Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschall-Extraktion von Zucker aus Zuckerrübenschnitzeln

Die Ultraschallextraktion steigert die Ausbeute an extrahierter Saccharose aus Zuckerrübenschnitzeln und verkürzt die Dauer des Extraktionsprozesses erheblich. Die Ultraschall-Extraktion ist eine einfache und sichere Technik, die leicht mit der aktuellen Gegenstrom-Extraktionstechnologie kombiniert werden kann, um die Extraktionseffizienz zu verbessern.

Ultraschall-Extraktion aus Zuckerrübenschnitzeln

Die Produktion von Saccharose, auch als Tafelzucker bekannt, kann durch Ultraschallextraktion intensiviert werdenDie ultraschall-gestützte Extraktion basiert auf dem Wirkprinzip der akustischen Kavitation bzw. Ultraschallkavitation. Die mechanischen Effekte, welche durch die ultraschall-induzierte Kavitation erzeugt werden, führen zur Perforation (Sonoporation) und Aufbrechen der Zellwände, wodurch im Zellinneren eingeschlossenen Moleküle aus den Zellen herausgelöst werden. Kavitationsbedingte Flüssigkeitsströmungen und Mikroturbulenzen verbessern den Stofftransport des Extraktionsprozesses, so dass Saccharose und andere Moleküle in das Lösungsmittel, d.h. Wasser, überführt werden.

Die Ultraschall-Extraktion kann während verschiedener Stufen der Saccharose-Extraktion implementiert werden:

  • Ultraschall-Vorbehandlung (vor dem Gegenstromturm)
  • Beschallung während der Gegenstromextraktion
  • Ultraschall-Nachbehandlung (hinter dem Gegenstromturm)

Unter Berücksichtigung der bereits vorhandenen Extraktionsanlage, der Produktionsziele und des verfügbaren Platzes kann der Ultraschall problemlos als synergetische Technologie als Vor- oder Nachbehandlung sowie als kombiniertes Verfahren während der Gegenstromextraktion nachgerüstet werden.

Ultraschall-Vorbehandlung von Zuckerrübenschnitzeln

Die Ultraschall-Vorbehandlung von Zuckerrübenschnitzeln ist eine prozessintensivierende Technik. Ultraschall-Extraktoren können problemlos mit Gegenstrom-Diffusions-Extraktionstürmen, der gängigen Technologie in der Zuckerrübenextraktion, kombiniert werden. Eine kurze Beschallung der Zuckerrübenschnitzel vor dem Eintritt in die Gegenstromextraktionsanlage hilft, die Zellwände aufzubrechen. Die Beschallung fördert den Stoffaustausch zwischen dem Lösungsmittel (d.h. Wasser) und den Rübenschnitzeln, so dass die intrazellulären Moleküle wie z.B. Saccharose aus dem Zellinneren in das Lösungsmittel überführt werden. Die Ultraschallvorbehandlung von Zuckerrübenschnitzeln erleichtert und beschleunigt die Saccharoseextraktion in der Gegenstromkolonne.

Effekte der Ultraschall-Extraktion auf Zuckerrübenschnitzel.

SEM (200×) von Zuckerrübenschnitzelproben, die bei 400W und 50°C unterschiedlich lang beschallt wurden. A) im Gegenstrom-Extraktion (ohne Ultraschall); B) nach Ultraschall für 10 min; C) nach Ultraschall für 20 min; D) nach Ultraschall für 40 min. Die Ultraschallextraktion bricht die Zellwände auf und setzt das intrazelluläre Material frei.
Bildquelle: Fu et al., 2013

Ultraschallprozessor UIP4000hdT

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Vergleich Ultraschall vs. Gegenstromextraktion

Fu et al. (2013) verglichen die traditionelle Gegenstromextraktion mit der Ultraschallextraktion von Saccharose aus Zuckerrübenschnitzeln. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass die Ultraschall-Extraktion zu einer höheren Ausbeute mit einem überlegenen Reinheitsgrad führte, während die Extraktionszeit von 70 Minuten (Gegenstrom) auf 40 min. (Ultraschall) signifikant verkürzt wurde. Die ultraschall-gestützte Extraktion (Ultrasonically Assisted Extraction = UAE) führt zu einer geringeren Konzentration an kolloidalen Verunreinigungen (insbesondere Pektine) und ergibt eine höhere Ausbeute an Saccharose (94,0±0,15%). Der extrahierte Saft ist von hoher Reinheit (92,6±0,11%). (vgl. Fu et al., 2013).
Da Zuckerproduktionsanlagen bereits mit konventionellen Gegenstrom-Extraktionstürmen ausgestattet sind, wird die Kombination der synergistischen Beschallung mit der bestehenden Anlage generell favorisiert. Um die Ultraschall-Saccharoseextraktion möglichst kosten- und zeiteffizient durchzuführen, kann die Ultraschall-Extraktion als synergistische Behandlung vor, während oder nach der konventionellen Gegenstromextraktion installiert werden. Da durch die Beschallung die Zuckerrübenzellen aufgeschlossen werden und die Saccharose aus den Zellen freigesetzt wird, kann die Dauer der Gegenstrombehandlung verkürzt werden, während die Saccharoseausbeute erhöht wird.

