielscher sonicators zijn verkrijgbaar met fittingen van sanitaire kwaliteit, die zorgen voor volledige naleving van hygiënische verwerkingsnormen. De ultrasone sonotrodes (ook wel sondes of hoorns genoemd) en doorstroomreactoren zijn ontworpen met gestroomlijnde, gemakkelijk te reinigen geometrieën, waardoor efficiënt onderhoud mogelijk is en uitvaltijd tot een minimum wordt beperkt. Met name ultrasone cavitatie zelf fungeert als een clean-in-place (CIP) mechanisme, dat de interne oppervlaktereiniging tijdens bedrijf ondersteunt. Voor aseptische omgevingen zijn alle sonotrodes en reactoren volledig autoclaveerbaar. Dankzij hun compacte voetafdruk kunnen Hielscher-systemen eenvoudig worden geïntegreerd of achteraf worden ingebouwd in bestaande productielijnen, waardoor ze ideaal zijn voor upgrades in farmaceutische en voedselveilige kristallisatiefaciliteiten.
Neem vandaag nog contact met ons op voor meer informatie! Hielscher Ultrasonics biedt verschillende gestandaardiseerde en op maat gemaakte oplossingen voor ultrasone zuivel- en voedselverwerking!

Industriële sonde-type ultrasoonapparaat UIP6000hdT (6kW ultrasoon vermogen, 20kHz ultrasone frequentie) met flowcelreactor voor continue ultrasone verwerking van oververzadigde oplossingen voor kristallisatie en precipitatie bij hoge doorvoer.

Ultrasone UIP6000hdT met drukregelbare stromingscel. Een verwarmings-/koelingsmantel maakt het mogelijk om te sonificeren bij verhoogde of verlaagde temperaturen.

Verwante onderwerpen

Over Sonokristallisatie

Wanneer ultrageluid wordt toegepast om kristallisatieprocessen op gang te brengen en te verbeteren, staat dit bekend als sonokristallisatie. Sonokristallisatie is gebaseerd op de toepassing van “akoestische golven om fysisch-chemische veranderingen in het materiaal teweeg te brengen. Enkele veelvoorkomende toepassingen van ultrageluid zijn het gebruik om chemische reacties op te wekken (sonochemie) en om kristallisatie te bevorderen (sonokristallisatie). Deze technieken hebben de aandacht getrokken van verschillende industrieën, waaronder de farmaceutische, chemische en voedingsmiddelenindustrie, gezien de voordelen die ze bieden. Ultrasoontechnieken zijn economisch haalbaar en relatief eenvoudig te integreren in industriële processen. Deze technieken kunnen worden gebruikt om zowel de reproduceerbaarheid als de opbrengst van de productie te verbeteren; ze zijn niet-thermisch en milieuvriendelijk.”. [Martini 2013, 4]

Nucleatie en kristalgroei

Kristallisatie wordt gedefinieerd als het vormingsproces waarbij vaste kristallen neerslaan uit een oververzadigde oplossing, smelt of gas.
Het kristallisatieproces bestaat uit twee hoofdfasen: de nucleatie en de kristalgroei.
Tijdens de nucleatie beginnen de opgeloste moleculen in de oplossing clusters te vormen, die groot genoeg moeten zijn om stabiel te blijven onder de bedrijfsomstandigheden. Zo'n stabiele cluster vormt een kern. Na het bereiken van de kritische grootte om een stabiele kern te vormen, begint de fase van kristalgroei.
In de fase van kristalgroei worden de gevormde kernen groter naarmate er meer moleculen aan het cluster worden gebonden. Het groeiproces hangt af van de verzadigingsgraad en andere parameters zoals uniforme menging, temperatuur enz.
De klassieke kristallisatietheorie is gebaseerd op de thermodynamische opvatting dat een geïsoleerd systeem absoluut stabiel is als de entropie onveranderlijk is.

Feiten over lactose

Lactose (melksuiker) is een disacharide opgebouwd uit glucose en galactose verbonden door een β(1→4) glycosidebinding.
Vanwege de aanwezigheid van een chirale koolstof kan lactose voorkomen in de vorm van de volgende 2 isomeren: α- of β-lactose. Lactose wordt het meest gevonden als gehydrateerd α-lactose monohydraat kristal. De andere polymorf, watervrije β-lactose, komt minder vaak voor en kristalliseert boven 93,5°C. De α- en β-anomeren hebben heel verschillende eigenschappen. De polymorfen kunnen onderscheiden worden door de specifieke rotatie (+89°C en +35°C voor respectievelijk α- en β-lactose) en oplosbaarheid (70 en 500g/L (bij 20°C) voor respectievelijk α- en β-lactose). [McSweeney et al. 2009]
Het is het belangrijkste koolhydraat in melk en komt voor in concentraties van 2-8 gewichtsprocent. Lactose is smaakloos en heeft een lage zoetheid. Lactose werkt als een reducerende suiker en bevordert de Maillard- en Stecker-reacties. Daarom wordt lactose gebruikt om de kleur en smaak van voedingsmiddelen zoals bakkerijproducten, gebak en suikerwerk te verbeteren.
Lactose is een veelgebruikt voedingsadditief dat fungeert als drager, vulstof, stabilisator en tabletverdunner in voedingsmiddelen en farmaceutische producten.
α-lactose is de zuiverste vorm, die wordt gebruikt voor farmaceutische producten.
Lactose is een belangrijk ingrediënt als het gaat om smaak, aroma en bruiningsreacties.
Formule: C₁₂H₂₂O₁₁
IUPAC ID: β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
Molaire massa: 342,3 g/mol
Smeltpunt: 202,8°C
Dichtheid: 1,53 g/cm³
Classificatie: FODMAP
Oplosbaar in: water, ethanol

Literatuur / Referenties

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.

Ultrasoon systeem met hoge prestaties! Het productassortiment van Hielscher omvat het volledige spectrum van compacte laboratorium-ultrasoneersystemen via werkbankmodellen tot volledig industriële ultrasone systemen.

Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.