Ультразвукова кристалізація лактози
У багатьох молочних процесах великі обсяги сироватки – також званої молочним пермеатом – утворюються як побічний продукт. Цей стік багатий на лактозу, але його утилізація є як дорогою, так і екологічно обтяжливою. Застосовуючи ультразвук для відновлення лактози, обсяг відходів можна суттєво зменшити, перетворюючи проблемний стік на цінний ресурс. Ультразвукова обробка сприяє швидкій та ефективній кристалізації, даючи високу кількість однорідних кристалів лактози, придатних для комерційного використання.
Виробництво лактози
Лактозу виробляють із концентрованого розчину лактози (отриманої з сироватки). Концентровану суспензію лактози необхідно охолодити до низької температури для випадання кристалів. Після етапу випадання кристали лактози відокремлюють за допомогою центрифугування. Після цього кристали висушують до порошку.
Етапи кристалізації лактози:
- Концентрування
- Нуклеація
- Ріст кристалів
- Збір/ промивання
Покращена кристалізація лактози за допомогою ультразвукової обробки
Ультразвук добре відомий своїм позитивним впливом на процеси кристалізації та випадання (сонокристалізація). Ультразвукова обробка також покращує утворення та ріст кристалів лактози.
Сонокристалізація лактози допомагає отримати максимальний вихід кристалів лактози за мінімальний час.
Ультразвуковий скляний реактор для інлайн-обробки
Добрий ріст кристалів є суттєвим для забезпечення ефективного збору та промивання лактози (екстракція та очищення). Ультразвукова обробка спричиняє пересичення лактози та ініціює первинну нуклеацію кристалів лактози. Крім того, безперервна ультразвукова обробка сприяє вторинній нуклеації, яка забезпечує невеликий розподіл розмірів кристалів (CSD).
Ультразвукова кристалізація лактози: Лактоза, кристалізована за різних умов: вхід ультразвукової енергії, доданий каррагенан або сироватка (WPC) впливають на розмір кристалів лактози
дослідження та зображення: ©Sanchez-García et al., 2018.
Переваги ультразвуку:
- максимальний вихід
- дуже короткий час процесу
- однорідний розмір кристалів
- керований розмір кристалів
- однорідна форма кристалів
Від перевірки можливості до інлайн-виробництва: Сонокристалізація лактози
Читайте більше про масштабування ультразвукової кристалізації лактози від лабораторного до промислового виробництва!
Від стічних відходів до лактози
Через велике молочне виробництво сироватка часто є побічним продуктом, який розглядають як стічні відходи. Утилізація рідкої сироватки є затратною через її високу біологічну потребу в кисні (БПК) та вміст води. Коли лактозу відновлюють із сироватки, відхідний продукт використовується на етапі постобробки для виробництва порошку лактози. Відновлення лактози зменшує БПК сироватки більш ніж на 80%, роблячи побічний продукт корисним та більш екологічно безпечним. Процес кристалізації, що використовує ультразвук, покращує ріст кристалів, вихід та якість.
Лактозу широко використовують як інгредієнт у харчовій та фармацевтичній промисловості, як сировину для виробництва лактитолу або як базовий матеріал для мікробного виробництва біорозкладних поліефірів.
UIP2000hdT, потужний 2000-ватний соникатор з проточною коміркою для промислової інлайн-кристалізації
Ультразвукове обладнання
Hielscher Ultrasonics пропонує ультразвукове обладнання для процесів сонокристалізації – як для ультразвукової обробки в партіях, так і для інлайн-обробки в ультразвуковому реакторі. Усі соникатори Hielscher розроблені для безперервної роботи (24hrs/ 7d/ 365d), що забезпечує максимальне використання обладнання. Промислові ультразвукові пристрої від 0,5kW до 16kW на одиницю підходять для комерційної обробки великих обсягів пересичених суспензій.
Обробка лактози харчового класу
Соникатори Hielscher є надзвичайно ефективними для стимулювання та контролю кристалізації лактози з пересичених розчинів. Застосовуючи інтенсивну ультразвукову кавітацію, ці системи підвищують швидкості нуклеації, скорочують час індукції та забезпечують утворення однорідних, чітко визначених кристалів. Це призводить до швидшої кінетики кристалізації та покращеного контролю над розміром та морфологією кристалів. Ідеальні як для партійних, так і для безперервних інлайн-процесів, соникатори Hielscher пропонують масштабовані рішення від R&D до промислового виробництва. Їхня надійна німецька інженерія та сумісність зі стандартами фармацевтичного класу роблять їх особливо придатними для складних застосувань у очищенні, формулюванні та обробці лактози.
