Kết tinh lactose bằng siêu âm

Trong nhiều quy trình chế biến sữa, một lượng lớn whey – còn được gọi là dịch thấm qua màng của sữa – được tạo ra dưới dạng phụ phẩm. Dòng nước thải này giàu lactose, nhưng việc thải bỏ vừa tốn kém vừa gây gánh nặng cho môi trường. Bằng cách sử dụng siêu âm để thu hồi lactose, có thể giảm đáng kể lượng chất thải, biến dòng nước thải khó xử lý thành một nguồn tài nguyên có giá trị. Xử lý bằng siêu âm giúp quá trình kết tinh diễn ra nhanh chóng và hiệu quả, tạo ra một lượng lớn tinh thể lactose đồng đều, phù hợp cho mục đích thương mại.

Sản xuất lactose

Lactose được sản xuất từ dung dịch lactose đậm đặc (thu được từ whey). Huyền phù lactose đậm đặc phải được làm lạnh xuống nhiệt độ thấp để các tinh thể kết tủa. Sau bước kết tủa, các tinh thể lactose được tách bằng phương pháp ly tâm. Sau đó, các tinh thể được sấy khô thành bột.
Các bước kết tinh lactose:

Cô đặc
Tạo mầm
Phát triển tinh thể
Thu hồi/ rửa

Cải thiện quá trình kết tinh lactose bằng siêu âm

Siêu âm được biết đến rộng rãi nhờ tác động tích cực đến các quá trình kết tinh và kết tủa (kết tinh bằng siêu âm). Xử lý bằng siêu âm cũng cải thiện sự hình thành và phát triển của các tinh thể lactose.
Kết tinh lactose bằng siêu âm giúp đạt hiệu suất thu hồi tinh thể lactose tối đa trong thời gian tối thiểu.

Buồng dòng chảy siêu âm để phân tán, hòa tan và kết tủa/kết tinh

Thiết bị phản ứng siêu âm bằng thủy tinh để xử lý siêu âm trên dòng

Tinh thể phát triển tốt là yếu tố thiết yếu để bảo đảm thu hồi và rửa lactose hiệu quả (chiết tách & tinh sạch). Xử lý bằng siêu âm gây ra trạng thái quá bão hòa lactose và khởi phát sự tạo mầm sơ cấp của các tinh thể lactose. Hơn nữa, xử lý siêu âm liên tục góp phần tạo mầm thứ cấp, bảo đảm phân bố kích thước tinh thể (CSD) hẹp.

Lactose kết tinh bằng siêu âm: Quá trình kết tinh lactose bằng siêu âm có thể chịu ảnh hưởng của việc bổ sung carrageenan hoặc whey (WPC).

Kết tinh lactose bằng siêu âm: Lactose được kết tinh trong các điều kiện khác nhau: năng lượng siêu âm đưa vào, carrageenan hoặc whey (WPC) được bổ sung có ảnh hưởng đến kích thước tinh thể lactose
nghiên cứu và hình ảnh: ©Sanchez-García và cộng sự, 2018.

Lợi ích của siêu âm:

hiệu suất thu hồi tối đa
thời gian xử lý rất ngắn
kích thước tinh thể đồng đều
kích thước tinh thể có thể kiểm soát
hình dạng tinh thể đồng đều

Từ đánh giá tính khả thi đến sản xuất trên dòng: Kết tinh lactose bằng siêu âm
Đọc thêm về việc mở rộng quy mô kết tinh lactose bằng siêu âm từ thiết bị để bàn đến sản xuất công nghiệp!

Từ dòng nước thải đến lactose

Do quy mô sản xuất sữa lớn, whey thường là phụ phẩm được xem như dòng nước thải. Việc thải bỏ whey dạng lỏng rất tốn kém do nhu cầu oxy sinh học (BOD) và hàm lượng nước cao. Khi lactose được thu hồi từ whey, sản phẩm thải này được tận dụng trong một bước xử lý tiếp theo để sản xuất bột lactose. Việc thu hồi lactose làm giảm BOD của whey hơn 80%, khiến phụ phẩm trở nên hữu ích và thân thiện hơn với môi trường. Quá trình kết tinh có hỗ trợ siêu âm cải thiện sự phát triển tinh thể, hiệu suất thu hồi và chất lượng.
Lactose được sử dụng rộng rãi làm thành phần trong ngành thực phẩm và dược phẩm, làm nguyên liệu để sản xuất lactitol hoặc làm nguyên liệu nền cho quá trình sản xuất polyester phân hủy sinh học bằng vi sinh vật.

