Estrazione a ultrasuoni dello zucchero dalle fettucce di barbabietola da zucchero
L’estrazione a ultrasuoni aumenta la resa del saccarosio estratto dalle fettucce di barbabietola da zucchero e riduce significativamente la durata del processo di estrazione. La sonicazione è una tecnica semplice e sicura, che può essere facilmente combinata con l’attuale tecnologia di estrazione in controcorrente per migliorare l’efficienza di estrazione.
Estrazione a ultrasuoni dalle fettucce di barbabietola da zucchero
L’estrazione assistita da ultrasuoni si basa sul principio di funzionamento della cavitazione acustica o ultrasonica. Gli effetti meccanici generati dalla cavitazione indotta dagli ultrasuoni provocano la sonoporazione e la disgregazione delle pareti cellulari, aumentando così la permeabilità al passaggio delle molecole intrappolate all’interno delle cellule. I flussi di liquido e le microturbolenze causati dalla cavitazione migliorano il trasferimento di massa nel processo di estrazione, consentendo il trasferimento del saccarosio e di altre molecole nel solvente, ossia nell’acqua.
Sonicatore UIP4000hdT per l’estrazione industriale dalle barbabietole da zucchero.
- Pretrattamento a ultrasuoni (prima della torre in controcorrente)
- Sonicazione durante l’estrazione in controcorrente
- Post-trattamento a ultrasuoni (dopo la torre in controcorrente)
A seconda dell’impianto di estrazione esistente, degli obiettivi di produzione e dello spazio disponibile, la sonicazione può essere facilmente integrata come pretrattamento o post-trattamento, oppure durante l’estrazione in controcorrente.
Pretrattamento a ultrasuoni delle fettucce di barbabietola da zucchero
Il pretrattamento a ultrasuoni delle fettucce di barbabietola da zucchero è una tecnica di intensificazione del processo. Gli estrattori a ultrasuoni possono essere facilmente combinati con le torri di estrazione in controcorrente, utilizzate principalmente per l’estrazione dalle barbabietole da zucchero. Una breve sonicazione delle fettucce di barbabietola da zucchero prima del loro ingresso nel sistema di estrazione in controcorrente contribuisce a disgregare e aprire le pareti cellulari. Il trattamento a ultrasuoni favorisce il trasferimento di massa tra il solvente (ossia l’acqua) e le fettucce di barbabietola, consentendo il trasferimento delle molecole intracellulari, come il saccarosio, dall’interno delle cellule al solvente. Il pretrattamento a ultrasuoni delle fettucce di barbabietola da zucchero facilita e accelera l’estrazione del saccarosio nella colonna in controcorrente.
Immagini SEM (200×) di campioni di fettucce di barbabietola da zucchero sottoposti a sonicazione a 400 W e 50°C per diversi tempi di estrazione. A) estrazione delle fettucce in controcorrente; B) dopo UAE per 10 min; C) dopo UAE per 20 min; D) dopo UAE per 40 min. L’estrazione a ultrasuoni disgrega le pareti cellulari e rilascia il materiale intracellulare.
(©Fu et al., 2013)
Confronto tra estrazione a ultrasuoni ed estrazione in controcorrente
Fu et al. (2013) hanno confrontato l’estrazione tradizionale in controcorrente con l’estrazione a ultrasuoni del saccarosio dalle fettucce di barbabietola da zucchero. I risultati dello studio hanno mostrato che la sonicazione ha consentito di ottenere una resa maggiore e una purezza superiore, riducendo significativamente il tempo di estrazione da 70 min. (controcorrente) a 40 min. (sonicazione). L’estrazione assistita da ultrasuoni (UAE) determina una minore concentrazione di impurità colloidali (in particolare pectine) e una maggiore resa di saccarosio (94,0±0,15%). Il succo estratto presenta un’elevata purezza (92,6±0,11%). (cfr. Fu et al., 2013)
Poiché gli impianti di produzione dello zucchero sono già dotati di torri di estrazione convenzionali in controcorrente, si preferisce generalmente combinare la sonicazione sinergica con l’impianto esistente. Per applicare l’estrazione a ultrasuoni del saccarosio nel modo più efficiente in termini di costi e tempi, l’estrazione a ultrasuoni può essere integrata come trattamento sinergico prima, durante o dopo l’estrazione convenzionale in controcorrente. Poiché la sonicazione disgrega le cellule della barbabietola da zucchero e ne rilascia il saccarosio, è possibile ridurre la durata del trattamento in controcorrente e aumentare al contempo la resa di saccarosio.
