Ultraschallextraktion von Zucker aus Zuckerrübenschnitzeln
Die Ultraschallextraktion erhöht die Ausbeute an extrahierter Saccharose aus Zuckerrübenschnitzeln und verkürzt die Dauer des Extraktionsprozesses erheblich. Die Beschallung ist ein einfaches und sicheres Verfahren, das sich problemlos mit der bestehenden Gegenstromextraktionstechnologie kombinieren lässt, um die Extraktionseffizienz zu verbessern.
Ultraschallextraktion aus Zuckerrübenschnitzeln
Die ultraschallunterstützte Extraktion beruht auf dem Wirkprinzip der akustischen Kavitation beziehungsweise Ultraschallkavitation. Die mechanischen Effekte der ultraschallinduzierten Kavitation bewirken eine Sonoporation und einen Aufschluss der Zellwände, wodurch sich anschließend die Permeabilität der im Zellinneren eingeschlossenen Moleküle erhöht. Kavitationsbedingte Flüssigkeitsströmungen und Mikroturbulenzen verbessern den Stofftransport während des Extraktionsprozesses, sodass Saccharose und andere Moleküle in das Lösungsmittel, also Wasser, übergehen.
Ultraschallgerät UIP4000hdT für die industrielle Zuckerrübenextraktion.
- Ultraschallvorbehandlung (vor dem Gegenstromturm)
- Beschallung während der Gegenstromextraktion
- Ultraschallnachbehandlung (nach dem Gegenstromturm)
Abhängig von der vorhandenen Extraktionsanlage, den Produktionszielen und dem verfügbaren Platz lässt sich die Beschallung problemlos als Vor- oder Nachbehandlung sowie während der Gegenstromextraktion nachrüsten.
Ultraschallvorbehandlung von Zuckerrübenschnitzeln
Die Ultraschallvorbehandlung von Zuckerrübenschnitzeln ist ein Verfahren zur Prozessintensivierung. Ultraschallextraktoren lassen sich problemlos mit Gegenstromextraktionstürmen kombinieren, die vorwiegend für die Zuckerrübenextraktion eingesetzt werden. Eine kurze Beschallung der Zuckerrübenschnitzel vor ihrem Eintritt in das Gegenstromextraktionssystem trägt dazu bei, die Zellwände aufzuschließen und zu öffnen. Die Ultraschallbehandlung fördert den Stofftransport zwischen dem Lösungsmittel (also Wasser) und den Rübenschnitzeln, sodass intrazelluläre Moleküle wie Saccharose aus dem Zellinneren in das Lösungsmittel übergehen. Die Ultraschallvorbehandlung von Zuckerrübenschnitzeln erleichtert und beschleunigt die Saccharoseextraktion in der Gegenstromkolonne.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (200×) von Zuckerrübenschnitzelproben, die bei 400 W und 50°C über unterschiedliche Extraktionszeiten beschallt wurden. A) Gegenstromextraktion der Schnitzel; B) nach ultraschallunterstützter Extraktion (UAE) für 10 min; C) nach UAE für 20 min; D) nach UAE für 40 min. Die Ultraschallextraktion schließt die Zellwände auf und setzt das intrazelluläre Material frei.
(©Fu et al., 2013)
Vergleich von Ultraschallextraktion und Gegenstromextraktion
Fu et al. (2013) verglichen die herkömmliche Gegenstromextraktion mit der Ultraschallextraktion von Saccharose aus Zuckerrübenschnitzeln. Die Studienergebnisse zeigten, dass die Beschallung zu einer höheren Ausbeute bei höherer Reinheit führte, während die Extraktionszeit deutlich von 70 min (Gegenstrom) auf 40 min (Beschallung) verkürzt wurde. Die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) führt zu einer geringeren Konzentration kolloidaler Verunreinigungen (insbesondere von Pektinen) und liefert eine höhere Saccharoseausbeute (94,0±0,15%). Der extrahierte Saft weist eine hohe Reinheit auf (92,6±0,11%). (Vgl. Fu et al., 2013)
Da Zuckerproduktionsanlagen bereits mit herkömmlichen Gegenstromextraktionstürmen ausgestattet sind, wird im Allgemeinen die Kombination einer synergistisch wirkenden Beschallung mit der bestehenden Anlage bevorzugt. Um die ultraschallgestützte Saccharoseextraktion möglichst kosten- und zeiteffizient einzusetzen, kann die Ultraschallextraktion als synergistische Behandlung vor, während oder nach der herkömmlichen Gegenstromextraktion integriert werden. Da die Beschallung die Zuckerrübenzellen aufschließt und die Saccharose aus den Zellen freisetzt, lässt sich die Dauer der Gegenstrombehandlung verkürzen und gleichzeitig die Saccharoseausbeute erhöhen.
