Sokerin ultraääniuutto sokerijuurikasleikkeistä
Ultraääniuutto parantaa sokerijuurikasleikkeistä uutettavan sakkaroosin saantoa ja lyhentää uuttoprosessin kestoa merkittävästi. Ultraäänikäsittely on yksinkertainen ja turvallinen tekniikka, joka voidaan helposti yhdistää nykyiseen vastavirtauuttotekniikkaan uuttotehokkuuden parantamiseksi.
Sokerijuurikasleikkeiden ultraääniuutto
Ultraääniavusteinen uutto perustuu akustisen eli ultraäänikavitaation toimintaperiaatteeseen. Ultraäänellä aikaansaadun kavitaation synnyttämät mekaaniset vaikutukset aiheuttavat sonoporaatiota ja soluseinien hajoamista, mikä puolestaan lisää solujen sisään jääneiden molekyylien läpäisevyyttä. Kavitaation aiheuttamat nestevirtaukset ja mikropyörteet parantavat uuttoprosessin aineensiirtoa, jolloin sakkaroosi ja muut molekyylit siirtyvät liuottimeen eli veteen.
Ultraäänilaite UIP4000hdT teolliseen sokerijuurikkaan uuttoon.
- Ultraääniesikäsittely (ennen vastavirtatornia)
- Ultraäänikäsittely vastavirtauuton aikana
- Ultraäänijälkikäsittely (vastavirtatornin jälkeen)
Olemassa olevan uuttolaitoksen, tuotantotavoitteiden ja käytettävissä olevan tilan mukaan ultraäänikäsittely voidaan helposti jälkiasentaa esi- tai jälkikäsittelyksi sekä vastavirtauuton yhteyteen.
Sokerijuurikasleikkeiden ultraääniesikäsittely
Sokerijuurikasleikkeiden ultraääniesikäsittely on prosessia tehostava tekniikka. Ultraääniuuttimet voidaan helposti yhdistää vastavirtauuttotorneihin, joita käytetään pääasiassa sokerijuurikkaan uuttoon. Sokerijuurikasleikkeiden lyhyt ultraäänikäsittely ennen niiden syöttämistä vastavirtauuttojärjestelmään auttaa hajottamaan ja avaamaan soluseiniä. Ultraäänikäsittely edistää aineensiirtoa liuottimen (eli veden) ja juurikasleikkeiden välillä, jolloin solunsisäiset molekyylit, kuten sakkaroosi, siirtyvät solun sisältä liuottimeen. Sokerijuurikasleikkeiden ultraääniesikäsittely helpottaa ja nopeuttaa sakkaroosin uuttoa vastavirtakolonnissa.
Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvat (SEM, 200×) sokerijuurikasleikenäytteistä, joita on ultraäänikäsitelty 400 W:n teholla 50°C:ssa eri uuttoaikoja. A) leikkeiden vastavirtauutto; B) 10 min:n ultraääniavusteisen uuton (UAE) jälkeen; C) 20 min:n UAE:n jälkeen; D) 40 min:n UAE:n jälkeen. Ultraääniuutto hajottaa soluseiniä ja vapauttaa solunsisäisen materiaalin.
(©Fu et al., 2013)
Ultraääniuuton ja vastavirtauuton vertailu
Fu et al. (2013) vertasivat perinteistä vastavirtauuttoa sakkaroosin ultraääniuuttoon sokerijuurikasleikkeistä. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että ultraäänikäsittely tuotti suuremman saannon ja paremman puhtauden, samalla kun uuttoaika lyheni merkittävästi 70 min:sta (vastavirtauutto) 40 min:iin (ultraäänikäsittely). Ultraääniavusteinen uutto (UAE) johtaa pienempään kolloidisten epäpuhtauksien (erityisesti pektiinien) pitoisuuteen ja suurempaan sakkaroosisaantoon (94,0±0,15%). Uutetun mehun puhtaus on korkea (92,6±0,11%). (vrt. Fu et al., 2013)
Koska sokerintuotantolaitoksissa on jo perinteiset vastavirtauuttotornit, synergistisen ultraäänikäsittelyn yhdistämistä olemassa olevaan laitteistoon suositaan yleensä. Jotta sakkaroosin ultraääniuuttoa voidaan käyttää mahdollisimman kustannus- ja aikatehokkaasti, ultraääniuutto voidaan asentaa synergistiseksi käsittelyksi ennen perinteistä vastavirtauuttoa, sen aikana tai sen jälkeen. Koska ultraäänikäsittely hajottaa sokerijuurikkaan soluja ja vapauttaa niistä sakkaroosia, vastavirtakäsittelyn kestoa voidaan lyhentää samalla, kun sakkaroosisaanto paranee.