- Processo accelerato
- Rese maggiori
- Intensificazione del processo
- Effetti sinergici con i sistemi in controcorrente
- Facile integrazione negli impianti esistenti
- Semplicità di prova
- Scalabilità lineare
- Manutenzione ridotta
- Rapido ritorno sull’investimento
Estrattori a ultrasuoni ad alte prestazioni
I sistemi di estrazione di Hielscher Ultrasonics sono utilizzati in tutto il mondo nei settori alimentare e farmaceutico per la produzione commerciale di estratti di alta qualità impiegati come prodotti alimentari, integratori alimentari o prodotti farmaceutici. Sia che desideriate testare e ottimizzare i parametri del trattamento a ultrasuoni su scala da banco, sia che vogliate installare un sistema di estrazione a ultrasuoni interamente industriale per la produzione in linea, Hielscher Ultrasonics dispone della configurazione di estrazione a ultrasuoni adatta alle vostre esigenze. L’ingombro ridotto e le opzioni di installazione flessibili consentono l’integrazione anche in un impianto di lavorazione con spazi molto limitati.
Standardizzazione del processo con Hielscher Ultrasonics
I prodotti per uso alimentare devono essere realizzati in conformità alle buone pratiche di fabbricazione (GMP) e secondo specifiche di lavorazione standardizzate. I sistemi di estrazione digitali di Hielscher Ultrasonics sono dotati di un software intelligente che facilita l’impostazione e il controllo preciso del processo di sonicazione. La registrazione automatica dei dati memorizza sulla scheda SD integrata tutti i parametri del processo a ultrasuoni, quali energia ultrasonica (energia totale e netta), ampiezza, temperatura e pressione (quando sono installati i sensori di temperatura e pressione), insieme alla data e all’ora. Ciò consente di verificare ogni lotto trattato a ultrasuoni. Al contempo, vengono garantite la riproducibilità e una qualità del prodotto costantemente elevata.
I processori a ultrasuoni industriali di Hielscher Ultrasonics possono erogare ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente mantenute in funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 in condizioni di impiego gravoso e in ambienti impegnativi.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:
| Volume del lotto | Portata | Dispositivi consigliati |
|---|---|---|
| da 1 a 500mL | da 10 a 200mL/min | UP100H |
| da 10 a 2000mL | da 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| da 0,1 a 20L | da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| da 10 a 100L | da 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| non applicabile | da 10 a 100L/min | UIP16000 |
| non applicabile | superiore | gruppo di UIP16000 |
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Bibliografia / Riferimenti
- 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.
Informazioni utili
Produzione dello zucchero
Il saccarosio, noto anche come zucchero da tavola, viene prodotto principalmente dalla canna da zucchero e dalle barbabietole da zucchero (Beta vulgaris). Lo zucchero, ossia il saccarosio, viene estratto dalle barbabietole con acqua calda mediante un processo a più fasi, nel quale il succo zuccherino grezzo viene estratto per diffusione in acqua calda in un sistema in controcorrente. Successivamente, il succo zuccherino viene concentrato sotto vuoto, seguito da lavaggi ciclici e infine dall’essiccazione.
Dopo la raccolta, le radici delle barbabietole vengono trasportate allo zuccherificio, dove vengono lavate e poi tagliate meccanicamente in strisce sottili, le cosiddette fettucce. Le fettucce vengono immesse nel sistema di estrazione in controcorrente. Il sistema in controcorrente funziona per diffusione e trasferisce per lisciviazione lo zucchero contenuto nelle fettucce nell’acqua calda.
