Ultrazvuková kryštalizácia laktózy

Pri mnohých procesoch v mliekarenskom priemysle vzniká ako vedľajší produkt veľké množstvo srvátky – označovanej aj ako mliečny permeát. Táto odpadová kvapalina je bohatá na laktózu, jej likvidácia je však nákladná a zaťažuje životné prostredie. Použitím ultrazvuku na získavanie laktózy možno výrazne znížiť objem odpadu a premeniť problematickú odpadovú kvapalinu na cenný zdroj. Sonikácia umožňuje rýchlu a účinnú kryštalizáciu, pri ktorej vzniká veľké množstvo rovnomerných kryštálov laktózy vhodných na komerčné využitie.

Výroba laktózy

Laktóza sa vyrába z koncentrovaného roztoku laktózy (získanej zo srvátky). Koncentrovaná suspenzia laktózy sa musí ochladiť na nízku teplotu, aby sa vyzrážali kryštály. Po kroku zrážania sa kryštály laktózy oddelia centrifugáciou. Následne sa kryštály vysušia na prášok.
Kroky kryštalizácie laktózy:

Zahusťovanie
Nukleácia
Rast kryštálov
Získavanie/ premývanie

Zlepšená kryštalizácia laktózy pomocou sonikácie

Ultrazvuk je dobre známy svojím pozitívnym vplyvom na procesy kryštalizácie a zrážania (sonokryštalizácia). Sonikácia zlepšuje aj tvorbu a rast kryštálov laktózy.
Sonokryštalizácia laktózy pomáha dosiahnuť maximálny výťažok kryštálov laktózy za minimálny čas.

Ultrazvuková prietoková cela na dispergovanie, rozpúšťanie a zrážanie/kryštalizáciu

Ultrazvukový sklenený reaktor na sonikáciu v prietoku

Dobrý rast kryštálov je zásadný na zabezpečenie účinného získavania a premývania laktózy (extrakcia a čistenie). Sonikácia spôsobuje presýtenie laktózou a iniciuje primárnu nukleáciu kryštálov laktózy. Kontinuálna sonikácia navyše prispieva k sekundárnej nukleácii, ktorá zabezpečuje úzke rozdelenie veľkostí kryštálov (CSD).

Ultrazvukom kryštalizovaná laktóza: Ultrazvukovú kryštalizáciu laktózy možno ovplyvniť pridaním karagénanu alebo srvátky (WPC).

Ultrazvuková kryštalizácia laktózy: Laktóza kryštalizovaná za rôznych podmienok: prívod ultrazvukovej energie, pridaný karagénan alebo srvátka (WPC) ovplyvňujú veľkosť kryštálov laktózy
štúdia a obrázok: ©Sanchez-García et al., 2018.

Výhody ultrazvuku:

maximálny výťažok
veľmi krátky čas procesu
rovnomerná veľkosť kryštálov
regulovateľná veľkosť kryštálov
jednotný tvar kryštálov

Od overenia uskutočniteľnosti po výrobu v prietoku: Sonokryštalizácia laktózy
Prečítajte si viac o zväčšovaní meradla ultrazvukovej kryštalizácie laktózy od stolových zariadení až po priemyselnú výrobu!

Od odpadovej kvapaliny k laktóze

Vzhľadom na veľký objem mliekarenskej výroby je srvátka často vedľajším produktom, s ktorým sa nakladá ako s odpadovou kvapalinou. Likvidácia kvapalnej srvátky je nákladná pre jej vysokú biochemickú spotrebu kyslíka (BOD) a obsah vody. Pri získavaní laktózy zo srvátky sa tento odpadový produkt využíva v následnom kroku spracovania na výrobu práškovej laktózy. Získavaním laktózy sa BOD srvátky znižuje o viac ako 80%, čím sa tento vedľajší produkt stáva užitočným a šetrnejším k životnému prostrediu. Ultrazvukom podporovaný proces kryštalizácie zlepšuje rast kryštálov, výťažok a kvalitu.
Laktóza sa vo veľkej miere používa ako zložka v potravinárskom a farmaceutickom priemysle, ako surovina na výrobu laktitolu alebo ako východisková surovina na mikrobiálnu výrobu biologicky odbúrateľných polyesterov.

