Cristalização ultra-sónica da lactose
Em muitos processos lácteos, grandes volumes de soro de leite - também chamado de permeado de leite - são gerados como subproduto. Este efluente é rico em lactose, mas a sua eliminação é dispendiosa e onerosa para o ambiente. Ao aplicar o ultrassom para recuperar a lactose, o volume de resíduos pode ser significativamente reduzido, transformando um efluente problemático em um recurso valioso. Ultrasonication facilita a cristalização rápida e eficiente, produzindo uma grande quantidade de cristais de lactose uniformes adequados para uso comercial.
Fabrico de lactose
A lactose é produzida a partir de uma solução concentrada de lactose (obtida a partir do soro de leite). A pasta concentrada de lactose deve ser arrefecida a uma temperatura baixa para precipitar os cristais. Após a fase de precipitação, os cristais de lactose são separados por centrifugação. Em seguida, os cristais são secos até à obtenção de um pó.
Etapas da cristalização da lactose:
- concentração
- nucleação
- Crescimento de cristais
- Colheita/lavagem
Melhoria da cristalização da lactose por sonicação
Os ultra-sons são bem conhecidos pelo seu impacto positivo nos processos de cristalização e precipitação (sono-cristalização). A sonicação também melhora a formação e o crescimento dos cristais de lactose.
A sonocristalização da lactose ajuda a obter o rendimento máximo de cristais de lactose num tempo mínimo.
Reator de vidro ultrassónico para sonicação em linha
Um bom crescimento dos cristais é essencial para garantir uma colheita e lavagem eficientes da lactose (extração & purificação). A sonicação provoca uma supersaturação da lactose e inicia a nucleação primária dos cristais de lactose. Além disso, a sonicação contínua contribui para uma nucleação secundária, que assegura uma pequena distribuição do tamanho dos cristais (CSD).
Cristalização ultra-sônica da lactose: Lactose cristalizada sob diferentes condições: entrada de energia ultra-sônica, adicionado carragenina ou soro de leite (WPC) influencia o tamanho do cristal de lactose
estudo e imagem: ©Sanchez-García et al., 2018.
Benefícios dos ultra-sons:
- rendimento máximo
- tempo de processamento muito curto
- tamanho de cristal uniforme
- tamanho de cristal controlável
- forma de cristal uniforme
Da viabilidade à produção em linha: Sono-cristalização de Lactose
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Do efluente residual à lactose
Devido à grande produção de lacticínios, o soro de leite é frequentemente um subproduto que é tratado como efluente residual. A eliminação do soro de leite líquido é dispendiosa devido à sua elevada carência biológica de oxigénio (CBO) e teor de água. Quando a lactose é recuperada do soro de leite, o produto residual é utilizado numa etapa de pós-processamento para produzir lactose em pó. A recuperação da lactose reduz a DBO do soro de leite em mais de 80%, tornando o subproduto útil e mais amigo do ambiente. Um processo de cristalização assistido por ultra-sons melhora o crescimento, o rendimento e a qualidade dos cristais.
A lactose é amplamente utilizada como ingrediente na indústria alimentar e farmacêutica, como matéria-prima para a produção de lactitol ou como material de base para a produção microbiana de poliésteres biodegradáveis.
UIP2000hdT, um potente sonicador de 2000 watts com célula de fluxo para cristalização industrial em linha
Equipamento ultrassónico
Hielscher Ultrasonics oferece equipamento de ultra-sons para processos de sono-cristalização – quer para a sonicação em lote, quer para o processamento em linha num reator ultrassónico. Todos os sonicadores Hielscher são concebidos para funcionar continuamente (24 horas/7 dias/365 dias), assegurando a máxima utilização do equipamento. Os dispositivos ultra-sónicos industriais de 0,5 kW até 16 kW por unidade são adequados para o processamento comercial de grandes volumes de suspensões supersaturadas.
Processamento de lactose de qualidade alimentar
Os sonicadores Hielscher são altamente eficazes para promover e controlar a cristalização da lactose a partir de soluções supersaturadas. Ao aplicar cavitação ultra-sónica intensa, estes sistemas aumentam as taxas de nucleação, reduzem os tempos de indução e permitem a formação de cristais uniformes e bem definidos. Isto resulta numa cinética de cristalização mais rápida e num melhor controlo do tamanho e da morfologia dos cristais. Ideais para processos em linha contínuos e em lote, os sonicadores Hielscher oferecem soluções escaláveis de R&D à produção industrial. A sua robusta engenharia alemã e a compatibilidade com os padrões de qualidade farmacêutica tornam-nos particularmente adequados para aplicações exigentes na purificação, formulação e processamento de lactose.
