Εκχύλιση ζάχαρης από ταινίδια ζαχαρότευτλων με υπερήχους
Η εκχύλιση με υπερήχους αυξάνει την απόδοση της εκχυλιζόμενης σακχαρόζης από ταινίδια ζαχαρότευτλων και μειώνει σημαντικά τη διάρκεια της διαδικασίας εκχύλισης. Η κατεργασία με υπερήχους είναι μια απλή και ασφαλής τεχνική, η οποία μπορεί εύκολα να συνδυαστεί με την υφιστάμενη τεχνολογία εκχύλισης με ροή κατ’ αντιρροή, προκειμένου να βελτιωθεί η αποδοτικότητα της εκχύλισης.
Εκχύλιση ταινιδίων ζαχαρότευτλων με υπερήχους
Η εκχύλιση με τη βοήθεια υπερήχων βασίζεται στην αρχή λειτουργίας της ακουστικής σπηλαίωσης ή σπηλαίωσης υπερήχων. Οι μηχανικές επιδράσεις που δημιουργούνται από τη σπηλαίωση η οποία προκαλείται από υπερήχους επιφέρουν τον σχηματισμό πόρων μέσω υπερήχων και τη διάρρηξη των κυτταρικών τοιχωμάτων, γεγονός που στη συνέχεια αυξάνει τη διαπερατότητα των μορίων που είναι παγιδευμένα στο εσωτερικό των κυττάρων. Η ροή του υγρού και οι μικροστροβιλισμοί που προκαλούνται από τη σπηλαίωση βελτιώνουν τη μεταφορά μάζας κατά τη διαδικασία εκχύλισης, ώστε η σακχαρόζη και άλλα μόρια να μεταφέρονται στον διαλύτη, δηλαδή στο νερό.
Συσκευή υπερήχων UIP4000hdT για τη βιομηχανική εκχύλιση ζαχαρότευτλων.
- Προκατεργασία με υπερήχους (πριν από τον πύργο αντιρροής)
- Κατεργασία με υπερήχους κατά την εκχύλιση κατ’ αντιρροή
- Μετεπεξεργασία με υπερήχους (μετά τον πύργο αντιρροής)
Ανάλογα με την υφιστάμενη εγκατάσταση εκχύλισης, τους στόχους παραγωγής και τον διαθέσιμο χώρο, η κατεργασία με υπερήχους μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί εκ των υστέρων ως προκατεργασία ή μετεπεξεργασία, καθώς και κατά την εκχύλιση με ροή κατ’ αντιρροή.
Προκατεργασία ταινιδίων ζαχαρότευτλων με υπερήχους
Η προκατεργασία ταινιδίων ζαχαρότευτλων με υπερήχους είναι μια τεχνική εντατικοποίησης της διεργασίας. Οι εκχυλιστές υπερήχων μπορούν εύκολα να συνδυαστούν με πύργους εκχύλισης με ροή κατ’ αντιρροή, οι οποίοι χρησιμοποιούνται κυρίως για την εκχύλιση ζαχαρότευτλων. Μια σύντομη κατεργασία των ταινιδίων ζαχαρότευτλων με υπερήχους, πριν αυτά εισέλθουν στο σύστημα εκχύλισης κατ’ αντιρροή, βοηθά στη διάρρηξη και στο άνοιγμα των κυτταρικών τοιχωμάτων. Η κατεργασία με υπερήχους προάγει τη μεταφορά μάζας μεταξύ του διαλύτη (δηλαδή του νερού) και των ταινιδίων ζαχαρότευτλων, ώστε τα ενδοκυτταρικά μόρια, όπως η σακχαρόζη, να μεταφέρονται από το εσωτερικό των κυττάρων στον διαλύτη. Η προκατεργασία των ταινιδίων ζαχαρότευτλων με υπερήχους διευκολύνει και επιταχύνει την εκχύλιση σακχαρόζης στη στήλη ροής κατ’ αντιρροή.
Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM, 200×) δειγμάτων ταινιδίων ζαχαρότευτλων που υποβλήθηκαν σε κατεργασία με υπερήχους στα 400 W και στους 50°C για διαφορετικούς χρόνους εκχύλισης. A) εκχύλιση ταινιδίων με ροή κατ’ αντιρροή· B) μετά από εκχύλιση με τη βοήθεια υπερήχων (UAE) για 10 min· C) μετά από UAE για 20 min· D) μετά από UAE για 40 min. Η εκχύλιση με υπερήχους διαρρηγνύει τα κυτταρικά τοιχώματα και απελευθερώνει το ενδοκυτταρικό υλικό.
