Cristalizarea lactozei cu ultrasunete
În multe procese din industria laptelui se generează ca produs secundar volume mari de zer – denumit și permeat de lapte. Acest efluent este bogat în lactoză, însă eliminarea sa este atât costisitoare, cât și o povară pentru mediu. Prin aplicarea ultrasunetelor pentru recuperarea lactozei, volumul de deșeuri poate fi redus semnificativ, transformând un efluent problematic într-o resursă valoroasă. Ultrasonicarea facilitează o cristalizare rapidă și eficientă, obținându-se o cantitate mare de cristale uniforme de lactoză, adecvate pentru utilizare comercială.
Fabricarea lactozei
Lactoza se produce dintr-o soluție concentrată de lactoză (obținută din zer). Suspensia concentrată de lactoză trebuie răcită la o temperatură scăzută pentru a precipita cristalele. După etapa de precipitare, cristalele de lactoză sunt separate prin centrifugare. Ulterior, cristalele sunt uscate până la stadiul de pulbere.
Etapele cristalizării lactozei:
- Concentrare
- Nucleație
- Creșterea cristalelor
- Recoltare/ spălare
Cristalizarea îmbunătățită a lactozei prin sonicare
Ultrasunetele sunt bine cunoscute pentru impactul lor pozitiv asupra proceselor de cristalizare și precipitare (sono-cristalizare). Sonicarea îmbunătățește, de asemenea, formarea și creșterea cristalelor de lactoză.
Sono-cristalizarea lactozei contribuie la obținerea randamentului maxim de cristale de lactoză într-un timp minim.
Reactor de sticlă cu ultrasunete pentru sonicare inline
O creștere bună a cristalelor este esențială pentru a asigura o recoltare și o spălare eficientă a lactozei (extracție și purificare). Sonicarea provoacă o suprasaturare a lactozei și inițiază nucleația primară a cristalelor de lactoză. În plus, sonicarea continuă contribuie la o nucleație secundară, care asigură o distribuție mică a dimensiunii cristalelor (CSD).
Cristalizarea lactozei cu ultrasunete: lactoză cristalizată în condiții diferite: aportul de energie ultrasonică, adăugarea de caragenan sau de zer (WPC) influențează dimensiunea cristalelor de lactoză
studiu și imagine: ©Sanchez-García et al., 2018.
Beneficiile ultrasunetelor:
- randament maxim
- durată de proces foarte scurtă
- dimensiune uniformă a cristalelor
- dimensiune controlabilă a cristalelor
- formă uniformă a cristalelor
De la fezabilitate la producția inline: sono-cristalizarea lactozei
Citiți mai multe despre scalarea cristalizării lactozei cu ultrasunete de la nivel de laborator (bench-top) la producția industrială!
De la efluent rezidual la lactoză
Din cauza producției mari de lactate, zerul este adesea un produs secundar tratat ca efluent rezidual. Eliminarea zerului lichid implică costuri ridicate din cauza consumului biologic de oxigen (CBO) ridicat și a conținutului mare de apă. Atunci când lactoza este recuperată din zer, produsul rezidual este valorificat într-o etapă de post-procesare pentru a produce pulbere de lactoză. Recuperarea lactozei reduce CBO al zerului cu peste 80%, făcând produsul secundar util și mai prietenos cu mediul. Un proces de cristalizare asistat de ultrasunete îmbunătățește creșterea cristalelor, randamentul și calitatea.
Lactoza este utilizată pe scară largă ca ingredient în industria alimentară și farmaceutică, ca materie primă pentru producerea lactitolului sau ca material de bază pentru producția microbiană de poliesteri biodegradabili.
UIP2000hdT, un sonicator puternic de 2000 de wați cu celulă de flux pentru cristalizare industrială inline
Echipamente cu ultrasunete
Hielscher Ultrasonics oferă echipamente cu ultrasunete pentru procese de sono-cristalizare – fie pentru sonicare în șarjă, fie pentru procesare inline într-un reactor cu ultrasunete. Toate sonicatoarele Hielscher sunt proiectate să funcționeze continuu (24 h/ 7 zile/ 365 zile), asigurând utilizarea maximă a echipamentelor. Dispozitivele industriale cu ultrasunete de la 0,5kW până la 16kW pe unitate sunt adecvate pentru procesarea comercială a volumelor mari de suspensii suprasaturate.
Procesarea lactozei de calitate alimentară
Sonicatoarele Hielscher sunt foarte eficiente pentru favorizarea și controlul cristalizării lactozei din soluții suprasaturate. Prin aplicarea unei cavitații ultrasonice intense, aceste sisteme cresc vitezele de nucleație, reduc timpii de inducție și permit formarea unor cristale uniforme și bine definite. Rezultatul este o cinetică de cristalizare mai rapidă și un control îmbunătățit asupra dimensiunii și morfologiei cristalelor. Ideale atât pentru procese în șarjă, cât și pentru procese continue inline, sonicatoarele Hielscher oferă soluții scalabile, de la cercetare-dezvoltare (R&D) la producția industrială. Ingineria germană robustă și compatibilitatea cu standardele de calitate farmaceutică le fac deosebit de potrivite pentru aplicații solicitante în purificarea, formularea și procesarea lactozei.
