DD246121A1 - Verfahren zur gewinnung von laktose - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Laktose aus milchzuckerhaltigen Loesungen. Es ist das Ziel, die Laktose aus uebersaettigten milchzuckerhaltigen Loesungen in einem breiten technologisch nutzbaren Konzentrations- und Temperaturbereich unter Vermeidung von Verlusten durch Mikrokristallbildung waehrend der Kristallisation rationell zu gewinnen. Durch Steuerung des Kristallisationsprozesses bei der Gewinnung der Laktose soll der Milchzucker in einem breiten technologischen Bereich mit einem engen Korngroessenspektrum in hoher Ausbeute gewonnen werden. Erfindungsgemaess wird die uebersaettigte laktosehaltige Loesung so weit erhitzt, dass sie ungesaettigt vorliegt und vorhandene submikroskopische Laktosekristalle aufgeloest werden, dann durch schnelle Abkuehlung uebersaettigt und bei einer konstanten Temperatur, vorzugsweise 30 bis 50C, in einem Ruehrwerksbehaelter, der eine feinkristallisierte Laktosesuspension enthaelt, gesammelt, abgekuehlt und die auskristallisierte Laktose abgetrennt, wahlweise gewaschen und getrocknet wird.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Laktose aus milchzuckerhaltigen Lösungen. Anwendbar ist das Verfahren in den Betrieben derMilch- und Lebensmittelindustrie, in denen Laktose gewonnen wird. Die Laktose kann als Rohmilchzucker, als Milchzucker in Lebensmittelqualität und als pharmazeutische Laktose verwendet werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, Laktose durch Kristallisation aus übersättigten, milchzuckerhaltigen Lösungen zu gewinnen (Kuntscher, M.: „Milchzucker", Verlag Editio Cantor, Aulendorf 1957). Jenach dem verwendeten Ausgangsmaterial, es kann sich hierbei um Labmolke, Sauermolke, um Permeat aus der Ultrafiltration von Molke oder Milch, um Rohmilchzuckerlösungen oder um teilweise enteiweißte oder entmineralisierte Molke oder Molkederivate handeln, und dem angewendeten Herstellungsverfahren wird Laktose in unterschiedlicher Reinheit gewonnen. Wesentlich für alle Verfahren ist die Bereitstellung einer an Laktose übersättigten Lösung, aus der der Milchzucker spontan oder nach Zusatz von Impfkristallen auskristallisiert. Wird einer laktosehaltigen, gesättigten Lösung weiter Wasser entzogen oder die Lösung abgekühlt, gerät man nacheinander in Bereiche steigender Übersättigung, die sich wie folgt charakterisieren lassen (Matz, G.: „Die Kristallisation in der Verfahrenstechnik" Springer Verlag Berlin, Göttjngen, Heidelberg, 1954):

— geringe Übersättigung .

Es tritt keine spontane Kristallisation auf; zugesetzte Kristalle wachsen langsam.

— mittlere Übersättigung

Spontane Keimbildung tritt auf; bereits vorhandene Kristalle wachsen gleichzeitig.

— starke Übersättigung

Massenweise Bildung von Kristallkeimen; hohe Wachstumsgeschwindigkeit der vorhandenen und neugebildeten Kristalle. Zwischen den Bereichen existieren keine klaren Grenzen. Das Kristailwachstum und die Kristallbildung hängen außer von der Übersättigung von der vorhandenen Kristalloberfläche, von der Temperatur, von der Mutarotationsrate, von den in der Lösung enthaltenen Fremdstoffen, von der Viskosität der Lösung, von der Kühlgeschwindigkeit und der Rührintensität und anderen Faktoren ab. Die genannten Faktoren wirken zum Teil gegenläufig und ändern sich während des Kristallisationsvorganges ständig.

Nach bekannten Verfahren zur Laktosegewinnung werden Molke oder andere laktosehaltige Lösungen in Umlauf- oder Fallstrom Verdampfern so weit eingedampft, daß eine mittlere bis starke Übersättigung erreicht wird und nach gewisser Zeit eine spontane Kristallisation eintritt (Herrington, B. L.; „The spontaneus crystallisation of supersatureted solutions of lactose", J. Dairy Sei. 17 (1934) S. 501-518).

Durch langsames Abkühlen wird die infolge der Laktoseausscheidung abnehmende Übersättigung der Lösung wiederhergestellt, der Milchzucker kann weiter auskristallisieren und wird schließlich mit Siebkorb- oder Dekantierzentrifugen abgetrennt, gewaschen und getrocknet.

