Laktosekristallisation ist ein industrielles Verfahren, um Laktose aus Molkelösungen durch kontrollierte Kristallisation abzutrennen. Laktose, ein Hauptbestandteil von Milch und Molke, wird in Lebensmitteln, Milchprodukten und pharmazeutischen Erzeugnissen verwendet. Die Milchindustrie produziert große Mengen Laktose, doch ein erheblicher Teil davon wird im Prozess nicht zurückgewonnen und geht verloren. Der Verlust von Laktose stellt einen wirtschaftlichen Schaden dar und birgt eine Gefahr für die Umwelt. Um dieses Nebenprodukt der Käseindustrie, das aus Molke gewonnen wird, zurückzugewinnen, ist die großtechnische Kühlkristallisation ein gängiges Verfahren. Allerdings ist der Kristallisationsprozess noch weit von einer Optimierung entfernt.
Was ist Laktosekristallisation?
Herausforderungen bei der Laktosekristallisation
Produktqualität und Ausbeute hängen stark von der Partikelgröße ab, und der Laktosekristallisationsprozess wird durch die saisonale Schwankung der Milchqualität, das Vorhandensein mineralischer Verunreinigungen und die langsame Kristallwachstums-Kinetik erschwert – was historisch lange Batch-Zeiten erfordert. Der Großteil der industriellen Laktosekristallisationsprozesse erzeugt relativ kleine Kristalle, was in den nachgelagerten Trennschritten zu geringer Effizienz und niedriger Rückgewinnungsrate führt.
Mechanismen der Laktosekristallisation
Der Laktosekristallisationsprozess erfordert die Identifizierung von Mechanismen, die das Ergebnis beeinflussen:
- Keimbildung (und sekundäre Keimbildung)
- Wachstum
- Ölbildung
- Agglomeration
- Zerbrechen
- Polymorphie-Chemie
Verständnis des Laktosekristallisationsprozesses
Das Erlangen eines grundlegenden Prozessverständnisses ist der erste Schritt zur Optimierung des Laktosekristallisationsprozesses. Wichtige Schritte wie die Messung der Löslichkeitskurve und die Untersuchung der Breite der metastabilen Zone vermitteln ein grundlegendes Verständnis der Kristallisationsthermodynamik.
Technologie für die Laktosekristallisation
Ein umfassendes Werkzeugset für das Partikelengineering umfasst einen Reaktor, der Bedingungen in größerem Maßstab nachbildet, sowie sondengestützte Werkzeuge, die direkt in den Prozess eingebracht werden, um ein unmittelbares und Echtzeit-Verständnis der Auswirkungen von Prozessparametern auf den Laktosekristallisationsprozess zu ermöglichen.
Prozessparameter und Partikelmechanismen werden automatisch erfasst und überwacht und können mit einem Offline-Ergebnis der Partikelgrößenanalyse verknüpft werden. Software führt all diese Informationen nahtlos zusammen, sodass sich Wissenschaftler ausschließlich darauf konzentrieren können, hochwertige Daten zu nutzen, um hervorragende evidenzbasierte Entscheidungen zu treffen.
- EasyViewer ist ein sondengestütztes Bildgebungstool mit Bildanalyse und erfasst hochauflösende Bilder sowie berechnet Kristall-, Partikel- und Tröpfchengrößenverteilungen, wie sie im Prozess natürlich vorliegen.
- ParticleTrack verfolgt in situ die Veränderung von Kristallgröße und -anzahl. Durch das Verständnis von Veränderungen an Partikeln in Echtzeit können Wissenschaftler gewünschte und unerwünschte Kristallisationsmechanismen schnell erkennen, die Chargenkonsistenz sicherstellen und den nachgelagerten Durchsatz sowie die Produktqualität optimieren.
- Automatisierte chemische Reaktoren ersetzen traditionelle Rundkolben und ummantelte Laborreaktoren. Diese Werkzeuge bieten eine präzise und automatisierte Steuerung eines erweiterten Bereichs von Prozessbedingungen und erfassen Parameter für Analysen, Wiederholungsversuche und regulatorische Anforderungen.
Laktosekristallisation in Publikationen
Nachfolgend ist eine Auswahl aktueller Veröffentlichungen mit Schwerpunkt auf Laktosekristallisation.
- Pandalaneni, K., & Amamcharla, J. (2016). Focused beam reflectance measurement as a tool for in situ monitoring of the lactose crystallization process. Journal of Dairy Science, 99(7), 5244–5253. https://doi.org/10.3168/jds.2015-10643
- Siddique, H., Brown, C. J., Houson, I., & Florence, A. J. (2015). Establishment of a Continuous Sonocrystallization Process for Lactose in an Oscillatory Baffled Crystallizer. Organic Process Research & Development, 19(12), 1871–1881. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.5b00127
- Li, H., Kawajiri, Y., Grover, M. A., & Rousseau, R. W. (2014). Application of an empirical FBRM model to estimate crystal size distributions in batch crystallization. Crystal Growth & Design, 14(2), 607–616. https://doi.org/10.1021/cg401484d
- Wong, S. Y., & Hartel, R. W. (2014). Crystallization in Lactose Refining-A Review. Journal of Food Science, 79(3), R257–R272. https://doi.org/10.1111/1750-3841.12349
- Chollangi, A., & Hossain, M. M. (2007). Separation of proteins and lactose from dairy wastewater. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 46(5), 398–404. https://doi.org/10.1016/j.cep.2006.05.022
- Gänzle, M. G., Haase, G., & Jelen, P. (2008). Lactose: Crystallization, hydrolysis and value-added derivatives. International Dairy Journal, 18(7), 685–694. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2008.03.003
Applikationen
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