מיצוי אולטרסוני של סוכר מרצועות סלק סוכר
מיצוי אולטרסוני מגדיל את תפוקת הסוכרוז המופק מרצועות סלק סוכר ומקצר משמעותית את משך תהליך המיצוי. סוניקציה היא טכניקה פשוטה ובטוחה, שניתן לשלב בקלות בטכנולוגיית המיצוי הקיימת בזרימה נגדית כדי לשפר את יעילות המיצוי.
מיצוי אולטרסוני של רצועות סלק סוכר
מיצוי בסיוע אולטרסאונד מבוסס על עקרון הפעולה של קוויטציה אקוסטית או אולטרסונית. ההשפעות המכניות הנוצרות מקוויטציה המושרית באמצעות אולטרסאונד גורמות ליצירת נקבוביות באמצעות אולטרסאונד ולהרס דופנות התאים, ובעקבות זאת לעלייה בחדירותן של מולקולות הכלואות בתוך התא. זרימת הנוזל והמערבולות הזעירות הנגרמות מקוויטציה משפרות את מעבר המסה בתהליך המיצוי, כך שסוכרוז ומולקולות אחרות מועברים אל הממס, כלומר מים.
מכשיר אולטרסוני UIP4000hdT למיצוי תעשייתי של סלק סוכר.
- טיפול מקדים אולטרסוני (לפני מגדל הזרימה הנגדית)
- סוניקציה במהלך מיצוי בזרימה נגדית
- טיפול המשך אולטרסוני (אחרי מגדל הזרימה הנגדית)
בהתאם למתקן המיצוי הקיים, ליעדי הייצור ולשטח הזמין, ניתן לשלב בקלות סוניקציה במתקן הקיים כטיפול מקדים או כטיפול המשך, וכן במהלך המיצוי בזרימה נגדית.
טיפול מקדים אולטרסוני ברצועות סלק סוכר
טיפול מקדים אולטרסוני ברצועות סלק סוכר הוא טכניקה להגברת התהליך. ניתן לשלב בקלות מערכות מיצוי אולטרסוניות עם מגדלי מיצוי בזרימה נגדית, המשמשים בעיקר למיצוי סלק סוכר. סוניקציה קצרה של רצועות סלק הסוכר לפני כניסתן למערכת המיצוי בזרימה נגדית מסייעת להרוס ולפתוח את דופנות התאים. טיפול באולטרסאונד מקדם מעבר מסה בין הממס (כלומר מים) לבין רצועות הסלק, כך שמולקולות תוך־תאיות כגון סוכרוז מועברות מתוך התא אל הממס. הטיפול המקדים האולטרסוני ברצועות סלק סוכר מקל על מיצוי הסוכרוז בעמודת הזרימה הנגדית ומאיץ אותו.
תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) בהגדלה של 200× של דגימות רצועות סלק סוכר שעברו סוניקציה בהספק של 400 W ובטמפרטורה של 50°C למשכי מיצוי שונים. A) מיצוי רצועות בזרימה נגדית; B) לאחר מיצוי בסיוע אולטרסאונד (UAE) במשך 10 min; C) לאחר UAE במשך 20 min; D) לאחר UAE במשך 40 min. מיצוי אולטרסוני הורס את דופנות התאים ומשחרר את החומר התוך־תאי.
(©Fu et al., 2013)
השוואה בין מיצוי אולטרסוני למיצוי בזרימה נגדית
Fu et al. (2013) השוו בין מיצוי מסורתי בזרימה נגדית לבין מיצוי אולטרסוני של סוכרוז מרצועות סלק סוכר. תוצאות המחקר הראו שסוניקציה הניבה תפוקה גבוהה יותר בטוהר גבוה יותר, בעוד שזמן המיצוי התקצר משמעותית מ־70 min. (זרימה נגדית) ל־40 min. (סוניקציה). מיצוי בסיוע אולטרסאונד (UAE) מביא לריכוז נמוך יותר של זיהומים קולואידיים (במיוחד פקטינים), ומניב תפוקת סוכרוז גבוהה יותר (94.0±0.15%). המיץ המופק הוא בעל טוהר גבוה (92.6±0.11%). (ראו Fu et al., 2013)
מכיוון שמתקני ייצור סוכר כבר מצוידים במגדלי מיצוי קונבנציונליים בזרימה נגדית, שילוב סוניקציה סינרגטית במתקן הקיים הוא בדרך כלל האפשרות המועדפת. כדי ליישם מיצוי אולטרסוני של סוכרוז באופן היעיל ביותר מבחינת עלות וזמן, ניתן להתקין מערכת מיצוי אולטרסוני כטיפול סינרגטי לפני מיצוי קונבנציונלי בזרימה נגדית, במהלכו או אחריו. מכיוון שסוניקציה מפרקת את תאי סלק הסוכר ומשחררת מהם את הסוכרוז, ניתן לקצר את משך הטיפול בזרימה נגדית ובמקביל להגדיל את תפוקת הסוכרוז.