Ультразвукові соникатори Hielscher підходять для виробництва харчового та фармацевтичного класу, що відповідає стандартам cGMP. Соникатори Hielscher доступні з арматурою санітарного класу, що гарантує повну відповідність гігієнічним стандартам обробки. Ультразвукові сонотроди (також звані зондами або рупорами) та проточні реактори розроблені з оптимізованими, легкими для очищення геометріями, що сприяє ефективному обслуговуванню та мінімізує час простою. Примітно, що сама ультразвукова кавітація діє як механізм очищення на місці (CIP), підтримуючи очищення внутрішніх поверхонь під час роботи. Для асептичних середовищ усі сонотроди та реактори повністю автоклабуються. Завдяки своїм компактним розмірам системи Hielscher легко інтегруються або модернізуються в існуючі виробничі лінії – роблячи їх ідеальними для оновлення фармацевтичних та харчових установок кристалізації.
Зв’яжіться з нами сьогодні, щоб отримати більше інформації! Hielscher Ultrasonics пропонує різноманітні стандартизовані та індивідуальні рішення для ультразвукової обробки молочної та харчової продукції!
Ультразвуковий соникатор UIP6000hdT з проточною коміркою, що витримує тиск. Нагрівальна/ охолоджувальна сорочка дозволяє проводити ультразвукову обробку при підвищених або знижених температурах.
Про сонокристалізацію
Коли потужний ультразвук застосовують для ініціювання та покращення процесів кристалізації, це називають сонокристалізацією. Сонокристалізація базується на застосуванні “акустичних хвиль для ініціювання фізико-хімічних змін у матеріалі. Деякі поширені застосування потужного ультразвуку включають його використання для ініціювання хімічних реакцій (сонохімія) та стимулювання кристалізації (сонокристалізація). Ці техніки привернули увагу кількох галузей, включаючи фармацевтичну, хімічну та харчову промисловість, завдяки перевагам, які вони пропонують. Техніки ультразвуку є економічно вигідними та відносно простими для впровадження в промислові операції. Ці техніки можна використовувати для покращення як відтворюваності, так і виходу виробництва; вони є нетепловими та екологічно чистими”. [Martini 2013, 4]
Нуклеація та ріст кристалів
Кристалізація визначається як процес утворення, де тверді кристали випадають із пересиченого розчину, розплаву або газу.
Процес кристалізації складається з двох основних етапів: нуклеації та росту кристалів.
Під час нуклеації розчинені молекули в розчині починають утворювати кластери, які повинні бути достатньо великими, щоб бути стабільними за робочих умов. Такий стабільний кластер утворює ядро. Після досягнення критичного розміру для утворення стабільного ядра починається етап росту кристалів.
У фазі росту кристалів утворені ядра стають більшими, оскільки до кластера приєднується більше молекул. Процес росту залежить від ступеня насичення та інших параметрів, таких як однорідне змішування, температура тощо.
Класична теорія кристалізації базується на термодинамічному уявленні про те, що ізольована система є абсолютно стабільною, коли її ентропія є незмінною.
Факти про лактозу
Лактоза (молочний цукор) – це дисахарид, побудований із глюкози та галактози, з’єднаних β(1→4) глікозидним зв’язком.
Через наявність хірального вуглецю лактоза може існувати у формі наступних 2 типів ізомерів: α- або β-лактоза. Лактозу найчастіше зустрічають у формі кристалів гідратованого α-лактози моногідрату. Інший поліморф, безводна β-лактоза, є менш поширеним і кристалізується вище 93,5°C. α- та β-аномери мають дуже різні властивості. Поліморфи можна розрізнити за специфічним обертанням (+89°C та +35°C для α- та β-лактози відповідно) та розчинністю (70 та 500g/L (при 20°C) для α- та β-лактози відповідно). [McSweeney et al. 2009]
Це основний вуглевод молока, який зустрічається у концентраціях 2-8 wt%. Лактоза не має смаку та має низьку солодкість. Лактоза діє як відновлювальний цукор і сприяє реакціям Майяра та Стекера. Таким чином, лактозу використовують для покращення кольору та смаку харчових продуктів, таких як хлібобулочні вироби, випічка та кондитерські вироби.
Лактоза є широко використовуваною харчовою добавкою, яка функціонує як носій, наповнювач, стабілізатор та розбавник таблеток у харчових та фармацевтичних продуктах.
α-лактоза є найчистішою формою, яку використовують для фармацевтичних продуктів.
Лактоза є важливим інгредієнтом, коли йдеться про смак, аромат та реакції потемніння.
Формула: C12H22O11
Ідентифікатор IUPAC: β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
Молярна маса: 342,3 g/mol
Температура плавлення: 202,8°C
Густина: 1,53 g/cm3
Класифікація: FODMAP
Розчинна в: воді, етанолі
Література / Джерела
- 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 виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори від лабораторного до промислового розміру.