Ultrazvuková kryštalizácia laktózy
V mnohých mliekarenských procesoch vznikajú veľké objemy srvátky – tiež označovanej ako mliečny permeát – ako vedľajší produkt. Táto odpadová voda je bohatá na laktózu, ale jej likvidácia je nákladná a ekologicky náročná. Použitím ultrazvuku na regeneráciu laktózy je možné výrazne znížiť objem odpadu, čím sa problematická odpadová voda premení na cenný zdroj. Ultrazvuk uľahčuje rýchlu a efektívnu kryštalizáciu a poskytuje vysoké množstvo rovnomerných kryštálov laktózy vhodných na komerčné použitie.
Výroba laktózy
Laktóza sa vyrába z koncentrovaného roztoku laktózy (získanej zo srvátky). Koncentrovaná laktózová suspenzia sa musí ochladiť na nízku teplotu, aby sa vyzrážali kryštály. Po zrážaní sa kryštály laktózy oddelia odstreďovaním. Potom sa kryštály vysušia na prášok.
Kroky kryštalizácie laktózy:
- koncentrácia
- nukleácia
- Rast kryštálov
- Zber / pranie
Vylepšená kryštalizácia laktózy sonikáciou
Ultrazvuk je známy svojím pozitívnym vplyvom na kryštalizačné a zrážacie procesy (sonokryštalizácia). Sonikácia tiež zlepšuje tvorbu a rast kryštálov laktózy.
Sonokryštalizácia laktózy pomáha dosiahnuť maximálny výťažok kryštálov laktózy v minimálnom čase.
Ultrazvukový sklenený reaktor na inline sonikáciu
Dobrý rast kryštálov je podstatný na zabezpečenie efektívneho zberu a umývania laktózy (extrakcia & čistenie). Sonikácia spôsobuje presýtenie laktózy a iniciuje primárnu nukleáciu kryštálov laktózy. Okrem toho kontinuálna sonikácia prispieva k sekundárnej nukleácii, ktorá zaisťuje distribúciu malých kryštálov (CSD).
Ultrazvuková kryštalizácia laktózy: Laktóza kryštalizovaná za rôznych podmienok: ultrazvukový vstup energie, pridaný karagénan alebo srvátka (WPC) ovplyvňuje veľkosť kryštálov laktózy
štúdia a obrázok: ©Sanchez-García a kol., 2018.
Výhody ultrazvuku:
- maximálny výnos
- veľmi krátky čas procesu
- Jednotná veľkosť kryštálov
- Ovládateľná veľkosť kryštálu
- jednotný kryštálový tvar
Od uskutočniteľnosti k inline výrobe: Sono-kryštalizácia laktózy
Prečítajte si viac o rozšírení ultrazvukovej kryštalizácie laktózy zo stolovej do priemyselnej výroby!
Z odpadových vôd na laktózu
Vzhľadom na veľkú produkciu mlieka je srvátka často vedľajším produktom, ktorý sa spracováva ako odpadová voda. Likvidácia tekutej srvátky je nákladná kvôli vysokej biologickej spotrebe kyslíka (BSK) a obsahu vody. Keď sa laktóza získa zo srvátky, odpadový produkt sa použije v kroku následného spracovania na výrobu prášku laktózy. Regenerácia laktózy znižuje BSK srvátky o viac ako 80 %, vďaka čomu je vedľajší produkt užitočný a šetrnejší k životnému prostrediu. Ultrazvukom podporovaný proces kryštalizácie zlepšuje rast, výťažnosť a kvalitu kryštálov.
Laktóza sa široko používa ako prísada v potravinárskom a farmaceutickom priemysle, ako surovina na výrobu laktitolu alebo ako základný materiál pre mikrobiálnu výrobu biologicky odbúrateľných polyesterov.
UIP2000hdT, výkonný ultrazvuk s výkonom 2000 W s prietokovou bunkou pre priemyselnú inline kryštalizáciu
Ultrazvukové zariadenia
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka ultrazvukové zariadenia pre sonokryštalizačné procesy – buď na dávkovú sonikaciu alebo na inline spracovanie v ultrazvukovom reaktore. Všetky sonnikátory Hielscher sú navrhnuté tak, aby bežali nepretržite (24 hodín / 7d / 365 d), čo zaisťuje maximálne využitie zariadenia. Priemyselné ultrazvukové zariadenia od 0,5 kW do 16 kW na jednotku sú vhodné na komerčné spracovanie veľkých objemov presýtených suspenzií.
Spracovanie laktózy potravinárskej kvality
Hielscherove sonikátory sú vysoko účinné na podporu a kontrolu kryštalizácie laktózy z presýtených roztokov. Aplikáciou intenzívnej ultrazvukovej kavitácie tieto systémy zvyšujú rýchlosť nukleácie, skracujú časy indukcie a umožňujú tvorbu jednotných, dobre definovaných kryštálov. Výsledkom je rýchlejšia kinetika kryštalizácie a lepšia kontrola nad veľkosťou a morfológiou kryštálov. Ultrazvukové prístroje Hielscher, ktoré sú ideálne pre dávkové aj kontinuálne inline procesy, ponúkajú škálovateľné riešenia od spoločnosti R&D do priemyselnej výroby. Vďaka ich robustnému nemeckému inžinierstvu a kompatibilite s farmaceutickými normami sú obzvlášť vhodné pre náročné aplikácie pri čistení, formulácii a spracovaní laktózy.
