Cristalizarea lactozei cu ultrasunete

În multe procese lactate, volume mari de zer - denumit și permeat de lapte - sunt generate ca produs secundar. Acest efluent este bogat în lactoză, dar eliminarea sa este atât costisitoare, cât și împovărătoare pentru mediu. Prin aplicarea ultrasunetelor pentru a recupera lactoza, volumul de deșeuri poate fi redus semnificativ, transformând un efluent problematic într-o resursă valoroasă. Ultrasunetele facilitează cristalizarea rapidă și eficientă, producând o cantitate mare de cristale de lactoză uniforme potrivite pentru uz comercial.

Fabricarea lactozei

Lactoza este produsă dintr-o soluție concentrată de lactoză (obținută din zer). Suspensia concentrată de lactoză trebuie răcită la o temperatură scăzută pentru precipitarea cristalelor. După etapa de precipitare, cristalele de lactoză sunt separate prin centrifugare. După aceea, cristalele sunt uscate până la o pulbere.
Etapele cristalizării lactozei:

concentrație
Nucleație
Creșterea cristalelor
Recoltare/spălare

Îmbunătățirea cristalizării lactozei prin sonicare

Ecografia este binecunoscută pentru impactul său pozitiv asupra proceselor de cristalizare și precipitare (sono-cristalizare). Sonicare îmbunătățește formarea și creșterea cristalelor de lactoză, de asemenea.
Sono-cristalizarea lactozei ajută la obținerea randamentului maxim de cristale de lactoză într-un timp minim.

Celulă de flux cu ultrasunete pentru dispersie, dizolvare și precipitare/cristalizare

Reactor cu ultrasunete din sticlă pentru sonicare în linie

O bună creștere a cristalelor este substanțială pentru a asigura o recoltare și spălare eficientă a lactozei (extracție & purificare). Sonicare provoacă o suprasaturare a lactozei și inițiază nucleația primară a cristalelor de lactoză. În plus, sonicare continuă contribuie la o nucleație secundară, care asigură distibuție ar dimensiune mică a cristalului (CSD).

Lactoză ultrasonically cristalizată: Cristalizarea lactozei cu ultrasunete poate fi influențată de adăugarea de caragenan sau zer (WPC).

Cristalizarea lactozei cu ultrasunete: Lactoza cristalizată în diferite condiții: intrare de energie cu ultrasunete, caragenan adăugat sau zer (WPC) influențează dimensiunea cristalului de lactoză
studiu și imagine: ©Sanchez-García și colab., 2018.

Beneficiile ultrasunetelor:

randament maxim
timp de proces foarte scurt
dimensiunea uniformă a cristalului
Dimensiune controlabilă a cristalului
formă uniformă de cristal

De la fezabilitate la producția în linie: sonocristalizarea lactozei
Citiți mai multe despre extinderea cristalizării lactozei cu ultrasunete de la producția de laborator la producția industrială!

De la efluenți reziduali la lactoză

Datorită producției mari de lactate, zerul este adesea un produs secundar care este tratat ca efluent rezidual. Eliminarea zerului lichid este costisitoare datorită cererii biologice ridicate de oxigen (CBO) și conținutului de apă. Când lactoza este recuperată din zer, produsul rezidual este utilizat într-o etapă post-procesare pentru a produce pulbere de lactoză. Recuperarea lactozei reduce CBO din zer cu mai mult de 80%, făcând produsul secundar util și mai ecologic. Un proces de cristalizare asistat ultrasonically îmbunătățește creșterea cristalelor, randamentul și calitatea.
Lactoza este utilizată pe scară largă ca ingredient în industria alimentară și farmaceutică, ca materie primă pentru producția de lactitol sau ca material de bază pentru producția microbiană de poliesteri biodegradabili.

UIP2000hdt este un sonicator puternic de 2000 wați cu celulă de curgere pentru cristalizarea industrială a lactozei la un randament ridicat.

UIP2000hdT, un sonicator puternic de 2000 wați cu celulă de curgere pentru cristalizare industrială în linie

Echipamente cu ultrasunete

Hielscher Ultrasonics oferă echipamente cu ultrasunete pentru procesele de sonocristalizare – fie pentru sonicarea discontinuă, fie pentru prelucrarea în linie într-un reactor cu ultrasunete. Toate sonicatoarele Hielscher sunt proiectate să funcționeze continuu (24 de ore / 7 zile / 365 zile), asigurând utilizarea maximă a echipamentului. Dispozitivele industriale cu ultrasunete de la 0,5 kW până la 16 kW pe unitate sunt potrivite pentru prelucrarea comercială a unor volume mari de suspensii suprasaturate.

