استخلاص السكر من شرائح بنجر السكر بالموجات فوق الصوتية
يعزز الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية مردود السكروز المستخلص من شرائح بنجر السكر ويقلص مدة عملية الاستخلاص بدرجة كبيرة. وتُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية بسيطة وآمنة يمكن دمجها بسهولة مع تقنية الاستخلاص الحالية بالتدفق المعاكس لتحسين كفاءة الاستخلاص.
استخلاص شرائح بنجر السكر بالموجات فوق الصوتية
يعتمد الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية على مبدأ عمل التجويف الصوتي أو فوق الصوتي. وتتسبب التأثيرات الميكانيكية الناتجة عن التجويف المستحث بالموجات فوق الصوتية في تكوين مسام بالموجات فوق الصوتية وتفكيك جدران الخلايا، مما يزيد لاحقًا من نفاذية الجزيئات المحتجزة داخل الخلايا. وتحسن حركة السوائل والاضطرابات الدقيقة الناتجة عن التجويف انتقال الكتلة في عملية الاستخلاص، بحيث ينتقل السكروز والجزيئات الأخرى إلى المذيب، أي الماء.
جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UIP4000hdT لاستخلاص بنجر السكر على النطاق الصناعي.
- المعالجة المسبقة بالموجات فوق الصوتية (قبل برج التدفق المعاكس)
- المعالجة بالموجات فوق الصوتية أثناء الاستخلاص بالتدفق المعاكس
- المعالجة اللاحقة بالموجات فوق الصوتية (بعد برج التدفق المعاكس)
بحسب منشأة الاستخلاص القائمة وأهداف الإنتاج والمساحة المتاحة، يمكن بسهولة إضافة المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى التجهيزات القائمة بوصفها معالجة مسبقة أو لاحقة، وكذلك أثناء الاستخلاص بالتدفق المعاكس.
المعالجة المسبقة لشرائح بنجر السكر بالموجات فوق الصوتية
تُعد المعالجة المسبقة لشرائح بنجر السكر بالموجات فوق الصوتية تقنية لتكثيف العملية. ويمكن دمج أجهزة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية بسهولة مع أبراج الاستخلاص بالتدفق المعاكس، التي تُستخدم أساسًا لاستخلاص بنجر السكر. وتساعد المعالجة القصيرة لشرائح بنجر السكر بالموجات فوق الصوتية قبل دخولها نظام الاستخلاص بالتدفق المعاكس على تفكيك جدران الخلايا وفتحها. وتعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية انتقال الكتلة بين المذيب (أي الماء) وشرائح البنجر، بحيث تنتقل الجزيئات داخل الخلايا، مثل السكروز، من داخل الخلية إلى المذيب. وتسهل المعالجة المسبقة لشرائح بنجر السكر بالموجات فوق الصوتية استخلاص السكروز في عمود التدفق المعاكس وتسرّعه.
صور بالمجهر الإلكتروني الماسح SEM (200×) لعينات شرائح بنجر السكر المعالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 400 W عند 50°C لأزمنة استخلاص مختلفة. A) استخلاص الشرائح بالتدفق المعاكس؛ B) بعد الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية UAE لمدة 10 min؛ C) بعد الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية UAE لمدة 20 min؛ D) بعد الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية UAE لمدة 40 min. يفكك الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية جدران الخلايا ويحرر المواد الموجودة داخلها.
(©Fu et al., 2013)
مقارنة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية بالاستخلاص بالتدفق المعاكس
قارن Fu et al. (2013) الاستخلاص التقليدي بالتدفق المعاكس باستخلاص السكروز من شرائح بنجر السكر بالموجات فوق الصوتية. وأظهرت نتائج الدراسة أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية حققت مردودًا أعلى بنقاوة أفضل، مع تقليص زمن الاستخلاص بدرجة كبيرة من 70 min. (التدفق المعاكس) إلى 40 min. (المعالجة بالموجات فوق الصوتية). ويؤدي الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية (UAE) إلى انخفاض تركيز الشوائب الغروية (وخاصة البكتينات)، ويحقق مردودًا أعلى من السكروز (94.0±0.15%). ويتسم العصير المستخلص بنقاوة عالية (92.6±0.11%). (راجع Fu et al., 2013)
نظرًا إلى أن منشآت إنتاج السكر مجهزة بالفعل بأبراج الاستخلاص التقليدية بالتدفق المعاكس، يُفضل عمومًا دمج المعالجة التآزرية بالموجات فوق الصوتية مع التجهيزات القائمة. ولتطبيق استخلاص السكروز بالموجات فوق الصوتية بأعلى كفاءة من حيث التكلفة والوقت، يمكن تركيب أنظمة الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية بوصفها معالجة تآزرية قبل الاستخلاص التقليدي بالتدفق المعاكس أو أثناءه أو بعده. وبما أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تفكك خلايا بنجر السكر وتحرر السكروز منها، يمكن تقليص مدة المعالجة بالتدفق المعاكس مع تعزيز مردود السكروز.
