Ultrazvučna ekstrakcija šećera iz rezanaca šećerne repe
Ultrazvučna ekstrakcija povećava prinos saharoze ekstrahirane iz rezanaca šećerne repe i znatno skraćuje trajanje postupka ekstrakcije. Sonikacija je jednostavna i sigurna tehnika koja se lako može kombinirati s postojećom tehnologijom ekstrakcije protustrujnim tokom radi poboljšanja učinkovitosti ekstrakcije.
Ultrazvučna ekstrakcija iz rezanaca šećerne repe
Ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom temelji se na načelu djelovanja akustične ili ultrazvučne kavitacije. Mehanički učinci nastali kavitacijom izazvanom ultrazvukom uzrokuju sonoporaciju i razaranje staničnih stijenki, čime se posljedično povećava propusnost molekula zarobljenih u unutrašnjosti stanice. Strujanje tekućine i mikroturbulencije uzrokovani kavitacijom poboljšavaju prijenos tvari tijekom postupka ekstrakcije, tako da saharoza i druge molekule prelaze u otapalo, odnosno vodu.
Ultrazvučni uređaj UIP4000hdT za industrijsku ekstrakciju iz šećerne repe.
- Ultrazvučna predobrada (prije protustrujnog tornja)
- Sonikacija tijekom protustrujne ekstrakcije
- Ultrazvučna naknadna obrada (nakon protustrujnog tornja)
Ovisno o postojećem postrojenju za ekstrakciju, proizvodnim ciljevima i raspoloživom prostoru, sonikacija se lako može naknadno ugraditi kao predobrada ili naknadna obrada, kao i tijekom ekstrakcije protustrujnim tokom.
Ultrazvučna predobrada rezanaca šećerne repe
Ultrazvučna predobrada rezanaca šećerne repe tehnika je intenzifikacije procesa. Ultrazvučni ekstraktori lako se mogu kombinirati s tornjevima za ekstrakciju protustrujnim tokom, koji se uglavnom upotrebljavaju za ekstrakciju iz šećerne repe. Kratka sonikacija rezanaca šećerne repe prije njihova ulaska u sustav za protustrujnu ekstrakciju pomaže u razaranju i otvaranju staničnih stijenki. Obrada ultrazvukom potiče prijenos tvari između otapala (odnosno vode) i rezanaca repe, tako da unutarstanične molekule poput saharoze prelaze iz unutrašnjosti stanice u otapalo. Ultrazvučna predobrada rezanaca šećerne repe olakšava i ubrzava ekstrakciju saharoze u koloni s protustrujnim tokom.
SEM snimke (200×) uzoraka rezanaca šećerne repe sonikacijom obrađenih pri 400 W i 50°C uz različita vremena ekstrakcije. A) ekstrakcija rezanaca protustrujnim tokom; B) nakon 10 min ekstrakcije potpomognute ultrazvukom (UAE); C) nakon 20 min UAE; D) nakon 40 min UAE. Ultrazvučna ekstrakcija razara stanične stijenke i oslobađa unutarstanični materijal.
(©Fu et al., 2013)
Usporedba ultrazvučne i protustrujne ekstrakcije
Fu et al. (2013) usporedili su tradicionalnu ekstrakciju protustrujnim tokom s ultrazvučnom ekstrakcijom saharoze iz rezanaca šećerne repe. Rezultati istraživanja pokazali su da je sonikacijom postignut veći prinos uz višu čistoću, dok je vrijeme ekstrakcije znatno skraćeno sa 70 min. (protustrujna ekstrakcija) na 40 min. (sonikacija). Ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom (UAE) rezultira nižom koncentracijom koloidnih nečistoća (osobito pektina) i daje veći prinos saharoze (94,0±0,15%). Ekstrahirani sok visoke je čistoće (92,6±0,11%). (usp. Fu et al., 2013)
Budući da su postrojenja za proizvodnju šećera već opremljena konvencionalnim tornjevima za protustrujnu ekstrakciju, uglavnom se prednost daje kombiniranju sinergijske sonikacije s postojećom opremom. Kako bi se ultrazvučna ekstrakcija saharoze primijenila na troškovno i vremenski najučinkovitiji način, ultrazvučna ekstrakcija može se ugraditi kao sinergijska obrada prije, tijekom ili nakon konvencionalne ekstrakcije protustrujnim tokom. Budući da sonikacija razara stanice šećerne repe i oslobađa saharozu iz stanica, trajanje obrade protustrujnim tokom može se skratiti, uz istodobno povećanje prinosa saharoze.
