Ultrazvočna kristalizacija laktoze

Pri številnih postopkih v mlečni industriji nastajajo velike količine sirotke – imenovane tudi mlečni permeat – kot stranski proizvod. Ta odpadna tekočina je bogata z laktozo, vendar je njeno odstranjevanje drago in obremenjujoče za okolje. Z uporabo ultrazvoka za pridobivanje laktoze je mogoče znatno zmanjšati količino odpadkov in problematično odpadno tekočino pretvoriti v dragocen vir. Sonikacija omogoča hitro in učinkovito kristalizacijo, pri kateri nastane velika količina enakomernih kristalov laktoze, primernih za komercialno uporabo.

Proizvodnja laktoze

Laktoza se proizvaja iz koncentrirane raztopine laktoze (pridobljene iz sirotke). Koncentrirano suspenzijo laktoze je treba ohladiti na nizko temperaturo, da se izločijo kristali. Po koraku izločanja se kristali laktoze ločijo s centrifugiranjem. Nato se kristali posušijo v prah.
Koraki kristalizacije laktoze:

Koncentriranje
Nukleacija
Rast kristalov
Zbiranje/ pranje

Izboljšana kristalizacija laktoze s sonikacijo

Ultrazvok je dobro znan po svojem pozitivnem vplivu na procese kristalizacije in izločanja (sonokristalizacija). Sonikacija izboljša tudi nastajanje in rast kristalov laktoze.
Sonokristalizacija laktoze pomaga doseči največji izkoristek kristalov laktoze v najkrajšem času.

Ultrazvočna pretočna celica za dispergiranje, raztapljanje in izločanje/kristalizacijo

Ultrazvočni stekleni reaktor za sonikacijo v pretočnem sistemu

Dobra rast kristalov je bistvena za učinkovito zbiranje in pranje laktoze (ekstrakcija in čiščenje). Sonikacija povzroči prenasičenost laktoze in sproži primarno nukleacijo kristalov laktoze. Poleg tega neprekinjena sonikacija prispeva k sekundarni nukleaciji, ki zagotavlja majhno porazdelitev velikosti kristalov (CSD).

Ultrazvočno kristalizirana laktoza: na ultrazvočno kristalizacijo laktoze lahko vpliva dodatek karagenana ali sirotke (WPC).

Ultrazvočna kristalizacija laktoze: laktoza, kristalizirana v različnih pogojih: vnos ultrazvočne energije, dodani karagenan ali sirotka (WPC) vplivajo na velikost kristalov laktoze
študija in slika: ©Sanchez-García et al., 2018.

Prednosti ultrazvoka:

največji izkoristek
zelo kratek čas obdelave
enakomerna velikost kristalov
obvladljiva velikost kristalov
enakomerna oblika kristalov

Od preverjanja izvedljivosti do proizvodnje v pretočnem sistemu: sonokristalizacija laktoze
Preberite več o povečanju obsega ultrazvočne kristalizacije laktoze od namiznih naprav do industrijske proizvodnje!

Od odpadne tekočine do laktoze

Zaradi velikega obsega proizvodnje v mlečni industriji je sirotka pogosto stranski proizvod, ki se obravnava kot odpadna tekočina. Odstranjevanje tekoče sirotke je povezano z visokimi stroški zaradi njene visoke biokemijske potrebe po kisiku (BOD) in vsebnosti vode. Pri pridobivanju laktoze iz sirotke se odpadni proizvod uporabi v koraku naknadne obdelave za proizvodnjo laktoze v prahu. Pridobivanje laktoze zmanjša BOD sirotke za več kot 80%, zaradi česar je stranski proizvod uporaben in prijaznejši do okolja. Postopek kristalizacije s pomočjo ultrazvoka izboljša rast kristalov, izkoristek in kakovost.
Laktoza se pogosto uporablja kot sestavina v živilski in farmacevtski industriji, kot surovina za proizvodnjo laktitola ali kot osnovna surovina za mikrobno proizvodnjo biološko razgradljivih poliestrov.

UIP2000hdt je zmogljiv sonikator z močjo 2000 vatov in pretočno celico za industrijsko kristalizacijo laktoze z visoko zmogljivostjo obdelave.

UIP2000hdT, zmogljiv sonikator z močjo 2000 vatov s pretočno celico za industrijsko kristalizacijo v pretočnem sistemu

Ultrazvočna oprema

Hielscher Ultrasonics ponuja ultrazvočno opremo za procese sonokristalizacije – za šaržno sonikacijo ali za obdelavo v pretočnem sistemu v ultrazvočnem reaktorju. Vsi sonikatorji Hielscher so zasnovani za neprekinjeno delovanje (24hrs/ 7d/ 365d), kar zagotavlja največjo izkoriščenost opreme. Industrijske ultrazvočne naprave z močjo od 0,5kW do 16kW na enoto so primerne za komercialno obdelavo velikih količin prenasičenih suspenzij.