- Nopeampi prosessi
- Suuremmat saannot
- Prosessin tehostaminen
- Synergistiset vaikutukset vastavirtajärjestelmien kanssa
- Helppo jälkiasennus
- Yksinkertainen testaus
- Lineaarinen skaalautuvuus
- Vähäinen huoltotarve
- Nopea sijoitetun pääoman tuotto
Suorituskykyiset ultraääniuuttimet
Hielscher Ultrasonicsin uuttojärjestelmiä käytetään maailmanlaajuisesti elintarvike- ja lääketeollisuudessa korkealaatuisten uutteiden kaupalliseen tuotantoon elintarvikkeiksi, ravintolisiksi tai lääkkeiksi. Halusitpa testata ja optimoida ultraäänikäsittelyn parametreja laboratoriopöytämittakaavassa tai asentaa täysin teollisen ultraääniuuttojärjestelmän jatkuvatoimiseen tuotantoon, Hielscher Ultrasonicsilla on sinulle sopiva ultraääniuuttojärjestelmä. Pieni tilantarve ja joustavat asennusvaihtoehdot mahdollistavat jälkiasennuksen myös ahtaaseen tuotantolaitokseen.
Prosessin standardointi Hielscher Ultrasonicsin avulla
Elintarvikelaatuiset tuotteet tulisi valmistaa hyvien tuotantotapojen (GMP) ja standardoitujen prosessimääritysten mukaisesti. Hielscher Ultrasonicsin digitaalisissa uuttojärjestelmissä on älykäs ohjelmisto, jonka avulla ultraäänikäsittelyprosessi on helppo määrittää ja ohjata tarkasti. Automaattinen tiedontallennus tallentaa kaikki ultraääniprosessin parametrit, kuten ultraäänienergian (kokonais- ja nettoenergian), amplitudin, lämpötilan ja paineen (kun lämpötila- ja paineanturit on asennettu), päivämäärä- ja aikaleimoineen sisäänrakennetulle SD-kortille. Näin voit tarkastaa jokaisen ultraäänikäsitellyn erän. Samalla varmistetaan toistettavuus ja jatkuvasti korkea tuotelaatu.
Hielscher Ultrasonicsin teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja. Jopa 200µm:n amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-käytössä. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Hielscherin ultraäänilaitteiden vankka rakenne mahdollistaa 24/7-käytön raskaassa kuormituksessa ja vaativissa ympäristöissä.
Alla oleva taulukko antaa viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erätilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2 000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | laiteryhmä, jonka laitteet ovat UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Suuritehoiset ultraäänihomogenisaattorit laboratoriomittakaavasta aina pilottimittakaavaan ja teolliseen mittakaavaan.
Kirjallisuus / Lähteet
- 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.
Hyödyllistä tietoa
Sokerin tuotanto
Sakkaroosia, joka tunnetaan myös pöytäsokerina, tuotetaan pääasiassa sokeriruo’osta ja sokerijuurikkaasta (Beta vulgaris). Sokeri eli sakkaroosi uutetaan juurikkaista kuumalla vedellä monivaiheisessa prosessissa, jossa raakasokerimehu uutetaan kuumavesidiffuusiolla vastavirtajärjestelmässä. Tämän jälkeen sokerimehu väkevöidään alipaineessa, minkä jälkeen seuraavat syklinen pesu ja lopuksi kuivaus.
Sadonkorjuun jälkeen juurikkaiden juuret kuljetetaan sokerinjalostuslaitokseen, jossa juurikkaat pestään ja leikataan sitten mekaanisesti ohuiksi suikaleiksi eli juurikasleikkeiksi. Leikkeet syötetään vastavirtauuttojärjestelmään. Vastavirtajärjestelmä toimii diffuusion avulla ja uuttaa leikkeiden sokerin kuumaan veteen.
