FI78504B

FI78504B - Foerfarande foer tillvaratagande av laktos ur vassla.

Info

Publication number: FI78504B
Application number: FI874535A
Authority: FI
Inventors: Matti Erkki Harju; Heikki Olavi Heikkilae
Original assignee: Valio Meijerien
Priority date: 1987-10-14
Filing date: 1987-10-14
Publication date: 1989-04-28
Also published as: NZ226553A; DE3886663D1; DE3886663T2; FI78504C; EP0311977A3; US4955363A; EP0311977B1; EP0311977A2; FI874535A0

Description

1 78504

Menetelmä laktoosin talteenottamiseksi herasta Tämän keksinnön kohteena on menetelmä laktoosin talteenottamiseksi maidon tai juuston herasta hyvällä saan-5 nolla. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että hera väkevöidään, osa laktoosista kiteytetään, ja kiteet erotetaan ja kuivataan; emäliuosta puhdistetaan erottamalla kalsiumia, rasvaa ja proteiineja, puhdistettu emä-liuos fraktioidaan kromatografisesti, jolloin eluoidaan 10 vedellä, ja otetaan talteen seuraavat jakeet: proteiinijae, joka lisäksi sisältää suoloja, välijae, joka palautetaan fraktiointivaiheeseen, ja laktoosijae, joka johdetaan ki-teytysvaiheeseen, ja mahdollisesti laimea laktoosijae, joka palautetaan fraktiointivaiheeseen.

15 Maitohera on tärkein laktoosin raaka-ainelähde.

Laktoosi voidaan kiteyttää suoraan herasta, joskin saanto jää silloin melko huonoksi ja laktoosin puhtaus alhaiseksi. On kehitetty useita menetelmiä laktoosin saannon ja laadun parantamiseksi; näistä on yhteenveto lehdessä Milchwissen-20 schaft 1986, ss. 700-703 ja 774-779.

Yleensä pyritään sellaiseen kokonaisprosessiin, että saadaan talteen sekä heran proteiinit että laktoosi. Ongelmana on ollut se, että suuri osa laktoosista jää ki-teytyksessä emäliuokseen, josta sitä on vaikea saada tal-25 teen. Emäliuoksesta muodostuu jäte, jolla ei ole merkittävää käyttöä.

GB-patenttijulkaisussa 1 430 490 on esitetty menetelmä heran kromatografiseksi erottamiseksi. Menetelmässä käytetään kalsium-muodossa olevaa kationinvaihtohartsia ja 30 saadaan talteen 3 fraktiota: proteiinifraktio, laktoosi-fraktio ja kalsiumlaktaattifraktio. Laktoosifraktion ja kalsiumlaktaattifraktion välistä voidaan ottaa välifraktio, joka palautetaan.

Puhtaan laktoosin talteenotto tällä tunnetulla 35 menetelmällä on kuitenkin hankalaa, koska laktoosifraktio on kahden muun fraktion välissä ja jää osittain niiden alle. Lisäksi käsiteltävä liuosmäärä on suuri, mikä hankaloittaa prosessia.

2 78504

Erityisiä hankaluuksia tuottavat suhteellisen runsaasti kalsiumia sisältävät herat, kuten Edam-juuston valmistuksessa syntyvä hera. Heran erotuksessa kalsium rikastuu emäliuokseen, jonka kalsiumpitoisuus nousee jopa 5 0,5%:iin. Näin korkea kalsiumpitoisuus yhdessä alhaisen pH:n kanssa aiheuttaa saostumia kromatografisiin erotus-kolonneihin ja lisää elvytystarvetta. Koska liuoksen pH tyypillisesti alenee kromatografisen erotuksen aikana, olosuhteet kolonnissa muodostuvat lisäksi sellaisiksi, että 10 myös eräät proteiinit (laktalbumiini ja laktoglobuliini) saostuvat.