(©Fu et al., 2013)
Σύγκριση εκχύλισης με υπερήχους και εκχύλισης κατ’ αντιρροή
Οι Fu et al. (2013) συνέκριναν την παραδοσιακή εκχύλιση με ροή κατ’ αντιρροή με την εκχύλιση σακχαρόζης από ταινίδια ζαχαρότευτλων με υπερήχους. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι η κατεργασία με υπερήχους οδήγησε σε υψηλότερη απόδοση με ανώτερη καθαρότητα, ενώ ο χρόνος εκχύλισης μειώθηκε σημαντικά από 70 min. (κατ’ αντιρροή) σε 40 min. (κατεργασία με υπερήχους). Η εκχύλιση με τη βοήθεια υπερήχων (UAE) οδηγεί σε χαμηλότερη συγκέντρωση κολλοειδών προσμείξεων (ιδίως πηκτινών) και παρέχει υψηλότερη απόδοση σακχαρόζης (94,0±0,15%). Ο εκχυλισμένος χυμός έχει υψηλή καθαρότητα (92,6±0,11%). (βλ. Fu et al., 2013)
Δεδομένου ότι οι εγκαταστάσεις παραγωγής ζάχαρης είναι ήδη εξοπλισμένες με συμβατικούς πύργους εκχύλισης κατ’ αντιρροή, γενικά προτιμάται ο συνδυασμός της συνεργιστικής κατεργασίας με υπερήχους με την υφιστάμενη εγκατάσταση. Για την εφαρμογή της εκχύλισης σακχαρόζης με υπερήχους με τον πλέον αποδοτικό τρόπο ως προς το κόστος και τον χρόνο, η εκχύλιση με υπερήχους μπορεί να ενσωματωθεί ως συνεργιστική κατεργασία πριν, κατά τη διάρκεια ή μετά τη συμβατική εκχύλιση με ροή κατ’ αντιρροή. Καθώς η κατεργασία με υπερήχους διαρρηγνύει τα κύτταρα των ζαχαρότευτλων και απελευθερώνει τη σακχαρόζη από αυτά, η διάρκεια της κατεργασίας με ροή κατ’ αντιρροή μπορεί να μειωθεί, ενώ η απόδοση σακχαρόζης αυξάνεται.
- Επιτάχυνση της διεργασίας
- Υψηλότερες αποδόσεις
- Εντατικοποίηση της διεργασίας
- Συνεργιστικές επιδράσεις με συστήματα αντιρροής
- Εύκολη ενσωμάτωση σε υφιστάμενες εγκαταστάσεις
- Απλές δοκιμές
- Γραμμική δυνατότητα κλιμάκωσης
- Μικρές απαιτήσεις συντήρησης
- Γρήγορη απόσβεση της επένδυσης
Εκχυλιστές υπερήχων υψηλής απόδοσης
Τα συστήματα εκχύλισης της Hielscher Ultrasonics χρησιμοποιούνται παγκοσμίως στη βιομηχανία τροφίμων και στη φαρμακοβιομηχανία για την εμπορική παραγωγή εκχυλισμάτων υψηλής ποιότητας που χρησιμοποιούνται ως τρόφιμα, συμπληρώματα διατροφής ή φαρμακευτικά προϊόντα. Είτε θέλετε να δοκιμάσετε και να βελτιστοποιήσετε τις παραμέτρους επεξεργασίας με υπερήχους σε εργαστηριακό πάγκο είτε να εγκαταστήσετε ένα πλήρως βιομηχανικό σύστημα εκχύλισης με υπερήχους για παραγωγή εντός γραμμής, η Hielscher Ultrasonics διαθέτει την κατάλληλη διάταξη εκχύλισης με υπερήχους για εσάς. Το μικρό αποτύπωμα και οι ευέλικτες επιλογές εγκατάστασης επιτρέπουν την ενσωμάτωση σε υφιστάμενες εγκαταστάσεις επεξεργασίας, ακόμη και όταν ο διαθέσιμος χώρος είναι περιορισμένος.
Τυποποίηση διεργασιών με τη Hielscher Ultrasonics
Τα προϊόντα ποιότητας τροφίμων θα πρέπει να παράγονται σύμφωνα με τις Ορθές Πρακτικές Παραγωγής (GMP) και με τυποποιημένες προδιαγραφές επεξεργασίας. Τα ψηφιακά συστήματα εκχύλισης της Hielscher Ultrasonics διαθέτουν ευφυές λογισμικό, το οποίο διευκολύνει την ακριβή ρύθμιση και τον έλεγχο της διεργασίας κατεργασίας με υπερήχους. Η αυτόματη καταγραφή δεδομένων αποθηκεύει στην ενσωματωμένη κάρτα SD όλες τις παραμέτρους της διεργασίας υπερήχων, όπως την ενέργεια υπερήχων (συνολική και καθαρή ενέργεια), το πλάτος ταλάντωσης, τη θερμοκρασία και την πίεση (όταν έχουν τοποθετηθεί αισθητήρες θερμοκρασίας και πίεσης), με σήμανση ημερομηνίας και ώρας. Αυτό σας επιτρέπει να ελέγχετε εκ των υστέρων κάθε παρτίδα που έχει υποβληθεί σε επεξεργασία με υπερήχους. Παράλληλα, διασφαλίζονται η αναπαραγωγιμότητα και η σταθερά υψηλή ποιότητα του προϊόντος.
Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης. Η συνεχής λειτουργία 24/7 με πλάτη ταλάντωσης έως 200µm είναι εύκολα εφικτή. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης διατίθενται ειδικά προσαρμοσμένα ηχοτρόδια υπερήχων. Η στιβαρότητα του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher επιτρέπει τη λειτουργία 24/7 υπό βαριά καταπόνηση και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Ομογενοποιητές υπερήχων υψηλής ισχύος από εργαστηριακή έως πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- 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.
Χρήσιμες πληροφορίες
Παραγωγή ζάχαρης
Η σακχαρόζη, γνωστή και ως επιτραπέζια ζάχαρη, παράγεται κυρίως από ζαχαροκάλαμο και ζαχαρότευτλα (Beta vulgaris). Η ζάχαρη, δηλαδή η σακχαρόζη, εκχυλίζεται από τα τεύτλα με τη χρήση ζεστού νερού σε μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων, κατά την οποία ο ακατέργαστος χυμός ζάχαρης εκχυλίζεται μέσω διάχυσης σε ζεστό νερό, σε ένα σύστημα ροής κατ’ αντιρροή. Στη συνέχεια, ο χυμός ζάχαρης συμπυκνώνεται υπό κενό και ακολουθούν κυκλική πλύση και, τέλος, ξήρανση.
Μετά τη συγκομιδή, οι ρίζες των τεύτλων μεταφέρονται στη μονάδα επεξεργασίας ζάχαρης, όπου τα τεύτλα πλένονται και κατόπιν κόβονται μηχανικά σε λεπτές λωρίδες, τα λεγόμενα τεμαχίδια. Τα τεμαχίδια τροφοδοτούνται στο σύστημα εκχύλισης με ροή κατ’ αντιρροή. Το σύστημα αντιρροής λειτουργεί με διάχυση και εκχυλίζει τη ζάχαρη που περιέχεται στα τεμαχίδια στο ζεστό νερό.
Τα συστήματα διάχυσης κατ’ αντιρροή είναι επιμήκεις αντιδραστήρες ή ψηλοί πύργοι / στήλες ύψους αρκετών μέτρων, μέσα στους οποίους τα τεμαχίδια ρέουν προς μία κατεύθυνση (προς τα πάνω), ενώ το ζεστό νερό ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση (κατάντη). Οι σύγχρονες εγκαταστάσεις εκχύλισης με πύργους έχουν δυναμικότητα επεξεργασίας έως και 17.000 μετρικούς τόνους ημερησίως. Ο συνήθης χρόνος παραμονής των τεμαχιδίων στον πύργο αντιρροής είναι περίπου 90 min., ενώ το νερό παραμένει μόνο 45 min. στη στήλη διάχυσης. Το κύριο πλεονέκτημα των συστημάτων ροής κατ’ αντιρροή είναι η μειωμένη κατανάλωση νερού σε σύγκριση με την εκχύλιση ζαχαροτεύτλων με εμβάπτιση σε αντιδραστήρα ζεστού νερού. Το διάλυμα χυμού ζάχαρης που παράγεται στο σύστημα διάχυσης κατ’ αντιρροή ονομάζεται ακατέργαστος χυμός. Το χρώμα του ακατέργαστου χυμού μπορεί να κυμαίνεται από μαύρο έως σκούρο κόκκινο, ανάλογα με τον βαθμό οξείδωσής του.
Τα εξαντλημένα τεμαχίδια εξέρχονται από το σύστημα διάχυσης ως πολτός με υγρασία περίπου 95%, αλλά χαμηλή περιεκτικότητα σε σακχαρόζη.
Ο υγρός πολτός συμπιέζεται με κοχλιοφόρο πρέσα έως ότου η υγρασία του μειωθεί περίπου στο 75%, ώστε να ανακτηθεί η σακχαρόζη που απομένει στον πολτό.
Ο υπόλοιπος πολτός ξηραίνεται και χρησιμοποιείται κυρίως ως ζωοτροφή.
