Ultrazvočna kristalizacija laktoze
V mnogih mlečnih procesih se kot stranski proizvod proizvajajo velike količine sirotke, imenovane tudi mlečni permeat. Ta odpadna voda je bogata z laktozo, vendar je njeno odstranjevanje drago in obremenjujoče za okolje. Z uporabo ultrazvoka za predelavo laktoze se lahko količina odpadkov znatno zmanjša, s čimer se problematična odpadna voda spremeni v dragocen vir. Ultrasonication omogoča hitro in učinkovito kristalizacijo, kar daje veliko količino enakomernih kristalov laktoze, primernih za komercialno uporabo.
Proizvodnja laktoze
Laktoza se proizvaja iz koncentrirane raztopine laktoze (pridobljene iz sirotke). Koncentrirano laktozno gnojevko je treba ohladiti na nizko temperaturo, da se oborijo kristali. Po koraku obarjanja se kristali laktoze ločijo s centrifugiranjem. Nato se kristali posušijo v prah.
Koraki kristalizacije laktoze:
- koncentracija
- nukleacija
- Rast kristalov
- Pobiranje / pranje
Izboljšana kristalizacija laktoze z ultrazvočnim razbijanjem
Ultrazvok je znan po svojem pozitivnem vplivu na procese kristalizacije in obarjanja (sonokristalizacija). Sonication izboljša tudi nastajanje in rast kristalov laktoze.
Sonokristalizacija laktoze pomaga doseči največji donos kristalov laktoze v najkrajšem času.
Ultrazvočni stekleni reaktor za inline ultrazvočno razbijanje
Dobra rast kristalov je precejšnja, da se zagotovi učinkovito nabiranje in pranje laktoze (ekstrakcija & čiščenje). Sonication povzroči prenasičenost laktoze in sproži primarno nukleacijo kristalov laktoze. Poleg tega neprekinjeno ultrazvočno razbijanje prispeva k sekundarni nukleaciji, ki zagotavlja distibucijo majhne velikosti kristalov (CSD).
Ultrazvočna kristalizacija laktoze: Laktoza kristalizirana pod različnimi pogoji: ultrazvočni vnos energije, dodan karagenan ali sirotka (WPC) vpliva na velikost kristalov laktoze
študija in slika: ©Sanchez-García et al., 2018.
Prednosti ultrazvoka:
- največji donos
- zelo kratek čas postopka
- enotna velikost kristalov
- nadzorovana velikost kristalov
- enotna kristalna oblika
Od izvedljivosti do inline proizvodnje: Sonokristalizacija laktoze
Preberite več o povečanju ultrazvočne kristalizacije laktoze od klopi do industrijske proizvodnje!
Od odpadnih odpadkov do laktoze
Zaradi velike proizvodnje mleka je sirotka pogosto stranski proizvod, ki se obravnava kot odpadna odpadna voda. Odstranjevanje tekoče sirotke je drago zaradi visoke biološke potrebe po kisiku (BPK) in vsebnosti vode. Ko se laktoza zajame iz sirotke, se odpadni produkt uporabi v fazi naknadne obdelave za proizvodnjo laktoze v prahu. Predelava laktoze zmanjša BPK sirotke za več kot 80 %, zaradi česar je stranski proizvod uporaben in okolju prijaznejši. Ultrazvočno podprt proces kristalizacije izboljša rast, donos in kakovost kristalov.
Laktoza se pogosto uporablja kot sestavina v živilski in farmacevtski industriji, kot surovina za proizvodnjo laktitola ali kot osnovna snov za mikrobno proizvodnjo biorazgradljivih poliestrov.
UIP2000hdT, 2000 vatov zmogljiv zvočnik s pretočno celico za industrijsko inline kristalizacijo
Ultrazvočna oprema
Hielscher Ultrasonics ponuja ultrazvočno opremo za procese sonokristalizacije – bodisi za serijsko ultrazvočno obdelavo ali za inline obdelavo v ultrazvočnem reaktorju. Vsi Hielscher sonicatorji so zasnovani tako, da delujejo neprekinjeno (24 ur / 7d / 365d), kar zagotavlja maksimalno izkoriščenost opreme. Industrijske ultrazvočne naprave od 0,5kW do 16kW na enoto so primerne za komercialno obdelavo velikih količin prenasičenih suspenzij.
Predelava laktoze za živila
Hielscher sonicatorji so zelo učinkoviti za spodbujanje in nadzor kristalizacije laktoze iz prenasičenih raztopin. Z uporabo intenzivne ultrazvočne kavitacije ti sistemi povečajo hitrost nukleacije, skrajšajo čas indukcije in omogočajo tvorbo enotnih, dobro opredeljenih kristalov. To ima za posledico hitrejšo kinetiko kristalizacije in boljši nadzor nad velikostjo in morfologijo kristalov. Idealni za paketne in neprekinjene inline procese, Hielscher sonicatorji ponujajo razširljive rešitve R&D za industrijsko proizvodnjo. Zaradi robustnega nemškega inženiringa in združljivosti s farmacevtskimi standardi so še posebej primerni za zahtevne aplikacije pri čiščenju, formulaciji in predelavi laktoze.
