Ultrazvučna ekstrakcija šećera iz koštica šećerne repe
Ultrazvučna ekstrakcija povećava prinos ekstrahirane saharoze iz koštica šećerne repe i značajno smanjuje trajanje procesa ekstrakcije. Ultrazvuk je jednostavna i sigurna tehnika koja se lako može kombinirati s trenutnom tehnologijom ekstrakcije protustrujnim protokom kako bi se poboljšala učinkovitost ekstrakcije.
Ultrazvučna ekstrakcija koseta šećerne repe
Ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom temelji se na principu rada akustične ili ultrazvučne kavitacije. Mehanički učinci, koji nastaju ultrazvučno induciranom kavitacijom, uzrokuju sonoporaciju i kidanje staničnih stijenki, što posljedično povećava propusnost molekula zarobljenih u unutrašnjosti stanice. Kavitacijski uzrokovano strujanje tekućine i mikroturbulencije poboljšavaju prijenos mase procesa ekstrakcije, tako da saharoza i druge molekule prelaze u otapalo, odnosno vodu.
Ultrazvučni uređaj UIP4000hdT za industrijsko vađenje šećerne repe.
- Ultrazvučna prethodna obrada (prije protustrujnog tornja)
- Sonikacija tijekom protustrujne ekstrakcije
- Ultrazvučna naknadna obrada (nakon protustrujnog tornja)
Ovisno o postojećem pogonu za ekstrakciju, proizvodnim ciljevima i raspoloživom prostoru, ultrazvuk se može lako naknadno ugraditi kao prethodna ili naknadna obrada, kao i tijekom ekstrakcije protustrujnim strujanjem.
Ultrazvučna prethodna obrada koštica šećerne repe
Ultrazvučna prethodna obrada koštica šećerne repe tehnika je koja intenzivira proces. Ultrazvučni ekstraktori mogu se jednostavno kombinirati s protustrujnim ekstrakcijskim tornjevima, koji se uglavnom koriste za ekstrakciju šećerne repe. Kratka ultrazvučna obrada koštica šećerne repe prije nego što uđu u sustav protustrujne ekstrakcije pomaže poremetiti i otvoriti stanične stijenke. Ultrasonication promiče prijenos mase između otapala (tj. vode) i cikle repe, tako da se unutarstanične molekule poput saharoze prenose iz unutrašnjosti stanice u otapalo. Ultrazvučna prethodna obrada koštica šećerne repe olakšava i ubrzava ekstrakciju saharoze u protustrujnoj koloni.
SEM (200×) uzoraka narezaka šećerne repe sonikiranih na 400 W na 50°C za različita vremena ekstrakcije. A) protustrujni tok ekstrakcije koseta; B) nakon UAE 10 min; C) nakon UAE 20 min; D) nakon UAE 40 min. Ultrazvučna ekstrakcija remeti stanične stijenke i oslobađa unutarstanični materijal.
(©Fu et al., 2013)
Usporedba ultrazvučne i protustrujne ekstrakcije
Fu i sur. (2013.) usporedili su tradicionalnu protustrujnu ekstrakciju s ultrazvučnom ekstrakcijom saharoze iz kore šećerne repe. Rezultati studije pokazali su da je sonikacija rezultirala većim prinosom vrhunske čistoće, dok je vrijeme ekstrakcije značajno smanjeno sa 70 min. (protustruja) do 40 min. (sonifikacija). Ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija (UAE) rezultira nižom koncentracijom koloidnih nečistoća (osobito pektina), te daje veći prinos saharoze (94,0±0,15%). Ekstrahirani sok visoke čistoće (92,6±0,11%). (usp. Fu et al., 2013.)
Budući da su pogoni za proizvodnju šećera već opremljeni konvencionalnim protustrujnim ekstrakcijskim tornjevima, kombinacija sinergijske sonikacije s postojećim postrojenjem općenito se daje prednost. Kako bi se ultrazvučna ekstrakcija saharoze primijenila na troškovno i vremenski najučinkovitiji način, ultrazvučna ekstrakcija može se instalirati kao sinergistički tretman prije, tijekom ili nakon konvencionalne ekstrakcije protustrujnim protokom. Budući da sonikacija ometa stanice šećerne repe i oslobađa saharozu iz stanica, trajanje obrade protustrujnim protokom može se smanjiti, dok se prinos saharoze povećava.
- Ubrzani proces
- veći prinosi
- intenzifikacija procesa
- Sinergetski učinci s protustrujnim sustavima
- laka naknadna ugradnja
- Jednostavno testiranje
- linearna skalabilnost
- slabo održavanje
- Brzi ROI
Ultrazvučni ekstraktori visokih performansi
Hielscher Ultrasonics’ extraction systems are used worldwide in food and pharma for the commercial production of high quality extracts used as food products, dietary supplements or pharmaceuticals. Wether you want to test and optimise ultrasonic processing parameters on bench-top level or install a fully-industrial ultrasonic extraction system for inline production, Hielscher Ultrasonics has the suitable ultrasonic extraction setup for you. A small foot print and flexible installation options allow for retro-fitting even in a crammed processing facility.