- Ubrzan proces
- Veći prinosi
- Intenzifikacija procesa
- Sinergijski učinci s protustrujnim sustavima
- Jednostavna naknadna ugradnja
- Jednostavno ispitivanje
- Linearno povećanje kapaciteta
- Mali zahtjevi za održavanjem
- Brz povrat ulaganja
Ultrazvučni ekstraktori visokih performansi
Ekstrakcijski sustavi tvrtke Hielscher Ultrasonics upotrebljavaju se diljem svijeta u prehrambenoj i farmaceutskoj industriji za komercijalnu proizvodnju visokokvalitetnih ekstrakata koji se upotrebljavaju kao prehrambeni proizvodi, dodaci prehrani ili lijekovi. Bilo da želite ispitati i optimirati parametre ultrazvučne obrade na laboratorijskom stolu ili ugraditi potpuno industrijski sustav ultrazvučne ekstrakcije za proizvodnju u kontinuiranom toku, Hielscher Ultrasonics ima odgovarajuću opremu za ultrazvučnu ekstrakciju za vas. Mali prostorni zahtjevi i fleksibilne mogućnosti ugradnje omogućuju naknadnu ugradnju čak i u skučenom pogonu za obradu.
Standardizacija procesa uz Hielscher Ultrasonics
Proizvodi prehrambene kvalitete trebaju se proizvoditi u skladu s dobrom proizvođačkom praksom (GMP) i prema standardiziranim specifikacijama obrade. Digitalni ekstrakcijski sustavi tvrtke Hielscher Ultrasonics opremljeni su inteligentnim softverom koji olakšava precizno postavljanje i upravljanje procesom sonikacije. Automatsko bilježenje podataka zapisuje sve parametre ultrazvučnog procesa, poput ultrazvučne energije (ukupne i neto energije), amplitude, temperature i tlaka (kada su ugrađeni senzori temperature i tlaka), s datumskom i vremenskom oznakom na ugrađenu SD karticu. To vam omogućuje naknadnu provjeru svake ultrazvučno obrađene šarže. Istodobno su osigurane ponovljivost i stalno visoka kvaliteta proizvoda.
Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude. Rad s amplitudama do 200µm lako se može neprekidno održavati u režimu rada 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost ultrazvučne opreme tvrtke Hielscher omogućuje rad 24/7 pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skup uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni homogenizatori velike snage od laboratorijskog do pilotnog i industrijskog mjerila.
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.
Korisne činjenice
Proizvodnja šećera
Saharoza, poznata i kao stolni šećer, uglavnom se proizvodi iz šećerne trske i šećerne repe (Beta vulgaris). Šećer, odnosno saharoza, ekstrahira se iz repe vrućom vodom u višestupanjskom postupku, pri čemu se sirovi šećerni sok ekstrahira difuzijom u vrućoj vodi u sustavu s protustrujnim tokom. Nakon toga šećerni se sok koncentrira pod vakuumom, nakon čega slijede cikličko pranje i na kraju sušenje.
Nakon vađenja korijeni repe prevoze se u pogon za preradu šećera, gdje se repa pere, a zatim mehanički reže na tanke trake, takozvane rezance. Rezanci se uvode u sustav za ekstrakciju s protustrujnim tokom. Protustrujni sustav radi na načelu difuzije i izlužuje šećer iz rezanaca u vruću vodu.
