Ultraljudsinducerad kristallisation av laktos

I många mejeriprocesser uppstår stora volymer vassle – även kallat mjölkpermeat – som biprodukt. Denna avloppsström är rik på laktos, men omhändertagandet av den är både kostsamt och miljöbelastande. Genom att använda ultraljud för att återvinna laktosen kan avfallsvolymen minskas avsevärt, vilket omvandlar en problematisk avloppsström till en värdefull resurs. Ultraljudsbehandling underlättar snabb och effektiv kristallisation och ger en stor mängd enhetliga laktoskristaller som är lämpliga för kommersiell användning.

Framställning av laktos

Laktos framställs ur en koncentrerad laktoslösning (utvunnen ur vassle). Den koncentrerade laktossuspensionen måste kylas till låg temperatur för att kristaller ska fällas ut. Efter utfällningssteget separeras laktoskristallerna genom centrifugering. Därefter torkas kristallerna till ett pulver.
Steg i laktoskristallisationen:

Koncentrering
Kärnbildning
Kristalltillväxt
Uppsamling/ tvättning

Förbättrad laktoskristallisation genom ultraljudsbehandling

Ultraljud är välkänt för sin positiva inverkan på kristallisations- och utfällningsprocesser (sonokristallisation). Ultraljudsbehandling förbättrar även bildningen och tillväxten av laktoskristaller.
Sonokristallisation av laktos bidrar till att uppnå maximalt utbyte av laktoskristaller på kortast möjliga tid.

Ultraljudsflödescell för dispergering, upplösning och utfällning/kristallisation

Ultraljudsreaktor av glas för ultraljudsbehandling i ett kontinuerligt flöde

God kristalltillväxt är avgörande för att säkerställa effektiv uppsamling och tvättning av laktosen (extraktion och rening). Ultraljudsbehandling orsakar övermättnad av laktos och initierar primär kärnbildning av laktoskristaller. Dessutom bidrar kontinuerlig ultraljudsbehandling till sekundär kärnbildning, vilket säkerställer en snäv kristallstorleksfördelning (CSD).

Ultraljudskristalliserad laktos: Ultraljudsinducerad laktoskristallisation kan påverkas genom tillsats av karragenan eller vassle (WPC).

Ultraljudsinducerad laktoskristallisation: Laktos kristalliserad under olika förhållanden: tillförsel av ultraljudsenergi, tillsatt karragenan eller vassle (WPC) påverkar laktoskristallernas storlek
studie och bild: ©Sanchez-García et al., 2018.

Fördelar med ultraljud:

maximalt utbyte
mycket kort processtid
enhetlig kristallstorlek
kontrollerbar kristallstorlek
enhetlig kristallform

Från genomförbarhetsstudie till produktion i ett kontinuerligt flöde: Sonokristallisation av laktos
Läs mer om uppskalning av ultraljudsinducerad laktoskristallisation från bänkskala till industriell produktion!

Från avloppsström till laktos

På grund av den omfattande mejeriproduktionen är vassle ofta en biprodukt som hanteras som avloppsvatten. Omhändertagandet av flytande vassle är kostsamt på grund av dess höga biologiska syreförbrukning (BOD) och vattenhalt. När laktosen återvinns ur vasslen används avfallsprodukten i ett efterföljande bearbetningssteg för att framställa laktospulver. Laktosåtervinningen minskar vasslens BOD med mer än 80%, vilket gör biprodukten användbar och mer miljövänlig. En ultraljudsassisterad kristallisationsprocess förbättrar kristalltillväxten, utbytet och kvaliteten.
Laktos används i stor utsträckning som ingrediens inom livsmedels- och läkemedelsindustrin, som råvara vid framställning av laktitol eller som utgångsmaterial vid mikrobiell produktion av biologiskt nedbrytbara polyestrar.

UIP2000hdt är en ultraljudsapparat med en effekt på 2000 watt och flödescell för industriell kristallisation av laktos med hög genomströmningskapacitet.

UIP2000hdT, en ultraljudsapparat med en effekt på 2000 watt med flödescell för industriell kristallisation i ett kontinuerligt flöde

Ultraljudsutrustning

Hielscher Ultrasonics erbjuder ultraljudsutrustning för sonokristallisationsprocesser – antingen för satsvis ultraljudsbehandling eller för behandling i ett kontinuerligt flöde i en ultraljudsreaktor. Alla ultraljudsapparater från Hielscher är konstruerade för kontinuerlig drift (24hrs/ 7d/ 365d), vilket säkerställer maximalt utnyttjande av utrustningen. Industriella ultraljudsapparater från 0,5kW upp till 16kW per enhet är lämpliga för kommersiell bearbetning av stora volymer övermättade suspensioner.