UIP2000hdt là máy siêu âm mạnh mẽ có công suất 2000 oát với buồng dòng chảy để kết tinh lactose ở quy mô công nghiệp với năng suất xử lý cao.

UIP2000hdT, máy siêu âm mạnh mẽ có công suất 2000 oát với buồng dòng chảy để kết tinh trên dòng ở quy mô công nghiệp

Thiết bị siêu âm

Hielscher Ultrasonics cung cấp thiết bị siêu âm cho các quá trình kết tinh bằng siêu âm – để xử lý siêu âm theo mẻ hoặc xử lý trên dòng trong thiết bị phản ứng siêu âm. Tất cả máy siêu âm Hielscher đều được thiết kế để vận hành liên tục (24 giờ/ 7 ngày/ 365 ngày), bảo đảm khai thác thiết bị ở mức tối đa. Các thiết bị siêu âm công nghiệp có công suất từ 0,5kW đến 16kW mỗi thiết bị phù hợp để xử lý thương mại một lượng lớn huyền phù quá bão hòa.

Chế biến lactose đạt tiêu chuẩn thực phẩm

Máy siêu âm Hielscher có hiệu quả cao trong việc thúc đẩy và kiểm soát quá trình kết tinh lactose từ dung dịch quá bão hòa. Bằng cách tạo ra hiện tượng xâm thực siêu âm mạnh, các hệ thống này tăng tốc độ tạo mầm, giảm thời gian cảm ứng và cho phép hình thành các tinh thể đồng đều, có hình dạng rõ ràng. Điều này giúp quá trình kết tinh diễn ra nhanh hơn và cải thiện khả năng kiểm soát kích thước cũng như hình thái tinh thể. Lý tưởng cho cả quy trình theo mẻ và quy trình liên tục trên dòng, máy siêu âm Hielscher cung cấp các giải pháp có thể mở rộng quy mô từ nghiên cứu và phát triển đến sản xuất công nghiệp. Kỹ thuật chế tạo bền vững của Đức cùng khả năng đáp ứng các tiêu chuẩn cấp dược phẩm khiến các thiết bị này đặc biệt phù hợp với những ứng dụng khắt khe trong tinh sạch, bào chế và chế biến lactose.
Thiết bị siêu âm Hielscher phù hợp cho sản xuất đạt tiêu chuẩn thực phẩm và dược phẩm, tuân thủ các tiêu chuẩn cGMP. Máy siêu âm Hielscher có các tùy chọn đầu nối đạt tiêu chuẩn vệ sinh, bảo đảm tuân thủ đầy đủ các tiêu chuẩn chế biến hợp vệ sinh. Các đầu phát siêu âm sonotrode (còn được gọi là đầu dò hoặc đầu khuếch đại) và thiết bị phản ứng dòng chảy được thiết kế với hình dạng thuận dòng, dễ làm sạch, giúp bảo trì hiệu quả và giảm thiểu thời gian ngừng máy. Đáng chú ý, bản thân hiện tượng xâm thực siêu âm đóng vai trò như một cơ chế vệ sinh tại chỗ (CIP), hỗ trợ làm sạch các bề mặt bên trong trong quá trình vận hành. Đối với môi trường vô trùng, tất cả đầu phát siêu âm và thiết bị phản ứng đều có thể được tiệt trùng hoàn toàn bằng nồi hấp. Nhờ diện tích lắp đặt nhỏ gọn, các hệ thống Hielscher dễ dàng được tích hợp hoặc lắp bổ sung vào dây chuyền sản xuất hiện có – khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng để nâng cấp các cơ sở kết tinh đạt tiêu chuẩn dược phẩm và thực phẩm.
Hãy liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay để biết thêm thông tin! Hielscher Ultrasonics cung cấp nhiều giải pháp tiêu chuẩn hóa cũng như tùy chỉnh để chế biến sữa và thực phẩm bằng siêu âm!

Máy siêu âm công nghiệp dạng đầu dò UIP6000hdT (công suất siêu âm 6kW, tần số siêu âm 20kHz) với thiết bị phản ứng buồng dòng chảy để xử lý siêu âm liên tục các dung dịch quá bão hòa nhằm kết tinh và kết tủa với năng suất xử lý cao.

Máy siêu âm UIP6000hdT với buồng dòng chảy có thể tăng áp. Áo gia nhiệt/ làm mát cho phép xử lý siêu âm ở nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn.

