Ultrasone lactosekristallisatie

Bij veel zuivelprocessen ontstaan grote hoeveelheden wei – ook wel melkpermeaat genoemd – als bijproduct. Deze afvalstroom is rijk aan lactose, maar de afvoer ervan is zowel kostbaar als belastend voor het milieu. Door ultrageluid toe te passen om de lactose terug te winnen, kan het afvalvolume aanzienlijk worden verminderd en wordt een problematische afvalstroom omgezet in een waardevolle grondstof. Ultrasone behandeling bevordert een snelle en efficiënte kristallisatie, die een grote hoeveelheid uniforme lactosekristallen oplevert die geschikt zijn voor commercieel gebruik.

Lactoseproductie

Lactose wordt geproduceerd uit een geconcentreerde lactoseoplossing (verkregen uit wei). De geconcentreerde lactosesuspensie moet tot een lage temperatuur worden gekoeld om kristallen te laten neerslaan. Na de neerslagstap worden de lactosekristallen door centrifugatie afgescheiden. Vervolgens worden de kristallen tot een poeder gedroogd.
Stappen van lactosekristallisatie:

Concentratie
Kiemvorming
Kristalgroei
Oogsten/ wassen

Verbeterde lactosekristallisatie door sonicatie

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

Ultrasone doorstroomcel voor dispergeren, oplossen en neerslag/kristallisatie

Ultrasone glazen reactor voor inline sonicatie

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

Ultrasoon gekristalliseerde lactose: ultrasone lactosekristallisatie kan worden beïnvloed door de toevoeging van carrageen of wei (WPC).

Ultrasone lactosekristallisatie: lactose gekristalliseerd onder verschillende omstandigheden: toevoer van ultrasone energie, toegevoegd carrageen of wei (WPC) beïnvloedt de grootte van lactosekristallen
onderzoek en afbeelding: ©Sanchez-García et al., 2018.

Voordelen van ultrageluid:

maximale opbrengst
zeer korte procestijd
uniforme kristalgrootte
regelbare kristalgrootte
uniforme kristalvorm

Van haalbaarheid tot inline productie: sonokristallisatie van lactose
Lees meer over de opschaling van ultrasone lactosekristallisatie van tafelopstelling tot industriële productie!

Van afvalstroom tot lactose

Door de omvangrijke zuivelproductie is wei vaak een bijproduct dat als afvalstroom wordt behandeld. De afvoer van vloeibare wei is kostbaar vanwege de hoge biologische zuurstofvraag (BOD) en het hoge watergehalte. Wanneer de lactose uit de wei wordt teruggewonnen, wordt het afvalproduct in een nabewerkingsstap benut om lactosepoeder te produceren. De terugwinning van lactose vermindert de BOD van wei met meer dan 80%, waardoor het bijproduct bruikbaar en milieuvriendelijker wordt. Een ultrasoon ondersteund kristallisatieproces verbetert de kristalgroei, opbrengst en kwaliteit.
Lactose wordt veel gebruikt als ingrediënt in de voedingsmiddelen- 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 een doorstroomcel voor industriële kristallisatie van lactose bij een hoge verwerkingscapaciteit.

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

Ultrasone apparatuur

Hielscher Ultrasonics biedt ultrasone apparatuur voor sonokristallisatieprocessen – zowel voor batchsonicatie als voor inline verwerking in een ultrasone reactor. Alle sonicators van Hielscher zijn ontworpen voor continu gebruik (24 uur/ 7d/ 365d), waardoor de apparatuur maximaal wordt benut. Industriële ultrasone apparaten van 0,5kW tot maximaal 16kW per eenheid zijn geschikt voor de commerciële verwerking van grote volumes oververzadigde suspensies.