Diese Verfahren haben den Nachteil, daß immer ein relativ breites Komspektrum an Kristallen erhalten wird, da Wachstum und Neubildung von Laktosekristallen ständig parallel laufen. Bei zu starker Übersättigung tritt infolge hoher Kristallkeimbildungsgeschwindigkeit die massenweise Bildung sogenannter Mikrokristalle auf. Solche Mikrokristalle sind schwer abzutrennen, schwierig zu waschen und führen zu hohen Verlusten an Milchzucker (Töpel, A.: „Chemie und Physik der Milch", Fachbuchverlag Leipzig 1976, S. 52).

Es sind andere Verfahren bekannt, um die Nachteile der spontanen Kristallisation zu umgehen. Der übersättigten Laktoselösung wird eine geringe Menge sogenannter „Impfkristalle" zugesetzt. Befindet man sich hinsichtlich der Laktdsekonzentration im Bereich geringer Übersättigung, dann wachsen nur diese Impfkristalle und das entstehende Korngrößenspektrum verhält sich proportional zur Größenverteilung der Impfkristalle. Die Kristallwachstumsgeschwindigkeit ist bei geringer Übersättigung klein. Sie erhöht sich etwa mit dem Quadrat der absoluten Übersättigung (Jellen, P.; Coulter, S.T.: „Effect of supersaturation and temperature on the growth of lactose crystals", J. Food Sei. 38 (1973), S. 1182-1185). Deshalb nimmt diese Art der Kristallisation viel Zeit in Anspruch. Wegen der zusätzlich benötigten Kristallisationskapazität erhöhen sich die Kosten für die Laktoseproduktion. Außerdem bereitet es einen erheblichen technischen Aufwand, den Kristallisatipnsprozeß ständig so zu

steuern, daß der relativ enge Übersättigungsbereich, in d.em nur Kristallwachstum erfolgt, ständig aufrechterhalten bleibt. (Geci, F.; Maszuttis, K.: „Mikroprozessor — Autom.-system in der Milchzuckererzeugung", Dt. Molk.-Ztg.103 (1982) 22, S.738-739) Während der Abkühlung der Laktoselösung ändert sich ständig die Temperatur, die Kristalloberfläche, die Viskosität der Lösung und die Mutarotationsrate.Alle diese Faktoren beeinflussen direkt oder indirekt die Kristallisationsgeschwindigkeit und damit den jeweils vorliegenden Sättigungszustand der Lösung. Es ist deshalb nicht überraschend, daß nach der genannten Verfahrensweise häufig Fehlproduktionen auftreten, vorrangig durch unerwünschte Mikrokristallbildung. Um die genannten Schwierigkeiten zumindest teilweise zu umgehen, arbeitet ein anderes Verfahren (Francis, L. H.; Pollard, H. L.: Method for manufacture of lactose, US-PS3721585) mit einer extrem großen Impfkristall-Oberfläche. Die Hälfte der während eines Produktionsprozesses auskristallisierten Laktoselösung verbleibt.jeweils im Kristallisationsbehälter als Impfmaterial für die nächste Charge. Daraus ergibt sich der Nachteil, daß die vorhandene Behälterkapazität nur zur Hälfte ausgenutzt wird. Außerdem erlaubt die verhältnismäßig hohe Endtemperatur des Konzentrates von 27°C nach Abschluß des Kristallisationsprozesses nur mäßige Ausbeuten von 45 bis 50%.

Ziel der Erfindung

Das'Ziel der Erfindung besteht in der rationellen Gewinnung von Laktose aus übersättigten milchzuckerhaltigen Lösungen in einem breiten technologisch nutzbaren Konzentrations- und Temperaturbereich, wobei Verluste durch Mikrokristallbildung während der Kristallisation vermieden werden sollen.

♦ Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Kristallisationsprozeß bei der Gewinnung von Laktose so zu steuern, daß in einem breiten technologisch nutzbaren Bereich Milchzucker mit einem engen Korngrößenspektrum in hoher Ausbeute gewonnen

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die übersättigte laktosehaltige Lösung so weit erhitzt wird, daß sie ungesättigt vorliegt und vorhandene submikroskopische Laktosekristalle aufgelöst werden, dann durch schnelle Abkühlung übersättigt und bei einer konstanten Temperatur, vorzugsweise 30 bis 50°C, in einem Rührwerksbehälter, der eine feinkristallisierte Laktosesuspension enthält, gesammelt, auf 5 bis 20⁰C abgekühlt und die auskristallisierte Laktose abgetrennt, wahlweise gewaschen und getrocknet wird.

