Extracción ultrasónica de azúcar de cosetas de remolacha azucarera
La extracción ultrasónica aumenta el rendimiento de sacarosa extraída de las cosetas de remolacha azucarera y reduce significativamente la duración del proceso de extracción. La sonicación es una técnica sencilla y segura que puede combinarse fácilmente con la tecnología actual de extracción en contracorriente para mejorar la eficiencia de extracción.
Extracción ultrasónica de cosetas de remolacha azucarera
La extracción asistida por ultrasonidos se basa en el principio de funcionamiento de la cavitación acústica o ultrasónica. Los efectos mecánicos generados por la cavitación inducida por ultrasonidos provocan la sonoporación y la ruptura de las paredes celulares, lo que posteriormente aumenta la permeabilidad de las moléculas atrapadas en el interior de las células. Las corrientes de líquido y las microturbulencias causadas por la cavitación mejoran la transferencia de masa durante el proceso de extracción, de modo que la sacarosa y otras moléculas se transfieren al disolvente, es decir, al agua.
Sonicador UIP4000hdT para la extracción industrial de remolacha azucarera.
- Pretratamiento ultrasónico (antes de la torre de contracorriente)
- Sonicación durante la extracción en contracorriente
- Postratamiento ultrasónico (después de la torre de contracorriente)
En función de las instalaciones de extracción existentes, los objetivos de producción y el espacio disponible, la sonicación puede incorporarse fácilmente como pretratamiento o postratamiento, así como durante la extracción en contracorriente.
Pretratamiento ultrasónico de cosetas de remolacha azucarera
El pretratamiento ultrasónico de las cosetas de remolacha azucarera es una técnica de intensificación de procesos. Los extractores ultrasónicos pueden combinarse fácilmente con las torres de extracción en contracorriente, que se utilizan principalmente para la extracción de remolacha azucarera. Una breve sonicación de las cosetas de remolacha azucarera antes de que entren en el sistema de extracción en contracorriente ayuda a romper y abrir las paredes celulares. El tratamiento con ultrasonidos favorece la transferencia de masa entre el disolvente (es decir, el agua) y las cosetas de remolacha, de modo que las moléculas intracelulares, como la sacarosa, se transfieren del interior de las células al disolvente. El pretratamiento ultrasónico de las cosetas de remolacha azucarera facilita y acelera la extracción de sacarosa en la columna de contracorriente.
Microscopía electrónica de barrido (SEM, 200×) de muestras de cosetas de remolacha azucarera sonicadas a 400 W y 50 °C durante distintos tiempos de extracción. A) extracción de cosetas en contracorriente; B) tras UAE durante 10 min; C) tras UAE durante 20 min; D) tras UAE durante 40 min. La extracción ultrasónica rompe las paredes celulares y libera el material intracelular.
(©Fu et al., 2013)
Comparación entre la extracción ultrasónica y la extracción en contracorriente
Fu et al. (2013) compararon la extracción tradicional en contracorriente con la extracción ultrasónica de sacarosa de cosetas de remolacha azucarera. Los resultados del estudio mostraron que la sonicación proporcionó un mayor rendimiento y una pureza superior, mientras que el tiempo de extracción se redujo significativamente de 70 min. (contracorriente) a 40 min. (sonicación). La extracción asistida por ultrasonidos (UAE) da lugar a una menor concentración de impurezas coloidales (especialmente pectinas) y proporciona un mayor rendimiento de sacarosa (94,0±0,15%). El jugo extraído presenta una elevada pureza (92,6±0,11%). (véase Fu et al., 2013)
Dado que las plantas de producción de azúcar ya están equipadas con torres convencionales de extracción en contracorriente, suele preferirse la combinación de la sonicación sinérgica con la instalación existente. Para aplicar la extracción ultrasónica de sacarosa con la máxima eficiencia en términos de coste y tiempo, puede incorporarse como tratamiento sinérgico antes, durante o después de la extracción convencional en contracorriente. Como la sonicación rompe las células de la remolacha azucarera y libera la sacarosa de su interior, puede reducirse la duración del tratamiento en contracorriente y, al mismo tiempo, aumentar el rendimiento de sacarosa.
- Proceso acelerado
- Mayores rendimientos
- Intensificación del proceso
- Efectos sinérgicos con sistemas en contracorriente
- Fácil incorporación a instalaciones existentes
- Ensayos sencillos
- Escalabilidad lineal
- Mantenimiento reducido
- Rápido retorno de la inversión
Extractores ultrasónicos de alto rendimiento
Los sistemas de extracción de Hielscher Ultrasonics se utilizan en todo el mundo en los sectores alimentario y farmacéutico para la producción comercial de extractos de alta calidad destinados a productos alimentarios, complementos alimenticios o productos farmacéuticos. Tanto si desea ensayar y optimizar los parámetros del procesamiento ultrasónico a escala de laboratorio con equipos de sobremesa como si desea instalar un sistema de extracción ultrasónica totalmente industrial para la producción en línea, Hielscher Ultrasonics dispone de la configuración de extracción ultrasónica adecuada para usted. Su reducido espacio de instalación y sus opciones de montaje flexibles permiten incorporarlos incluso en instalaciones de procesamiento con muy poco espacio disponible.
