Ултразвукова екстракция на захар от резанки от захарно цвекло
Ултразвуковата екстракция увеличава добива на извлечена захароза от резанки от захарно цвекло и значително намалява продължителността на процеса на екстракция. Ултразвуковата обработка е прост и безопасен метод, който може лесно да се комбинира със съществуващата технология за противотокова екстракция, за да се подобри ефективността на извличането.
Ултразвукова екстракция на резанки от захарно цвекло
Екстракцията с помощта на ултразвук се основава на принципа на акустичната или ултразвуковата кавитация. Механичните ефекти, породени от ултразвуково индуцираната кавитация, причиняват сонопорация и разрушаване на клетъчните стени, което впоследствие увеличава пропускливостта на молекулите, задържани във вътрешността на клетките. Породените от кавитацията течения в течността и микротурбуленции подобряват масопреноса при екстракцията, така че захарозата и други молекули преминават в разтворителя, т.е. водата.
Ултразвуков апарат UIP4000hdT за промишлена екстракция на захарно цвекло.
- Ултразвукова предварителна обработка (преди противотоковата кула)
- Ултразвукова обработка по време на противотоковата екстракция
- Ултразвукова последваща обработка (след противотоковата кула)
В зависимост от съществуващата екстракционна инсталация, производствените цели и наличното пространство ултразвуковата обработка може лесно да бъде добавена като предварителна или последваща обработка, както и по време на противотоковата екстракция.
Ултразвукова предварителна обработка на резанки от захарно цвекло
Ултразвуковата предварителна обработка на резанки от захарно цвекло е метод за интензифициране на процеса. Ултразвуковите екстрактори могат лесно да се комбинират с противотокови екстракционни кули, които се използват основно за екстракция на захарно цвекло. Кратката ултразвукова обработка на резанките от захарно цвекло, преди те да постъпят в противотоковата екстракционна система, спомага за разрушаването и отварянето на клетъчните стени. Ултразвуковата обработка подпомага масопреноса между разтворителя (т.е. водата) и цвекловите резанки, така че вътреклетъчни молекули като захарозата преминават от вътрешността на клетките в разтворителя. Ултразвуковата предварителна обработка на резанки от захарно цвекло улеснява и ускорява извличането на захароза в противотоковата колона.
Сканираща електронна микроскопия (SEM, 200×) на проби от резанки от захарно цвекло, обработени с ултразвук при 400 W и 50°C за различна продължителност на екстракцията. A) противотокова екстракция на резанките; B) след екстракция с помощта на ултразвук (UAE) за 10 min; C) след UAE за 20 min; D) след UAE за 40 min. Ултразвуковата екстракция разрушава клетъчните стени и освобождава вътреклетъчния материал.
(©Fu et al., 2013)
Сравнение на ултразвуковата и противотоковата екстракция
Fu et al. (2013) сравняват традиционната противотокова екстракция с ултразвуковото извличане на захароза от резанки от захарно цвекло. Резултатите от изследването показват, че ултразвуковата обработка води до по-висок добив с по-висока чистота, като същевременно времето за екстракция е значително намалено от 70 min. (противотокова екстракция) на 40 min. (ултразвукова обработка). Екстракцията с помощта на ултразвук (UAE) води до по-ниска концентрация на колоидни примеси (особено пектини) и осигурява по-висок добив на захароза (94,0±0,15%). Извлеченият сок е с висока чистота (92,6±0,11%). (вж. Fu et al., 2013)
Тъй като предприятията за производство на захар вече са оборудвани с конвенционални противотокови екстракционни кули, обикновено се предпочита комбинирането на синергична ултразвукова обработка със съществуващата инсталация. За да се приложи ултразвуковото извличане на захароза по най-ефективния начин по отношение на разходите и времето, ултразвуковата екстракция може да бъде интегрирана като синергична обработка преди, по време на или след конвенционалната противотокова екстракция. Тъй като ултразвуковата обработка разрушава клетките на захарното цвекло и освобождава захарозата от тях, продължителността на противотоковата обработка може да бъде намалена, като същевременно добивът на захароза се увеличава.
- Ускорен процес
- По-високи добиви
- Интензифициране на процеса
- Синергични ефекти с противотокови системи
- Лесно интегриране в съществуващи инсталации
- Лесно изпитване
- Линейно мащабиране
- Малка необходимост от поддръжка
- Бърза възвръщаемост на инвестицията
Високопроизводителни ултразвукови екстрактори
Екстракционните системи на Hielscher Ultrasonics се използват по целия свят в хранителната и фармацевтичната промишленост за промишлено производство на висококачествени екстракти, използвани като хранителни продукти, хранителни добавки или фармацевтични продукти. Независимо дали искате да изпитате и оптимизирате параметрите на ултразвуковата обработка в лабораторен настолен мащаб, или да инсталирате изцяло промишлена ултразвукова екстракционна система за производство в поток, Hielscher Ultrasonics разполага с подходящото за вас оборудване за ултразвукова екстракция. Малката заемана площ и гъвкавите възможности за монтаж позволяват интегриране дори в производствена инсталация с ограничено пространство.