Nyt on kehitetty parannettu menetelmä laktoosin talteenottamiseksi herasta. Uuden menetelmän mukaan kiteytetään ensin pääosa laktoosistapa emäliuokselle suorite- 15 taan kromatografinen erotus. Näin voidaan erittäin hyvällä saannolla ja korkealla erotuskapasiteetilla valmistaa puhdasta laktoosia.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että 20 a) hera väkevöidään, b) osa laktoosista kiteytetään, ja kiteet erotetaan ja kuivataan, c) emäliuos puhdistetaan lämmittämällä se noin 60-70°C:een pH:ssa noin 5,8-7,0, ja poistamalla syntynyt 25 sakka linkoamalla, jonka jälkeen tarvittaessa vielä suodatetaan , d) puhdistettu emäliuos fraktioidaan kromatografi-sesti, jolloin käytetään natriumionimuodossa olevaa sulfo-noitua polystyreenihartsia, joka on verkkoutettu noin 30 3-6 paino-%:lla divinyylibentseeniä ja joka on tasarakeinen keskimääräisen raekoon ollessa noin 0,2-1 mm; virtausnopeus on noin 0,4-1,5 m/h, lämpötila noin 50-75°C ja pH noin 5,5-7; eluoidaan vedelläpä e) otetaan talteen ainakin seuraavat jakeet: 35 1) proteiinijae, joka saattaa lisäksi sisältää suoloja, 2) välijae, joka palautetaan fraktiointivaiheeseen d) , ja 3) laktoosijae, joka johdetaan kiteytysvaiheeseen a).

Il 3 78504

Prosessikaavio on esitetty kuviossa 1.

Herasta kiteytetään pääosa laktoosia sinänsä tunnetulla menetelmällä ja kiteet erotetaan liuoksesta esimerkiksi dekantoivalla lingolla. Jäljelle jäävän liuoksen pH 5 säädetään 5,8 - 7,0 edullisesti natriumhydroksidilla. Liuos lämmitetään 60 - 70°C:een ja lingotaan puhdistuslingolla (Westfalia MSB tai vastaava). Linkouksessa poistuu pieni määrä kalsiumpitoista proteiinisakkaa.

Lingotulle liuokselle suoritetaan kromatografinen 10 erotus. Erotuksessa käytetään sulfonoitua polystyreeni-divinyylibentseeni-hartsia, jonka ristisidosmäärä on 3-6%. Liuoksen pH säädetään arvoon 6-7 (optimi 6,5 -6,8). Hartsin tulee olla alkalimetalli-ioni-muodossa, edullisesti natrium-muodossa.

15 Ennen kromatografista erotusta poistetaan tarvit taessa kalsium ja eräät helposti saostuvat proteiinit, sekä rasvat seuraavalla tavalla: liuos lämmitetään erotus-lämpötilaan tai vähän sitä korkeammalle ja pH säädetään arvoon 5 .8-7. 0 , jonka jälkeen kirkastetaan liuos sentrifugeil-20 ia. Kalsium poistuu silloin kalsiumfosfaattina ja sakan mukana poistuu pieni osa proteiineista sekä rasvat. Tämän jälkeen voidaan suorittaa kromatografinen erotus hyvällä tuloksella.

Kromatografisessa erotuksesisa voidaan käyttää joko 25 panosmenetelmää tai jatkuvatoimista menetelmää.

Seuraavat esimerkit valaisevat keksintöä.

Esimerkki 1 a) Kiteytys

Edam-juuston valmistuksessa saadusta herasta (0,7% 30 proteiinia, 4,5% laktoosia ja 0,04% kalsiumia) kiteytettiin pääosa laktoosista seuraavalla tavalla:

Juustokattiloista tuleva hera (10.000 kg) pastöroitiin (75°C, 15 s) ja separoitiin jäännösrasvan talteenotta-miseksi. Separaattori oli itsepuhdistavaa tyyppiä, jolla 35 saadaan poistettua myös juustopölyä. Heran rasvapitoisuus separoinnin jälkeen oli 0,07%. Hera haihdutettiin tämän jälkeen 4-vaiheisella laskevafilmihaihturilla (maksimi- 73504 lämpötila 75°C) 58%:n kuiva-ainepitoisuuteen. Heratiiviste (990 kg) pumpattiin jäähdyttämättömänä kiteytystankkiin, jossa oli jäähdytysvaippa ja kaapiva sekoitin. Heratiiviste jäähdytettiin tankissa järvivedellä (10°C) noin 2°C 5 tunnissa, kunnes lämpötila oli 15°C. Tämän jälkeen kiteytynyt heratiiviste pumpattiin dekantterisentrifuugille, joka erotti laktoosikidemassan ja emäliuoksen. Emäliuos (kuiva-ainepitoisuus 35%) pumpattiin välivarastosäiliöön. Kidemassa laimennettiin vedellä ja pumpattiin toiselle 10 dekantterisentrifuugille. Toisen sentrifugoinnin emäliuos (kuiva-ainepitoisuus 15%) pumpattiin samaan välivarasto-säiliöön ja kidemassa siirrettiin leijupetikuivuriin, jossa se kuivattiin laktoosijauheeksi. Kuviossa 1 on esitetty laktoosin valmistuksen ainetase, kun käytetään perinteistä 15 menetelmää. Laktoosisaannoksi saatiin näin 61%.

b) Emäliuoksen puhdistus

Emäliuoksen (1036 kg) pH säädettiin arvoon 6,5 natriumhydroksidiliuoksella (10%, 8,0 kg). Liuos lämmitettiin 65°C:een ja johdettiin puhdistuslinkoon (Westfalia 20 MSB 14-06-076, kierrosluku 7570 r/min ja läpivirtausnopeus 1000 1/h; sakan tyhjennys tapahtui 2 min välein. Ennen liuoksen syöttöä kromatografiseen kolonniin suoritettiin vielä varmistussuodatus GAF-pussisuotimella. Osa liuoksesta jäähdytettiin 15°C:een ja säilytettin tässä lämpö-25 tilassa, kunnes se ennen kromatografista erotusta jälleen lämmitettiin 65°C:een.

Taulukossa 1 on esitetty emäliuoksen koostumus ennen ja jälkeen linkouksen, sekä saadun sakan koostumus.

Esimerkki 2 30 Emmental-juuston herasta kiteytettiin laktoosi kuten esimerkissä 1 on selitetty. Saadun emäliuoksen kalsiumpitoisuus oli 0,3%. Liuos käsiteltiin kuten esimerkissä 1, mutta koska sakkaa syntyi vähemmän, pidennettiin linkouk-sessa sakan tyhjennysvälit 5 minuuttiin. Sakkaliuoksen mää-35 rä oli 10% syöttölinkouksen määrästä ja puhdistetun liuoksen kalsiumpitoisuus oli 0,15%. Ennen kromatografista erotusta suoritettiin varmistussuodatus 20 yum PALL-pussisuotimella.

5 78504

Esimerkki 3

Laktoosia kiteytettiin herasta, joka oli syntynyt kaseiinin ja rahkan valmistuksessa. Emäliuoksessa oli silloin 0,7% kalsiumia. Emäliuokselle suoritettiin sama 5 käsittely kuin esimerkissä 1, jolloin tulokseksi saatiin liuos, jonka kalsiumpitoisuus oli 0,2%. Liuos suodatettiin pussisuotimen läpi kuten esimerkissä 1 ja suoritettiin kromatografinen erotus.

Esimerkki 4 10 Kun juustonvalmistuksesta saatu hera ultrasuodatet- tiin ennen laktoosin kiteyttämistä, saatiin emäliuos, jonka proteiinipitoisuus oli hyvin pieni. Tämä liuos esikäsitel-tiin kuten esimerkissä 1, jonka jälkeen suoritettiin kromatografinen erotus. Näin 90% laktoosista saatiin talteen 15 palautettavaksi kiteytysvaiheeseen.

