Ultrazvučna ekstrakcija šećera iz rezanaca šećerne repe
Ultrazvučna ekstrakcija povećava prinos ekstrahirane saharoze iz rezanaca šećerne repe i znatno skraćuje trajanje procesa ekstrakcije. Ultrazvučna obrada (sonikacija) jednostavna je i sigurna tehnika koja se lako može kombinirati s postojećom tehnologijom protustrujne ekstrakcije radi poboljšanja efikasnosti ekstrakcije.
Ultrazvučna ekstrakcija rezanaca šećerne repe
Ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom zasniva se na principu rada akustične ili ultrazvučne kavitacije. Mehanički efekti koje stvara ultrazvučno izazvana kavitacija uzrokuju sonoporaciju i razgradnju ćelijskih zidova, čime se naknadno povećava permeabilnost molekula zarobljenih u unutrašnjosti ćelije. Strujanje tečnosti i mikroturbulencije uzrokovani kavitacijom poboljšavaju prijenos mase u procesu ekstrakcije, tako da se saharoza i drugi molekuli prenose u otapalo, tj. vodu.
Ultrazvučni uređaj UIP4000hdT za industrijsku ekstrakciju šećerne repe.
- Ultrazvučna prethodna obrada (prije protustrujnog tornja)
- Ultrazvučna obrada tokom protustrujne ekstrakcije
- Ultrazvučna naknadna obrada (nakon protustrujnog tornja)
Ovisno o postojećem postrojenju za ekstrakciju, proizvodnim ciljevima i raspoloživom prostoru, ultrazvučna obrada se može jednostavno naknadno ugraditi kao prethodna ili naknadna obrada, kao i tokom protustrujne ekstrakcije.
Ultrazvučna prethodna obrada rezanaca šećerne repe
Ultrazvučna prethodna obrada rezanaca šećerne repe tehnika je intenziviranja procesa. Ultrazvučni ekstraktori mogu se lako kombinirati s protustrujnim ekstrakcijskim tornjevima, koji se uglavnom koriste za ekstrakciju šećerne repe. Kratka ultrazvučna obrada rezanaca šećerne repe prije njihovog ulaska u protustrujni sistem za ekstrakciju pomaže da se ćelijski zidovi razgrade i otvore. Ultrazvučna obrada potiče prijenos mase između otapala (tj. vode) i rezanaca repe, tako da se unutarćelijski molekuli poput saharoze prenose iz unutrašnjosti ćelije u otapalo. Ultrazvučna prethodna obrada rezanaca šećerne repe olakšava i ubrzava ekstrakciju saharoze u protustrujnoj koloni.
SEM (200×) uzoraka rezanaca šećerne repe podvrgnutih ultrazvučnoj obradi pri 400 W i 50°C tokom različitog vremena ekstrakcije. A) protustrujna ekstrakcija rezanaca; B) nakon UAE tokom 10 min; C) nakon UAE tokom 20 min; D) nakon UAE tokom 40 min. Ultrazvučna ekstrakcija razgrađuje ćelijske zidove i oslobađa unutarćelijski materijal.
(©Fu et al., 2013)
Usporedba ultrazvučne i protustrujne ekstrakcije
Fu et al. (2013) uporedili su tradicionalnu protustrujnu ekstrakciju s ultrazvučnom ekstrakcijom saharoze iz rezanaca šećerne repe. Rezultati studije pokazali su da je ultrazvučna obrada dala veći prinos više čistoće, dok je vrijeme ekstrakcije znatno skraćeno sa 70 min. (protustrujna) na 40 min. (ultrazvučna obrada). Ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija (UAE) rezultira nižom koncentracijom koloidnih nečistoća (posebno pektina) i daje veći prinos saharoze (94,0±0,15%). Ekstrahirani sok visoke čistoće (92,6±0,11%). (usp. Fu et al., 2013)
Budući da su postrojenja za proizvodnju šećera već opremljena konvencionalnim protustrujnim ekstrakcijskim tornjevima, kombinacija sinergijske ultrazvučne obrade s postojećom instalacijom općenito je poželjna. Da bi se ultrazvučna ekstrakcija saharoze primijenila na najisplativiji i vremenski najefikasniji način, ultrazvučna ekstrakcija može se ugraditi kao sinergijski tretman prije, tokom ili nakon konvencionalne protustrujne ekstrakcije. Kako ultrazvučna obrada razgrađuje ćelije šećerne repe i oslobađa saharozu iz ćelija, trajanje protustrujnog tretmana može se skratiti, dok se prinos saharoze povećava.