Die Herstellung der feinkristallisierten Laktosesuspension erfolgt durch schnelle Abkühlung einer bei 70 bis 100⁰C gesättigten Laktoselösung auf 20 bis 30°G\iDie als Impfmaterial verwendete feinkristallisierte Laktosesuspension beträgt 0,05 bis 5%'des Behältervolumens.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einer konzentrierten Laktoselösung aus, die entweder durch Eindampfen von Molke, Ultrafiltrations-Permeat oder anderen laktosehaltigen Lösungen bzw. durch Auflösen von Rohmilchzucker gewonnen wird.

Da bei mehrstufigen Vakuumverdampfern das Konzentrat in der letzten Stufe gewöhnlich mit etwa 40 bis 50⁰C anfällt und wegen der bereits vorhandenen Übersättigung schon mikroskopisch feine Laktosekristalle enthalten kann, häufig eine unbemerkte Ursache für fehlerhafte Kristallisationsprozesse, wird es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst so weit erwärmt, daß eventuell gebildete Laktosekristalle mit Sicherheit aufgelöst werden. Bei diskontinuierlich arbeitenden Verdampfern kann während der Endkonzentrierung die Arbeitstemperatur so weit erhöht werden, daß eine vorzeitige Kristallisation verhindert

Das Konzentrat wird in einen mit einem Rührwerk ausgerüsteten Kristallisationsbehälter geleitet, dessen Größe vorzugsweise so bemessen wird, daß er eine gesamte Tagesproduktion aufnehmen kann. Unmittelbar vor.Eintritt in den Kristallisationsbehälter wird das Konzentrat auf eine Temperatur von 25 bis 6O⁰C, vorzugsweise 30 bis 5O⁰C, abgekühlt.

Erfindungsgemäß befindet sich in dem Kristallisationsbehälter bereits die gesamte, für den vollen Behälter berechnete Impfmenge in Form einer feinkristallinen Laktosesuspension. Haben die Impfkristalle beispielsweise eine Länge von 20μ.ιη und sollen die Laktosekristalle am Ende des Kristallisationsprozesses 200μ,ηπ erreichen, sind 0,1 % des Behältervolumens als

Impfmaterial erforderlich. _u

Die in den Kristallisationsbehälter einfließende übersättigte Laktoselösung beginnt sofort zu kristallisieren. Die Wachstumsgeschwindigkeit der Laktosekristalle ist infolge der großen Oberfläche der Impfkristalle hoch, so daß der Übersättigungsgrad schnell abnimmt. Da die Kristall-Wachstumsgeschwindigkeit mit fallender Übersättigung sinkt, gleichzeitig ständig frische Laktoselösung in den Kristallisationsbehälter eintritt, stellt sich nach kurzer Zeit ein Gleichgewicht ein. Es fällt soviel Laktose aus, daß ein konstanter Übersättigungsgrad aufrechterhalten wird. Damit stellt sich im Kristallisationsbehälter ein quasistationärer Zustand ein, der die Steuerung des Kristallisationsprozesses wesentlich erleichtert. Solange der Behälter gefüllt wird, ist die Lage des Gleichgewichtes praktisch nur von der Konzentrattemperatur abhängig. Technologisch unvermeidbare Schwankungen in der Konzentratzusammensetzung, -menge und -temperatur werden im Kristallisationsbehälter ausgeglichen und beeinflussen die Kristallisation nicht.

Eine andere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die heiße, ungesättigte Laktoselösung in den Kristallisationsbehälter zu leiten, die Kühlung über den Mantel des Behälters vorzunehmen, das feinkristalline Impfmaterial zuzugeben, wenn maximal 10% des Behälters gefüllt sind. Die Temperatur im Kristallisationsbehälter ist während des Füllvorganges durch die Steuerung der Mantelkühlung konstant zu halten.

Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung ist es, daß während der gesamten Kristallisation keine Mikrokristallbildung auftritt und praktisch nur die zugesetzten Impfkristalle wachsen, obwohl der vorliegende Übersättigungsgrad auch für die spontane Kristallbildung ausreichend hoch wäre.

