Ultrazvuková extrakce cukru z řízků cukrové řepy
Ultrazvuková extrakce zvyšuje výtěžek extrahované sacharózy z řízků cukrové řepy a výrazně zkracuje dobu extrakčního procesu. Sonikace je jednoduchá a bezpečná technika, kterou lze snadno kombinovat se stávající technologií protiproudé extrakce, a zlepšit tak účinnost extrakce.
Ultrazvuková extrakce řízků cukrové řepy
Ultrazvukem asistovaná extrakce je založena na principu akustické neboli ultrazvukové kavitace. Mechanické účinky vyvolané ultrazvukem indukovanou kavitací způsobují sonoporaci a narušení buněčných stěn, což následně zvyšuje permeabilitu molekul uzavřených uvnitř buněk. Proudění kapaliny a mikroturbulence vyvolané kavitací zlepšují přenos hmoty v extrakčním procesu, takže sacharóza a další molekuly přecházejí do rozpouštědla, tj. vody.
Sonikátor UIP4000hdT pro průmyslovou extrakci cukrové řepy.
- Ultrazvuková předúprava (před protiproudou věží)
- Sonikace během protiproudé extrakce
- Ultrazvuková následná úprava (za protiproudou věží)
V závislosti na stávajícím extrakčním zařízení, výrobních cílech a dostupném prostoru lze sonikaci snadno dodatečně instalovat jako předúpravu nebo následnou úpravu, stejně jako pro použití během protiproudé extrakce.
Ultrazvuková předúprava řízků cukrové řepy
Ultrazvuková předúprava řízků cukrové řepy je technika intenzifikace procesu. Ultrazvukové extraktory lze snadno kombinovat s protiproudými extrakčními věžemi, které se používají především k extrakci cukrové řepy. Krátká sonikace řízků cukrové řepy předtím, než vstoupí do protiproudého extrakčního systému, pomáhá narušit a otevřít buněčné stěny. Ultrazvuková sonikace podporuje přenos hmoty mezi rozpouštědlem (tj. vodou) a řepnými řízky, takže intracelulární molekuly, jako je sacharóza, přecházejí z vnitřku buněk do rozpouštědla. Ultrazvuková předúprava řízků cukrové řepy usnadňuje a urychluje extrakci sacharózy v protiproudé koloně.
Snímky SEM (200×) vzorků řízků cukrové řepy sonikovaných při 400 W a 50°C po různou dobu extrakce. A) protiproudá extrakce řízků; B) po UAE po dobu 10 min; C) po UAE po dobu 20 min; D) po UAE po dobu 40 min. Ultrazvuková extrakce narušuje buněčné stěny a uvolňuje intracelulární materiál.
(©Fu et al., 2013)
Srovnání ultrazvukové a protiproudé extrakce
Fu et al. (2013) porovnali tradiční protiproudou extrakci s ultrazvukovou extrakcí sacharózy z řízků cukrové řepy. Výsledky studie ukázaly, že sonikace vedla k vyššímu výtěžku vynikající čistoty, přičemž doba extrakce se výrazně zkrátila ze 70 min. (protiproudá extrakce) na 40 min. (sonikace). Ultrazvukem asistovaná extrakce (UAE) vede k nižší koncentraci koloidních nečistot (zejména pektinů) a poskytuje vyšší výtěžek sacharózy (94,0±0,15%). Extrahovaná šťáva měla vysokou čistotu (92,6±0,11%). (srov. Fu et al., 2013)
Vzhledem k tomu, že zařízení na výrobu cukru jsou již vybavena konvenčními protiproudými extrakčními věžemi, obecně se upřednostňuje kombinace synergické sonikace se stávající instalací. Aby bylo možné ultrazvukovou extrakci sacharózy využít co nejefektivněji z hlediska nákladů i času, lze ultrazvukovou extrakci instalovat jako synergické ošetření před konvenční protiproudou extrakcí, během ní nebo po ní. Jelikož sonikace narušuje buňky cukrové řepy a uvolňuje z nich sacharózu, lze zkrátit dobu protiproudého zpracování a současně zvýšit výtěžek sacharózy.
- Zrychlený proces
- Vyšší výtěžky
- Intenzifikace procesu
- Synergické účinky s protiproudými systémy
- Snadná dodatečná instalace
- Jednoduché testování
- Lineární škálovatelnost
- Nízké nároky na údržbu
- Rychlá návratnost investic (RoI)
Vysoce výkonné ultrazvukové extraktory
Extrakční systémy Hielscher Ultrasonics se po celém světě používají v potravinářství a farmacii pro komerční výrobu vysoce kvalitních extraktů, které slouží jako potraviny, doplňky stravy nebo léčiva. Ať už chcete testovat a optimalizovat parametry ultrazvukového zpracování na úrovni stolních přístrojů, nebo instalovat plně průmyslový ultrazvukový extrakční systém pro inline výrobu, Hielscher Ultrasonics pro vás má vhodnou ultrazvukovou extrakční sestavu. Malé zastavěné rozměry a flexibilní možnosti instalace umožňují dodatečnou instalaci i ve stísněném zpracovatelském provozu.