I sistemi di diffusione in controcorrente sono costituiti da reattori lunghi o da torri / colonne alte diversi metri, nei quali le fettucce scorrono in una direzione (verso l’alto), mentre l’acqua calda scorre nella direzione opposta (verso il basso). I moderni impianti di estrazione a torre hanno una capacità di trattamento fino a 17.000 tonnellate metriche al giorno. Il tempo di permanenza tipico delle fettucce nella torre in controcorrente è di circa 90 min., mentre l’acqua rimane nella colonna di diffusione per soli 45 min. Il principale vantaggio dei sistemi in controcorrente è il consumo ridotto di acqua rispetto alla macerazione delle barbabietole da zucchero in un reattore ad acqua calda. La soluzione zuccherina prodotta nel sistema di diffusione in controcorrente è chiamata succo grezzo. Il colore del succo grezzo può variare dal nero al rosso scuro a seconda del suo grado di ossidazione.
Le fettucce esauste escono dal sistema di diffusione sotto forma di polpa con circa il 95% di umidità, ma con un basso contenuto di saccarosio.
La polpa umida viene pressata con una pressa a vite fino a raggiungere circa il 75% di umidità, per recuperare il saccarosio residuo dalla polpa.
La polpa restante viene essiccata e utilizzata principalmente come mangime per animali.
La carbonatazione viene applicata per rimuovere le impurità dal succo grezzo prima che lo zucchero possa essere precipitato sotto forma di cristalli. A tal fine, il succo grezzo viene miscelato con latte di calce caldo, ossia una sospensione di idrossido di calcio in acqua. Durante la carbonatazione precipitano impurità quali solfati, fosfati, citrato e ossalati. Precipitano sotto forma di sali di calcio e di molecole organiche più grandi, ad esempio proteine, pectine e saponine. Inoltre, il pH alcalino converte gli zuccheri semplici glucosio e fruttosio, insieme all’amminoacido glutammina, in acidi carbossilici chimicamente stabili, che possono essere successivamente rimossi mediante filtrazione, poiché queste molecole interferirebbero con la cristallizzazione.
Nella fase successiva del processo, si fa gorgogliare anidride carbonica attraverso la soluzione zuccherina alcalina, facendo precipitare la calce come carbonato di calcio. Le particelle di carbonato di calcio legano alcune impurità. Le particelle pesanti sedimentano nel serbatoio e possono essere rimosse mediante filtrazione. Dopo queste fasi di purificazione e pulizia si ottiene il cosiddetto succo leggero. Il succo leggero può essere trattato con carbonato di sodio per regolare il pH e con un composto a base di zolfo per ridurre la colorazione che può verificarsi a causa della decomposizione termica dei monosaccaridi.
L’evaporazione viene utilizzata per concentrare il succo leggero mediante sistemi di evaporazione a multiplo effetto, trasformandolo in succo denso. Il succo denso contiene circa il 60% di saccarosio in peso.
Nella fase finale, il succo denso viene trattato nei cristallizzatori. Aggiungendo e dissolvendo zucchero riciclato si produce il cosiddetto liquido madre. Il liquido madre viene ulteriormente concentrato mediante ebollizione sotto vuoto in grandi recipienti, noti come bolle di cottura sotto vuoto, e vengono aggiunti cristalli di zucchero molto fini come nuclei di cristallizzazione. Questi cristalli crescono man mano che lo zucchero del liquido madre si deposita intorno a essi. La miscela risultante di cristalli di zucchero e sciroppo è chiamata massecuite, un termine francese che significa “massa cotta”. La massecuite viene immessa in una centrifuga, dove lo “sciroppo verde forte” viene rimosso dalla massecuite per forza centrifuga. Dopo la centrifugazione, viene spruzzata acqua nella centrifuga per lavare i cristalli di zucchero, producendo il cosiddetto “sciroppo verde debole”. La centrifuga ruota quindi a velocità molto elevate per asciugare parzialmente i cristalli. Quando la centrifuga rallenta, lo zucchero viene raschiato dalle pareti della centrifuga e trasferito su un sistema di trasporto che lo porta a un granulatore rotante, dove viene essiccato con aria calda. I cristalli di zucchero asciutti e puliti sono pronti per essere venduti alle raffinerie o ai produttori alimentari per ulteriori trattamenti o per l’utilizzo.