- تسريع العملية
- مردود أعلى
- تكثيف العملية
- تأثيرات تآزرية مع أنظمة التدفق المعاكس
- سهولة الإضافة إلى التجهيزات القائمة
- سهولة الاختبار
- قابلية التوسع الخطي
- متطلبات صيانة قليلة
- عائد سريع على الاستثمار
أجهزة استخلاص عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية
تُستخدم أنظمة الاستخلاص من Hielscher Ultrasonics في جميع أنحاء العالم في قطاعَي الأغذية والأدوية للإنتاج التجاري لمستخلصات عالية الجودة تُستخدم بوصفها منتجات غذائية أو مكملات غذائية أو مستحضرات صيدلانية. وسواء كنت ترغب في اختبار معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتحسينها على مستوى أجهزة الطاولة المختبرية، أو تركيب نظام استخلاص بالموجات فوق الصوتية صناعي بالكامل للإنتاج ضمن خط المعالجة، فإن Hielscher Ultrasonics توفر تجهيزات الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية المناسبة لك. وتتيح المساحة الصغيرة التي تشغلها هذه التجهيزات وخيارات التركيب المرنة إضافتها إلى التجهيزات القائمة حتى في منشأة معالجة مزدحمة.
توحيد معايير العملية مع Hielscher Ultrasonics
ينبغي إنتاج المنتجات المناسبة للاستخدام الغذائي وفقًا لممارسات التصنيع الجيدة (GMP) وبمواصفات معالجة موحدة. وتأتي أنظمة الاستخلاص الرقمية من Hielscher Ultrasonics مزودة ببرمجيات ذكية تسهل ضبط عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية والتحكم فيها بدقة. ويسجل نظام التسجيل التلقائي للبيانات جميع معلمات عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية، مثل طاقة الموجات فوق الصوتية (الطاقة الكلية والصافية)، والسعة، ودرجة الحرارة، والضغط (عند تركيب مستشعرات درجة الحرارة والضغط)، مع ختم التاريخ والوقت على بطاقة SD المدمجة. ويتيح لك ذلك مراجعة كل دفعة معالجة بالموجات فوق الصوتية. وفي الوقت نفسه، تُضمن قابلية تكرار النتائج والجودة العالية المستمرة للمنتج.
يمكن لأجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher Ultrasonics توفير سعات عالية جدًا. ويمكن التشغيل المستمر بسهولة بسعات تصل إلى 200µm على مدار 24/7. وللحصول على سعات أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية. وتتيح متانة معدات Hielscher للموجات فوق الصوتية التشغيل على مدار 24/7 تحت أحمال تشغيلية شديدة وفي بيئات صعبة.
يقدم الجدول أدناه مؤشرًا على سعة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية التي نوفرها:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
تواصل معنا! / اسألنا!
المؤلفات / المراجع
- Fu et al. (2013): The ultrasonic-assisted extraction of sugar from sugar beet cossettes. International Sugar Journal, Sept. 2013. 696-700.
- Hedayati K., Emadi B., Khojastehpour M., Beyraghi Toosi Sh. (2014): The Effect Of Ultrasonic Waves On Sugar Extraction And Mechanical Properties Of Sugar Beet. Journal of Agricultural Machinery Volume 3, Issue 2, 2014. 144-153.
- Martín-García Beatriz; Pasini, Federica; Verardo, Vito; Díaz-de-Cerio, Elixabet; Tylewicz, Urszula; Gómez-Caravaca, Ana María; Caboni Maria Fiorenza (2019): Optimization of Sonotrode Ultrasonic-Assisted Extraction of Proanthocyanidins from Brewers’ Spent Grains. Antioxidants 2019, 8, 282.
حقائق تستحق المعرفة
إنتاج السكر
يُنتج السكروز، المعروف أيضًا بسكر المائدة، أساسًا من قصب السكر وبنجر السكر (Beta vulgaris). ويُستخلص السكر، أي السكروز، من البنجر باستخدام الماء الساخن في عملية متعددة المراحل، حيث يُستخلص عصير السكر الخام بالانتشار في الماء الساخن ضمن نظام تدفق معاكس. وبعد ذلك، يُركز عصير السكر تحت التفريغ، ثم يُغسل على نحو دوري، ويُجفف أخيرًا.
بعد الحصاد، تُنقل جذور البنجر إلى مصنع معالجة السكر، حيث يُغسل البنجر ثم يُقطع ميكانيكيًا إلى شرائح رفيعة تُعرف باسم شرائح البنجر. وتُغذى هذه الشرائح إلى نظام الاستخلاص بالتدفق المعاكس. ويعمل نظام التدفق المعاكس بالانتشار وينضح المحتوى السكري من الشرائح إلى الماء الساخن.