Vorteile der Ultraschall-gestützten Zucker-Extraktion

  • Beschleunigter Prozess
  • Höhere Erträge
  • Prozessintensivierung
  • Synergieeffekte mit Gegenstromsystemen
  • Einfache Nachrüstung
  • Risikofreies Testen
  • Lineare Skalierbarkeit
  • Geringer Wartungsaufwand
  • schneller ROI

Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren

Die Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie zur kommerziellen Herstellung von hochwertigen Extrakten eingesetzt, welche als Lebensmittel, Nahrungsergänzungsmittel oder Arzneimittel verwendet werden. Egal ob Sie Ultraschallprozessparameter im Technikum testen und optimieren wollen oder eine voll-industrielle Ultraschall-Extraktionsanlage für die Inline-Produktion integrieren wollen, Hielscher Ultrasonics hat das passende Ultraschall-Extractionssystem für Sie. Geringer Platzbedarf und flexible Installationsmöglichkeiten erlauben die Nachrüstung auch in beengten Zuckerproduktionswerken.

Prozess-Standardisierung mit Hielscher Ultrasconics

Produkte in Lebensmittelqualität sollten nach den Richtlinien der Good Manufacturing Practices (GMP) und unter standardisierten Verarbeitungsspezifikationen hergestellt werden. Die digitalen Extraktionssysteme von Hielscher Ultrasonics sind mit einer intelligenten Software ausgestattet, welche eine präzise Einstellung und Steuerung des Beschallungsprozesses ermöglicht. Die automatische Datenaufzeichnung schreibt alle Ultraschall-Prozessparameter wie Ultraschallenergie (Gesamt- und Nettoenergie), Amplitude, Temperatur, Druck (wenn Temperatur- und Drucksensoren montiert sind) mit Datum und Zeitstempel auf die integrierte SD-Karte. Dies erlaubt Ihnen, jede mit Ultraschall verarbeitete Charge zu kontrollieren. Gleichzeitig wird die Reproduzierbarkeit und eine gleichbleibend hohe Produktqualität gewährleistet.
Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7 Betrieb kontinuierlich gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich. Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
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. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für die Dispersion, Emulgierung und Zellenextraktion her.

Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren von Labor bis Pilot- und industrielle Maßstab.

Literatur / Literaturhinweise



Wissenswertes

Zuckerproduktion

Zuckerrüben sind der Ausgangsstoff für die Saccharoseproduktion (Tafelzucker). Die Ultraschallextraktion erhöht die Zuckerausbeute und beschleunigt die Extraktionszeit erheblich. Insgesamt führt die Ultraschall-Zuckerrübenschnitzel-Extraktion zu einer höheren Extraktionseffizienz. Saccharose, auch als Tafelzucker bekannt, wird hauptsächlich aus Zuckerrohr und Zuckerrüben (Beta vulgaris) hergestellt. Zucker, d.h. Saccharose, wird aus Rüben unter Verwendung von heißem Wasser in einem mehrstufigen Verfahren extrahiert, bei dem Rohzuckersaft mittels Heißwasserdiffusion in einem Gegenstromverfahren gewonnen wird. Danach wird der Zuckersaft unter Vakuum konzentriert, anschließend mehrmals gewaschen und schließlich getrocknet.