- Beschleunigter Prozess
- Höhere Ausbeuten
- Prozessintensivierung
- Synergieeffekte mit Gegenstromsystemen
- Einfache Nachrüstung
- Einfache Erprobung
- Lineare Skalierbarkeit
- Geringer Wartungsaufwand
- Schnelle Amortisation
Hochleistungs-Ultraschallextraktoren
Die Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie zur kommerziellen Herstellung hochwertiger Extrakte eingesetzt, die als Lebensmittel, Nahrungsergänzungsmittel oder Arzneimittel Verwendung finden. Ob Sie die Parameter der Ultraschallbehandlung im Labormaßstab testen und optimieren oder ein vollständig industrielles Ultraschallextraktionssystem für die Inline-Produktion installieren möchten: Hielscher Ultrasonics bietet Ihnen die passende Ausstattung für die Ultraschallextraktion. Ein geringer Platzbedarf und flexible Installationsmöglichkeiten erlauben die Nachrüstung selbst in räumlich beengten Produktionsanlagen.
Prozessstandardisierung mit Hielscher Ultrasonics
Produkte in Lebensmittelqualität sollten gemäß der Guten Herstellungspraxis (GMP) und unter standardisierten Prozessvorgaben hergestellt werden. Die digitalen Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics sind mit einer intelligenten Software ausgestattet, mit der sich der Beschallungsprozess einfach und präzise einstellen und steuern lässt. Die automatische Datenaufzeichnung speichert alle Ultraschallprozessparameter wie Ultraschallenergie (Gesamt- und Nettoenergie), Amplitude, Temperatur und Druck (bei montierten Temperatur- und Drucksensoren) mit Datums- und Zeitstempel auf der integrierten SD-Karte. Dadurch können Sie jede mit Ultraschall behandelte Charge überprüfen. Gleichzeitig werden Reproduzierbarkeit und eine gleichbleibend hohe Produktqualität gewährleistet.
Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb einsetzen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 1 bis 500mL | 10 bis 200mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000 |
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Leistungsstarke Ultraschallhomogenisatoren vom Labormaßstab bis zum Pilotmaßstab und industriellen Maßstab.
Literatur / Quellen
- 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.
Wissenswertes
Zuckerherstellung
Saccharose, auch als Haushaltszucker bekannt, wird hauptsächlich aus Zuckerrohr und Zuckerrüben (Beta vulgaris) hergestellt. Zucker, also Saccharose, wird in einem mehrstufigen Verfahren mit heißem Wasser aus den Rüben extrahiert. Dabei wird roher Zuckersaft durch Heißwasserdiffusion in einem Gegenstromsystem gewonnen. Anschließend wird der Zuckersaft unter Vakuum konzentriert, gefolgt von zyklischem Waschen und abschließendem Trocknen.
Nach der Ernte werden die Rüben zur Zuckerfabrik transportiert, wo sie gewaschen und anschließend maschinell in dünne Streifen, die sogenannten Schnitzel, geschnitten werden. Die Schnitzel werden dem Gegenstromextraktionssystem zugeführt. Das Gegenstromsystem arbeitet nach dem Diffusionsprinzip und laugt den Zucker aus den Schnitzeln in heißes Wasser aus.
Gegenstromdiffusionssysteme sind lange Reaktoren oder mehrere Meter hohe Türme beziehungsweise Kolonnen, in denen sich die Schnitzel in eine Richtung (aufwärts) bewegen, während heißes Wasser in die entgegengesetzte Richtung (abwärts) strömt. Moderne Turmextraktionsanlagen haben eine Verarbeitungskapazität von bis zu 17.000 (siebzehntausend) Tonnen pro Tag. Die typische Verweilzeit der Schnitzel im Gegenstromturm beträgt etwa 90 min, während das Wasser nur 45 min in der Diffusionskolonne verbleibt. Der Hauptvorteil von Gegenstromsystemen ist der geringere Wasserverbrauch im Vergleich zur Mazeration von Zuckerrüben in einem Heißwasserreaktor. Die im Gegenstromdiffusionssystem erzeugte Zuckersaftlösung wird als Rohsaft bezeichnet. Die Farbe des Rohsafts kann je nach Oxidationsgrad zwischen Schwarz und Dunkelrot variieren.