Diese überraschende Tatsache kann dadurch erklärt werden, daß das Verhältnis von Kristallwachstum und Kristallbildung nicht nur von der Temperatur, dem Übersättigungsgrad und der Oberfläche zugesetzter Kristallkeime, sondern auch vom mittleren Abstand der Einzelkristalle abhängig ist. Es wurde festgestellt, daß die Tendenz zur spontanen Kristallbildung in übersättigten Laktoselösungen

(Übersättigungsgrad 1,5 bis 2,0) beim Zusatz von 1% Impfkristallen mit 100/j,m Länge wesentlich größer ist als bei Zusatz von ι

0,1% Impfkristallen mhAOßm Länge, obwohl die jeweils zugesetzte Gesamtkristalloberfläche gleich groß war. Allerdings verhält I

sich der mittlere Abstand zwischen den Einzelkristallen in dem genannten Beispiel wie 4:1.

Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt diese Tatsache dadurch, daß die gesamte Impfmenge mit der zu Beginn des Kristallisationsprozesses kleinen Konzentratmenge versetzt wird. Dadurch wird eine höhe Konzentration an Impfkristallen mit [

großer Gesamtoberfläche und geringem Abstand voneinander erreicht und das Kristallwachstum gegenüber der Kristallbildung I

bevorzugt. Es ist möglich, durch die Menge und Größe der Impfkristalle die mittlere Größe der gewonnenen Laktosekristalle zu j

bestimmen. ^r< · -. < . .

Die technisch-ökonomischen Auswirkungen des vorgeschlagenen Verfahrens bestehen darin, ohne zusätzliche Kosten die Laktosekristallisation so zu steuern, daß unter Ausschaltung der Mikrokristallbildung Laktosekristallein einem engen Korngrößenspektrum entstehen. DieseKristalle lassen sich leichter und vollständiger von der Mutterlauge trennen, verursachen j

beim Waschen geringere Verluste und sind reiner als vergleichbare Produkte. Da die Kristallisation in einem quasistationären j

Zustand erfolgt, ist der erforderliche Aufwand minimal, der technologisch nutzbare Bereich jedoch groß. j

Das Verfahren ist sowohl für die Rohmilchzuckerherstellung als auch für die Gewinnung raffinierter Laktose anwendbar. |

Ausführungsbeispiele ·

Die Erfindung wird nachstehend an fünf Ausführungsbeispielen erläutert. j

Beispiel 1

Labmolke mit einer Trockenmasse von 6% und einem Laktosegehalt von 4,5% in einem Vakuum-Fallstromverdampfer auf 60% Trockenmasse konzentriert. Das aus dem Verdampfer in einer Menge von 1000 kg/h anfallende Konzentrat mit einerTemperatur von 45°C wird in einem Plattenwärmeaustauscher auf 85⁰C erhitzt, anschließend auf 40⁰C abgekühlt und unmittelbar danach in einen doppelwandigen Rührwerksbehälter eingeleitet. Der Behälter mit einem Fassungsvermögen von 100001 enthält 101 eines j

feinkristallisierten Molkekonzentrates mit Laktosekristallen von 10 bis40/xm Länge als Impfmaterial. Die Herstellung des \

Impfmaterials erfolgt aus Molkekonzentrat mit 60⁰C Trockenmasse durch plötzliches Abkühlen auf 25°C, wobei innerhalb von ι

30min die spontane, massenweise Bildung von Laktosekristallen erfolgt. !

Während des 12stündigen Füllvorganges wird ständig gerührt und die Temperatur konstant gehalten. Während dieser Phase ι

liegen etwa 50% der vorhandenen Laktose als Lösung und 50% als Laktosekristalle vor.

Nachdem der Kristallisationsbehälter gefüllt ist, wird das Konzentrat innerhalb von 6 h auf 2O⁰C abgekühlt. 24h nach Beginn des Füllvorganges sind etwa 70% der im Konzentrat enthaltenen Laktose auskristallisiert. ' I

Die auskristallisierte Laktose wird von der Melasse mit einem Dekanter abgetrennt, mit Wasser gewaschen, wieder abgetrennt und getrocknet. Die durchschnittliche Größe der Laktosekristalle beträgt 200 bis 300μιη.

Beispiel 2 , -

Das nach Beispiel 1 auskristallisierte Molkekonzentrat wird mit Eiswasser auf 10°C abgekühlt.

Innerhalb 24h erhöht sich der Anteil auskristallisierter Laktose auf 74%. Die auskristallisierte Laktose wird von der Melasse j

abgetrennt, gewaschen, nochmals abgetrennt und getrocknet. !