Ultrasonicatoarele Hielscher sunt adecvate pentru producția de calitate alimentară și farmaceutică, în conformitate cu standardele cGMP. Sonicatoarele Hielscher sunt disponibile cu racorduri de tip sanitar, asigurând conformitatea deplină cu standardele de procesare igienică. Sonotrodele ultrasonice (denumite și sonde sau sonotrode de tip horn) și reactoarele cu flux continuu sunt proiectate cu geometrii aerodinamice, ușor de curățat, facilitând o întreținere eficientă și reducând la minimum timpii de nefuncționare. Este de remarcat faptul că însăși cavitația ultrasonică acționează ca un mecanism de curățare la fața locului (CIP), contribuind la curățarea suprafețelor interne în timpul funcționării. Pentru medii aseptice, toate sonotrodele și reactoarele sunt complet autoclavabile. Datorită amprentei compacte, sistemele Hielscher se integrează ușor sau pot fi adăugate ulterior în liniile de producție existente – ceea ce le face ideale pentru modernizarea instalațiilor de cristalizare de calitate farmaceutică și alimentară.
Contactați-ne astăzi pentru mai multe informații! Hielscher Ultrasonics oferă diverse soluții standardizate, precum și personalizate, pentru procesarea cu ultrasunete a produselor lactate și alimentare!
Ultrasonicatorul UIP6000hdT cu celulă de flux presurizabilă. O manta de încălzire/ răcire permite sonicarea la temperaturi ridicate sau scăzute.
Despre sonocristalizare
Atunci când ultrasunetele de putere sunt aplicate pentru a induce și îmbunătăți procesele de cristalizare, procedeul este cunoscut sub numele de sonocristalizare. Sonocristalizarea se bazează pe aplicarea „undelor acustice pentru a induce modificări fizico-chimice în material. Unele aplicații obișnuite ale ultrasunetelor de putere includ utilizarea lor pentru a induce reacții chimice (sonochimie) și pentru a favoriza cristalizarea (sonocristalizare). Aceste tehnici au atras atenția mai multor industrii, inclusiv a industriei farmaceutice, chimice și alimentare, având în vedere avantajul pe care îl oferă. Tehnicile cu ultrasunete sunt viabile din punct de vedere economic și relativ ușor de integrat în operațiunile industriale. Aceste tehnici pot fi utilizate pentru a îmbunătăți atât reproductibilitatea, cât și randamentul producției; ele sunt netermice și curate din punct de vedere ecologic”. [Martini 2013, 4]
Nucleația și creșterea cristalelor
Cristalizarea este definită ca procesul de formare în care cristalele solide precipită dintr-o soluție suprasaturată, dintr-o topitură sau dintr-un gaz.
Procesul de cristalizare constă în două etape principale: nucleația și creșterea cristalelor.
În timpul nucleației, moleculele dizolvate în soluție încep să formeze agregate (clustere), care trebuie să fie suficient de mari pentru a fi stabile în condițiile de operare. Un astfel de cluster stabil formează un nucleu. După atingerea dimensiunii critice pentru formarea unui nucleu stabil, începe etapa de creștere a cristalelor.
În faza de creștere a cristalelor, nucleii formați devin mai mari pe măsură ce tot mai multe molecule se leagă de cluster. Procesul de creștere depinde de gradul de saturație și de alți parametri, cum ar fi amestecarea uniformă, temperatura etc.
Teoria clasică a cristalizării se bazează pe concepția termodinamică potrivit căreia un sistem izolat este absolut stabil atunci când entropia sa este invariabilă.
Date despre lactoză
Lactoza (zahărul din lapte) este o dizaharidă formată din glucoză și galactoză, unite printr-o legătură glicozidică β(1→4).
Datorită prezenței unui carbon chiral, lactoza poate exista sub forma următoarelor 2 tipuri de izomeri: α- sau β-lactoză. Lactoza se găsește cel mai frecvent sub formă de cristale hidratate de α-lactoză monohidrat. Celălalt polimorf, β-lactoza anhidră, este mai puțin frecvent și cristalizează peste 93,5°C. Anomerii α și β au proprietăți foarte diferite. Polimorfii pot fi diferențiați prin rotația specifică (+89°C și +35°C pentru α- și, respectiv, β-lactoză) și prin solubilitate (70 și 500g/L (la 20°C) pentru α- și, respectiv, β-lactoză). [McSweeney et al. 2009]
Este principalul carbohidrat din lapte și se găsește în concentrații de 2–8 wt%. Lactoza nu are aromă și are o putere de îndulcire redusă. Lactoza acționează ca zahăr reducător și favorizează reacțiile Maillard și Stecker. Astfel, lactoza este utilizată pentru a intensifica culoarea și aroma produselor alimentare, cum ar fi produsele de panificație, produsele de patiserie și produsele de cofetărie.
Lactoza este un aditiv alimentar utilizat pe scară largă, care funcționează ca purtător, agent de umplutură, stabilizator și diluant pentru tablete în produsele alimentare și farmaceutice.
α-lactoza este forma cea mai pură, care este utilizată pentru produsele farmaceutice.
Lactoza este un ingredient important în ceea ce privește gustul, aroma și reacțiile de rumenire.
Formulă: C12H22O11
ID IUPAC: β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
Masă molară: 342,3 g/mol
Punct de topire: 202,8°C
Densitate: 1,53 g/cm3
Clasificare: FODMAP
Solubilă în: apă, etanol
Literatură de specialitate / Referințe bibliografice
- 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 produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță, de la scară de laborator până la scară industrială.