Стандартизиране на процеса с Hielscher Ultrasonics
Продуктите, предназначени за употреба в храни, трябва да се произвеждат в съответствие с добрите производствени практики (GMP) и при стандартизирани спецификации за обработка. Цифровите екстракционни системи на Hielscher Ultrasonics са оборудвани с интелигентен софтуер, който улеснява прецизното задаване и контролиране на процеса на ултразвукова обработка. Автоматичното регистриране на данни записва всички параметри на ултразвуковия процес, като ултразвукова енергия (обща и нетна енергия), амплитуда, температура и налягане (когато са монтирани сензори за температура и налягане), с отметка за дата и час върху вградената SD карта. Това ви позволява да преглеждате всяка партида, обработена с ултразвук. Същевременно се осигуряват възпроизводимост и постоянно високо качество на продукта.
Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при голямо натоварване и в тежки условия.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | по-висок | група от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Ултразвукови хомогенизатори с висока мощност от лабораторен до пилотен и промишлен мащаб.
Литература / Източници
- 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.
Полезни факти
Производство на захар
Захарозата, известна още като трапезна захар, се произвежда основно от захарна тръстика и захарно цвекло (Beta vulgaris). Захарта, т.е. захарозата, се извлича от цвеклото с гореща вода в многоетапен процес, при който суровият захарен сок се извлича чрез дифузия в гореща вода в противотокова система. След това захарният сок се концентрира под вакуум, последвано от циклично промиване и накрая сушене.
След прибирането на реколтата кореноплодите на цвеклото се транспортират до предприятието за производство на захар, където цвеклото се измива и след това механично се нарязва на тънки ивици, наречени резанки. Резанките се подават в противотоковата екстракционна система. Противотоковата система работи чрез дифузия и извлича съдържащата се в резанките захар в горещата вода.
Противотоковите дифузионни системи представляват дълги реактори или високи кули / колони с височина няколко метра, в които резанките се движат в една посока (нагоре), докато горещата вода тече в противоположната посока (надолу). Съвременните кулови екстракционни инсталации имат капацитет за обработка до 17 000 метрични тона на ден. Типичното време на престой на резанките в противотоковата кула е приблизително 90 min., докато водата остава в дифузионната колона само 45 min. Основното предимство на противотоковите системи е намаленото потребление на вода в сравнение с мацерацията на захарно цвекло в реактор с гореща вода. Разтворът на захарен сок, получен в противотоковата дифузионна система, се нарича суров сок. Цветът на суровия сок може да варира от черен до тъмночервен в зависимост от степента му на окисление.
Извлечените резанки напускат дифузионната система като пулпа с приблизително 95% влажност, но с ниско съдържание на захароза.
Влажната пулпа се пресова с шнекова преса до приблизително 75% влажност, за да се извлече останалата в нея захароза.
Останалата пулпа се изсушава и се използва основно като фураж за животни.
Сатурацията се прилага за отстраняване на примеси от суровия сок, преди от него да се утаят захарни кристали. За тази цел суровият сок се смесва с горещо варно мляко, т.е. суспензия на калциев хидроксид във вода. По време на сатурацията примеси като сулфати, фосфати, цитрат и оксалати се утаяват. Те се утаяват под формата на калциеви соли и по-големи органични молекули, например белтъци, пектини и сапонини. Освен това алкалната стойност на pH превръща простите захари глюкоза и фруктоза, заедно с аминокиселината глутамин, в химически стабилни карбоксилни киселини, които могат да бъдат отстранени по-късно чрез филтриране, тъй като тези молекули биха възпрепятствали кристализацията.
На следващия етап от процеса през алкалния захарен разтвор се пропуска въглероден диоксид под формата на мехурчета, което утаява варта като калциев карбонат. Частиците калциев карбонат свързват някои примеси. Тежките частици се утаяват в резервоара и могат да бъдат отстранени чрез филтриране. След тези етапи на пречистване и почистване се получава т.нар. рядък сок. Редкият сок може да бъде обработен с калцинирана сода за регулиране на стойността на pH, както и със съединение на основата на сяра за намаляване на оцветяването, което може да възникне вследствие на термично разлагане на монозахаридите.
Изпаряването се използва за концентриране на редкия сок чрез многокорпусни изпарителни системи, така че редкият сок се превръща в гъст сок. Гъстият сок съдържа приблизително 60% захароза по маса.
На последния етап гъстият сок се обработва в кристализатори. Чрез добавяне и разтваряне на рециклирана захар се получава т.нар. матерна луга. Матерната луга се концентрира допълнително чрез кипене под вакуум в големи съдове, известни като вакуумапарати, и се добавят много фини захарни кристали като центрове за кристализация. Тези кристали нарастват, докато захарта от матерната луга се отлага около тях. Получената смес от захарни кристали / сироп се нарича масекюит – френски термин, който означава „сварена маса“. Масекюитът се подава в центрофуга, където сиропът „High Green“ се отделя от масекюита чрез центробежна сила. След центрофугирането в центрофугата се впръсква вода за промиване на захарните кристали, при което се получава т.нар. сироп „Low Green“. След това центрофугата се върти с много висока скорост, за да изсуши частично кристалите. Когато центрофугата забави въртенето си, захарта се остъргва от стените ѝ върху транспортна система, която я отвежда в ротационен гранулатор, където се изсушава с топъл въздух. Сухите, чисти захарни кристали са готови за продажба на рафинерии или производители на храни за допълнителна обработка или употреба.