Lactoseverwerking volgens voedingsmiddelenkwaliteit

Sonicators van Hielscher zijn zeer effectief voor het bevorderen en beheersen van lactosekristallisatie uit oververzadigde oplossingen. Door intense ultrasone cavitatie toe te passen, verhogen deze systemen de kiemvormingssnelheid, verkorten ze de inductietijden en maken ze de vorming van uniforme, duidelijk gedefinieerde kristallen mogelijk. Dit leidt tot een snellere kristallisatiekinetiek en een betere beheersing van de kristalgrootte en morfologie. Sonicators van Hielscher zijn ideaal voor zowel batchprocessen als continue inline processen en bieden schaalbare oplossingen van R&D tot industriële productie. Hun robuuste Duitse techniek en compatibiliteit met normen voor farmaceutische kwaliteit maken ze bijzonder geschikt voor veeleisende toepassingen bij de zuivering, formulering en verwerking van lactose.
Ultrasone apparaten van Hielscher zijn geschikt voor cGMP-conforme productie van producten van voedingsmiddelen- en farmaceutische kwaliteit. Sonicators van Hielscher zijn verkrijgbaar met hygiënische aansluitingen, waardoor volledig wordt voldaan aan de normen voor hygiënische verwerking. De ultrasone sonotrodes (ook wel sondes of hoorns genoemd) en doorstroomreactoren zijn ontworpen met gestroomlijnde, eenvoudig te reinigen geometrieën, wat efficiënt onderhoud vergemakkelijkt en stilstand tot een minimum beperkt. Met name de ultrasone cavitatie zelf werkt als een clean-in-place-mechanisme (CIP), dat de reiniging van interne oppervlakken tijdens bedrijf ondersteunt. Voor aseptische omgevingen zijn alle sonotrodes en reactoren volledig autoclaveerbaar. Dankzij hun compacte afmetingen kunnen systemen van Hielscher eenvoudig worden geïntegreerd in of achteraf worden ingebouwd in bestaande productielijnen – waardoor ze ideaal zijn voor het moderniseren van farmaceutische kristallisatiefaciliteiten en kristallisatiefaciliteiten voor producten van voedingsmiddelenkwaliteit.
Neem vandaag nog contact met ons op voor meer informatie! Hielscher Ultrasonics biedt diverse gestandaardiseerde oplossingen en oplossingen op maat voor de ultrasone verwerking van zuivel en voedingsmiddelen!

Industrieel ultrasoonapparaat met sonde UIP6000hdT (6kW ultrasoon vermogen, 20kHz ultrasone frequentie) met een doorstroomcelreactor voor de continue ultrasone verwerking van oververzadigde oplossingen voor kristallisatie en neerslag bij een hoge verwerkingscapaciteit.

Ultrasoonapparaat UIP6000hdT met een doorstroomcel die onder druk kan worden gezet. Een verwarmings-/ koelmantel maakt sonicatie bij verhoogde of verlaagde temperaturen mogelijk.

Verwante onderwerpen

Over sonokristallisatie

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

Kiemvorming en kristalgroei

Kristallisatie wordt gedefinieerd als het vormingsproces waarbij vaste kristallen neerslaan uit een oververzadigde oplossing, smelt of gas.
Het kristallisatieproces bestaat uit twee belangrijke fasen: kiemvorming en kristalgroei.
Tijdens de kiemvorming beginnen de opgeloste moleculen in de oplossing clusters te vormen, die groot genoeg moeten zijn om onder de bedrijfsomstandigheden stabiel te zijn. Een dergelijk stabiel cluster vormt een kiem. Nadat de kritische grootte voor de vorming van een stabiele kiem is bereikt, begint de fase van kristalgroei.
In de fase van kristalgroei worden de gevormde kiemen groter doordat meer moleculen zich aan het cluster binden. Het groeiproces hangt af van de verzadigingsgraad en andere parameters, zoals uniforme menging, temperatuur enz.
De klassieke kristallisatietheorie is gebaseerd op het thermodynamische idee dat een geïsoleerd systeem absoluut stabiel is wanneer zijn entropie onveranderlijk is.

Feiten over lactose

Lactose (melksuiker) is een disacharide die is opgebouwd uit glucose en galactose, verbonden door een β(1→4)-glycosidische binding.
Door de aanwezigheid van een chiraal koolstofatoom kan lactose voorkomen in de volgende 2 isomeervormen: α- of β-lactose. Lactose wordt het vaakst aangetroffen als gehydrateerd α-lactosemonohydraatkristal. De andere polymorf, watervrije β-lactose, komt minder vaak voor en kristalliseert boven 93,5°C. De α- en β-anomeren hebben zeer verschillende eigenschappen. De polymorfen kunnen worden onderscheiden aan de hand van 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 wt%. Lactose is smaakloos en heeft een geringe zoetheid. Lactose werkt als reducerende suiker en bevordert de Maillard- en Stecker-reacties. Daardoor wordt lactose gebruikt om de kleur en smaak van voedingsmiddelen zoals bakkerijproducten, gebak en zoetwaren te versterken.
Lactose is een veelgebruikt voedingsadditief dat als drager, vulstof, stabilisator en tabletverdunningsmiddel in voedingsmiddelen en farmaceutische producten fungeert.
α-lactose is de zuiverste vorm, die voor farmaceutische producten wordt gebruikt.
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.

Ultrasone technologie met hoge prestaties! Het productassortiment van Hielscher omvat het volledige spectrum, van het compacte ultrasoonapparaat voor het laboratorium via tafelapparaten tot volledig industriële ultrasone systemen.

Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties in formaten van laboratoriumformaat tot industrieel formaat.