Ультразвуковая кристаллизация лактозы
Во многих молочных процессах большие объемы сыворотки, также называемой молочным пермеатом, образуются в качестве побочного продукта. Эти сточные воды богаты лактозой, но их утилизация является дорогостоящей и экологически обременительной. Применяя ультразвук для восстановления лактозы, объем отходов может быть значительно уменьшен, превращая проблемные стоки в ценный ресурс. Ультразвуковое исследование способствует быстрой и эффективной кристаллизации, в результате чего получается большое количество однородных кристаллов лактозы, пригодных для коммерческого использования.
Производство лактозы
Лактоза производится из концентрированного раствора лактозы (полученной из сыворотки). Концентрированную лактозную суспензию необходимо охладить до низкой температуры для образования кристаллов. После стадии осаждения кристаллы лактозы отделяются центрифугированием. После этого кристаллы высушивают до порошкообразного состояния.
Этапы кристаллизации лактозы:
- концентрация
- зарождение кристалла
- Рост кристаллов
- Уборка / промывка
Улучшенная кристаллизация лактозы с помощью ультразвука
Ультразвук хорошо известен своим положительным влиянием на процессы кристаллизации и осаждения (сонокристаллизация). Ультразвуковая обработка также улучшает образование и рост кристаллов лактозы.
Сонокристаллизация лактозы помогает получить максимальный выход кристаллов лактозы за минимальное время.
Ультразвуковой стеклянный реактор для поточной ультразвука
Хороший рост кристаллов имеет существенное значение для обеспечения эффективного сбора и промывки лактозы (экстракция & очищение). Ультразвуковая обработка вызывает пересыщение лактозы и инициирует первичное зарождение кристаллов лактозы. Кроме того, непрерывная ультразвуковая обработка способствует вторичному зародышеобразованию, что обеспечивает распределение малых кристаллов (CSD).
Ультразвуковая кристаллизация лактозы: Лактоза кристаллизуется в различных условиях: ультразвуковое поступление энергии, добавленный каррагинан или сыворотка (WPC) влияют на размер кристаллов лактозы
исследование и фото: ©Sanchez-García et al., 2018.
Преимущества ультразвука:
- максимальная урожайность
- очень короткое время обработки
- равномерный размер кристаллов
- Контролируемый размер кристаллов
- однородная форма кристаллов
От технико-экономического обоснования до поточного производства: сонокристаллизация лактозы
Узнайте больше о масштабировании ультразвуковой кристаллизации лактозы от настольного до промышленного производства!
От сточных вод к лактозе
Из-за большого объема производства молочных продуктов сыворотка часто является побочным продуктом, который перерабатывается в отходы. Утилизация жидкой сыворотки является дорогостоящей из-за высокой биологической потребности в кислороде (БПК) и содержании воды. Когда лактоза извлекается из сыворотки, отходы утилизируются на этапе последующей обработки для производства порошка лактозы. Восстановление лактозы снижает БПК сыворотки более чем на 80%, что делает побочный продукт полезным и более экологичным. Процесс кристаллизации с ультразвуковым сопровождением улучшает рост, выход и качество кристаллов.
Лактоза широко используется в качестве ингредиента в пищевой и фармацевтической промышленности, в качестве сырья для производства лактитола или в качестве основного материала для микробного производства биоразлагаемых полиэфиров.
UIP2000hdT, мощный ультразвуковой аппарат мощностью 2000 Вт с проточной ячейкой для промышленной поточной кристаллизации
Ультразвуковое оборудование
Hielscher Ultrasonics предлагает ультразвуковое оборудование для процессов сонокристаллизации – Либо для периодической ультразвуковой обработки, либо для поточной обработки в ультразвуковом реакторе. Все ультразвуковые аппараты Hielscher рассчитаны на непрерывную работу (24 часа в сутки / 7 дней / 365 дней), обеспечивая максимальное использование оборудования. Промышленные ультразвуковые устройства мощностью от 0,5 кВт до 16 кВт на единицу подходят для промышленной обработки больших объемов пересыщенных взвесей.
Переработка пищевой лактозы
Ультразвуковые аппараты Хильшера обладают высокой эффективностью для стимулирования и контроля кристаллизации лактозы из пересыщенных растворов. Применяя интенсивную ультразвуковую кавитацию, эти системы увеличивают скорость зародышеобразования, сокращают время индукции и позволяют формировать однородные, четко определенные кристаллы. Это приводит к более быстрой кинетике кристаллизации и улучшенному контролю над размером и морфологией кристаллов. Ультразвуковые аппараты Hielscher идеально подходят как для периодических, так и для непрерывных поточных процессов, предлагая масштабируемые решения от R&D к промышленному производству. Их прочная немецкая инженерия и совместимость с фармацевтическими стандартами делают их особенно подходящими для сложных областей применения в области очистки, составления рецептур и переработки лактозы.