- תהליך מואץ
- תפוקות גבוהות יותר
- הגברת התהליך
- השפעות סינרגטיות בשילוב עם מערכות זרימה נגדית
- שילוב קל במתקנים קיימים
- בדיקות פשוטות
- הגדלת קנה המידה באופן ליניארי
- צורכי תחזוקה מועטים
- החזר השקעה מהיר
מערכות מיצוי אולטרסוניות בעלות ביצועים גבוהים
מערכות המיצוי של Hielscher Ultrasonics משמשות ברחבי העולם בתעשיות המזון והתרופות לייצור מסחרי של תמציות באיכות גבוהה המשמשות כמוצרי מזון, כתוספי תזונה או כתרופות. בין שברצונכם לבדוק ולמטב פרמטרים של עיבוד אולטרסוני בקנה מידה שולחני ובין שברצונכם להתקין מערכת מיצוי אולטרסונית תעשייתית מלאה לייצור בקו, ל-Hielscher Ultrasonics יש מערך מיצוי אולטרסוני המתאים לכם. שטח רצפה נדרש קטן ואפשרויות התקנה גמישות מאפשרים שילוב במערכות קיימות גם במתקן עיבוד צפוף.
תקנון תהליכים עם Hielscher Ultrasonics
יש לייצר מוצרים בדרגת מזון בהתאם לתנאי ייצור נאותים (GMP) ולמפרטי עיבוד אחידים. מערכות המיצוי הדיגיטליות של Hielscher Ultrasonics מצוידות בתוכנה חכמה, המאפשרת להגדיר את תהליך הסוניקציה ולבקר אותו במדויק ובקלות. רישום נתונים אוטומטי שומר בכרטיס ה-SD המובנה את כל פרמטרי התהליך האולטרסוני, כגון אנרגיית האולטרסאונד (האנרגיה הכוללת והאנרגיה נטו), המשרעת, הטמפרטורה והלחץ (כאשר מותקנים חיישני טמפרטורה ולחץ), בצירוף חותמת תאריך ושעה. כך תוכלו לבדוק בדיעבד כל אצווה שעברה עיבוד אולטרסוני. במקביל מובטחות הדירות ואיכות מוצר גבוהה באופן עקבי.
המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד. ניתן להפעילם בקלות וברציפות במשרעות של עד 200µm, בהפעלה של 24/7. למשרעות גבוהות אף יותר זמינות סונוטרודות אולטרסוניות המותאמות אישית. עמידותו של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת הפעלה של 24/7 בעומסי עבודה כבדים ובסביבות תובעניות.
הטבלה שלהלן מספקת אומדן לכושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:
| נפח אצווה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500mL | 10 עד 200mL/min | UP100H |
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | גבוהה יותר | אשכול של UIP16000 |
צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!
ספרות / מקורות
- 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.
עובדות שכדאי לדעת
ייצור סוכר
סוכרוז, המוכר גם כסוכר שולחני, מיוצר בעיקר מקנה סוכר ומסלק סוכר (Beta vulgaris). סוכר, כלומר סוכרוז, ממוצה מסלק באמצעות מים חמים בתהליך רב־שלבי, שבו מיץ סוכר גולמי ממוצה בדיפוזיה במים חמים במערכת זרימה נגדית. לאחר מכן מיץ הסוכר מרוכז בתנאי ריק, ובהמשך מתבצעות שטיפה מחזורית ולבסוף ייבוש.
לאחר האסיף, שורשי הסלק מועברים למפעל לעיבוד סוכר, שם הסלק נשטף ולאחר מכן נחתך באופן מכני לרצועות דקות, המכונות קוסטות. הקוסטות מוזנות למערכת מיצוי בזרימה נגדית. המערכת פועלת באמצעות דיפוזיה וממצה את הסוכר מהקוסטות אל המים החמים.