Standardizacija procesa s Hielscher Ultrasonics
Food-grade products should be produced in accordance to Good Manufacturing Practices (GMP) and under standardised processing specifications. Hielscher Ultrasonics’ digital extraction systems come with intelligent software, which makes it easy to set and control the sonication process precisely. Automatic data recording writes all ultrasonic process parameters such as ultrasound energy (total and net energy), amplitude, temperature, pressure (when temp and pressure sensors are mounted) with date and time stamp on the built-in SD-card. This allows you to revise each ultrasonically processed lot . At the same time, reproducibility and continuously high product quality are ensured.
Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad pri teškim uvjetima rada iu zahtjevnim okruženjima.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni homogenizatori velike snage od laboratorija do pilot i industrijski mjerilo.
Literatura / Reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
proizvodnja šećera
Saharoza, poznata i kao stolni šećer, uglavnom se proizvodi od šećerne trske i šećerne repe (Beta vulgaris). Šećer, tj. saharoza, ekstrahira se iz repe pomoću vruće vode u višestupanjskom procesu, gdje se sirovi šećerni sok ekstrahira difuzijom vruće vode u protustrujnom sustavu. Nakon toga, šećerni sok se koncentrira pod vakuumom, nakon čega slijedi cikličko pranje i konačno sušenje.
Nakon berbe korijenje repe se transportira u tvornicu za preradu šećera, gdje se repa pere i strojno reže na tanke ploške, tzv. Kosete se dovode u protustrujni ekstrakcijski sustav. Protustrujni sustav radi difuzijom i izlučuje sadržaj šećera iz koštica u vruću vodu.
Protustrujni difuzijski sustavi su dugački reaktori ili visoki tornjevi / stupovi od nekoliko metara u kojima mjehurići teku u jednom smjeru (prema gore), dok topla voda teče u suprotnom smjeru (nizvodno). Moderna postrojenja za ekstrakciju u tornju imaju kapacitet prerade do 17.000 metričkih tona dnevno. Tipično vrijeme zadržavanja koseta u protustrujnom tornju je cca. 90 min., dok voda ostaje samo 45 min. u stupcu difuzora. Glavna prednost protustrujnih sustava je smanjena potrošnja vode u usporedbi s maceracijom šećerne repe u toplovodnom reaktoru. Otopina šećernog soka koja se proizvodi u sustavu protustrujne difuzije naziva se sirovi sok. Boja sirovog soka može varirati od crne do tamnocrvene, ovisno o stupnju oksidacije.
Istrošene košulje izlaze iz difuzijskog sustava kao pulpa s cca. 95% vlage, ali nizak sadržaj saharoze.
Vlažna pulpa se preša pužnom prešom na cca. 75% vlage za obnavljanje preostale saharoze iz pulpe.
Preostala pulpa se suši i koristi uglavnom kao stočna hrana.
Karbonatacija se primjenjuje kako bi se uklonile nečistoće iz sirovog soka prije nego što se može istaložiti u kristale šećera. Stoga se sirovi sok pomiješa s vrućim vapnenim mlijekom, tj. otopinom kalcijevog hidroksida u vodi. Tijekom karbonatacije talože se nečistoće kao što su sulfati, fosfati, citrati i oksalati. Oni se talože u obliku kalcijevih soli i većih organskih molekula, npr. proteina, pektina i saponina. Dodatno, alkalna pH vrijednost pretvara jednostavne šećere glukozu i fruktozu zajedno s aminokiselinom glutaminom u kemijski stabilne karboksilne kiseline, koje se kasnije mogu ukloniti filtracijom, jer bi te molekule ometale kristalizaciju.
U sljedećem koraku procesa, ugljični dioksid se propušta kroz alkalnu otopinu šećera, taložeći vapno kao kalcijev karbonat. Čestice kalcijevog karbonata vežu neke nečistoće. Teške čestice talože se u spremniku i mogu se ukloniti filtracijom. Nakon ovih koraka pročišćavanja i čišćenja dobiva se takozvani rijetki sok. Rijetki sok može se tretirati sodom kako bi se prilagodila pH vrijednost, kao i spojem na bazi sumpora kako bi se smanjilo obojenje do kojeg bi moglo doći zbog toplinske razgradnje monosaharida.
Isparavanje se koristi za koncentriranje rijetkog soka korištenjem višestrukih sustava za isparavanje, tako da se rijetki sok pretvara u gusti sok. Gusti sok ima cca. 60% saharoze po težini.
U završnoj fazi, gusti sok se tretira u kristalizatorima. Dodavanjem i otapanjem recikliranog šećera nastaje takozvana matična tekućina. Matična tekućina se dalje koncentrira kuhanjem pod vakuumom u velikim posudama, poznatim kao vakuumske posude, a vrlo fini kristali šećera dodaju se kao točke za sijanje. Ti kristali rastu dok se oko njih stvara šećer iz matične tekućine. Rezultirajuća mješavina kristala šećera / sirupa naziva se masecuite, francuski izraz koji znači “kuhana masa”. The massecuite is fed into a centrifuge, where the “High Green syrup” is removed from the massecuite by centrifugal force. After a centrifucagtion, water is then sprayed into the centrifuge to wash the sugar crystals, which produces a so-called “Low Green syrup”. The centrifuge then spins at very high speeds to partially dry the crystals. When the centrifuge slows down, the sugar is scraped from centrifuge walls onto a conveyer system to transport the sugar into a rotation granulator where it is dried by warm air. The dry, clean sugar crystals are ready to be sold to refineries or food manufacturers for further treatment or use.