Beispiel 3

Aus der Ultrafiltration von Milch anfallendes Permeat mit einer Trockenmasse von 5,0% und einem Laktosegehalt von 4,3% wird in einem Vakuumsdampfer auf 55% Trockenmasse konzentriert. Das aus dem Verdampfer austretende Konzentrat (800kg/h) wird auf 90⁰C erhitzt und in einen doppelwandigen Rührwerksbehälter mit einem Fassungsvermögen von 6000I überführt. Das Konzentrat wird im Behälter unter Rühren auf 50⁰C abgekühlt. Nachdem sich 5001 Konzentrat im Kristallisationsbehälter befinden, werden 181 eines feinkristallisierten Konzentrates mit Laktosekristallen von 5 bis20/xm Länge zugegeben. Die Herstellung des Impfmaterials erfolgt aus konzentriertem Ultrafiltrations-Permeat mit 55% Trockenmasse, das rasch von 90°C auf 20⁰C abgekühlt wurde, wobei innerhalb von 30 min die spontane Bildung von zahlreichen Laktosekristallen beginnt. Innerhalb von 9,5 h ist der Behälter gefüllt, wobei die Temperatur von 50⁰C aufrechterhalten wird. Die ausgeschiedene Laktosemenge beträgt 48% des im Konzentrat vorhandenen Milchzuckers.

Innerhalb von 4,5 h wird die Temperatur des Konzentrates auf 20⁰C gesenkt. 24h nach Beginn des Füllvorganges sind 73% der vorhandenen Laktose ausgeschieden; die durchschnittliche Kristallgröße beträgt 50 bis 150μΐη. Die auskristallisierte Laktose wird mittels Siebkorbzentrifuge abgetrennt, gewaschen und getrocknet.

Beispiel 4

Das nach Beispiel 3 auskristallisierte Konzentrat aus Ultrafiltrations-Permeat wird mit Eiswasser auf 10⁰C abgekühlt. Nach 24h sind 76,5% der vorhandenen Laktose auskristallisiert. Die Laktose wird mit einer Siebkorbzentrifuge von der Mutterlauge abgetrennt, gewaschen und getrocknet.

Beispiel 5

In 2 beheizbare Rührbehälter von je 1 500I Inhalt werden nacheinander 4 Chargen von je 1 000 kg Rohmilchzucker und 7101 Wasser unter Rühren aufgelöst und auf 100⁰C erhitzt. Nach Zusatz von je 4kg Aktivkohle und 25 kg Kieselgur wird die Laktoselösung in einer beheizten Presse druckfiltriert. Die klare Lösung mit einem Laktosegehalt von 55% wird bei einer Durchfließleistung von 500 bis 1 000 l/h unmittelbar vor dem Einleiten in den Kristallisationsbehälter mit einem Plattenwärmeaustauscher auf 50⁰C abgekühlt. Der Kristallisationsbehälter mit einem Fassungsvermögen von 60001 enthält 121 einer feinkristallisierten Laktosesuspension mit einer Korngröße von 10 bis 30^m. Die Herstellung des Impfmaterials erfolgt durch plötzliches Abkühlen einer 55%igen Laktoselösung auf 3O⁰C, wobei innerhalb von 30 min die massenweise Bildung der Laktosekristalle einsetzt.

Innerhalb von 8h ist der Kristallisationsbehälter gefüllt und die Wasserkühlung wird eingeschaltet. Nach 12 K ist die Temperatur der Lösung auf 10⁰C gesunken. 24h nach Beginn der Füllung beträgt die auskristallisierte Laktosemenge 82% des ursprünglich vorhandenen Milchzuckers. Der Milchzucker wird mittels Dekanter von der Mutterlauge abgetrennt und getrocknet. Die Kristallgröße beträgt 100 bis 200/xm.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   1. Verfahren zur.Gewinnung von Laktose aus übersättigten laktosehaltigen Lösungen durch eine gesteuerte Kristallisation unter Verwendung von^Laktosekristallen als Impfmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die übersättigte laktosehaltige Lösung so weit erhitzt wird, daß sie ungesättigt vorliegt und vorhandene submikroskopische Laktosekristalle aufgelöst werden, dann durch schnelle Abkühlung übersättigt und bei einer konstanten Temperatur, vorzugsweise 30 bis 5O⁰C, in einem Rührwerksbehälter, der eine feinkristallisierte Laktosesuspension enthält, gesammelt, auf 5 bis 20⁰C abgekühlt und die auskristallisierte Laktose abgetrennt, wahlweise gewaschen und getrocknet.
2. 2. Verfahren nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der feinkristallisierten Laktosesuspension durch schnelle Abkühlung einer bei 70 bis 100⁰C gesättigten Laktoselösung auf 20 bis 3O⁰C erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Impfmaterial verwendete feinkristallisierte Laktosesuspension 0,05 bis 5% des Behältervolumens beträgt.