Chủ đề liên quan

Về kết tinh bằng siêu âm

Khi siêu âm công suất được sử dụng để khởi phát và cải thiện các quá trình kết tinh, quá trình này được gọi là kết tinh bằng siêu âm. Kết tinh bằng siêu âm dựa trên việc sử dụng “sóng âm để gây ra những thay đổi hóa lý trong vật liệu. Một số ứng dụng phổ biến của siêu âm công suất bao gồm việc sử dụng siêu âm để khởi phát các phản ứng hóa học (hóa học siêu âm) và thúc đẩy quá trình kết tinh (kết tinh bằng siêu âm). Các kỹ thuật này đã thu hút sự quan tâm của nhiều ngành, bao gồm dược phẩm, hóa chất và thực phẩm, nhờ những lợi ích mà chúng mang lại. Các kỹ thuật siêu âm có tính khả thi về kinh tế và tương đối dễ tích hợp vào hoạt động công nghiệp. Các kỹ thuật này có thể được sử dụng để cải thiện cả khả năng tái lập lẫn hiệu suất sản xuất; chúng không sử dụng nhiệt và không gây ô nhiễm môi trường”. [Martini 2013, 4]

Tạo mầm và phát triển tinh thể

Kết tinh được định nghĩa là quá trình hình thành trong đó các tinh thể rắn kết tủa từ dung dịch quá bão hòa, chất nóng chảy hoặc khí.
Quá trình kết tinh gồm hai giai đoạn chính: tạo mầm và phát triển tinh thể.
Trong quá trình tạo mầm, các phân tử hòa tan trong dung dịch bắt đầu tạo thành các cụm, các cụm này phải đủ lớn để ổn định trong điều kiện vận hành. Một cụm ổn định như vậy tạo thành một mầm tinh thể. Sau khi đạt kích thước tới hạn để hình thành một mầm ổn định, giai đoạn phát triển tinh thể bắt đầu.
Trong giai đoạn phát triển tinh thể, các mầm đã hình thành trở nên lớn hơn khi có thêm nhiều phân tử liên kết vào cụm. Quá trình phát triển phụ thuộc vào mức độ bão hòa và các thông số khác như độ đồng đều khi trộn, nhiệt độ, v.v.
Lý thuyết kết tinh cổ điển dựa trên quan niệm nhiệt động lực học rằng một hệ cô lập hoàn toàn ổn định khi entropy của nó không đổi.

Thông tin về lactose

Lactose (đường sữa) là một disaccharide được cấu tạo từ glucose và galactose liên kết với nhau bằng liên kết glycosid β(1→4).
Do có nguyên tử carbon bất đối, lactose có thể tồn tại dưới 2 dạng đồng phân sau: α-lactose hoặc β-lactose. Lactose thường gặp nhất ở dạng tinh thể α-lactose monohydrat ngậm nước. Dạng đa hình còn lại, β-lactose khan, ít phổ biến hơn và kết tinh ở nhiệt độ trên 93,5°C. Các đồng phân anomer α và β có tính chất rất khác nhau. Có thể phân biệt các dạng đa hình bằng độ quay cực riêng (lần lượt là +89°C và +35°C đối với α-lactose và β-lactose) và độ tan (lần lượt là 70 và 500g/L (ở 20°C) đối với α-lactose và β-lactose). [McSweeney et al. 2009]
Đây là carbohydrate chính của sữa và có nồng độ 2–8 wt%. Lactose không có hương vị và có độ ngọt thấp. Lactose đóng vai trò là đường khử và thúc đẩy các phản ứng Maillard và Stecker. Do đó, lactose được sử dụng để tăng màu sắc và hương vị của các sản phẩm thực phẩm như sản phẩm bánh nướng, bánh ngọt và bánh kẹo.
Lactose là một phụ gia thực phẩm được sử dụng rộng rãi, có chức năng làm chất mang, chất độn, chất ổn định và tá dược độn viên nén trong các sản phẩm thực phẩm và dược phẩm.
α-lactose là dạng tinh khiết nhất, được sử dụng cho các sản phẩm dược phẩm.
Lactose là một thành phần quan trọng đối với vị, hương thơm và các phản ứng tạo màu nâu.
Công thức: C₁₂H₂₂O₁₁
Định danh IUPAC: β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucose
Khối lượng mol: 342,3 g/mol
Điểm nóng chảy: 202,8°C
Khối lượng riêng: 1,53 g/cm³
Phân loại: FODMAP
Tan trong: nước, ethanol

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

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.

Siêu âm hiệu suất cao! Dải sản phẩm Hielscher bao quát toàn bộ các quy mô, từ máy siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn, qua các thiết bị để bàn đến các hệ thống siêu âm hoàn toàn ở quy mô công nghiệp.

Hielscher Ultrasonics sản xuất các máy đồng hóa siêu âm hiệu suất cao với quy mô từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.