Estandarización del proceso con Hielscher Ultrasonics
Los productos de grado alimentario deben fabricarse de acuerdo con las buenas prácticas de fabricación (GMP) y con especificaciones de procesamiento estandarizadas. Los sistemas digitales de extracción de Hielscher Ultrasonics incorporan un software inteligente que facilita la configuración y el control precisos del proceso de sonicación. El registro automático de datos guarda en la tarjeta SD integrada todos los parámetros del proceso ultrasónico, como la energía ultrasónica (energía total y neta), la amplitud, la temperatura y la presión (cuando se instalan sensores de temperatura y presión), junto con la fecha y la hora. Esto permite revisar cada lote procesado por ultrasonidos. Al mismo tiempo, se garantizan la reproducibilidad y una calidad del producto constantemente elevada.
Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Pueden funcionar fácilmente de forma continua con amplitudes de hasta 200 µm en régimen de 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 con cargas de trabajo intensivas y en entornos exigentes.
La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | conjunto de UIP16000 |
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Bibliografía / Referencias
- 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.
Información de interés
Producción de azúcar
La sacarosa, también conocida como azúcar de mesa, se produce principalmente a partir de caña de azúcar y remolacha azucarera (Beta vulgaris). El azúcar, es decir, la sacarosa, se extrae de la remolacha con agua caliente mediante un proceso de varias etapas, en el que se obtiene el jugo azucarado bruto por difusión en agua caliente en un sistema de contracorriente. Después, el jugo azucarado se concentra al vacío, seguido de lavados cíclicos y, finalmente, del secado.
Tras la cosecha, las raíces de remolacha se transportan a la planta de procesamiento de azúcar, donde se lavan y después se cortan mecánicamente en tiras finas, denominadas cosetas. Las cosetas se introducen en el sistema de extracción en contracorriente. Este sistema funciona por difusión y extrae el azúcar de las cosetas, transfiriéndolo al agua caliente.
Los sistemas de difusión en contracorriente son reactores largos o torres / columnas altas de varios metros, en los que las cosetas circulan en una dirección (hacia arriba) mientras que el agua caliente circula en la dirección opuesta (aguas abajo). Las plantas modernas de extracción en torre tienen una capacidad de procesamiento de hasta 17.000 toneladas métricas al día. El tiempo de residencia habitual de las cosetas en la torre de contracorriente es de aprox. 90 min., mientras que el agua permanece solo 45 min. en la columna de difusión. La principal ventaja de los sistemas de contracorriente es el menor consumo de agua en comparación con la maceración de remolacha azucarera en un reactor de agua caliente. La solución de jugo azucarado producida en el sistema de difusión en contracorriente se denomina jugo bruto. El color del jugo bruto puede variar del negro al rojo oscuro en función de su grado de oxidación.
Las cosetas agotadas salen del sistema de difusión como pulpa con aprox. 95% de humedad, pero con un bajo contenido de sacarosa.
La pulpa húmeda se comprime mediante una prensa de tornillo hasta alcanzar aprox. 75% de humedad para recuperar la sacarosa restante de la pulpa.
La pulpa restante se seca y se utiliza principalmente como alimento para animales.
La carbonatación se aplica para eliminar las impurezas del jugo bruto antes de que este pueda precipitar en forma de cristales de azúcar. Para ello, el jugo bruto se mezcla con lechada de cal caliente, es decir, una suspensión de hidróxido de calcio en agua. Durante la carbonatación, precipitan impurezas como sulfatos, fosfatos, citrato y oxalatos. Precipitan en forma de sales de calcio y moléculas orgánicas de mayor tamaño, como proteínas, pectinas y saponinas. Además, el pH alcalino convierte los azúcares simples glucosa y fructosa, junto con el aminoácido glutamina, en ácidos carboxílicos químicamente estables, que pueden eliminarse posteriormente mediante filtración, ya que esas moléculas interferirían en la cristalización.
En la siguiente etapa del proceso, se hace burbujear dióxido de carbono a través de la solución azucarada alcalina, lo que precipita la cal en forma de carbonato de calcio. Las partículas de carbonato de calcio fijan algunas impurezas. Las partículas pesadas sedimentan en el depósito y pueden eliminarse mediante filtración. Tras estas etapas de purificación y limpieza, se obtiene el denominado jugo ligero. El jugo ligero puede tratarse con carbonato de sodio para ajustar el pH, así como con un compuesto a base de azufre para reducir la coloración que puede producirse por la descomposición térmica de los monosacáridos.
La evaporación se utiliza para concentrar el jugo ligero mediante sistemas de evaporación de múltiple efecto, de modo que se convierte en jugo espeso. El jugo espeso contiene aprox. 60% de sacarosa en peso.
En la etapa final, el jugo espeso se trata en cristalizadores. Al añadir y disolver azúcar reciclado, se produce el denominado licor madre. El licor madre se concentra aún más mediante ebullición al vacío en grandes recipientes, conocidos como tachos al vacío, y se añaden cristales de azúcar muy finos como puntos de siembra. Estos cristales crecen a medida que el azúcar del licor madre se deposita a su alrededor. La mezcla resultante de cristales de azúcar / jarabe se denomina massecuite, un término francés que significa «masa cocida». La masa cocida se introduce en una centrífuga, donde el «jarabe High Green» se separa de ella por la fuerza centrífuga. Tras la centrifugación, se pulveriza agua dentro de la centrífuga para lavar los cristales de azúcar, lo que produce el denominado «jarabe Low Green». A continuación, la centrífuga gira a velocidades muy elevadas para secar parcialmente los cristales. Cuando la centrífuga reduce su velocidad, el azúcar se raspa de sus paredes y se deposita en un sistema transportador que lo lleva a un granulador rotatorio, donde se seca con aire caliente. Los cristales de azúcar secos y limpios están listos para venderse a refinerías o fabricantes de alimentos para su posterior tratamiento o uso.