Protustrujni difuzijski sustavi dugi su reaktori ili visoki tornjevi / kolone visine nekoliko metara u kojima rezanci teku u jednom smjeru (prema gore), dok vruća voda teče u suprotnom smjeru (nizvodno). Suvremena postrojenja za ekstrakciju u tornjevima imaju kapacitet prerade do 17.000 metričkih tona dnevno. Uobičajeno vrijeme zadržavanja rezanaca u protustrujnom tornju iznosi približno 90 min., dok voda u difuzijskoj koloni ostaje samo 45 min. Glavna prednost sustava s protustrujnim tokom jest smanjena potrošnja vode u usporedbi s maceracijom šećerne repe u reaktoru s vrućom vodom. Otopina šećernog soka koja nastaje u protustrujnom difuzijskom sustavu naziva se sirovi sok. Boja sirovog soka može varirati od crne do tamnocrvene, ovisno o stupnju oksidacije.
Isluženi rezanci izlaze iz difuzijskog sustava kao pulpa s približno 95% vlage, ali s niskim udjelom saharoze.
Vlažna pulpa preša se pužnom prešom do približno 75% vlage kako bi se iz nje izdvojila preostala saharoza.
Preostala pulpa suši se i uglavnom upotrebljava kao hrana za životinje.
Karbonatacija se primjenjuje za uklanjanje nečistoća iz sirovog soka prije nego što se on može istaložiti u kristale šećera. Stoga se sirovi sok miješa s vrućim vapnenim mlijekom, odnosno suspenzijom kalcijeva hidroksida u vodi. Tijekom karbonatacije talože se nečistoće poput sulfata, fosfata, citrata i oksalata. Talože se u obliku kalcijevih soli i većih organskih molekula, primjerice proteina, pektina i saponina. Osim toga, 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 postupka ugljikov dioksid propušta se u obliku mjehurića kroz alkalnu otopinu šećera, pri čemu se vapno taloži kao kalcijev karbonat. Čestice kalcijeva karbonata vežu dio nečistoća. Teške čestice talože se u spremniku i mogu se ukloniti filtracijom. Nakon tih koraka pročišćavanja i čišćenja dobiva se takozvani rijetki sok. Rijetki sok može se obraditi natrijevim karbonatom radi prilagodbe pH-vrijednosti te spojem na bazi sumpora radi smanjenja obojenja koje može nastati zbog toplinske razgradnje monosaharida.
Isparavanje se upotrebljava za koncentriranje rijetkog soka u sustavima za višestupanjsko isparavanje, tako da rijetki sok prelazi u gusti sok. Gusti sok sadrži približno 60% saharoze po masi.
U završnom koraku gusti se sok obrađuje u kristalizatorima. Dodavanjem i otapanjem recikliranog šećera nastaje takozvana matična otopina. Matična otopina dodatno se koncentrira vrenjem pod vakuumom u velikim posudama, poznatima kao vakuumski aparati za ukuhavanje, te se dodaju vrlo sitni kristali šećera kao kristalizacijske jezgre. Ti kristali rastu kako se šećer iz matične otopine oblikuje oko njih. Nastala smjesa kristala šećera i sirupa naziva se šećerovina, odnosno massecuite, što je francuski izraz koji znači „kuhana masa”. Šećerovina se uvodi u centrifugu, gdje se iz nje centrifugalnom silom uklanja sirup „High Green”. Nakon centrifugiranja u centrifugu se raspršuje voda kako bi se oprali kristali šećera, pri čemu nastaje takozvani sirup „Low Green”. Centrifuga se zatim vrti vrlo velikom brzinom kako bi se kristali djelomično osušili. Kada centrifuga uspori, šećer se struže sa stijenki centrifuge na transportni sustav koji ga prenosi u rotacijski granulator, gdje se suši toplim zrakom. Suhi, čisti kristali šećera spremni su za prodaju rafinerijama ili proizvođačima hrane za daljnju obradu ili uporabu.