Esimerkki 5

Prosessi ja laitteisto olivat samat kuin esimerkissä 1. Hera käsiteltiin kuten esimerkissä 1. Erotusolosuhteet: 20 Kolonnin halkaisija: 0,225 m

Hartsi: sulfonoitua polystyreeniä (4,5% divinyylibentseeniä) Na+-muodossa raekoko 0,36 mm 25 Hartsikerroksen korkeus: 5,1 m

Syöttö: 0,04 m^/h (yht. 7 kg; 29 g/100 ml)

Syöttöliuoksen koostumus:

Laktoosi 49,4% 30 Proteiinit ja suolat 50,0%

Muut 0,6% kuiva-aineesta PH: 6,7

Lämpötila: 65°C

Eluentti: vesi, 0,04 m^/h 6 7 Q C η λ / v ^ u t

Fraktiointi on esitetty kuviossa 3. Otettiin talteen 3 jaetta.

Jae nro 1 23

Jakorajat (min) 72 82 120 5 Kuiva-aine Määrä (kg) 3,26 0,76 2,51

Pitoisuus (g/100 g) 7,1 11,2 9,6

Koostumus 10 (% kuiva-aineesta)

Laktoosi 14,9 63,4' 90,1

Proteiini )

Suolat J 84'6 35'4 9'4

Muut aineet 0,48 1,20 0,5 15 Jae nro 1 on proteiinirikas jae ja jae nro 3 on laktoosi-jae. Laktoosijae johdettiin kiteytysvaiheeseen. Jae 2 palautettiin erotusvaiheeseen.

Esimerkki 6

Laitteisto ja hartsi olivat samat kuin esimerkissä 1.

20 Hera käsiteltiin kuten esimerkissä 1.

Erotusolosuhteet:

Kolonnin halkaisija: 0,225 m

Hartsi: sulfonoitua polystyreenia (4,5% divinyylibentseeniä) 25 Na+-muodossa raekoko 0,36 mm Hartsikerroksen korkeus: 5,0 m Syöttö: 0,04 m~*/h (yht. 30 1; 28,8 g/100 ml) .

30 pH: 6,7

Lämpötila: 65°C

3

Eluentti: vesi, 0,04 m /h

Syöttöliuoksen koostumus:

Laktoosi 50,4% 35 Proteiinit 14,7%

Suolat 34,2%

Muut aineet 0,7% kuiva-aineesta

Fraktiointi on esitetty kuviossa 4. Otettiin talteen 4 jaetta.

7 78504

Jae nro 1234

Jakorajat (min) 74,5 105 136,5 145

Kuiva-aine Määrä (kg) 3,28 2,8 2,1 0,3 5 Pitoisuus (g/100 g) 8,6 13,2 9,5 5,1

Koostumus (% kuiva-aineesta)

Laktoosi 15,0 66,2 89,8 79,4 10 Proteiini _ , t 53,7 28,4 8,9 16

Suolat

Muut aineet 0,58 0,90 0,56 0,41

Jae nro 1 on proteiinirikas jae ja jae nro 3 on laktoosi jae. Laktoosijae johdettiin kiteytysvaiheeseen.

15 Jae 2 palautettiin erotusvaiheeseen.

Esimerkki 7

Koeolosuhteet olivat samat kuin esimerkissä 1. Kolonniin syötettiin perättäiset syötöt 110 min välein. Ulostulevasta liuoksesta kerättiin seuraavat jakeet: 20 proteiinijae (1), palautusjae (2), laktoosijae (3) ja toinen palautusjae (4). Jakeiden koostumus oli seuraava: Jae nro 1234

Kuiva-aine Määrä (kg) 3,67 0,14 5,17 0,18 25 Pitoisuus (g/100 g) 9,2 14,0 15,2 10,5

Koostumus (% kuiva-aineesta)

Laktoosi 18,5 46,1 75,0 46,1 30 Proteiini 27,6 12,5 5,7 20,9

Laktoosijae palautettiin laktoosikiteytykseen ja proteiinijae käytettiin rehuna.

8 78504

Esimerkki 7 b

Olosuhteet olivat kuten esimerkissä 7, mutta erotuksessa saatu liuos jaettiin 5 jakeeseen seuraavasti: proteiinijae (1), suolajae (2), palautusjae (3), lak-5 toosijae (4) ja toinen palautusjae (5).