Η ενανθράκωση εφαρμόζεται για την απομάκρυνση προσμείξεων από τον ακατέργαστο χυμό, πριν αυτός καταβυθιστεί με τη μορφή κρυστάλλων ζάχαρης. Για τον σκοπό αυτό, ο ακατέργαστος χυμός αναμειγνύεται με ζεστό γάλα ασβέστου, δηλαδή ένα αιώρημα υδροξειδίου του ασβεστίου σε νερό. Κατά την ενανθράκωση, προσμείξεις όπως θειικά, φωσφορικά, κιτρικά και οξαλικά άλατα καταβυθίζονται. Καταβυθίζονται με τη μορφή αλάτων ασβεστίου και μεγαλύτερων οργανικών μορίων, π.χ. πρωτεϊνών, πηκτινών και σαπωνινών. Επιπλέον, η αλκαλική τιμή του pH μετατρέπει τα απλά σάκχαρα γλυκόζη και φρουκτόζη, μαζί με το αμινοξύ γλουταμίνη, σε χημικά σταθερά καρβοξυλικά οξέα, τα οποία μπορούν να απομακρυνθούν αργότερα με διήθηση, καθώς αυτά τα μόρια θα παρεμπόδιζαν την κρυστάλλωση.
Στο επόμενο στάδιο της διαδικασίας, διοξείδιο του άνθρακα διοχετεύεται με τη μορφή φυσαλίδων μέσα από το αλκαλικό διάλυμα ζάχαρης, καταβυθίζοντας την άσβεστο ως ανθρακικό ασβέστιο. Τα σωματίδια ανθρακικού ασβεστίου δεσμεύουν ορισμένες προσμείξεις. Τα βαριά σωματίδια καθιζάνουν στη δεξαμενή και μπορούν να απομακρυνθούν με διήθηση. Μετά από αυτά τα στάδια καθαρισμού λαμβάνεται ο λεγόμενος αραιός χυμός. Ο αραιός χυμός ενδέχεται να υποβληθεί σε επεξεργασία με ανθρακικό νάτριο για τη ρύθμιση της τιμής του pH, καθώς και με μια ένωση με βάση το θείο για τη μείωση του χρωματισμού, ο οποίος ενδέχεται να προκύψει λόγω θερμικής αποσύνθεσης των μονοσακχαριτών.
Η εξάτμιση χρησιμοποιείται για τη συμπύκνωση του αραιού χυμού με συστήματα εξάτμισης πολλαπλών βαθμίδων, ώστε ο αραιός χυμός να μετατραπεί σε πυκνό χυμό. Ο πυκνός χυμός περιέχει περίπου 60% σακχαρόζη κατά βάρος.
Στο τελικό στάδιο, ο πυκνός χυμός υποβάλλεται σε επεξεργασία σε κρυσταλλωτήρες. Με την προσθήκη και τη διάλυση ανακυκλωμένης ζάχαρης παράγεται το λεγόμενο μητρικό διάλυμα. Το μητρικό διάλυμα συμπυκνώνεται περαιτέρω με βρασμό υπό κενό σε μεγάλα δοχεία, γνωστά ως συσκευές βρασμού υπό κενό, και προστίθενται πολύ λεπτοί κρύσταλλοι ζάχαρης ως πυρήνες κρυστάλλωσης. Αυτοί οι κρύσταλλοι μεγαλώνουν καθώς γύρω τους σχηματίζεται ζάχαρη από το μητρικό διάλυμα. Το προκύπτον μείγμα κρυστάλλων ζάχαρης / σιροπιού ονομάζεται massecuite, γαλλικός όρος που σημαίνει «βρασμένη μάζα». Η massecuite τροφοδοτείται σε φυγόκεντρο, όπου το σιρόπι «High Green» απομακρύνεται από τη massecuite με φυγόκεντρη δύναμη. Μετά τη φυγοκέντρηση, ψεκάζεται νερό μέσα στη φυγόκεντρο για την πλύση των κρυστάλλων ζάχαρης, με αποτέλεσμα την παραγωγή του λεγόμενου σιροπιού «Low Green». Η φυγόκεντρος περιστρέφεται κατόπιν σε πολύ υψηλές ταχύτητες για τη μερική ξήρανση των κρυστάλλων. Όταν η φυγόκεντρος επιβραδύνει, η ζάχαρη αποξέεται από τα τοιχώματά της και πέφτει σε ένα σύστημα μεταφοράς, το οποίο τη μεταφέρει σε περιστροφικό κοκκοποιητή, όπου ξηραίνεται με θερμό αέρα. Οι ξηροί, καθαροί κρύσταλλοι ζάχαρης είναι έτοιμοι να πωληθούν σε μονάδες εξευγενισμού ζάχαρης ή σε παρασκευαστές τροφίμων για περαιτέρω επεξεργασία ή χρήση.