Standardizace procesu s Hielscher Ultrasonics
Produkty potravinářské kvality by měly být vyráběny v souladu se správnou výrobní praxí (GMP) a podle standardizovaných specifikací zpracování. Digitální extrakční systémy Hielscher Ultrasonics jsou vybaveny inteligentním softwarem, který usnadňuje přesné nastavení a řízení procesu sonikace. Automatický záznam dat zapisuje všechny parametry ultrazvukového procesu, jako je ultrazvuková energie (celková a čistá energie), amplituda, teplota a tlak (pokud jsou namontována čidla teploty a tlaku), s časovým razítkem (datum a čas) na vestavěnou SD kartu. To vám umožňuje zpětně zkontrolovat každou ultrazvukem zpracovanou šarži. Současně je zajištěna reprodukovatelnost a trvale vysoká kvalita produktu.
Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200µm lze snadno provozovat nepřetržitě v režimu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při vysoké zátěži a v náročných prostředích.
Níže uvedená tabulka uvádí orientační přibližnou kapacitu zpracování našich sonikátorů:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | větší | klastr UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratorního přes pilotní až po průmyslové měřítko.
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.
Fakta, která stojí za to znát
Výroba cukru
Sacharóza, známá také jako stolní cukr, se vyrábí převážně z cukrové třtiny a z cukrové řepy (Beta vulgaris). Cukr, tj. sacharóza, se z řepy extrahuje horkou vodou ve vícestupňovém procesu, při kterém se surová cukerná šťáva získává difuzí v horké vodě v protiproudém systému. Poté se cukerná šťáva zahušťuje za vakua, následuje cyklické promývání a nakonec sušení.
Po sklizni se řepné bulvy přepravují do cukrovaru, kde se řepa umyje a poté mechanicky nakrájí na tenké proužky, tzv. řízky. Řízky se přivádějí do protiproudého extrakčního systému. Protiproudý systém pracuje na principu difuze a vyluhuje obsah cukru z řízků do horké vody.
Protiproudé difuzní systémy jsou dlouhé reaktory nebo vysoké věže / kolony o rozměru několika metrů, v nichž řízky proudí jedním směrem (vzhůru), zatímco horká voda proudí opačným směrem (po proudu). Moderní věžové extrakční závody mají zpracovatelskou kapacitu až 17 000 metrických tun za den. Typická doba zdržení řízků v protiproudé věži je cca 90 min., zatímco voda zůstává v difuzní koloně pouze 45 min. Hlavní výhodou protiproudých systémů je snížená spotřeba vody ve srovnání s macerací cukrové řepy v horkovodním reaktoru. Roztok cukerné šťávy vznikající v protiproudém difuzním systému se nazývá surová šťáva. Barva surové šťávy se může pohybovat od černé po tmavě červenou v závislosti na stupni její oxidace.
Vyslazené řízky opouštějí difuzní systém jako pulpa s vlhkostí cca 95%, avšak s nízkým obsahem sacharózy.
Vlhká pulpa se lisuje šnekovým lisem na vlhkost cca 75%, aby se z ní získala zbývající sacharóza.
Zbývající pulpa se suší a používá se převážně jako krmivo pro zvířata.
Karbonatace se používá k odstranění nečistot ze surové šťávy předtím, než ji lze vysrážet na krystaly cukru. Za tímto účelem se surová šťáva mísí s horkým vápenným mlékem, tj. suspenzí hydroxidu vápenatého ve vodě. Během karbonatace se vysrážejí nečistoty, jako jsou sírany, fosforečnany, citrát a šťavelany. Srážejí se ve formě vápenatých solí a větších organických molekul, např. proteinů, pektinů a saponinů. Alkalická hodnota pH navíc převádí jednoduché cukry glukózu a fruktózu spolu s aminokyselinou glutaminem na chemicky stabilní karboxylové kyseliny, které lze později odstranit filtrací, protože by tyto molekuly narušovaly krystalizaci.
V následném kroku procesu se alkalickým cukerným roztokem probublává oxid uhličitý, čímž se vápno vysráží jako uhličitan vápenatý. Částice uhličitanu vápenatého vážou část nečistot. Těžké částice se usazují v nádrži a lze je odstranit filtrací. Po těchto purifikačních a čisticích krocích se získá tzv. lehká šťáva. Lehká šťáva může být ošetřena kalcinovanou sodou k úpravě hodnoty pH a také sloučeninou na bázi síry ke snížení zabarvení, ke kterému může docházet v důsledku tepelného rozkladu monosacharidů.
K zahuštění lehké šťávy se používá odpařování ve vícečlenných odparkách, takže se lehká šťáva mění na těžkou šťávu. Těžká šťáva obsahuje cca 60% hmotnostních sacharózy.
V posledním kroku se těžká šťáva zpracovává v krystalizátorech. Přidáním a rozpuštěním recyklovaného cukru vzniká tzv. matečný louh. Matečný louh se dále zahušťuje varem za vakua ve velkých nádobách, známých jako vakuové varostroje, a jako krystalizační zárodky se přidávají velmi jemné krystalky cukru. Tyto krystaly rostou, jak se kolem nich z matečného louhu vytváří cukr. Výsledná směs cukerných krystalů a sirupu se nazývá massecuite, což je francouzský termín znamenající „vařená hmota“. Massecuite se přivádí do odstředivky, kde se z ní odstředivou silou odděluje sirup „High Green“. Po odstředění se do odstředivky stříká voda k promytí cukerných krystalů, čímž vzniká tzv. sirup „Low Green“. Odstředivka se pak otáčí velmi vysokými otáčkami, aby krystaly částečně vysušila. Když odstředivka zpomalí, cukr se seškrábe ze stěn odstředivky na dopravníkový systém, který jej přepraví do rotačního granulátoru, kde se suší teplým vzduchem. Suché, čisté krystaly cukru jsou připraveny k prodeji rafineriím nebo výrobcům potravin k dalšímu zpracování či použití.