استخراج فراصوتی شکر از خلال چغندرقند
استخراج فراصوتی، بازده ساکارز استخراج‌شده از خلال چغندرقند را افزایش می‌دهد و مدت فرایند استخراج را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. فراصوت‌دهی روشی ساده و ایمن است که می‌توان آن را به‌آسانی با فناوری موجود استخراج با جریان ناهمسو ترکیب کرد تا کارایی استخراج بهبود یابد.
استخراج فراصوتی از خلال چغندرقند
استخراج به کمک فراصوت بر اصل عملکرد کاویتاسیون صوتی یا فراصوتی استوار است. اثرات مکانیکی ناشی از کاویتاسیون القاشده با فراصوت، موجب منفذزایی فراصوتی و تخریب دیواره‌های سلولی می‌شوند که در پی آن، نفوذپذیری مولکول‌های محبوس درون سلول افزایش می‌یابد. جریان‌یابی مایع و ریزآشفتگی‌های ناشی از کاویتاسیون، انتقال جرم در فرایند استخراج را بهبود می‌دهند، به‌طوری که ساکارز و سایر مولکول‌ها به حلال، یعنی آب، منتقل می‌شوند.
سونیکاتور UIP4000hdT برای استخراج صنعتی از چغندرقند.
- پیش‌تیمار فراصوتی (پیش از برج جریان ناهمسو)
- فراصوت‌دهی در حین استخراج با جریان ناهمسو
- پس‌تیمار فراصوتی (پس از برج جریان ناهمسو)
بسته به تأسیسات استخراج موجود، اهداف تولید و فضای در دسترس، می‌توان فراصوت‌دهی را به‌آسانی به تجهیزات موجود افزود تا به‌صورت پیش‌تیمار، پس‌تیمار یا در حین استخراج با جریان ناهمسو به کار رود.
پیش‌تیمار فراصوتی خلال چغندرقند
پیش‌تیمار فراصوتی خلال چغندرقند روشی برای تشدید فرایند است. دستگاه‌های استخراج فراصوتی را می‌توان به‌آسانی با برج‌های استخراج با جریان ناهمسو، که عمدتاً برای استخراج از چغندرقند به کار می‌روند، ترکیب کرد. فراصوت‌دهی کوتاه‌مدت خلال چغندرقند پیش از ورود به سامانهٔ استخراج با جریان ناهمسو، به تخریب و باز شدن دیواره‌های سلولی کمک می‌کند. فراصوت‌دهی، انتقال جرم بین حلال (یعنی آب) و خلال چغندرقند را تقویت می‌کند، به‌طوری که مولکول‌های درون‌سلولی مانند ساکارز از درون سلول به حلال منتقل می‌شوند. پیش‌تیمار فراصوتی خلال چغندرقند، استخراج ساکارز در ستون جریان ناهمسو را تسهیل و تسریع می‌کند.
تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM (200×) از نمونه‌های خلال چغندرقند که با توان 400 W در دمای 50°C و برای زمان‌های مختلف استخراج، تحت فراصوت‌دهی قرار گرفته‌اند. A) استخراج خلال با جریان ناهمسو؛ B) پس از استخراج به کمک فراصوت (UAE) به‌مدت 10 min؛ C) پس از UAE به‌مدت 20 min؛ D) پس از UAE به‌مدت 40 min. استخراج فراصوتی، دیواره‌های سلولی را تخریب و مواد درون‌سلولی را آزاد می‌کند.
(©Fu et al., 2013)
مقایسهٔ استخراج فراصوتی با استخراج با جریان ناهمسو
Fu et al. (2013) استخراج متداول با جریان ناهمسو را با استخراج فراصوتی ساکارز از خلال چغندرقند مقایسه کردند. نتایج این مطالعه نشان داد که فراصوت‌دهی به بازده بیشتر و خلوص بالاتر منجر شد، درحالی‌که زمان استخراج به‌طور چشمگیری از 70 min. (جریان ناهمسو) به 40 min. (فراصوت‌دهی) کاهش یافت. استخراج به کمک فراصوت (UAE) موجب کاهش غلظت ناخالصی‌های کلوئیدی (به‌ویژه پکتین‌ها) می‌شود و بازده بالاتری برای ساکارز (94٫0±0٫15%) به دست می‌دهد. شربت استخراج‌شده خلوص بالایی دارد (92٫6±0٫11%). (رجوع کنید به Fu et al., 2013)
ازآنجاکه تأسیسات تولید شکر از قبل به برج‌های متداول استخراج با جریان ناهمسو مجهز هستند، معمولاً ترکیب فراصوت‌دهی هم‌افزا با تجهیزات موجود ترجیح داده می‌شود. برای اجرای استخراج فراصوتی ساکارز با بیشترین کارایی از نظر هزینه و زمان، می‌توان سامانهٔ استخراج فراصوتی را به‌عنوان تیماری هم‌افزا پیش از استخراج متداول با جریان ناهمسو، در حین آن یا پس از آن نصب کرد. ازآنجاکه فراصوت‌دهی سلول‌های چغندرقند را تخریب و ساکارز را از آن‌ها آزاد می‌کند، می‌توان مدت تیمار با جریان ناهمسو را کاهش داد و هم‌زمان بازده ساکارز را افزایش داد.