Bearbetning av laktos med livsmedelskvalitet

Hielschers ultraljudsapparater är mycket effektiva för att främja och kontrollera laktoskristallisation ur övermättade lösningar. Genom intensiv ultraljudskavitation ökar dessa system kärnbildningshastigheten, förkortar induktionstiderna och möjliggör bildandet av enhetliga, väldefinierade kristaller. Detta ger snabbare kristallisationskinetik och förbättrad kontroll över kristallstorlek och morfologi. Hielschers ultraljudsapparater är idealiska för både satsvisa processer och kontinuerliga flödesprocesser och erbjuder skalbara lösningar från forskning och utveckling till industriell produktion. Deras robusta tyska konstruktion och förenlighet med standarder för läkemedelskvalitet gör dem särskilt lämpade för krävande tillämpningar inom rening, formulering och bearbetning av laktos.
Hielschers ultraljudsapparater är lämpliga för produktion med livsmedels- och läkemedelskvalitet som uppfyller cGMP-standarder. Hielschers ultraljudsapparater finns med hygieniska anslutningar, vilket säkerställer full överensstämmelse med standarder för hygienisk bearbetning. Ultraljudssonotroderna (även kallade sonder eller horn) och genomströmningsreaktorerna är utformade med strömlinjeformade, lättstädade geometrier som underlättar effektivt underhåll och minimerar stilleståndstiden. Särskilt värt att nämna är att ultraljudskavitationen i sig fungerar som en mekanism för rengöring på plats (CIP) och bidrar till rengöring av invändiga ytor under drift. För aseptiska miljöer är alla sonotroder och reaktorer helt autoklaverbara. Tack vare sitt kompakta format kan Hielschers system enkelt integreras eller eftermonteras i befintliga produktionslinjer – vilket gör dem idealiska för uppgraderingar av kristallisationsanläggningar för läkemedels- och livsmedelsproduktion.
Kontakta oss i dag för mer information! Hielscher Ultrasonics erbjuder olika standardiserade och kundanpassade lösningar för ultraljudsbehandling av mejeriprodukter och livsmedel!

Industriell ultraljudsapparat av sondtyp UIP6000hdT (6kW ultraljudseffekt, 20kHz ultraljudsfrekvens) med flödescellsreaktor för kontinuerlig ultraljudsbehandling av övermättade lösningar för kristallisation och utfällning med hög genomströmningskapacitet.

Ultraljudsapparaten UIP6000hdT med trycksättningsbar flödescell. En värme-/kylmantel möjliggör ultraljudsbehandling vid förhöjda eller sänkta temperaturer.

Relaterade ämnen

Om sonokristallisation

När högeffektsultraljud används för att initiera och förbättra kristallisationsprocesser kallas det sonokristallisation. Sonokristallisation bygger på användningen av ”akustiska vågor för att framkalla fysikalisk-kemiska förändringar i materialet. Några vanliga tillämpningar av högeffektsultraljud är att initiera kemiska reaktioner (sonokemi) och främja kristallisation (sonokristallisation). Dessa tekniker har uppmärksammats av flera branscher, däribland läkemedels-, kemi- och livsmedelsindustrin, tack vare den fördel de erbjuder. Ultraljudstekniker är ekonomiskt genomförbara och relativt enkla att införliva i industriell drift. Dessa tekniker kan användas för att förbättra både reproducerbarheten och produktionsutbytet; de är icke-termiska och miljömässigt rena”. [Martini 2013, 4]

Kärnbildning och kristalltillväxt

Kristallisation definieras som den bildningsprocess där fasta kristaller fälls ut ur en övermättad lösning, smälta eller gas.
Kristallisationsprocessen består av två huvudsteg: kärnbildning och kristalltillväxt.
Under kärnbildningen börjar de lösta molekylerna i lösningen bilda kluster, som måste vara tillräckligt stora för att vara stabila under driftförhållandena. Ett sådant stabilt kluster bildar en kärna. När den kritiska storleken för att bilda en stabil kärna har uppnåtts börjar kristalltillväxten.
Under kristalltillväxtfasen blir de bildade kärnorna större när fler molekyler binds till klustret. Tillväxtprocessen beror på mättnadsgraden och andra parametrar såsom jämn omblandning, temperatur osv.
Den klassiska kristallisationsteorin bygger på den termodynamiska föreställningen att ett isolerat system är absolut stabilt när dess entropi är oföränderlig.

Fakta om laktos

Laktos (mjölksocker) är en disackarid uppbyggd av glukos och galaktos som är sammanbundna med en β(1→4)-glykosidbindning.
På grund av förekomsten av en kiral kolatom kan laktos förekomma som följande 2 isomertyper: α- eller β-laktos. Laktos förekommer oftast som hydratiserade α-laktosmonohydratkristaller. Den andra polymorfen, vattenfri β-laktos, är mindre vanlig och kristalliserar över 93,5°C. α- och β-anomererna har mycket olika egenskaper. Polymorferna kan särskiljas genom den specifika vridningen (+89°C och +35°C för α- respektive β-laktos) och lösligheten (70 respektive 500g/L (vid 20°C) för α- respektive β-laktos). [McSweeney et al. 2009]
Det är den huvudsakliga kolhydraten i mjölk och förekommer i koncentrationer på 2–8 vikt%. Laktos är smaklös och har låg sötma. Laktos fungerar som ett reducerande socker och främjar Maillard- och Steckerreaktionerna. Därför används laktos för att förstärka färg och smak hos livsmedel som bageriprodukter, bakverk och konfektyr.
Laktos är en vanligt förekommande livsmedelstillsats som fungerar som bärare, fyllmedel, stabiliseringsmedel och spädningsmedel för tabletter i livsmedels- och läkemedelsprodukter.
α-laktos är den renaste formen och används i läkemedelsprodukter.
Laktos är en viktig ingrediens när det gäller smak, arom och brunfärgningsreaktioner.
Formel: C₁₂H₂₂O₁₁
IUPAC-ID: β-D-galaktopyranosyl-(1→4)-D-glukos
Molmassa: 342,3 g/mol
Smältpunkt: 202,8°C
Densitet: 1,53 g/cm³
Klassificering: FODMAP
Löslig i: vatten, etanol

Litteratur / referenser

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.

Högpresterande ultraljud! Hielschers produktsortiment täcker hela spannet från den kompakta ultraljudsapparaten för laboratorier via bänkenheter till fullskaliga industriella ultraljudssystem.

Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från laboratorieskala till industriell skala.