Obdelava laktoze v živilski kakovosti

Sonikatorji Hielscher so zelo učinkoviti pri spodbujanju in nadzorovanju kristalizacije laktoze iz prenasičenih raztopin. Z uporabo intenzivne ultrazvočne kavitacije ti sistemi povečajo hitrost nukleacije, skrajšajo indukcijske čase in omogočajo nastajanje enakomernih, jasno oblikovanih kristalov. To omogoča hitrejšo kinetiko kristalizacije ter izboljšan nadzor nad velikostjo in morfologijo kristalov. Sonikatorji Hielscher so idealni tako za šaržne kot za neprekinjene pretočne procese in ponujajo rešitve s prilagodljivim obsegom od raziskav in razvoja do industrijske proizvodnje. Zaradi robustne nemške inženirske zasnove in združljivosti s standardi farmacevtske kakovosti so še posebej primerni za zahtevne uporabe pri čiščenju, formuliranju in obdelavi laktoze.
Ultrazvočne naprave Hielscher so primerne za proizvodnjo v živilski in farmacevtski kakovosti, skladno s standardi cGMP. Sonikatorji Hielscher so na voljo s higienskimi priključki, ki zagotavljajo popolno skladnost s standardi higienske obdelave. Ultrazvočne sonotrode (imenovane tudi sonde ali rogovi) in pretočni reaktorji so zasnovani z geometrijami, ki omogočajo nemoten pretok in preprosto čiščenje, kar olajša učinkovito vzdrževanje in zmanjšuje čas nedelovanja. Ultrazvočna kavitacija sama deluje kot mehanizem čiščenja na mestu (CIP) in podpira čiščenje notranjih površin med delovanjem. Za aseptična okolja so vse sonotrode in reaktorji v celoti primerni za avtoklaviranje. Zaradi majhnih prostorskih zahtev je mogoče sisteme Hielscher preprosto vključiti ali naknadno vgraditi v obstoječe proizvodne linije – zato so idealni za nadgradnje obratov za kristalizacijo v farmacevtski in živilski kakovosti.
Za več informacij nas kontaktirajte še danes! Hielscher Ultrasonics ponuja različne standardizirane in prilagojene rešitve za ultrazvočno obdelavo mlečnih izdelkov in živil!

Industrijska ultrazvočna naprava s sondo UIP6000hdT (ultrazvočna moč 6kW, ultrazvočna frekvenca 20kHz) s pretočnim reaktorjem za neprekinjeno ultrazvočno obdelavo prenasičenih raztopin za kristalizacijo in izločanje z visoko zmogljivostjo obdelave.

Ultrazvočna naprava UIP6000hdT s pretočno celico, ki jo je mogoče tlačiti. Grelni/ hladilni plašč omogoča sonikacijo pri povišanih ali znižanih temperaturah.

Sorodne teme

O sonokristalizaciji

Uporaba močnostnega ultrazvoka za sprožanje in izboljšanje procesov kristalizacije se imenuje sonokristalizacija. Sonokristalizacija temelji na uporabi »akustičnih valov za sprožanje fizikalno-kemijskih sprememb v materialu. Nekatere pogoste uporabe močnostnega ultrazvoka vključujejo njegovo uporabo za sprožanje kemijskih reakcij (sonokemija) in spodbujanje kristalizacije (sonokristalizacija). Te tehnike so zaradi prednosti, ki jih ponujajo, pritegnile pozornost več industrijskih panog, vključno s farmacevtsko, kemijsko in živilsko industrijo. Ultrazvočne tehnike so ekonomsko upravičene in jih je razmeroma preprosto vključiti v industrijsko delovanje. Te tehnike se lahko uporabljajo za izboljšanje ponovljivosti in izkoristka proizvodnje; so netermične in okoljsko čiste«. [Martini 2013, 4]

Nukleacija in rast kristalov

Kristalizacija je opredeljena kot proces nastajanja, pri katerem se trdni kristali izločajo iz prenasičene raztopine, taline ali plina.
Proces kristalizacije obsega dve glavni stopnji: nukleacijo in rast kristalov.
Med nukleacijo začnejo raztopljene molekule v raztopini tvoriti skupke, ki morajo biti dovolj veliki, da so stabilni v obratovalnih pogojih. Tak stabilen skupek tvori kristalno jedro. Ko je dosežena kritična velikost za nastanek stabilnega jedra, se začne stopnja rasti kristalov.
V fazi rasti kristalov se nastala jedra povečujejo, ko se na skupek veže več molekul. 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 izoliran sistem absolutno stabilen, kadar je njegova entropija nespremenljiva.

Dejstva o laktozi

Laktoza (mlečni sladkor) je disaharid, sestavljen iz glukoze in galaktoze, povezanih z glikozidno vezjo β(1→4).
Zaradi prisotnosti kiralnega ogljikovega atoma se lahko laktoza pojavlja v obliki naslednjih 2 vrst izomerov: α- ali β-laktoze. Laktoza se najpogosteje pojavlja kot hidratiziran kristal α-laktoze monohidrata. Drugi polimorf, brezvodna β-laktoza, je manj pogost in kristalizira nad 93,5°C. α- in β-anomera imata zelo različne lastnosti. Polimorfa je mogoče razlikovati po specifični optični rotaciji (+89°C za α-laktozo in +35°C za β-laktozo) in topnosti (70 za α-laktozo in 500g/L za β-laktozo (pri 20°C)). [McSweeney et al. 2009]
Je glavni ogljikov hidrat v mleku in je prisotna v koncentracijah 2–8 wt%. Laktoza je brez okusa in ima nizko sladkost. Laktoza deluje kot reducirajoči sladkor ter spodbuja Maillardove in Steckerjeve reakcije. Zato 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 v živilskih in farmacevtskih izdelkih deluje kot nosilec, polnilo, stabilizator in razredčilo za tablete.
α-laktoza je najčistejša oblika, ki se uporablja za farmacevtske izdelke.
Laktoza je pomembna sestavina pri okusu, aromi in reakcijah porjavenja.
Formula: C₁₂H₂₂O₁₁
Identifikator IUPAC: β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
Molska masa: 342,3 g/mol
Tališče: 202,8°C
Gostota: 1,53 g/cm³
Razvrstitev: FODMAP
Topna v: vodi, etanolu

Literatura / viri

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.

Visokozmogljiva ultrazvočna tehnologija! Paleta izdelkov Hielscher pokriva celoten spekter od kompaktne laboratorijske ultrazvočne naprave prek namiznih enot do povsem industrijskih ultrazvočnih sistemov.

Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje v velikostih od laboratorijskih do industrijskih.