أنظمة الانتشار بالتدفق المعاكس عبارة عن مفاعلات طويلة أو أبراج / أعمدة مرتفعة يبلغ طولها عدة أمتار، تتدفق فيها الشرائح في اتجاه واحد (إلى الأعلى)، بينما يتدفق الماء الساخن في الاتجاه المعاكس (إلى الأسفل). وتصل سعة المعالجة في منشآت الاستخلاص الحديثة بالأبراج إلى 17,000 طن متري يوميًا. ويبلغ زمن المكوث المعتاد للشرائح في برج التدفق المعاكس نحو 90 min.، بينما يبقى الماء 45 min. فقط في عمود الانتشار. وتتمثل الميزة الرئيسية لأنظمة التدفق المعاكس في تقليل استخدام الماء مقارنة بنقع بنجر السكر في مفاعل يحتوي على ماء ساخن. ويُسمى محلول عصير السكر الناتج في نظام الانتشار بالتدفق المعاكس العصير الخام. ويمكن أن يتراوح لون العصير الخام من الأسود إلى الأحمر الداكن بحسب مستوى أكسدته.
تخرج الشرائح المستنفدة من نظام الانتشار على هيئة لب تبلغ رطوبته نحو 95%، ولكن محتواه من السكروز منخفض.
يُضغط اللب الرطب باستخدام مكبس لولبي حتى تبلغ رطوبته نحو 75% لاستعادة السكروز المتبقي فيه.
يُجفف اللب المتبقي ويُستخدم أساسًا علفًا للحيوانات.
تُطبق عملية الكربنة لإزالة الشوائب من العصير الخام قبل إمكان ترسيبه على هيئة بلورات سكر. ولهذا، يُخلط العصير الخام مع لبن الجير الساخن، أي معلق هيدروكسيد الكالسيوم في الماء. وأثناء الكربنة، تترسب شوائب مثل الكبريتات والفوسفات والسترات والأكسالات. وتترسب هذه الشوائب على هيئة أملاح كالسيوم وجزيئات عضوية أكبر، مثل البروتينات والبكتينات والصابونينات. وبالإضافة إلى ذلك، تحول قيمة pH القلوية السكريات البسيطة، الغلوكوز والفركتوز، مع الحمض الأميني الغلوتامين، إلى أحماض كربوكسيلية مستقرة كيميائيًا يمكن إزالتها لاحقًا بالترشيح، لأن تلك الجزيئات من شأنها أن تتداخل مع التبلور.
في المرحلة التالية من العملية، يُمرر ثاني أكسيد الكربون على هيئة فقاعات عبر محلول السكر القلوي، مما يرسب الجير على هيئة كربونات الكالسيوم. وترتبط جسيمات كربونات الكالسيوم ببعض الشوائب. وتترسب الجسيمات الثقيلة في الخزان ويمكن إزالتها بالترشيح. وبعد خطوات التنقية والتطهير هذه، يُحصل على ما يُسمى بالعصير الرقيق. ويمكن معالجة العصير الرقيق برماد الصودا لضبط قيمة pH، وكذلك بمركب قائم على الكبريت لتقليل التلون الذي قد يحدث بسبب التحلل الحراري للسكريات الأحادية.
يُستخدم التبخير لتركيز العصير الرقيق باستخدام أنظمة التبخير متعددة التأثيرات، بحيث يتحول العصير الرقيق إلى عصير كثيف. ويحتوي العصير الكثيف على نحو 60% من السكروز بالوزن.
في المرحلة الأخيرة، يُعالج العصير الكثيف في أجهزة التبلور. ومن خلال إضافة السكر المعاد تدويره وإذابته، يُنتج ما يُسمى بالمحلول الأم. ويُركز المحلول الأم بدرجة أكبر بالغليان تحت التفريغ في أوعية كبيرة تُعرف بأحواض التفريغ، وتُضاف بلورات سكر دقيقة جدًا بوصفها نقاط بذر للتبلور. وتنمو هذه البلورات مع تشكل السكر من المحلول الأم حولها. ويُسمى المزيج الناتج من بلورات السكر / الشراب «ماسكويت»، وهو مصطلح فرنسي يعني «كتلة مطبوخة». ويُغذى الماسكويت إلى جهاز طرد مركزي، حيث يُفصل شراب «High Green» عن الماسكويت بالقوة الطاردة المركزية. وبعد الطرد المركزي، يُرش الماء داخل جهاز الطرد المركزي لغسل بلورات السكر، مما ينتج ما يُسمى شراب «Low Green». ثم يدور جهاز الطرد المركزي بسرعات عالية جدًا لتجفيف البلورات جزئيًا. وعندما تتباطأ سرعة جهاز الطرد المركزي، يُكشط السكر من جدرانه إلى نظام ناقل لنقله إلى جهاز تحبيب دوار، حيث يُجفف بالهواء الدافئ. وتصبح بلورات السكر الجافة والنظيفة جاهزة للبيع إلى معامل التكرير أو مصنعي الأغذية لمزيد من المعالجة أو الاستخدام.