Ultrazvukové prístroje Hielscher sú vhodné pre potravinársku a farmaceutickú výrobu v súlade s normami cGMP. Sonikátory Hielscher sú k dispozícii so sanitárnymi armatúrami, ktoré zaisťujú úplný súlad s hygienickými normami spracovania. Ultrazvukové sonotródy (tiež označované ako sondy alebo klaksóny) a prietokové reaktory sú navrhnuté s efektívnou, ľahko čistiteľnou geometriou, čo uľahčuje efektívnu údržbu a minimalizuje prestoje. Samotná ultrazvuková kavitácia funguje ako mechanizmus čistenia na mieste (CIP), ktorý podporuje čistenie vnútorných povrchov počas prevádzky. Pre aseptické prostredie sú všetky sonotródy a reaktory plne autoklávovateľné. Vďaka svojim kompaktným pôdorysom sa systémy Hielscher dajú ľahko integrovať alebo dodatočne namontovať do existujúcich výrobných liniek, vďaka čomu sú ideálne na modernizáciu vo farmaceutických a potravinárskych kryštalizačných zariadeniach.
Kontaktujte nás ešte dnes a získajte viac informácií! Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka rôzne štandardizované aj prispôsobené riešenia pre ultrazvukové spracovanie mlieka a potravín!
Ultrazvuk UIP6000hdT s tlakovou prietokovou bunkou. Vyhrievacia / chladiaca plášť umožňuje sonikáciu pri zvýšených alebo znížených teplotách.
O sonokalizácii
Keď sa na indukciu a zlepšenie kryštalizačných procesov aplikuje výkonový ultrazvuk, je to známe ako sonokryštalizácia. Sonokryštalizácia je založená na aplikácii “akustické vlny na vyvolanie fyzikálno-chemických zmien v materiáli. Niektoré bežné aplikácie výkonového ultrazvuku zahŕňajú jeho použitie na vyvolanie chemických reakcií (sonochémia) a na podporu kryštalizácie (sonokryštalizácia). Tieto techniky získali pozornosť niekoľkých priemyselných odvetví vrátane farmaceutického, chemického a potravinárskeho priemyslu vzhľadom na výhodu, ktorú ponúkajú. Ultrazvukové techniky sú ekonomicky životaschopné a relatívne ľahko sa začlenia do priemyselnej prevádzky. Tieto techniky možno použiť na zlepšenie reprodukovateľnosti aj výťažnosti produkcie; sú netepelné a ekologicky čisté”. [Martini 2013, 4]
Nukleácia a rast kryštálov
Kryštalizácia sa určuje ako proces formovania, pri ktorom sa pevné kryštály zrážajú z presýteného roztoku, taveniny alebo plynu.
Proces kryštalizácie pozostáva z dvoch hlavných etáp: nukleácie a rastu kryštálov.
Počas nukleácie začnú rozpustené molekuly v roztoku vytvárať zhluky, ktoré musia byť dostatočne veľké, aby boli stabilné za prevádzkových podmienok. Takýto stabilný zhluk tvorí jadro. Po dosiahnutí kritickej veľkosti na vytvorenie stabilného jadra začína fáza rastu kryštálov.
Vo fáze rastu kryštálov sa vytvorené jadrá zväčšujú, keď je na zhluk viazaných viac molekúl. Proces rastu závisí od stupňa nasýtenia a ďalších parametrov, ako je rovnomerné miešanie, teplota atď.
Klasická teória kryštalizácie je založená na termodynamickej koncepcii, že izolovaný systém je absolútne stabilný, keď je jeho entropia nemenná.
Fakty o laktóze
Laktóza (mliečny cukor) je disacharid vytvorený z glukózy a galaktózy spojený β(1→4) glykozidovou väzbou.
Kvôli prítomnosti chirálneho uhlíka sa laktóza môže vyskytovať vo forme nasledujúcich 2 typov izomérov: α- alebo β-laktóza. Laktóza sa najčastejšie vyskytuje ako hydratovaný kryštál monohydrátu α-laktózy. Druhý polymorf, bezvodý β-laktóza, je menej častý a kryštalizuje nad 93,5 °C. α- a β-anomery majú veľmi odlišné vlastnosti. Polymorfy možno rozlíšiť podľa špecifickej rotácie (+89 °C a +35 °C pre α- a β-laktózu) a rozpustnosti (70 a 500 g/l (pri 20 °C) pre α- a β-laktózu). [McSweeney et al. 2009]
Je to hlavný sacharid mlieka a nachádza sa v koncentráciách 2-8 hm. Laktóza je bez chuti a má nízku sladkosť. Laktóza pôsobí ako redukujúci cukor a podporuje Maillardove a Steckerove reakcie. Laktóza sa tak používa na zvýraznenie farby a chuti potravinárskych výrobkov, ako sú pekárenské výrobky, pečivo a cukrovinky.
Laktóza je široko používaná potravinárska prídavná látka, ktorá funguje ako nosič, plnivo, stabilizátor a riedidlo tabliet v potravinárskych a farmaceutických výrobkoch.
α-laktóza je najčistejšia forma, ktorá sa používa vo farmaceutických výrobkoch.
Laktóza je dôležitou zložkou, pokiaľ ide o chuť, vôňu a reakcie zhnednutia.
Vzorec: C12H22O11
ID IUPAC: β-D-galaktopyranosyl-(1→4)-D-glukóza
Molárna hmotnosť: 342,3 g/mol
Teplota topenia: 202,8 °C
Hustota: 1,53 g/cm3
Klasifikácia: FODMAP
Rozpustný v: vode, etanole
Literatúra / Referencie
- 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.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.