Die ausgelaugten Schnitzel verlassen das Diffusionssystem als Schnitzelmasse mit etwa 95% Feuchtigkeit, jedoch geringem Saccharosegehalt.
Die feuchte Schnitzelmasse wird mit einer Schneckenpresse auf etwa 75% Feuchtigkeit abgepresst, um die darin verbliebene Saccharose zurückzugewinnen.
Die verbleibende Schnitzelmasse wird getrocknet und hauptsächlich als Tierfutter verwendet.
Durch Carbonatation werden Verunreinigungen aus dem Rohsaft entfernt, bevor daraus Zuckerkristalle ausgefällt werden können. Dazu wird der Rohsaft mit heißer Kalkmilch vermischt, also einer Suspension von Calciumhydroxid in Wasser. Während der Carbonatation fallen Verunreinigungen wie Sulfate, Phosphate, Citrat und Oxalate aus. Sie fallen in Form von Calciumsalzen und größeren organischen Molekülen wie Proteinen, Pektinen und Saponinen aus. Darüber hinaus wandelt der alkalische pH-Wert die Einfachzucker Glucose und Fructose sowie die Aminosäure Glutamin in chemisch stabile Carbonsäuren um, die später durch Filtration entfernt werden können, da diese Moleküle die Kristallisation beeinträchtigen würden.
Im folgenden Prozessschritt wird Kohlendioxid durch die alkalische Zuckerlösung geleitet, wodurch der Kalk als Calciumcarbonat ausfällt. Die Calciumcarbonatpartikel binden einen Teil der Verunreinigungen. Die schweren Partikel setzen sich im Tank ab und können durch Filtration entfernt werden. Nach diesen Reinigungs- und Klärungsschritten erhält man den sogenannten Dünnsaft. Der Dünnsaft kann mit Soda zur Einstellung des pH-Werts sowie mit einer schwefelbasierten Verbindung behandelt werden, um die Färbung zu verringern, die durch die thermische Zersetzung von Monosacchariden entstehen kann.
Der Dünnsaft wird in mehrstufigen Verdampfungsanlagen durch Verdampfung konzentriert, sodass er zu Dicksaft wird. Der Dicksaft hat einen Saccharose-Massenanteil von etwa 60%.
Im letzten Schritt wird der Dicksaft in Kristallisatoren behandelt. Durch Zugabe und Auflösen von zurückgeführtem Zucker entsteht eine sogenannte Mutterlauge. Die Mutterlauge wird durch Sieden unter Vakuum in großen Behältern, sogenannten Vakuumkochapparaten, weiter konzentriert, und sehr feine Zuckerkristalle werden als Kristallisationskeime zugesetzt. Diese Kristalle wachsen, indem sich Zucker aus der Mutterlauge um sie herum anlagert. Das entstehende Gemisch aus Zuckerkristallen und Sirup wird als Massecuite bezeichnet, ein französischer Begriff, der „gekochte Masse“ bedeutet. Die Massecuite wird einer Zentrifuge zugeführt, in der der „High Green“-Sirup durch Zentrifugalkraft aus der Massecuite entfernt wird. Nach dem Zentrifugieren wird Wasser in die Zentrifuge gesprüht, um die Zuckerkristalle zu waschen, wodurch ein sogenannter „Low Green“-Sirup entsteht. Anschließend dreht sich die Zentrifuge mit sehr hoher Geschwindigkeit, um die Kristalle teilweise zu trocknen. Wenn die Zentrifuge langsamer wird, wird der Zucker von den Zentrifugenwänden auf ein Fördersystem abgeschabt, das ihn zu einem Rotationsgranulator transportiert, wo er mit Warmluft getrocknet wird. Die trockenen, sauberen Zuckerkristalle können nun zur weiteren Verarbeitung oder Verwendung an Raffinerien oder Lebensmittelhersteller verkauft werden.