Jae nro 12345

Jakorajat (min) 40 70 74,5 122,5 125

Kuiva-aine Määrä (kg) 1,35 2,02 0,44 5,17 0,18 10 Pitoisuus (g/100 g) 7,9 9,7 14,0 15,2 10,5

Koostumus (% kuiva-aineesta)

Laktoosi 14,2 17,3 46,1 75 46,1 15 Proteiini 34,8 25,1 12,5 5,4 20,9

Suola ja muut aineet 51,0 57,6 41,4 19,6 33,0

Esimerkki 8

Koeolosuhteet olivat samat kuin esimerkeissä 1 20 ja 7. Suoritettiin 9 peräkkäistä erotusta tasapainotilan saavuttamiseksi. Laktoosijakeet palautettiin kiteytykseen. Proteiinijakeet otettiin talteen rehuksi. Kuviossa 5 on esitetty ainetase ja taulukossa 2 erotuksen tulos. Laktoosijakeeseen saatiin 75% laktoosista. Koko-25 naissaanto käytettäessä välijakeiden palautusta oli 92,5%.

Esimerkki 9

Koeolosuhteet olivat kuten esimerkeissä 1 ja 7. Kuviossa 6 on esitetty ainetase tasapainotilassa, kun erotuksessa on sovellettu palautusta. Taulukossa 3 on 30 esitetty laktoosin ja proteiinin jakautuminen. Kokonaissaanto oli 81% laktoosista.

78504

Esimerkki 10

Koeolosuhteet olivat kuten esimerkissä 1. Kuviossa 6 on esitetty virtauskaavio, kun erotuksessa on sovellettu palautusta.

5 10 78504 <#>

Cd 3 e

G

μ td O to <y\ O h (N ΙΟ 00

Mm (0 <Ti CT. m o G en cN td Ai td cd

C

G

Ό (d <d

Cd :<d

-¾ G

0) <d

UI <U

Ai

- rH

G :oj dl -I—i

Cd

G (D

O ui LO

.V Ai >sr ro in cn G 3 s i v s •h o vd -«r o 1-1 M cm

^ G -S

£ ^ O dl

M M

Ai Ή p :id H -n

G

nj td

Eh -n

G

dl

G

dl

Cd

— O

<#> p r—i '—' -H O O 00 ^ r—l «·>*** * ui :<ö e» r-~ o G g rsj

g W

G +J Cd O O Ai

G

di a)

« G -H

Ai -H G

o td -h ε

G I -rl G

G td CU Cd -H

Ή > 4J A! Cd :¾ -H 0 -G Ή s g μ g td W « Pn EH « 78504 <d

(O

•π •Ρ •'Τ tn *

O 04 rO 04 rH in O rH

O iH oj ro +j ro M (0 Gl O) (0 •n

H

G

H

•H ro oo vo oo oo ro QJ Γ0 rH «H rH ·5Τ p <* c o O) in G Cn

•H

g

G

P

S

(0 Λ <tj •n tn o

G G

04 -H -H

tn rH LT) O O 00 O 00 rr O o :rö r~ ro in ro in rH 04 λ; o g <n

M H-> W

G M

t—I itj

3 rH

ffl EH Ifl •n

G I

•h tn G >i •H -P :0 H >1 -P O 04 UO 00

O) <U -P U0 rH Γ*· rH

4-} +) *0 rH rH

O -H >i p «tn en

(0 00 VO O rH tn 00 VO

O O 00 O' rH rH

tl) rH 00

K rH

Mj

P

~ MtJ

tr tn aö -h

11 Ä 3 Ö1 g -H G

G ^ 3 tn tn ·η •h tn o G 3 0 -h fö :tö -H o tl) g O tl) i p o ή tn 3 -P —« -P ^

Iti :fl -μ V Λ -P Λί Cn O Cn —

> :tt$ -H Ö1 O r tl) P ,Χ 4P

risen — 3 tnoGi— — en— — 3 ΉΧ0 « Gl — « 12 73504 ra

G

-P

G o ld o m oo en o id ro o r-t ro

i—I CO

(0 ft

CD

id •ro

•H

G

•H ro oo p· co oo oo ro •H OO i—I i—I P P· <D P·

-P

O

u ft

G

0)

