Ультразвуковая кристаллизация лактозы
Во многих процессах переработки молока в качестве побочного продукта образуются большие объёмы молочной сыворотки – также называемой молочным пермеатом. Эти стоки богаты лактозой, однако их утилизация связана с высокими затратами и нагрузкой на окружающую среду. Применение ультразвука для извлечения лактозы позволяет значительно сократить объём отходов, превращая проблемные стоки в ценный ресурс. Обработка ультразвуком способствует быстрой и эффективной кристаллизации, обеспечивая получение большого количества однородных кристаллов лактозы, пригодных для коммерческого использования.
Производство лактозы
Лактозу производят из концентрированного раствора лактозы (полученной из молочной сыворотки). Концентрированную суспензию лактозы необходимо охладить до низкой температуры для осаждения кристаллов. После этапа осаждения кристаллы лактозы отделяют центрифугированием. Затем кристаллы высушивают до получения порошка.
Этапы кристаллизации лактозы:
- Концентрирование
- Зародышеобразование
- Рост кристаллов
- Сбор/ промывка
Улучшение кристаллизации лактозы посредством обработки ультразвуком
Ультразвук хорошо известен своим положительным воздействием на процессы кристаллизации и осаждения (сонокристаллизация). Обработка ультразвуком также улучшает образование и рост кристаллов лактозы.
Сонокристаллизация лактозы помогает получить максимальный выход кристаллов лактозы за минимальное время.
Ультразвуковой стеклянный реактор для обработки ультразвуком в потоке
Хороший рост кристаллов имеет существенное значение для обеспечения эффективного сбора и промывки лактозы (извлечения и очистки). Обработка ультразвуком вызывает пересыщение лактозы и инициирует первичное зародышеобразование кристаллов лактозы. Кроме того, непрерывная обработка ультразвуком способствует вторичному зародышеобразованию, которое обеспечивает небольшое распределение кристаллов по размерам (CSD).
Ультразвуковая кристаллизация лактозы: лактоза, кристаллизованная при различных условиях: подвод ультразвуковой энергии, добавление каррагинана или молочной сыворотки (WPC) влияют на размер кристаллов лактозы
исследование и изображение: ©Sanchez-García et al., 2018.
Преимущества ультразвука:
- максимальный выход
- очень короткое время процесса
- однородный размер кристаллов
- управляемый размер кристаллов
- однородная форма кристаллов
От оценки осуществимости до производства в потоке: сонокристаллизация лактозы
Узнайте больше о масштабировании ультразвуковой кристаллизации лактозы от настольных установок до промышленного производства!
От сточных отходов к лактозе
Из-за больших объёмов производства молочной продукции сыворотка часто является побочным продуктом, с которым обращаются как со сточными отходами. Утилизация жидкой сыворотки требует значительных затрат из-за её высокой биологической потребности в кислороде (БПК) и высокого содержания воды. При извлечении лактозы из сыворотки отходы используются на этапе последующей переработки для производства порошка лактозы. Извлечение лактозы снижает БПК сыворотки более чем на 80%, делая побочный продукт полезным и более экологичным. Процесс кристаллизации с применением ультразвука улучшает рост кристаллов, выход и качество.
Лактоза широко используется в качестве ингредиента в пищевой и фармацевтической промышленности, в качестве сырья для производства лактитола или исходного материала для микробного производства биоразлагаемых полиэфиров.
UIP2000hdT, мощный аппарат для обработки ультразвуком мощностью 2000 ватт с проточной ячейкой для промышленной кристаллизации в потоке
Ультразвуковое оборудование
Hielscher Ultrasonics предлагает ультразвуковое оборудование для процессов сонокристаллизации – как для обработки ультразвуком в периодическом режиме, так и для обработки в потоке в ультразвуковом реакторе. Все аппараты для обработки ультразвуком Hielscher рассчитаны на непрерывную работу (24 часа/ 7 дней/ 365 дней), обеспечивая максимальное использование оборудования. Промышленные ультразвуковые устройства мощностью от 0,5kW до 16kW на единицу оборудования подходят для коммерческой переработки больших объёмов пересыщенных суспензий.
Переработка лактозы пищевого качества
Аппараты для обработки ультразвуком Hielscher высокоэффективны для стимулирования и контроля кристаллизации лактозы из пересыщенных растворов. Благодаря интенсивной ультразвуковой кавитации эти системы повышают скорость зародышеобразования, сокращают время индукции и обеспечивают образование однородных кристаллов с чётко выраженной формой. Это ускоряет кинетику кристаллизации и улучшает контроль размера и морфологии кристаллов. Аппараты для обработки ультразвуком Hielscher идеально подходят как для периодических, так и для непрерывных процессов в потоке и предлагают масштабируемые решения от исследований и разработок до промышленного производства. Их надёжная немецкая конструкция и совместимость со стандартами фармацевтического качества делают их особенно подходящими для требовательных применений в области очистки лактозы, разработки составов и переработки.