מערכות הדיפוזיה בזרימה נגדית הן כורים ארוכים או מגדלים / עמודות גבוהים בגובה של כמה מטרים, שבהם הקוסטות זורמות בכיוון אחד (כלפי מעלה), ואילו המים החמים זורמים בכיוון ההפוך (במורד הזרם). מתקני מיצוי מודרניים במגדלים הם בעלי כושר עיבוד של עד 17,000 טונות מטריות ביום. זמן השהייה האופייני של הקוסטות במגדל הזרימה הנגדית הוא כ־90 min., ואילו המים שוהים בעמודת הדיפוזיה רק 45 min. היתרון העיקרי של מערכות זרימה נגדית הוא השימוש המופחת במים בהשוואה להשריית סלק סוכר בכור מים חמים. תמיסת מיץ הסוכר המיוצרת במערכת הדיפוזיה בזרימה נגדית נקראת מיץ גולמי. צבעו של המיץ הגולמי עשוי לנוע משחור ועד אדום כהה, בהתאם לרמת החמצון שלו.
הקוסטות לאחר המיצוי יוצאות ממערכת הדיפוזיה כציפה בעלת תכולת לחות של כ־95%, אך תכולת סוכרוז נמוכה.
הציפה הלחה נסחטת במכבש בורגי עד לתכולת לחות של כ־75%, כדי להשיב את הסוכרוז שנותר בציפה.
הציפה שנותרת מיובשת ומשמשת בעיקר כמזון לבעלי חיים.
קרבונטציה משמשת לסילוק זיהומים מהמיץ הגולמי לפני שניתן לשקע אותו לגבישי סוכר. לשם כך מערבבים את המיץ הגולמי עם חלב סיד חם, כלומר תרחיף של סידן הידרוקסידי במים. במהלך הקרבונטציה שוקעים זיהומים כגון סולפטים, פוספטים, ציטרט ואוקסלטים. הם שוקעים בצורת מלחי סידן ומולקולות אורגניות גדולות יותר, כגון חלבונים, פקטינים וספונינים. נוסף על כך, ערך ה־pH הבסיסי ממיר את הסוכרים הפשוטים גלוקוז ופרוקטוז, יחד עם חומצת האמינו גלוטמין, לחומצות קרבוקסיליות יציבות מבחינה כימית, שניתן לסלק בהמשך באמצעות סינון, שכן מולקולות אלה היו מפריעות להתגבשות.
בשלב הבא של התהליך מבעבעים פחמן דו־חמצני דרך תמיסת הסוכר הבסיסית, וכך משקיעים את הסיד כסידן פחמתי. חלקיקי הסידן הפחמתי קושרים חלק מהזיהומים. החלקיקים הכבדים שוקעים במכל וניתן לסלקם באמצעות סינון. לאחר שלבי הטיהור והניקוי האלה מתקבל מה שמכונה מיץ דליל. ייתכן שהמיץ הדליל יטופל בנתרן פחמתי כדי להתאים את ערך ה־pH, וכן בתרכובת על בסיס גופרית כדי להפחית היווצרות צבע, שעלולה להתרחש עקב פירוק תרמי של חד־סוכרים.
אידוי משמש לריכוז המיץ הדליל באמצעות מערכות אידוי רב־דרגתיות, כך שהמיץ הדליל הופך למיץ סמיך. המיץ הסמיך מכיל כ־60% סוכרוז לפי משקל.
בשלב הסופי המיץ הסמיך מטופל במגבשים. באמצעות הוספה והמסה של סוכר ממוחזר נוצרת תמיסה המכונה תמיסת אם. תמיסת האם מרוכזת עוד באמצעות הרתחה בתנאי ריק בכלים גדולים, המכונים דודי ריק, ומוסיפים גבישי סוכר דקים מאוד כגרעיני התגבשות. גבישים אלה גדלים כאשר סוכר מתמיסת האם מתגבש סביבם. תערובת גבישי הסוכר / הסירופ המתקבלת נקראת מסקויט, מונח צרפתי שפירושו "מסה מבושלת". המסקויט מוזן לצנטריפוגה, שבה מופרד ממנו סירופ "High Green" באמצעות כוח צנטריפוגלי. לאחר הצנטריפוגציה מותזים מים לתוך הצנטריפוגה כדי לשטוף את גבישי הסוכר, וכך נוצר מה שמכונה סירופ "Low Green". לאחר מכן הצנטריפוגה מסתובבת במהירויות גבוהות מאוד כדי לייבש את הגבישים באופן חלקי. כאשר הצנטריפוגה מאטה, הסוכר מגורד מדפנותיה אל מערכת מסועים, שמעבירה אותו למגרען סיבובי שבו הוא מיובש באוויר חם. גבישי הסוכר היבשים והנקיים מוכנים למכירה למפעלי זיקוק סוכר או ליצרני מזון להמשך טיפול או שימוש.