Nach der Ernte werden die Zuckerrüben zur Zuckerfabrik transportiert, wo die Rüben gewaschen und dann mechanisch in dünne Streifen, die so genannten Schnitzel, geschnitten werden. Nach dem Reinigungsschritt werden die Zuckerrübenschnitzel in eine Gegenstrom-Extraktionsanlage gepumpt. Die Gegenstromanlage arbeitet nach dem Wirkprinzip der Diffusion und löst den Zuckergehalt in heißem Wasser aus den Rübenschnitzeln aus.
Bei den Gegenstrom-Diffusionssystemen handelt es sich um lange Reaktoren bzw. hohe Türme von mehreren Metern, in denen die Zuckerrübenschnitzel in eine Richtung (nach oben) fließen, während heißes Wasser in die entgegengesetzte Richtung (nach unten) fließt. Moderne Turmextraktionsanlagen haben eine Verarbeitungskapazität von bis zu 17.000 Tonnen pro Tag. Die typische Verweilzeit der Rübenschnitzel im Gegenstromturm beträgt ca. 90 min. Der Hauptvorteil von Gegenstromanlagen ist der geringere Wasserverbrauch im Vergleich zur Zuckerrübenmazeration in einem Heißwasserreaktor. Die Zuckersaftlösung, die im Gegenstrom-Diffusionssystem erzeugt wird, wird als Rohsaft bezeichnet. Die Farbe des Rohsaftes kann je nach Oxidationsstufe von schwarz bis dunkelrot variieren.
Die verbrauchten Schnitzel verlassen das Diffusionssystem als Pulpe mit ca. 95% Feuchtigkeit, aber einem niedrigen Saccharosegehalt.
Der feuchte Brei wird mit einer Schneckenpresse auf ca. 75% Feuchtigkeitsgehalt gepresst, um die restliche Saccharose aus dem Brei zu gewinnen.
Die verbleibende Pulpe wird getrocknet und meist als Tierfutter verwendet.
Die Karbonatisierung ist ein Prozessschritt, der angewandt wird, um Verunreinigungen aus dem Rohsaft zu entfernen, bevor die Zuckerkristallen ausgefällt werden können. Dazu wird der Rohsaft mit heißer Kalkmilch, d.h. einer Suspension von Calciumhydroxid in Wasser, vermischt. Während der Karbonatisierung fallen Verunreinigungen wie Sulfate, Phosphate, Citrat und Oxalate aus. Sie fallen in Form von Calciumsalzen und größeren organischen Molekülen aus, z.B. Proteine, Pektine und Saponine. Zusätzlich wandelt der alkalische pH-Wert die Einfachzucker Glukose und Fruktose zusammen mit der Aminosäure Glutamin in chemisch stabile Carbonsäuren um, welche später durch Filtration entfernt werden, da diese Moleküle die Kristallisation stören würden.
Im darauf folgenden Verfahrensschritt wird Kohlendioxid durch die alkalische Zuckerlösung geperlt, wodurch der Kalk als Kalziumkarbonat ausfällt. Die Kalziumkarbonatpartikel binden einige Verunreinigungen. Die schweren Partikel setzen sich im Tank ab und können durch Filtration entfernt werden. Nach diesen Reinigungs- und Aufbereitungsschritten erhält man den sogenannten Dünnsaft. Der Dünnsaft kann mit Sodaasche zur Einstellung des pH-Wertes sowie mit einer Schwefel-Verbindung behandelt werden, um die Färbung zu reduzieren, die durch die thermische Zersetzung von Monosacchariden entstehen kann.
Der Dünnsaft wird dann durch mehrstufige Verdampfungssysteme aufkonzentriert, so dass der Dünnsaft zu einem Dicksaft wird. Der Dicksaft enthält ca. 60 Gew.-% Saccharose.
Im letzten Schritt wird der Dicksaft in Kristallisatoren verarbeitet. Durch die Zugabe und das Lösen von recyceltem Zucker wird eine so genannte Mutterlauge hergestellt. Die Mutterlauge wird durch Kochen unter Vakuum in großen Behältern, den sogenannten Vakuumpfannen, weiter aufkonzentriert, und es werden sehr feine Zuckerkristalle als Impfpunkte hinzugefügt. Diese Kristalle wachsen, wenn sich Zucker aus der Mutterlauge um sie herum bildet. Die resultierende Zuckerkristall/Sirup-Mischung wird als Massecuit bezeichnet, ein französischer Begriff, der übersetzt „gekochte Masse“bedeutet. Das Massecuite wird zentrifugiert, wobei der "High Green Sirup" durch die Zentrifugalkraft von dem Massecuite abgetrennt wird. Nach der Zentrifugierung wird dann Wasser in die Zentrifuge gesprüht, um die Zuckerkristalle zu waschen, wodurch ein sogenannter "Low Green Sirup" entsteht. Die Zentrifuge dreht sich dann mit sehr hohen Geschwindigkeiten, um die Kristalle teilweise zu trocknen. Wenn die Zentrifuge langsamer wird, wird der Zucker von den Wänden der Zentrifuge auf ein Fördersystem geschabt, um den Zucker in einen Rotationsgranulator zu transportieren, wo er durch Warmluft getrocknet wird. Die trockenen, sauberen Zuckerkristalle sind dann fertig, um an Raffinerien oder Lebensmittelhersteller zur weiteren Verarbeitung verkauft zu werden.