Ультразвуковые аппараты Hielscher подходят для производства продукции пищевого и фармацевтического качества в соответствии со стандартами cGMP. Аппараты для обработки ультразвуком Hielscher доступны с санитарными соединениями, обеспечивающими полное соответствие гигиеническим стандартам переработки. Ультразвуковые сонотроды (также называемые зондами или рупорами) и проточные реакторы имеют обтекаемую, легко очищаемую геометрию, что способствует эффективному техническому обслуживанию и сводит к минимуму время простоя. Примечательно, что сама ультразвуковая кавитация действует как механизм безразборной очистки (CIP), способствуя очистке внутренних поверхностей во время работы. Для использования в асептических условиях все сонотроды и реакторы полностью пригодны для автоклавирования. Благодаря компактным габаритам системы Hielscher легко интегрируются в существующие производственные линии или устанавливаются при их модернизации – что делает их идеальными для модернизации установок кристаллизации фармацевтического и пищевого качества.
Свяжитесь с нами сегодня, чтобы получить дополнительную информацию! Hielscher Ultrasonics предлагает различные стандартные и индивидуальные решения для ультразвуковой переработки молочной и пищевой продукции!
Ультразвуковой аппарат UIP6000hdT с проточной ячейкой, допускающей работу под давлением. Нагревательная/ охлаждающая рубашка позволяет проводить обработку ультразвуком при повышенных или пониженных температурах.
О сонокристаллизации
Применение мощного ультразвука для инициирования и улучшения процессов кристаллизации называют сонокристаллизацией. Сонокристаллизация основана на применении «акустических волн для инициирования физико-химических изменений в материале. К распространённым применениям мощного ультразвука относятся его использование для инициирования химических реакций (сонохимия) и стимулирования кристаллизации (сонокристаллизация). Эти методы привлекли внимание ряда отраслей, включая фармацевтическую, химическую и пищевую промышленность, благодаря предоставляемым ими преимуществам. Ультразвуковые методы экономически оправданны и относительно легко внедряются в промышленное производство. Эти методы могут использоваться для улучшения как воспроизводимости, так и выхода продукции; они являются нетепловыми и экологически чистыми». [Martini 2013, 4]
Зародышеобразование и рост кристаллов
Кристаллизация определяется как процесс образования, при котором твёрдые кристаллы выделяются из пересыщенного раствора, расплава или газа.
Процесс кристаллизации состоит из двух основных стадий: зародышеобразования и роста кристаллов.
Во время зародышеобразования растворённые молекулы в растворе начинают формировать кластеры, которые должны быть достаточно большими, чтобы оставаться стабильными в рабочих условиях. Такой стабильный кластер образует зародыш. После достижения критического размера, необходимого для образования стабильного зародыша, начинается стадия роста кристалла.
На стадии роста кристаллов образовавшиеся зародыши увеличиваются по мере присоединения к кластеру новых молекул. Процесс роста зависит от степени насыщения и других параметров, таких как равномерность перемешивания, температура и т. д.
Классическая теория кристаллизации основана на термодинамическом представлении о том, что изолированная система абсолютно стабильна, когда её энтропия неизменна.
Факты о лактозе
Лактоза (молочный сахар) – это дисахарид, состоящий из глюкозы и галактозы, соединённых β(1→4)-гликозидной связью.
Из-за наличия хирального атома углерода лактоза может существовать в виде следующих 2 типов изомеров: α- или β-лактозы. Чаще всего лактоза встречается в виде гидратированного кристалла моногидрата α-лактозы. Другая полиморфная форма, безводная β-лактоза, встречается реже и кристаллизуется при температуре выше 93,5°C. α- и β-аномеры обладают очень разными свойствами. Полиморфные формы можно различить по удельному вращению (+89°C и +35°C для α- и β-лактозы соответственно) и растворимости (70 и 500g/L (при 20°C) для α- и β-лактозы соответственно). [McSweeney et al. 2009]
Это основной углевод молока, присутствующий в концентрациях 2–8 wt%. Лактоза не имеет выраженного вкуса и обладает низкой сладостью. Лактоза действует как восстанавливающий сахар и способствует реакциям Майяра и Стеккера. Поэтому лактозу используют для усиления цвета и вкуса пищевых продуктов, таких как хлебобулочные изделия, выпечка и кондитерские изделия.
Лактоза – широко используемая пищевая добавка, выполняющая функции носителя, наполнителя, стабилизатора и разбавителя в таблетках в пищевых и фармацевтических продуктах.
α-лактоза – самая чистая форма, используемая для фармацевтических продуктов.
Лактоза является важным ингредиентом для вкуса, аромата и реакций потемнения.
Формула: C12H22O11
Идентификатор IUPAC: β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
Молярная масса: 342,3 g/mol
Температура плавления: 202,8°C
Плотность: 1,53 g/cm3
Классификация: FODMAP
Растворяется в: воде, этаноле
Литература / Источники
- 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 производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лабораторных до промышленных размеров.