Extraction par ultrasons du sucre à partir de cossettes de betteraves sucrières
L’extraction par ultrasons augmente le rendement en saccharose extrait des cossettes de betteraves sucrières et réduit considérablement la durée du processus d’extraction. La sonication est une technique simple et sûre, qui peut être facilement combinée avec la technologie actuelle d’extraction à contre-courant afin d’améliorer l’efficacité de l’extraction.
Extraction par ultrasons des cossettes de betteraves sucrières
L’extraction assistée par ultrasons repose sur le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique ou ultrasonore. Les effets mécaniques générés par la cavitation induite par ultrasons provoquent la sonoporation et la rupture des parois cellulaires, ce qui augmente ensuite la perméabilité des molécules piégées à l’intérieur des cellules. Les courants liquides et les micro-turbulences provoqués par la cavitation améliorent le transfert de masse du processus d’extraction, de sorte que le saccharose et d’autres molécules sont transférés dans le solvant, c’est-à-dire l’eau.
Ultrasonicateur UIP4000hdT pour l’extraction industrielle de betteraves sucrières.
- Prétraitement par ultrasons (avant la tour à contre-courant)
- Sonication pendant l’extraction à contre-courant
- Post-traitement par ultrasons (après la tour à contre-courant)
Selon l’installation d’extraction existante, les objectifs de production et l’espace disponible, la sonication peut être facilement intégrée a posteriori en prétraitement ou en post-traitement, ainsi que pendant l’extraction à contre-courant.
Prétraitement par ultrasons des cossettes de betteraves sucrières
Le prétraitement par ultrasons des cossettes de betteraves sucrières est une technique d’intensification des procédés. Les extracteurs à ultrasons peuvent être facilement combinés avec les tours d’extraction à contre-courant, qui sont principalement utilisées pour l’extraction des betteraves sucrières. Une courte sonication des cossettes de betteraves sucrières avant leur entrée dans le système d’extraction à contre-courant contribue à rompre et à ouvrir les parois cellulaires. L’ultrasonication favorise le transfert de masse entre le solvant (c’est-à-dire l’eau) et les cossettes de betteraves, de sorte que les molécules intracellulaires telles que le saccharose sont transférées de l’intérieur des cellules vers le solvant. Le prétraitement par ultrasons des cossettes de betteraves sucrières facilite et accélère l’extraction du saccharose dans la colonne à contre-courant.
MEB (200×) d’échantillons de cossettes de betteraves sucrières soniqués à 400 W à 50°C pendant différentes durées d’extraction. A) extraction des cossettes à contre-courant ; B) après UAE pendant 10 min ; C) après UAE pendant 20 min ; D) après UAE pendant 40 min. L’extraction par ultrasons rompt les parois cellulaires et libère le matériel intracellulaire.
(©Fu et al., 2013)
Comparaison entre l’extraction par ultrasons et l’extraction à contre-courant
Fu et al. (2013) ont comparé l’extraction traditionnelle à contre-courant avec l’extraction par ultrasons du saccharose à partir de cossettes de betteraves sucrières. Les résultats de l’étude ont montré que la sonication permettait d’obtenir un rendement plus élevé avec une pureté supérieure, tandis que la durée d’extraction était considérablement réduite, passant de 70 min. (contre-courant) à 40 min. (sonication). L’extraction assistée par ultrasons (UAE) entraîne une concentration plus faible en impuretés colloïdales (en particulier en pectines) et donne un rendement en saccharose plus élevé (94,0±0,15%). Le jus extrait présente une pureté élevée (92,6±0,11%). (cf. Fu et al., 2013)
Étant donné que les installations de production de sucre sont déjà équipées de tours d’extraction à contre-courant conventionnelles, la combinaison d’une sonication synergique avec l’installation existante est généralement privilégiée. Afin de mettre en œuvre l’extraction du saccharose par ultrasons de la manière la plus efficace en termes de coûts et de temps, l’extraction par ultrasons peut être installée comme traitement synergique avant, pendant ou après l’extraction conventionnelle à contre-courant. Comme la sonication rompt les cellules de betterave sucrière et libère le saccharose des cellules, la durée du traitement à contre-courant peut être réduite, tandis que le rendement en saccharose est amélioré.
- Procédé accéléré
- Rendements plus élevés
- Intensification des procédés
- Effets synergiques avec les systèmes à contre-courant
- Intégration a posteriori facile
- Essais simples
- Mise à l’échelle linéaire
- Faible entretien
- Retour sur investissement rapide
Extracteurs à ultrasons haute performance
Les systèmes d’extraction de Hielscher Ultrasonics sont utilisés dans le monde entier dans les secteurs alimentaire et pharmaceutique pour la production commerciale d’extraits de haute qualité utilisés comme produits alimentaires, compléments alimentaires ou produits pharmaceutiques. Que vous souhaitiez tester et optimiser les paramètres de traitement par ultrasons à l’échelle du laboratoire ou installer un système d’extraction par ultrasons entièrement industriel pour une production en ligne, Hielscher Ultrasonics dispose de la configuration d’extraction par ultrasons adaptée à vos besoins. Un faible encombrement et des options d’installation flexibles permettent une intégration a posteriori, même dans une installation de traitement exiguë.
Standardisation des procédés avec Hielscher Ultrasonics
Les produits de qualité alimentaire doivent être fabriqués conformément aux bonnes pratiques de fabrication (BPF) et selon des spécifications de traitement standardisées. Les systèmes d’extraction numériques de Hielscher Ultrasonics sont dotés d’un logiciel intelligent qui permet de régler et de contrôler facilement et avec précision le processus de sonication. L’enregistrement automatique des données consigne tous les paramètres du procédé ultrasonore, tels que l’énergie ultrasonore (énergie totale et nette), l’amplitude, la température et la pression (lorsque des capteurs de température et de pression sont installés), avec horodatage, sur la carte SD intégrée. Cela vous permet de contrôler a posteriori chaque lot traité par ultrasons. Dans le même temps, la reproductibilité et une qualité de produit constamment élevée sont garanties.
Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles. La robustesse des équipements à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :
| Volume du lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | plus grand | cluster de UIP16000 |
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Homogénéisateurs à ultrasons de forte puissance, du laboratoire à l’échelle pilote et à l’échelle industrielle.
Bibliographie / Références
- 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.
Faits à savoir
Production de sucre
Le saccharose, également appelé sucre de table, est principalement produit à partir de la canne à sucre et de la betterave sucrière (Beta vulgaris). Le sucre, c’est-à-dire le saccharose, est extrait des betteraves à l’eau chaude selon un processus en plusieurs étapes, dans lequel le jus sucré brut est extrait par diffusion à l’eau chaude dans un système à contre-courant. Le jus sucré est ensuite concentré sous vide, puis soumis à un lavage cyclique et enfin séché.
Après la récolte, les racines de betterave sont transportées vers l’usine de transformation du sucre, où elles sont lavées puis découpées mécaniquement en fines lanières, appelées cossettes. Les cossettes sont introduites dans le système d’extraction à contre-courant. Le système à contre-courant fonctionne par diffusion et lixivie le sucre contenu dans les cossettes vers l’eau chaude.
Les systèmes de diffusion à contre-courant sont de longs réacteurs ou de hautes tours / colonnes de plusieurs mètres, dans lesquels les cossettes circulent dans un sens (vers le haut) tandis que l’eau chaude circule dans le sens opposé (vers l’aval). Les installations modernes d’extraction en tour ont une capacité de traitement allant jusqu’à 17 000 tonnes métriques par jour. Le temps de séjour typique des cossettes dans la tour à contre-courant est d’environ 90 min., tandis que l’eau ne reste que 45 min. dans la colonne de diffusion. Le principal avantage des systèmes à contre-courant est la réduction de la consommation d’eau par rapport à la macération des betteraves sucrières dans un réacteur à eau chaude. La solution de jus sucré produite dans le système de diffusion à contre-courant est appelée jus brut. La couleur du jus brut peut varier du noir au rouge foncé selon son degré d’oxydation.
Les cossettes épuisées sortent du système de diffusion sous forme de pulpe contenant environ 95% d’humidité, mais une faible teneur en saccharose.
La pulpe humide est pressée à l’aide d’une presse à vis jusqu’à environ 75% d’humidité afin de récupérer le saccharose restant dans la pulpe.
La pulpe restante est séchée et utilisée principalement comme aliment pour animaux.
La carbonatation est appliquée pour éliminer les impuretés du jus brut avant que celui-ci puisse être précipité en cristaux de sucre. Pour cela, le jus brut est mélangé à du lait de chaux chaud, c’est-à-dire une suspension d’hydroxyde de calcium dans l’eau. Pendant la carbonatation, des impuretés telles que les sulfates, les phosphates, le citrate et les oxalates précipitent. Elles précipitent sous forme de sels de calcium et de molécules organiques plus grosses, par ex. les protéines, les pectines et les saponines. En outre, le pH alcalin convertit les sucres simples glucose et fructose, ainsi que l’acide aminé glutamine, en acides carboxyliques chimiquement stables, qui peuvent être éliminés ultérieurement par filtration, car ces molécules perturberaient la cristallisation.
Lors de l’étape suivante du procédé, du dioxyde de carbone est injecté sous forme de bulles dans la solution sucrée alcaline, ce qui précipite la chaux sous forme de carbonate de calcium. Les particules de carbonate de calcium fixent certaines impuretés. Les particules lourdes se déposent dans la cuve et peuvent être éliminées par filtration. Après ces étapes de purification et de nettoyage, on obtient ce que l’on appelle le jus léger. Le jus léger peut être traité avec du carbonate de sodium pour ajuster le pH ainsi qu’avec un composé soufré pour réduire la coloration, qui peut apparaître en raison de la décomposition thermique des monosaccharides.
L’évaporation est utilisée pour concentrer le jus léger à l’aide de systèmes d’évaporation à multiples effets, de sorte que le jus léger se transforme en jus dense. Le jus dense contient environ 60% de saccharose en poids.
Lors de l’étape finale, le jus dense est traité dans des cristalliseurs. L’ajout et la dissolution de sucre recyclé permettent de produire ce que l’on appelle une liqueur mère. La liqueur mère est concentrée davantage par ébullition sous vide dans de grandes cuves, appelées appareils à cuire sous vide, et de très fins cristaux de sucre sont ajoutés comme points d’ensemencement. Ces cristaux grossissent à mesure que le sucre de la liqueur mère se forme autour d’eux. Le mélange de cristaux de sucre / sirop ainsi obtenu est appelé masse cuite, un terme français qui signifie « masse cuite ». La masse cuite est introduite dans une centrifugeuse, où le « sirop High Green » est séparé de la masse cuite par la force centrifuge. Après la centrifugation, de l’eau est ensuite pulvérisée dans la centrifugeuse pour laver les cristaux de sucre, ce qui produit ce que l’on appelle le « sirop Low Green ». La centrifugeuse tourne ensuite à très grande vitesse pour sécher partiellement les cristaux. Lorsque la centrifugeuse ralentit, le sucre est raclé des parois de la centrifugeuse sur un système de convoyage qui le transporte vers un granulateur rotatif, où il est séché à l’air chaud. Les cristaux de sucre secs et propres sont prêts à être vendus aux raffineries ou aux fabricants de produits alimentaires pour un traitement ou une utilisation ultérieurs.