Ultradźwiękowa krystalizacja laktozy
W wielu procesach mleczarskich jako produkt uboczny wytwarzane są duże ilości serwatki – określanej również jako permeat mleka. Ścieki te są bogate w laktozę, ale ich utylizacja jest zarówno kosztowna, jak i uciążliwa dla środowiska. Dzięki zastosowaniu ultradźwięków do odzyskiwania laktozy, objętość odpadów może zostać znacznie zmniejszona, przekształcając problematyczne ścieki w cenny zasób. Ultradźwięki ułatwiają szybką i wydajną krystalizację, dając dużą ilość jednolitych kryształów laktozy nadających się do użytku komercyjnego.
Produkcja laktozy
Laktoza jest produkowana ze stężonego roztworu laktozy (uzyskanej z serwatki). Stężona zawiesina laktozy musi zostać schłodzona do niskiej temperatury w celu wytrącenia kryształów. Po etapie wytrącania kryształy laktozy są oddzielane przez odwirowanie. Następnie kryształy są suszone do postaci proszku.
Etapy krystalizacji laktozy:
- koncentracja
- nukleacja
- Wzrost kryształów
- Zbiór/mycie
Ulepszona krystalizacja laktozy za pomocą sonikacji
Ultradźwięki są dobrze znane ze swojego pozytywnego wpływu na procesy krystalizacji i wytrącania (sonokrystalizacja). Sonikacja poprawia również tworzenie i wzrost kryształów laktozy.
Sono-krystalizacja laktozy pomaga uzyskać maksymalną wydajność kryształów laktozy w minimalnym czasie.
Szklany reaktor ultradźwiękowy do sonikacji inline
Dobry wzrost kryształów jest istotny dla zapewnienia wydajnego zbierania i mycia laktozy (ekstrakcja & oczyszczanie). Sonikacja powoduje przesycenie laktozy i inicjuje pierwotne zarodkowanie kryształów laktozy. Ponadto, ciągła sonikacja przyczynia się do wtórnej nukleacji, która zapewnia mały rozkład wielkości kryształów (CSD).
Ultradźwiękowa krystalizacja laktozy: Laktoza krystalizowana w różnych warunkach: ultradźwiękowy wkład energii, dodany karagen lub serwatka (WPC) wpływa na wielkość kryształów laktozy.
opracowanie i zdjęcie: ©Sanchez-García et al., 2018.
Korzyści ze stosowania ultradźwięków:
- maksymalna wydajność
- Bardzo krótki czas procesu
- Jednolity rozmiar kryształów
- Kontrolowany rozmiar kryształu
- jednolity kształt kryształu
Od wykonalności do produkcji liniowej: sonokrystalizacja laktozy
Dowiedz się więcej o zwiększaniu skali ultradźwiękowej krystalizacji laktozy od produkcji stacjonarnej do przemysłowej!
Od ścieków do laktozy
Ze względu na dużą produkcję mleczarską, serwatka jest często produktem ubocznym, który jest traktowany jako ściek. Usuwanie płynnej serwatki jest kosztowne ze względu na jej wysokie biologiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT) i zawartość wody. Gdy laktoza jest odzyskiwana z serwatki, produkt odpadowy jest wykorzystywany na etapie przetwarzania końcowego do produkcji laktozy w proszku. Odzysk laktozy zmniejsza BZT serwatki o ponad 80%, dzięki czemu produkt uboczny jest użyteczny i bardziej przyjazny dla środowiska. Proces krystalizacji wspomagany ultradźwiękami poprawia wzrost kryształów, wydajność i jakość.
Laktoza jest szeroko stosowana jako składnik w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym, jako surowiec do produkcji laktitolu lub jako materiał bazowy do mikrobiologicznej produkcji biodegradowalnych poliestrów.
UIP2000hdT, sonikator o mocy 2000 W z celą przepływową do przemysłowej krystalizacji w linii produkcyjnej
Sprzęt ultradźwiękowy
Firma Hielscher Ultrasonics oferuje urządzenia ultradźwiękowe do procesów sonokrystalizacji – albo do sonikacji wsadowej, albo do przetwarzania w linii produkcyjnej w reaktorze ultradźwiękowym. Wszystkie sonikatory firmy Hielscher są zaprojektowane do pracy ciągłej (24 godziny / 7 dni / 365 dni), zapewniając maksymalne wykorzystanie sprzętu. Przemysłowe urządzenia ultradźwiękowe o mocy od 0,5 kW do 16 kW na jednostkę nadają się do komercyjnego przetwarzania dużych ilości przesyconych zawiesin.
Przetwórstwo laktozy dopuszczonej do kontaktu z żywnością
Sonikatory firmy Hielscher są bardzo skuteczne w promowaniu i kontrolowaniu krystalizacji laktozy z przesyconych roztworów. Stosując intensywną kawitację ultradźwiękową, systemy te zwiększają szybkość zarodkowania, skracają czas indukcji i umożliwiają tworzenie jednolitych, dobrze zdefiniowanych kryształów. Skutkuje to szybszą kinetyką krystalizacji i lepszą kontrolą nad rozmiarem i morfologią kryształów. Idealne zarówno do procesów wsadowych, jak i ciągłych na linii produkcyjnej, sonikatory firmy Hielscher oferują skalowalne rozwiązania firmy R&D do produkcji przemysłowej. Ich solidna niemiecka konstrukcja i kompatybilność ze standardami klasy farmaceutycznej sprawiają, że szczególnie dobrze nadają się do wymagających zastosowań w oczyszczaniu, formułowaniu i przetwarzaniu laktozy.