- Ubrzan proces
- Veći prinosi
- Intenziviranje procesa
- Sinergijski efekti s protustrujnim sistemima
- Jednostavna naknadna ugradnja
- Jednostavno testiranje
- Linearna skalabilnost
- Nizak nivo održavanja
- Brz povrat investicije
Visokoučinkoviti ultrazvučni ekstraktori
Sistemi za ekstrakciju kompanije Hielscher Ultrasonics koriste se širom svijeta u prehrambenoj i farmaceutskoj industriji za komercijalnu proizvodnju visokokvalitetnih ekstrakata koji se koriste kao prehrambeni proizvodi, dodaci prehrani ili farmaceutski proizvodi. Bilo da želite testirati i optimizirati parametre ultrazvučne obrade na laboratorijskom nivou ili instalirati potpuno industrijski ultrazvučni sistem za ekstrakciju za inline proizvodnju, Hielscher Ultrasonics ima odgovarajuću postavku za ultrazvučnu ekstrakciju za vas. Mala površina postavljanja i fleksibilne mogućnosti instalacije omogućavaju naknadnu ugradnju čak i u skučenom proizvodnom pogonu.
Standardizacija procesa uz Hielscher Ultrasonics
Proizvodi namijenjeni prehrambenoj industriji trebaju se proizvoditi u skladu s dobrom proizvođačkom praksom (GMP) i prema standardiziranim procesnim specifikacijama. Digitalni sistemi za ekstrakciju kompanije Hielscher Ultrasonics dolaze s inteligentnim softverom koji omogućava jednostavno i precizno podešavanje i kontrolu procesa ultrazvučne obrade. Automatsko bilježenje podataka upisuje sve parametre ultrazvučnog procesa, kao što su ultrazvučna energija (ukupna i neto energija), amplituda, temperatura i pritisak (kada su ugrađeni senzori temperature i pritiska), s datumom i vremenskom oznakom na ugrađenu SD karticu. To vam omogućava da naknadno pregledate svaku ultrazvučno obrađenu seriju. Istovremeno su osigurani ponovljivost i stalno visok kvalitet proizvoda.
Industrijski ultrazvučni procesori kompanije Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost ultrazvučne opreme kompanije Hielscher omogućava rad 24/7 pri velikom opterećenju i u zahtjevnim okruženjima.
Tabela u nastavku daje vam orijentacijski prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni homogenizatori velike snage od laboratorijskog do pilot i industrijskog nivoa.
Literatura / Reference
- 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.
Zanimljivosti vrijedne znanja
Proizvodnja šećera
Saharoza, poznata i kao stolni šećer, uglavnom se proizvodi od šećerne trske i šećerne repe (Beta vulgaris). Šećer, tj. saharoza, ekstrahira se iz repe pomoću vruće vode u višestepenom procesu, pri čemu se sirovi šećerni sok ekstrahira vrućom vodenom difuzijom u protustrujnom sistemu. Nakon toga se šećerni sok koncentrira pod vakuumom, nakon čega slijede ciklično pranje i na kraju sušenje.
Nakon žetve korijeni repe se transportuju u pogon za preradu šećera, gdje se repa pere i zatim mehanički reže na tanke trake, takozvane rezance. Rezanci se dovode u sistem za protustrujnu ekstrakciju. Protustrujni sistem radi na principu difuzije i ispire sadržaj šećera iz rezanaca u vruću vodu.