UIP2000hdt je výkonný sonikátor s výkonom 2000 wattov s prietokovou celou na priemyselnú kryštalizáciu laktózy pri vysokej kapacite spracovania.

UIP2000hdT, výkonný sonikátor s výkonom 2000 wattov s prietokovou celou na priemyselnú kryštalizáciu v prietoku

Ultrazvukové zariadenia

Hielscher Ultrasonics ponúka ultrazvukové zariadenia na sonokryštalizačné procesy – na dávkovú sonikáciu alebo na spracovanie v prietoku v ultrazvukovom reaktore. Všetky sonikátory Hielscher sú navrhnuté na nepretržitú prevádzku (24 hodín/ 7 dní/ 365 dní), čím zabezpečujú maximálne využitie zariadení. Priemyselné ultrazvukové zariadenia s výkonom od 0,5kW až do 16kW na jednotku sú vhodné na komerčné spracovanie veľkých objemov presýtených suspenzií.

Spracovanie laktózy v potravinárskej kvalite

Sonikátory Hielscher sú vysoko účinné pri podpore a riadení kryštalizácie laktózy z presýtených roztokov. Pôsobením intenzívnej ultrazvukovej kavitácie tieto systémy zvyšujú rýchlosť nukleácie, skracujú indukčné časy a umožňujú tvorbu rovnomerných, dobre definovaných kryštálov. Výsledkom je rýchlejšia kinetika kryštalizácie a lepšia kontrola nad veľkosťou a morfológiou kryštálov. Sonikátory Hielscher sú ideálne na dávkové aj kontinuálne procesy v prietoku a ponúkajú škálovateľné riešenia od výskumu a vývoja až po priemyselnú výrobu. Vďaka robustnej nemeckej konštrukcii a kompatibilite s normami pre farmaceutickú kvalitu sú mimoriadne vhodné na náročné aplikácie pri čistení, formulácii a spracovaní laktózy.
Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú vhodné na výrobu v potravinárskej a farmaceutickej kvalite v súlade s normami cGMP. Sonikátory Hielscher sú dostupné s hygienickými armatúrami, ktoré zabezpečujú úplný súlad s normami hygienického spracovania. Ultrazvukové sonotródy (označované aj ako sondy alebo rohy) a prietokové reaktory sú navrhnuté s geometrickými tvarmi, ktoré uľahčujú prúdenie a ľahko sa čistia, čím umožňujú efektívnu údržbu a minimalizujú prestoje. Samotná ultrazvuková kavitácia navyše pôsobí ako mechanizmus čistenia na mieste (CIP) a podporuje čistenie vnútorných povrchov počas prevádzky. Pre aseptické prostredia možno všetky sonotródy a reaktory v plnom rozsahu sterilizovať v autokláve. Vďaka malým priestorovým nárokom možno systémy Hielscher ľahko integrovať alebo dodatočne zabudovať do existujúcich výrobných liniek – sú preto ideálne na modernizáciu kryštalizačných prevádzok vo farmaceutickej a potravinárskej kvalite.
Kontaktujte nás ešte dnes a získajte ďalšie informácie! Hielscher Ultrasonics ponúka rôzne štandardizované aj individuálne prispôsobené riešenia na ultrazvukové spracovanie mliečnych výrobkov a potravín!

Priemyselné ultrazvukové zariadenie sondového typu UIP6000hdT (ultrazvukový výkon 6kW, ultrazvuková frekvencia 20kHz) s prietokovým reaktorom na kontinuálne ultrazvukové spracovanie presýtených roztokov na kryštalizáciu a zrážanie pri vysokej kapacite spracovania.

Ultrazvukové zariadenie UIP6000hdT s prietokovou celou, ktorú možno natlakovať. Vyhrievací/ chladiaci plášť umožňuje sonikáciu pri zvýšených alebo znížených teplotách.