Ultradźwięki firmy Hielscher nadają się do produkcji spożywczej i farmaceutycznej zgodnie ze standardami cGMP. Sonikatory firmy Hielscher są dostępne z armaturą sanitarną, zapewniającą pełną zgodność z higienicznymi standardami przetwarzania. Sonotrody ultradźwiękowe (zwane również sondami lub rogami) i reaktory przepływowe są zaprojektowane z opływową, łatwą do czyszczenia geometrią, co ułatwia wydajną konserwację i minimalizuje przestoje. Warto zauważyć, że kawitacja ultradźwiękowa sama w sobie działa jak mechanizm czyszczenia na miejscu (), wspomagając czyszczenie powierzchni wewnętrznej podczas pracy. W środowiskach aseptycznych wszystkie sonotrody i reaktory są w pełni autoklawowalne. Dzięki kompaktowym wymiarom, systemy firmy Hielscher można łatwo zintegrować lub doposażyć w istniejące linie produkcyjne, co czyni je idealnymi do modernizacji w zakładach farmaceutycznych i krystalizacji dopuszczonych do kontaktu z żywnością.
Skontaktuj się z nami już dziś, aby uzyskać więcej informacji! Firma Hielscher Ultrasonics oferuje różne znormalizowane i niestandardowe rozwiązania dla ultradźwiękowego przetwórstwa mleczarskiego i spożywczego!
Ultradźwiękowiec UIP6000hdT z ciśnieniową komorą przepływową. Płaszcz grzewczo-chłodzący umożliwia sonikację w podwyższonych lub obniżonych temperaturach.
Informacje o sonokrystalizacji
Gdy ultradźwięki mocy są stosowane w celu wywołania i poprawy procesów krystalizacji, jest to znane jako sonokrystalizacja. Sonokrystalizacja opiera się na zastosowaniu “Fale akustyczne wywołują zmiany fizykochemiczne w materiale. Niektóre typowe zastosowania ultradźwięków mocy obejmują ich wykorzystanie do wywoływania reakcji chemicznych (sonochemia) i promowania krystalizacji (sonokrystalizacja). Techniki te zwróciły uwagę kilku branż, w tym przemysłu farmaceutycznego, chemicznego i spożywczego, biorąc pod uwagę korzyści, jakie oferują. Techniki ultradźwiękowe są ekonomicznie opłacalne i stosunkowo łatwe do włączenia do działalności przemysłowej. Techniki te można wykorzystać do poprawy zarówno powtarzalności, jak i wydajności produkcji; są one nietermiczne i czyste dla środowiska”. [Martini 2013, 4].
Zarodkowanie i wzrost kryształów
Krystalizacja jest określana jako proces formowania, w którym stałe kryształy wytrącają się z przesyconego roztworu, stopu lub gazu.
Proces krystalizacji składa się z dwóch głównych etapów: zarodkowania i wzrostu kryształu.
Podczas zarodkowania rozpuszczone cząsteczki w roztworze zaczynają tworzyć klastry, które muszą być wystarczająco duże, aby były stabilne w warunkach pracy. Taki stabilny klaster tworzy jądro. Po osiągnięciu rozmiaru krytycznego do utworzenia stabilnego jądra rozpoczyna się etap wzrostu kryształu.
W fazie wzrostu kryształu utworzone jądra stają się większe, ponieważ więcej cząsteczek jest związanych z klastrem. Proces wzrostu zależy od stopnia nasycenia i innych parametrów, takich jak jednolite mieszanie, temperatura itp.
Klasyczna teoria krystalizacji opiera się na koncepcji termodynamicznej, zgodnie z którą odizolowany układ jest absolutnie stabilny, gdy jego entropia jest niezmienna.
Fakty na temat laktozy
Laktoza (cukier mleczny) jest disacharydem zbudowanym z glukozy i galaktozy połączonych wiązaniem β(1→4) glikozydowym.
Ze względu na obecność chiralnego węgla, laktoza może występować w postaci następujących 2 typów izomerów: α- lub β-laktoza. Laktoza najczęściej występuje w postaci uwodnionego kryształu monohydratu α-laktozy. Drugi polimorf, bezwodna β-laktoza, występuje rzadziej i krystalizuje w temperaturze powyżej 93,5°C. Anomery α i β mają bardzo różne właściwości. Polimorfy można rozróżnić na podstawie specyficznej rotacji (+89°C i +35°C odpowiednio dla α- i β-laktozy) oraz rozpuszczalności (70 i 500 g/l (w 20°C) odpowiednio dla α- i β-laktozy). [McSweeney et al. 2009].
Jest głównym węglowodanem mleka i występuje w stężeniu 2-8% wag. Laktoza jest bezsmakowa i ma niską słodycz. Laktoza działa jako cukier redukujący i promuje reakcje Maillarda i Steckera. Dzięki temu laktoza jest stosowana do poprawy koloru i smaku produktów spożywczych, takich jak pieczywo, ciasta i wyroby cukiernicze.
Laktoza jest szeroko stosowanym dodatkiem do żywności, który działa jako nośnik, wypełniacz, stabilizator i rozcieńczalnik tabletek w produktach spożywczych i farmaceutycznych.
α-laktoza jest najczystszą formą, która jest stosowana w produktach farmaceutycznych.
Laktoza jest ważnym składnikiem, jeśli chodzi o smak, aromat i reakcje brązowienia.
Formuła: C12H22O11
Identyfikator IUPAC: β-D-galaktopiranozylo-(1→4)-D-glukoza
Masa molowa: 342,3 g/mol
Temperatura topnienia: 202,8°C
Gęstość: 1,53 g/cm3
Klasyfikacja: FODMAP
Rozpuszczalny w: wodzie, etanolu
Literatura / Referencje
- 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.
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do rozmiar przemysłowy.