Hielscher ultrazvočni aparati so primerni za proizvodnjo živil in farmacevtskih izdelkov, ki so v skladu s standardi cGMP. Hielscher sonicatorji so na voljo s sanitarno opremo, ki zagotavlja popolno skladnost s higienskimi standardi obdelave. Ultrazvočne sonotrode (imenovane tudi sonde ali rogovi) in pretočni reaktorji so zasnovani z racionaliziranimi, enostavnimi geometrijami, ki olajšajo učinkovito vzdrževanje in zmanjšujejo izpade. Predvsem ultrazvočna kavitacija sama deluje kot mehanizem za čiščenje na mestu (CIP), ki podpira notranje čiščenje površine med delovanjem. Za aseptična okolja so vse sonotrode in reaktorji popolnoma avtoklavni. Zahvaljujoč kompaktnemu odtisu se Hielscherjevi sistemi enostavno integrirajo ali naknadno vgradijo v obstoječe proizvodne linije, zaradi česar so idealni za nadgradnje v farmacevtskih in živilskih kristalizacijskih obratih.
Kontaktirajte nas še danes, če želite dobiti več informacij! Hielscher Ultrasonics ponuja različne standardizirane in prilagojene rešitve za ultrazvočno predelavo mleka in hrane!
Ultrazvočni aparat UIP6000hdT s pretočno celico pod tlakom. Ogrevalni / hladilni plašč omogoča sonikiranje pri povišanih ali znižanih temperaturah.
O sonokristalizaciji
Ko se ultrazvok moči uporablja za spodbujanje in izboljšanje procesov kristalizacije, je znan kot sonokristalizacija. Sonokristalizacija temelji na uporabi “akustični valovi, ki povzročajo fizikalno-kemijske spremembe v materialu. Nekatere pogoste aplikacije ultrazvoka moči vključujejo njegovo uporabo za induciranje kemijskih reakcij (sonokemija) in za spodbujanje kristalizacije (sonokristalizacija). Te tehnike so pritegnile pozornost več industrij, vključno s farmacevtsko, kemično in živilsko industrijo, glede na prednost, ki jo ponujajo. Ultrazvočne tehnike so ekonomsko izvedljive in jih je razmeroma enostavno vključiti v industrijsko delovanje. Te tehnike se lahko uporabijo za izboljšanje ponovljivosti in donosa proizvodnje; So netoplotne in okolju čiste”. [Martini 2013, 4]
Nukleacija in rast kristalov
Kristalizacija je določena kot proces nastajanja, kjer se trdni kristali oborijo iz prenasičene raztopine, taline ali plina.
Proces kristalizacije je sestavljen iz dveh glavnih stopenj: nukleacije in rasti kristalov.
Med nukleacijo raztopljene molekule v raztopini začnejo tvoriti grozde, ki morajo biti dovolj veliki, da so stabilni v pogojih delovanja. Takšen stabilen grozd tvori jedro. Po doseganju kritične velikosti, da se oblikuje stabilno jedro, se začne faza rasti kristalov.
V fazi rasti kristalov se nastala jedra povečajo, ko je več molekul vezanih na grozd. Proces rasti je odvisen od stopnje nasičenosti in drugih parametrov, kot so enakomerno mešanje, temperatura itd.
Klasična teorija kristalizacije temelji na termodinamičnem pojmovanju, da je izolirani sistem popolnoma stabilen, če je njegova entropija nespremenljiva.
Dejstva o laktozi
Laktoza (mlečni sladkor) je disaharid, zgrajen iz glukoze in galaktoze, povezan z β(1→4) glikozidno vezjo.
Zaradi prisotnosti kiralnega ogljika se lahko laktoza pojavi v obliki naslednjih 2 vrst izomerov: α- ali β-laktoza. Laktozo najpogosteje najdemo v obliki hidriranega kristala α-laktoze monohidrata. Drugi polimorf, brezvodna β-laktoza, je manj pogost in kristalizira nad 93,5 °C. α- in β-anomeri imajo zelo različne lastnosti. Polimorfe lahko ločimo po specifični rotaciji (+89 °C in +35 °C za α- in β-laktozo) in topnosti (70 in 500 g/L (pri 20 °C) za α- oziroma β-laktozo). [McSweeney et al. 2009]
Je glavni ogljikov hidrat mleka in ga najdemo v koncentracijah 2-8 mas. Laktoza je brez okusa in ima nizko sladkost. Laktoza deluje kot reducirajoči sladkor in spodbuja Maillardove in Steckerjeve reakcije. Pri tem se laktoza uporablja za izboljšanje barve in okusa živilskih izdelkov, kot so pekovski izdelki, pecivo in slaščice.
Laktoza je pogosto uporabljen aditiv za živila, ki deluje kot nosilec, polnilo, stabilizator in razredčilo tablet v živilih in farmacevtskih izdelkih.
α-laktoza je najčistejša oblika, ki se uporablja za farmacevtske izdelke.
Laktoza je pomembna sestavina, ko gre za okus, aromo in reakcije porjavitve.
Formula: C12H22O11
IUPAC ID: β-D-galaktopiranozil-(1→4)-D-glukoza
Molska masa: 342,3 g/mol
Tališče: 202,8 °C
Gostota: 1,53 g/cm3
Razvrstitev: FODMAP
Topen v: vodi, etanolu
Literatura / Reference
- 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 proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.