- تسریع فرایند
- بازده بیشتر
- تشدید فرایند
- اثرات هم‌افزا در ترکیب با سامانه‌های جریان ناهمسو
- نصب آسان روی تجهیزات موجود
- آزمایش ساده
- مقیاس‌پذیری خطی
- نیاز اندک به نگهداری
- بازگشت سریع سرمایه
دستگاه‌های استخراج فراصوتی با عملکرد بالا
سامانه‌های استخراج Hielscher Ultrasonics در سراسر جهان در صنایع غذایی و دارویی برای تولید تجاری عصاره‌های باکیفیت به کار می‌روند که به‌عنوان محصولات غذایی، مکمل‌های غذایی یا دارو استفاده می‌شوند. چه بخواهید پارامترهای پردازش فراصوتی را در مقیاس رومیزی آزمایش و بهینه‌سازی کنید و چه قصد نصب سامانهٔ استخراج فراصوتی کاملاً صنعتی برای تولید درون‌خطی داشته باشید، Hielscher Ultrasonics آرایش مناسب تجهیزات استخراج فراصوتی را برای شما فراهم می‌کند. فضای اشغال‌شدهٔ کم و گزینه‌های انعطاف‌پذیر نصب، امکان افزودن این تجهیزات به تأسیسات موجود را حتی در محیط‌های پردازشی کم‌جا فراهم می‌کنند.
استانداردسازی فرایند با Hielscher Ultrasonics
محصولات با گرید غذایی باید مطابق با اصول روش‌های صحیح تولید (GMP) و بر اساس مشخصات استانداردشدهٔ پردازش تولید شوند. سامانه‌های دیجیتال استخراج Hielscher Ultrasonics به نرم‌افزار هوشمند مجهز هستند که تنظیم و کنترل دقیق فرایند فراصوت‌دهی را آسان می‌کند. ثبت خودکار داده‌ها، تمام پارامترهای فرایند فراصوتی مانند انرژی فراصوت (انرژی کل و خالص)، دامنه، دما و فشار (در صورت نصب حسگرهای دما و فشار) را همراه با تاریخ و زمان روی کارت SD داخلی ذخیره می‌کند. این قابلیت به شما امکان می‌دهد هر بچ پردازش‌شده با فراصوت را بازبینی کنید. هم‌زمان، تکرارپذیری و کیفیت بالای مستمر محصول تضمین می‌شوند.
پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی ایجاد کنند. دامنه‌های تا 200µm را می‌توان به‌آسانی و به‌طور پیوسته در کارکرد 24/7 به کار گرفت. برای دامنه‌های بالاتر نیز سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند. استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher امکان کارکرد 24/7 زیر بار کاری سنگین و در محیط‌های دشوار را فراهم می‌کند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
هموژنایزرهای فراصوتی پرتوان در مقیاس‌های آزمایشگاهی تا پایلوت و صنعتی .
منابع علمی / مراجع
- 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.
دانستنی‌های مفید
تولید شکر
ساکارز، که به نام شکر خوراکی نیز شناخته می‌شود، عمدتاً از نیشکر و چغندرقند (Beta vulgaris) تولید می‌شود. شکر، یعنی ساکارز، با استفاده از آب داغ و طی فرایندی چندمرحله‌ای از چغندر استخراج می‌شود؛ در این فرایند، شربت خام شکر از طریق دیفوزیون با آب داغ در سامانهٔ جریان ناهمسو استخراج می‌شود. سپس شربت شکر تحت خلأ تغلیظ می‌شود و پس از آن، شست‌وشوی چرخه‌ای و در نهایت خشک‌کردن انجام می‌گیرد.
پس از برداشت، ریشه‌های چغندر به کارخانهٔ تولید شکر منتقل می‌شوند؛ در آنجا چغندرها شسته شده و سپس به‌صورت مکانیکی به نوارهای نازکی موسوم به خلال بریده می‌شوند. خلال‌ها به سامانهٔ استخراج با جریان ناهمسو وارد می‌شوند. سامانهٔ جریان ناهمسو بر اساس دیفوزیون عمل می‌کند و شکر موجود در خلال‌ها را به آب داغ انتقال می‌دهد.
سامانه‌های دیفوزیون با جریان ناهمسو، راکتورهای طویل یا برج‌ها / ستون‌های بلندی با ارتفاع چند متر هستند که خلال‌ها در آن‌ها در یک جهت (رو به بالا) و آب داغ در جهت مخالف (رو به پایین) جریان می‌یابد. تأسیسات مدرن استخراج برجی، ظرفیت پردازش تا 17٬000 تن متریک در روز را دارند. زمان ماند معمول خلال‌ها در برج جریان ناهمسو حدود 90 min. است، درحالی‌که آب تنها 45 min. در ستون دیفوزیون باقی می‌ماند. مزیت اصلی سامانه‌های جریان ناهمسو، مصرف کمتر آب در مقایسه با خیساندن چغندرقند در راکتور آب داغ است. محلول شکر تولیدشده در سامانهٔ دیفوزیون با جریان ناهمسو، شربت خام نام دارد. رنگ شربت خام بسته به میزان اکسیدشدن آن می‌تواند از سیاه تا قرمز تیره متغیر باشد.