Ультразвуковые аппараты Hielscher подходят для пищевого и фармацевтического производства в соответствии со стандартами cGMP. Ультразвуковые аппараты Hielscher поставляются с фитингами, отвечающими санитарным требованиям, что обеспечивает полное соответствие гигиеническим нормам обработки. 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 ультразвуковая кавитация сама по себе действует как механизм безразборной мойки (CIP), поддерживая внутреннюю очистку поверхности во время работы. Для асептических сред все сонотроды и реакторы полностью автоклавируются. Благодаря компактным размерам системы Hielscher легко интегрируются или модернизируются в существующие производственные линии, что делает их идеальными для модернизации фармацевтических и пищевых кристаллизационных предприятий.
Свяжитесь с нами сегодня, чтобы получить дополнительную информацию! Hielscher Ultrasonics предлагает различные стандартизированные, а также индивидуальные решения для ультразвуковой обработки молочных и пищевых продуктов!
Ультразвуковой аппарат UIP6000hdT с проточной ячейкой под давлением. Нагревательная/охлаждающая рубашка позволяет проводить ультразвуковую обработку при повышенных или пониженных температурах.
О сонокристаллизации
Когда энергетический ультразвук применяется для индукции и улучшения процессов кристаллизации, это известно как сонокристаллизация. Сонокристаллизация основана на применении “акустические волны для индуцирования физико-химических изменений в материале. Некоторые распространенные применения силового ультразвука включают его использование для индукции химических реакций (сонохимия) и для стимулирования кристаллизации (сонокристаллизация). Эти методы привлекли внимание нескольких отраслей промышленности, включая фармацевтическую, химическую и пищевую промышленность, благодаря преимуществам, которые они предлагают. Ультразвуковые методы экономически целесообразны и относительно просты в использовании в промышленной эксплуатации. Эти методы могут быть использованы для улучшения как воспроизводимости, так и выхода продукции; Они нетермические и экологически чистые”. [Мартини 2013, 4]
Зарождение и рост кристаллов
Кристаллизация определяется как процесс образования, при котором твердые кристаллы выпадают в осадок из перенасыщенного раствора, расплава или газа.
Процесс кристаллизации состоит из двух основных стадий: зарождение и рост кристаллов.
Во время зарождения растворенные молекулы в растворе начинают образовывать кластеры, которые должны быть достаточно большими, чтобы быть стабильными в условиях эксплуатации. Такой устойчивый кластер образует ядро. После достижения критического размера для формирования стабильного ядра начинается стадия роста кристаллов.
В фазе роста кристаллов образовавшиеся ядра становятся больше, так как к кластеру привязывается больше молекул. Процесс роста зависит от степени насыщенности и других параметров, таких как равномерное перемешивание, 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, образованный из глюкозы и галактозы, соединенных β(1→4) гликозидной связью.
Из-за наличия хирального углерода лактоза может встречаться в форме следующих 2 типов изомеров: α- или β-лактоза. Лактоза чаще всего встречается в виде гидратированных кристаллов α-лактозы. Другой полиморф, безводный β-лактоза, встречается реже и кристаллизуется при температуре выше 93,5°C. α- и β-аномеры обладают совершенно разными свойствами. Полиморфы можно различать по удельному вращению (+89°C и +35°C для α- и β-лактозы соответственно) и растворимости (70 и 500 г/л (при 20°C) для α- и β-лактозы соответственно). [McSweeney et al. 2009]
Он является основным углеводом молока и содержится в концентрации 2-8 мас.%. Лактоза не имеет вкуса и имеет низкую сладость. Лактоза действует как редуцирующий сахар и способствует реакциям Майяра и Штекера. Таким образом, лактоза используется для улучшения цвета и вкуса пищевых продуктов, таких как хлебобулочные изделия, выпечка и кондитерские изделия.
Лактоза является широко используемой пищевой добавкой, которая действует как носитель, наполнитель, стабилизатор и разбавитель таблеток в пищевых и фармацевтических продуктах.
α-лактоза – это чистейшая форма, которая используется для фармацевтической продукции.
Лактоза является важным ингредиентом, когда речь идет о вкусе, аромате и реакциях подрумянивания.
Формула: C12H22O11
Идентификатор ИЮПАК: β-D-галактопиранозил-(1→4)-D-глюкоза
Молярная масса: 342,3 г/моль
Температура плавления: 202,8°C
Плотность: 1,53 г/см3
Классификация: FODMAP
Растворимый в: воде, этаноле
Литература / Литература
- 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 лаборатория Кому промышленного размера.