Súvisiace témy

O sonokryštalizácii

Keď sa výkonový ultrazvuk používa na vyvolanie a zlepšenie kryštalizačných procesov, ide o sonokryštalizáciu. Sonokryštalizácia je založená na využití „akustických vĺn na vyvolanie fyzikálno-chemických zmien v materiáli. Medzi bežné aplikácie výkonového ultrazvuku patrí jeho využitie na vyvolanie chemických reakcií (sonochémia) a na podporu kryštalizácie (sonokryštalizácia). Tieto techniky upútali pozornosť viacerých priemyselných odvetví vrátane farmaceutického, chemického a potravinárskeho priemyslu vzhľadom na výhodu, ktorú ponúkajú. Ultrazvukové techniky sú ekonomicky realizovateľné a dajú sa pomerne ľahko začleniť do priemyselnej prevádzky. Tieto techniky možno použiť na zlepšenie reprodukovateľnosti aj výťažku výroby; sú netepelné a ekologicky čisté“. [Martini 2013, 4]

Nukleácia a rast kryštálov

Kryštalizácia je definovaná ako proces tvorby, pri ktorom sa z presýteného roztoku, taveniny alebo plynu vylučujú pevné kryštály.
Proces kryštalizácie pozostáva z dvoch hlavných fáz: nukleácie a rastu kryštálov.
Počas nukleácie začínajú rozpustené molekuly v roztoku vytvárať zhluky, ktoré musia byť dostatočne veľké, aby boli za prevádzkových podmienok stabilné. Takýto stabilný zhluk tvorí zárodok. Po dosiahnutí kritickej veľkosti na vytvorenie stabilného zárodku sa začína fáza rastu kryštálov.
Vo fáze rastu kryštálov sa vytvorené zárodky zväčšujú, pretože sa na zhluk viažu ďalšie molekuly. Proces rastu závisí od stupňa nasýtenia a ďalších parametrov, ako sú rovnomerné miešanie, teplota atď.
Klasická teória kryštalizácie je založená na termodynamickej predstave, že izolovaný systém je absolútne stabilný, keď je jeho entropia nemenná.

Fakty o laktóze

Laktóza (mliečny cukor) je disacharid tvorený glukózou a galaktózou spojenými β(1→4) glykozidovou väzbou.
Vzhľadom na prítomnosť chirálneho uhlíka sa laktóza môže vyskytovať v podobe týchto 2 typov izomérov: α- alebo β-laktózy. Laktóza sa najčastejšie vyskytuje ako hydratovaný kryštál monohydrátu α-laktózy. Druhý polymorf, bezvodá β-laktóza, je menej bežný a kryštalizuje pri teplotách nad 93,5°C. Anoméry α a β majú veľmi odlišné vlastnosti. Polymorfy možno rozlíšiť podľa špecifickej otáčavosti (+89°C pre α-laktózu a +35°C pre β-laktózu) a rozpustnosti (70 pre α-laktózu a 500g/L pre β-laktózu (pri 20°C)). [McSweeney et al. 2009]
Je hlavným sacharidom mlieka a vyskytuje sa v koncentráciách 2–8 hmotn. %. Laktóza je bez chuti a má nízku sladivosť. Laktóza pôsobí ako redukujúci cukor a podporuje Maillardove a Steckerove reakcie. Preto sa laktóza používa na zvýraznenie farby a chuti potravinárskych výrobkov, ako sú pekárske výrobky, jemné pečivo a cukrovinky.
Laktóza je široko používaná prídavná látka, ktorá v potravinárskych a farmaceutických výrobkoch slúži ako nosič, plnidlo, stabilizátor a riedidlo pri výrobe tabliet.
α-laktóza je najčistejšia forma, ktorá sa používa vo farmaceutických výrobkoch.
Laktóza je dôležitou zložkou z hľadiska chuti, arómy a reakcií hnednutia.
Vzorec: C₁₂H₂₂O₁₁
Identifikátor IUPAC: β-D-galaktopyranozyl-(1→4)-D-glukóza
Molárna hmotnosť: 342,3 g/mol
Teplota topenia: 202,8°C
Hustota: 1,53 g/cm³
Klasifikácia: FODMAP
Rozpustná 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.

Vysokovýkonná ultrazvuková technika! Sortiment produktov Hielscher pokrýva celé spektrum od kompaktného laboratórneho ultrazvukového zariadenia cez stolové jednotky až po plne priemyselné ultrazvukové systémy.

Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory vo veľkostiach od laboratórnej až po priemyselnú.