G

-H

6 <u G id -P -ro G -H -¾1 id co -

X 0 CN ro CN P in O P

cd O p* p ro ro 1- •ro -p ro λ; G id •H G)

CO

ro 0

O

O -P

Λ! X

X id G Ή

P

G (d I

id ro co to

EH g -P

G -P-P oo in o ra m cn p

•H O CO Γ— CN P rO P· P CN

G P >i ro -p W co

-P

ai

P

o

P

ft

CO

o

G

•P in o o oo o oo p·

ip turoin roinpcN

Md CN

ε

W

:id p :id

Cn co :id -p

CD X G Cn 6 -H G

G — G co co -P

•P co o G GO ·Ρ

id :id ·ρ o cu 6 0 <D

IPOPC0 G -P —^ -P

td :id -P ^ Λί +1 ϋ O' - O t? « >:rd-p Cn O — CO <ϋ X op u X op p 2 ft -- G CnOGI'^—ft'- — G -P X 0 * Gl — *

II

Claims

13 78504

1. Menetelmä laktoosin talteenottamiseksi maidon tai juuston herasta hyvällä saannolla, tunnettu 5 siitä, että a) hera väkevöidään, b) osa laktoosista kiteytetään, ja kiteet erotetaan ja kuivataan, c) emäliuos puhdistetaan lämmittämällä se noin 10 60-70°C:een pH:ssa noin 5,8-7,0, ja poistamalla syntynyt sakka linkoamalla, jonka jälkeen tarvittaessa vielä suodatetaan, d) puhdistettu emäliuos fraktioidaan kromatografi-sesti, jolloin käytetään natriumionimuodossa olevaa sulfo- 15 noitua polystyreenihartsia, joka on verkkoutettu noin 3-6 paino-%:lla divinyylibentseeniä ja joka on tasarakeinen keskimääräisen raekoon ollessa noin 0,2-1 mm; virtausnopeus on noin 0,4-1,5 m/h, lämpötila noin 50-75°C ja pH noin 5,5-7; eluoidaan vedellä,ja 20 e) otetaan talteen ainakin seuraavat jakeet: 1. proteiinijae, joka saattaa lisäksi sisältää suoloja, 2. välijae, joka palautetaan fraktiointivaiheeseen d) , ja 3. laktoosijae, joka johdetaan kiteytysvaiheeseen a).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että a) hera väkevöidään noin 60%:n kuiva-ainepitoisuuteen , b) osa laktoosista kiteytetään, jolloin lämpötila 30 alennetaan noin 70°C:sta noin 15°C:een noin 30 tunnissa, c) emäliuos puhdistetaan lämmittämällä se noin 60-70°C:een pH:ssa noin 5,8-7,0, ja poistamalla syntynyt sakka linkoamalla, jonka jälkeen tarvittaessa vielä suodatetaan, 35 d) puhdistettu emäliuos fraktioidaan kromatografi- sesti, jolloin käytetään natriumionimuodossa olevaa sulfo-noitua polystyreenihartsia, joka on verkkoutettu noin 3-6 paino-%:lla divinyylibentseeniä ja joka on tasarakeinen keskimääräisen raekoon ollessa noin 0,2-1 mm; virtausnopeus 78504 on noin 0,4-1,5 m/h, lämpötila noin 60-70°C ja pH noin 6-7; eluoidaan vedellä,ja e) otetaan talteen seuraavat jakeet: 1. proteiinijae, 5 2) suolajae, 3. välijae, joka palautetaan fraktiointivaiheeseen d) , ja 4. laktoosijae, joka johdetaan kiteytysvaiheeseen a), ja mahdollisesti 10 5) laimea laktoosijae, joka palautetaan fraktiointi vaiheeseen d) . li 15 78504