Prelucrarea lactozei de calitate alimentară

Sonicatoarele Hielscher sunt extrem de eficiente pentru promovarea și controlul cristalizării lactozei din soluții suprasaturate. Prin aplicarea cavitației ultrasonice intense, aceste sisteme îmbunătățesc ratele de nucleare, reduc timpii de inducție și permit formarea de cristale uniforme și bine definite. Acest lucru are ca rezultat o cinetică de cristalizare mai rapidă și un control îmbunătățit asupra dimensiunii și morfologiei cristalelor. Ideale atât pentru procesele în linie, cât și pentru cele continue, sonicatoarele Hielscher oferă soluții scalabile de la R&D la producția industrială. Ingineria lor germană robustă și compatibilitatea cu standardele de calitate farmaceutică le fac deosebit de potrivite pentru aplicații solicitante în purificarea, formularea și prelucrarea lactozei.
Ultrasunetele Hielscher sunt potrivite pentru producția alimentară și farmaceutică, respectând standardele cGMP. Sonicatoarele Hielscher sunt disponibile cu fitinguri de calitate sanitară, asigurând respectarea deplină a standardelor de procesare igienică. Sonotrodele cu ultrasunete (denumite și sonde sau claxoane) și reactoarele cu curgere sunt proiectate cu geometrii raționalizate, ușor de curățat, facilitând întreținerea eficientă și minimizând timpul de nefuncționare. În special, cavitația cu ultrasunete în sine acționează ca un mecanism de curățare la fața locului (CIP), sprijinind curățarea suprafeței interne în timpul funcționării. Pentru medii aseptice, toate sonotrodele și reactoarele sunt complet autoclavabile. Datorită amprentei lor compacte, sistemele Hielscher sunt ușor de integrat sau adaptat în liniile de producție existente, făcându-le ideale pentru modernizarea instalațiilor de cristalizare farmaceutică și alimentară.
Contactați-ne astăzi pentru a obține mai multe informații! Hielscher Ultrasonics oferă diverse soluții standardizate și personalizate pentru prelucrarea produselor lactate și a alimentelor cu ultrasunete!

Ultrasunete industriale de tip sondă UIP6000hdT (putere ultrasunete de 6 kW, frecvență ultrasonică de 20 kHz) cu reactor cu celule de curgere pentru prelucrarea continuă cu ultrasunete a soluțiilor suprasaturate pentru cristalizare și precipitare la debit ridicat.

Ultrasonicator UIP6000hdT cu celulă de flux presurizabilă. O manta de incalzire / racire permite sonicate la temperaturi ridicate sau reduse.

Subiecte conexe

Despre sonocristalizare

Când ultrasunetele de putere sunt aplicate pentru a induce și îmbunătăți procesele de cristalizare, este cunoscută sub numele de sonocristalizare. Sonocristalizarea se bazează pe aplicarea “unde acustice pentru a induce modificări fizico-chimice ale materialului. Unele aplicații comune ale ultrasunetelor de putere includ utilizarea sa pentru a induce reacții chimice (sonochimia) și pentru a promova cristalizarea (sonocristalizarea). Aceste tehnici au primit atenția mai multor industrii, inclusiv industria farmaceutică, chimică și alimentară, având în vedere avantajul pe care îl oferă. Tehnicile cu ultrasunete sunt viabile din punct de vedere economic și relativ ușor de încorporat în funcționarea industrială. Aceste tehnici pot fi utilizate pentru a îmbunătăți atât reproductibilitatea, cât și randamentul producției; sunt non-termice și ecologice”. [Martini 2013, 4]

Nucleația și creșterea cristalelor

Cristalizarea este determinată ca proces de formare, în care cristalele solide precipită dintr-o soluție suprasaturată, topitură sau gaz.
Procesul de cristalizare constă în două etape majore: nucleația și creșterea cristalelor.
În timpul nucleației, moleculele dizolvate în soluție încep să formeze clustere, care trebuie să fie suficient de mari pentru a fi stabile în condițiile de funcționare. Un astfel de cluster stabil formează un nucleu. După atingerea dimensiunii critice pentru a forma un nucleu stabil, începe etapa de creștere a cristalelor.
În faza de creștere a cristalelor, nucleele formate devin mai mari pe măsură ce mai multe molecule sunt legate 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 că un sistem izolat este absolut stabil atunci când entropia sa este invariabilă.

Fapte despre lactoză

Lactoza (zahărul din lapte) este o dizaharidă construită din glucoză și galactoză legată printr-o legătură glicozidică β(1→4).
Datorită prezenței unui carbon chiral, lactoza poate apărea sub forma următoarelor 2 tipuri de izomeri: α- sau β-lactoză. Lactoza se găsește cel mai frecvent sub formă de cristal hidratat α-lactoză monohidrat. Cealaltă polimorfă, anhidră β-lactoză, este mai puțin frecventă și cristalizează la peste 93,5 ° C. Anomerii α și β au proprietăți foarte diferite. Polimorfele se disting prin rotația specifică (+89°C și +35°C pentru α- și, respectiv, β-lactoză) și solubilitate (70 și 500g/L (la 20°C) pentru α- și, respectiv, β-lactoză). [McSweeney și colab. 2009]
Este principalul carbohidrat al laptelui și se găsește în concentrații de 2-8 wt%. Lactoza este fără aromă și are o dulceață scăzută. Lactoza acționează ca un zahăr reducător și promovează reacțiile Maillard și Stecker. Astfel, lactoza este utilizată pentru a spori 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, umplutură, stabilizator și diluant pentru tablete în produsele alimentare și farmaceutice.
α-lactoza este cea mai pură formă, care este utilizată pentru produsele farmaceutice.
Lactoza este un ingredient important atunci când vine vorba de aromă, aromă și reacții de rumenire.
Formula: C₁₂H₂₂O₁₁
ID IUPAC: β-D-galactopiranozil-(1→4)-D-glucoză
Masa molară: 342,3 g/mol
Punct de topire: 202.8°C
Densitate: 1.53 g/cm³
Clasificare: FODMAP
Solubil în: apă, etanol

Literatură / Referințe

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.

Ultrasunete de înaltă performanță! Gama de produse Hielscher acoperă întregul spectru de la ultrasonicator de laborator compact peste unități banc-top la sisteme cu ultrasunete full-industriale.

Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la Laborator spre dimensiunea industrială.