Os ultrassons Hielscher são adequados para a produção alimentar e farmacêutica, em conformidade com as normas cGMP. Os sonicadores Hielscher estão disponíveis com acessórios de grau sanitário, garantindo a total conformidade com as normas de processamento higiénico. Os sonotrodos ultra-sónicos (também designados por sondas ou cornetas) e os reactores de fluxo contínuo são concebidos com geometrias simplificadas e fáceis de limpar, facilitando uma manutenção eficiente e minimizando o tempo de inatividade. Em particular, a própria cavitação ultra-sónica actua como um mecanismo de limpeza no local (CIP), apoiando a limpeza da superfície interna durante o funcionamento. Para ambientes assépticos, todos os sonotrodos e reactores são totalmente autoclaváveis. Graças ao seu tamanho compacto, os sistemas Hielscher são facilmente integrados ou adaptados às linhas de produção existentes, tornando-os ideais para actualizações em instalações de cristalização farmacêuticas e alimentares.
Contacte-nos hoje para obter mais informações! A Hielscher Ultrasonics oferece várias soluções padronizadas, bem como soluções personalizadas para processamento ultrassónico de produtos lácteos e alimentares!
Ultrassom UIP6000hdT com célula de fluxo pressurizável. Um colete de aquecimento/arrefecimento permite a sonicação a temperaturas elevadas ou baixas.
Sobre a Sonocristalização
Quando o ultrassom de potência é aplicado para induzir e melhorar os processos de cristalização, ele é conhecido como sonocristalização. A sonocristalização é baseada na aplicação de “ondas acústicas para induzir alterações físico-químicas no material. Algumas aplicações comuns dos ultra-sons de potência incluem a sua utilização para induzir reacções químicas (sonoquímica) e para promover a cristalização (sonocristalização). Estas técnicas têm merecido a atenção de várias indústrias, incluindo a farmacêutica, a química e a alimentar, dadas as vantagens que oferecem. As técnicas de ultra-sons são economicamente viáveis e relativamente fáceis de incorporar no funcionamento industrial. Estas técnicas podem ser utilizadas para melhorar a reprodutibilidade e o rendimento da produção; não são térmicas e são ambientalmente limpas”. [Martini 2013, 4]
Nucleação e crescimento de cristais
A cristalização é determinada como o processo de formação, onde os cristais sólidos precipitam a partir de uma solução supersaturada, fusão ou gás.
O processo de cristalização consiste em duas fases principais: a nucleação e o crescimento do cristal.
Durante a nucleação, as moléculas dissolvidas na solução começam a formar aglomerados, que devem ser suficientemente grandes para serem estáveis nas condições de funcionamento. Este aglomerado estável forma um núcleo. Depois de atingir o tamanho crítico para formar um núcleo estável, inicia-se a fase de crescimento do cristal.
Na fase de crescimento do cristal, os núcleos formados tornam-se maiores à medida que mais moléculas são ligadas ao aglomerado. O processo de crescimento depende do grau de saturação e de outros parâmetros como a mistura uniforme, a temperatura, etc.
A teoria clássica da cristalização baseia-se na conceção termodinâmica de que um sistema isolado é absolutamente estável quando a sua entropia é invariável.
Factos sobre a Lactose
A lactose (açúcar do leite) é um dissacárido constituído por glucose e galactose ligadas por uma ligação glicosídica β(1→4).
Devido à presença de um carbono quiral, a lactose pode apresentar-se sob a forma de 2 tipos de isómeros: α- ou β-lactose. A lactose é mais frequentemente encontrada como cristal hidratado de α-lactose mono-hidratada. O outro polimorfo, a β-lactose anidra, é menos comum e cristaliza acima de 93,5°C. Os anómeros α e β têm propriedades muito diferentes. Os polimorfos podem ser distinguidos pela rotação específica (+89°C e +35°C para α- e β-lactose, respetivamente) e solubilidade (70 e 500g/L (a 20°C) para α- e β-lactose, respetivamente). [McSweeney et al. 2009]
É o principal hidrato de carbono do leite e encontra-se em concentrações de 2-8% em peso. A lactose é insípida e tem uma baixa doçura. A lactose actua como um açúcar redutor e promove as reacções de Maillard e Stecker. Assim, a lactose é utilizada para realçar a cor e o sabor de produtos alimentares, tais como produtos de padaria, pastelaria e confeitaria.
A lactose é um aditivo alimentar amplamente utilizado que funciona como transportador, enchimento, estabilizador e diluente de comprimidos em produtos alimentares e farmacêuticos.
A α-lactose é a forma mais pura, que é utilizada em produtos farmacêuticos.
A lactose é um ingrediente importante quando se trata de reacções de sabor, aroma e escurecimento.
Fórmula: C12H22O11
Identificação IUPAC: β-D-galactopiranosil-(1→4)-D-glucose
Massa molar: 342,3 g/mol
Ponto de fusão: 202,8°C
Densidade: 1,53 g/cm3
Classificação: FODMAP
Solúvel em: água, etanol
Literatura / Referências
- 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.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultra-sónicos de alto desempenho a partir de laboratório para dimensão industrial.