خلال‌های استخراج‌شده به‌صورت تفاله با رطوبت حدود 95%، اما با مقدار کم ساکارز، از سامانهٔ دیفوزیون خارج می‌شوند.
تفالهٔ مرطوب با پرس مارپیچی فشرده می‌شود تا رطوبت آن به حدود 75% برسد و ساکارز باقی‌مانده از تفاله بازیابی شود.
تفالهٔ باقی‌مانده خشک می‌شود و عمدتاً به‌عنوان خوراک دام به کار می‌رود.
کربناتاسیون برای حذف ناخالصی‌ها از شربت خام، پیش از رسوب‌دهی آن به‌صورت بلورهای شکر، به کار می‌رود. برای این منظور، شربت خام با شیر آهک داغ، یعنی سوسپانسیون هیدروکسید کلسیم در آب، مخلوط می‌شود. طی کربناتاسیون، ناخالصی‌هایی مانند سولفات‌ها، فسفات‌ها، سیترات و اگزالات‌ها رسوب می‌کنند. این ناخالصی‌ها به‌صورت نمک‌های کلسیم و مولکول‌های آلی بزرگ‌تر، مانند پروتئین‌ها، پکتین‌ها و ساپونین‌ها، رسوب می‌کنند. افزون بر این، pH قلیایی، قندهای سادهٔ گلوکز و فروکتوز را همراه با اسیدآمینهٔ گلوتامین به اسیدهای کربوکسیلیک پایدار از نظر شیمیایی تبدیل می‌کند که می‌توان آن‌ها را بعداً با فیلتراسیون حذف کرد، زیرا این مولکول‌ها در تبلور اختلال ایجاد می‌کنند.
در مرحلهٔ بعدی فرایند، دی‌اکسید کربن به‌صورت حباب از محلول قلیایی شکر عبور داده می‌شود و آهک را به‌صورت کربنات کلسیم رسوب می‌دهد. ذرات کربنات کلسیم برخی ناخالصی‌ها را به خود متصل می‌کنند. ذرات سنگین در مخزن ته‌نشین می‌شوند و می‌توان آن‌ها را با فیلتراسیون حذف کرد. پس از این مراحل تصفیه و پاک‌سازی، شربت موسوم به شربت رقیق به دست می‌آید. شربت رقیق ممکن است برای تنظیم pH با کربنات سدیم و همچنین برای کاهش رنگ‌گیری ناشی از تجزیهٔ حرارتی مونوساکاریدها با ترکیبی بر پایهٔ گوگرد تیمار شود.
برای تغلیظ شربت رقیق، از تبخیر در سامانه‌های تبخیر چنداثره استفاده می‌شود تا شربت رقیق به شربت غلیظ تبدیل شود. شربت غلیظ حدود 60% وزنی ساکارز دارد.
در مرحلهٔ نهایی، شربت غلیظ در دستگاه‌های تبلور فراوری می‌شود. با افزودن و حل‌کردن شکر بازیافتی، محلولی موسوم به محلول مادر تولید می‌شود. محلول مادر با جوشاندن تحت خلأ در مخازن بزرگی موسوم به دیگ‌های خلأ، بیشتر تغلیظ می‌شود و بلورهای بسیار ریز شکر به‌عنوان نقاط بذرگذاری به آن افزوده می‌شوند. با تشکیل شکر موجود در محلول مادر در اطراف این بلورها، آن‌ها رشد می‌کنند. مخلوط حاصل از بلور شکر / شربت، ماسکوئیت نام دارد؛ اصطلاحی فرانسوی به معنای «تودهٔ پخته‌شده». ماسکوئیت به سانتریفیوژ وارد می‌شود و در آنجا «شربت سبز غلیظ» با نیروی گریز از مرکز از ماسکوئیت جدا می‌شود. پس از سانتریفیوژکردن، آب به داخل سانتریفیوژ پاشیده می‌شود تا بلورهای شکر شسته شوند؛ در نتیجه، شربتی موسوم به «شربت سبز رقیق» تولید می‌شود. سپس سانتریفیوژ با سرعت بسیار بالا می‌چرخد تا بلورها تا حدی خشک شوند. هنگامی که سرعت سانتریفیوژ کاهش می‌یابد، شکر از دیواره‌های سانتریفیوژ تراشیده و روی سامانهٔ نقاله ریخته می‌شود تا به گرانولاتور دوار منتقل شود و در آنجا با هوای گرم خشک گردد. بلورهای خشک و تمیز شکر آمادهٔ فروش به پالایشگاه‌های شکر یا تولیدکنندگان مواد غذایی برای فراوری بیشتر یا مصرف هستند.