Vastavirtadiffuusiojärjestelmät ovat pitkiä reaktoreita tai korkeita, useiden metrien korkuisia torneja / kolonneja, joissa leikkeet virtaavat yhteen suuntaan (ylöspäin) ja kuuma vesi vastakkaiseen suuntaan (alavirtaan). Nykyaikaisten torniuuttoplantaasien käsittelykapasiteetti on jopa 17 000 metristä tonnia päivässä. Leikkeiden tyypillinen viipymäaika vastavirtatornissa on noin 90 min, kun taas vesi viipyy diffuusiokolonnissa vain 45 min. Vastavirtajärjestelmien tärkein etu on pienempi vedenkulutus verrattuna sokerijuurikkaan maserointiin kuumavesireaktorissa. Vastavirtadiffuusiojärjestelmässä tuotettua sokerimehuliuosta kutsutaan raakamehuksi. Raakamehun väri voi vaihdella mustasta tummanpunaiseen sen hapettumisasteen mukaan.
Uutetut leikkeet poistuvat diffuusiojärjestelmästä massana, jonka kosteuspitoisuus on noin 95% mutta sakkaroosipitoisuus pieni.
Kostea massa puristetaan ruuvipuristimella noin 75%:n kosteuspitoisuuteen jäljellä olevan sakkaroosin talteen ottamiseksi massasta.
Jäljelle jäävä massa kuivataan ja käytetään pääasiassa eläinten rehuna.
Karbonatointia käytetään epäpuhtauksien poistamiseen raakamehusta ennen kuin se voidaan saostaa sokerikiteiksi. Tätä varten raakamehu sekoitetaan kuumaan kalkkimaitoon eli kalsiumhydroksidin vesisuspensioon. Karbonatoinnin aikana epäpuhtaudet, kuten sulfaatit, fosfaatit, sitraatti ja oksalaatit, saostuvat. Ne saostuvat kalsiumsuoloina ja suurempina orgaanisina molekyyleinä, kuten proteiineina, pektiineinä ja saponiineina. Lisäksi emäksinen pH-arvo muuttaa yksinkertaiset sokerit glukoosin ja fruktoosin sekä aminohappo glutamiinin kemiallisesti stabiileiksi karboksyylihapoiksi, jotka voidaan poistaa myöhemmin suodattamalla, sillä nämä molekyylit häiritsisivät kiteytymistä.
Seuraavassa prosessivaiheessa hiilidioksidia kuplitetaan emäksisen sokeriliuoksen läpi, jolloin kalkki saostuu kalsiumkarbonaattina. Kalsiumkarbonaattihiukkaset sitovat joitakin epäpuhtauksia. Raskaat hiukkaset laskeutuvat säiliön pohjalle ja voidaan poistaa suodattamalla. Näiden puhdistusvaiheiden jälkeen saadaan niin sanottua ohutmehua. Ohutmehua saatetaan käsitellä soodalla pH-arvon säätämiseksi sekä rikkipohjaisella yhdisteellä monosakkaridien lämpöhajoamisesta mahdollisesti aiheutuvan värjäytymisen vähentämiseksi.
Ohutmehu väkevöidään haihduttamalla monivaiheisissa haihdutusjärjestelmissä, jolloin se muuttuu paksumehuksi. Paksumehu sisältää noin 60% sakkaroosia painosta.
Viimeisessä vaiheessa paksumehu käsitellään kiteyttimissä. Lisäämällä ja liuottamalla kierrätettyä sokeria tuotetaan niin sanottu emäliuos. Emäliuosta väkevöidään edelleen keittämällä alipaineessa suurissa astioissa, joita kutsutaan tyhjiökeittimiksi, ja siihen lisätään erittäin hienoja sokerikiteitä kiteytymisen aloituskohdiksi. Nämä kiteet kasvavat, kun emäliuoksen sokeria muodostuu niiden ympärille. Syntyvää sokerikiteiden ja siirapin seosta kutsutaan nimellä massecuite, joka on ranskaa ja tarkoittaa ”keitettyä massaa”. Massecuite syötetään sentrifugiin, jossa ”High Green” -siirappi poistetaan siitä keskipakoisvoimalla. Sentrifugoinnin jälkeen sentrifugiin suihkutetaan vettä sokerikiteiden pesemiseksi, jolloin syntyy niin sanottua ”Low Green” -siirappia. Tämän jälkeen sentrifugi pyörii erittäin suurella nopeudella kiteiden osittaista kuivaamista varten. Kun sentrifugi hidastuu, sokeri kaavitaan sen seinämiltä kuljetinjärjestelmään, joka kuljettaa sokerin pyörivään rakeistimeen, jossa se kuivataan lämpimällä ilmalla. Kuivat, puhtaat sokerikiteet ovat valmiita myytäviksi sokerinjalostamoille tai elintarvikevalmistajille jatkokäsittelyä tai käyttöä varten.