Protustrujni difuzijski sistemi su dugi reaktori ili visoki tornjevi / kolone visoke nekoliko metara u kojima rezanci teku u jednom smjeru (prema gore), dok vruća voda teče u suprotnom smjeru (nizvodno). Moderna tornjevska postrojenja za ekstrakciju imaju kapacitet obrade do 17.000 metričkih tona dnevno. Tipično vrijeme zadržavanja rezanaca u protustrujnom tornju iznosi približno 90 min., dok voda u koloni difuzera ostaje samo 45 min. Glavna prednost protustrujnih sistema je smanjena potrošnja vode u poređenju s maceracijom šećerne repe u reaktoru s vrućom vodom. Otopina šećernog soka koja nastaje u protustrujnom difuzijskom sistemu naziva se sirovi sok. Boja sirovog soka može varirati od crne do tamnocrvene, ovisno o stepenu oksidacije.
Istrošeni rezanci napuštaju difuzijski sistem kao rezanac (pulpa) s približno 95% vlage, ali niskim sadržajem saharoze.
Vlažna pulpa se prešom s pužnim vijkom presuje na približno 75% vlage kako bi se iz pulpe izdvojila preostala saharoza.
Preostala pulpa se suši i uglavnom koristi kao stočna hrana.
Karbonatacija se primjenjuje za uklanjanje nečistoća iz sirovog soka prije nego što se on može istaložiti u kristale šećera. Zbog toga se sirovi sok miješa s vrućim vapnenim mlijekom, tj. suspenzijom kalcijevog hidroksida u vodi. Tokom karbonatacije talože se nečistoće kao što su sulfati, fosfati, citrat i oksalati. Talože se u obliku kalcijevih soli i većih organskih molekula, npr. proteina, pektina i saponina. Osim toga, alkalna pH vrijednost pretvara jednostavne šećere glukozu i fruktozu, zajedno s aminokiselinom glutaminom, u kemijski stabilne karboksilne kiseline, koje se kasnije mogu ukloniti filtracijom, jer bi ti molekuli ometali kristalizaciju.
U sljedećem koraku procesa ugljični dioksid se uvodi u obliku mjehurića kroz alkalnu otopinu šećera, pri čemu se vapno taloži kao kalcijev karbonat. Čestice kalcijevog karbonata vežu dio nečistoća. Teške čestice se talože u spremniku i mogu se ukloniti filtracijom. Nakon ovih koraka pročišćavanja i čišćenja dobiva se takozvani tanki sok. Tanki sok može se tretirati sodom (natrijevim karbonatom) radi podešavanja pH vrijednosti, kao i spojem na bazi sumpora radi smanjenja obojenja, koje može nastati zbog termičke razgradnje monosaharida.
Isparavanje se koristi za koncentriranje tankog soka pomoću višestepenih isparivačkih sistema, tako da se tanki sok pretvara u gusti sok. Gusti sok ima približno 60% saharoze po težini.
U završnom koraku gusti sok se tretira u kristalizatorima. Dodavanjem i otapanjem recikliranog šećera nastaje takozvana matična otopina. Matična otopina se dalje koncentrira ključanjem pod vakuumom u velikim posudama, poznatim kao vakuum-aparati, a vrlo fini kristali šećera dodaju se kao zametci. Ovi kristali rastu kako se oko njih formira šećer iz matične otopine. Dobivena mješavina kristala šećera / sirupa naziva se masekit, francuski izraz koji znači „kuhana masa“. Masekit se dovodi u centrifugu, u kojoj se centrifugalnom silom iz masekita uklanja „High Green syrup“. Nakon centrifugiranja u centrifugu se zatim prska voda radi pranja kristala šećera, čime nastaje takozvani „Low Green syrup“. Centrifuga se zatim vrti vrlo velikim brzinama radi djelomičnog sušenja kristala. Kada se centrifuga uspori, šećer se sa zidova centrifuge struže na transportni sistem koji šećer prenosi u rotacijski granulator, gdje se suši toplim zrakom. Suhi, čisti kristali šećera spremni su za prodaju rafinerijama ili proizvođačima hrane radi daljnje prerade ili upotrebe.