Estrazione ad ultrasuoni di zucchero dai cosacchi di barbabietola da zucchero
L'estrazione ad ultrasuoni aumenta la resa del saccarosio estratto dalle cosette 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 a flusso in controcorrente per migliorare l'efficienza dell'estrazione.
Estrazione a ultrasuoni di barbabietola da zucchero Cossette Extraction
L'estrazione assistita da ultrasuoni si basa sul principio di funzionamento della cavitazione acustica o ultrasonica. Gli effetti meccanici, che sono generati dalla cavitazione indotta dagli ultrasuoni, causano la sono-porazione e la rottura delle pareti cellulari, che aumenta la permeabilità delle molecole intrappolate all'interno della cellula. La cavitazione causata dalla corrente liquida e le microturbolenze migliorano il trasferimento di massa del processo di estrazione, in modo che il saccarosio e le altre molecole siano trasferite nel solvente, cioè nell'acqua.
Ultrasuonatore UIP4000hdT per l'estrazione industriale della barbabietola da zucchero.
- Pretrattamento ad ultrasuoni (prima della torre controcorrente)
- Sonicazione durante l'estrazione in controcorrente
- Post-trattamento ad ultrasuoni (dopo la torre controcorrente)
A seconda dell'impianto di estrazione esistente, degli obiettivi di produzione e dello spazio disponibile, la sonicazione può essere facilmente riadattata come pre o post-trattamento e durante l'estrazione in controcorrente.
Pretrattamento ad ultrasuoni dei cosotipi di barbabietola da zucchero
Il pretrattamento ad ultrasuoni delle cosette di barbabietola da zucchero è una tecnica di intensificazione del processo. Gli estrattori ad ultrasuoni possono essere facilmente combinati con torri di estrazione a flusso in controcorrente, che vengono utilizzate principalmente per l'estrazione delle barbabietole da zucchero. Una breve sonicazione delle cosette di barbabietola da zucchero prima che entrino nel sistema di estrazione in controcorrente aiuta a disturbare e ad aprire le pareti delle cellule. L'ultrasonicazione favorisce il trasferimento di massa tra il solvente (cioè l'acqua) e le cosette di barbabietola, in modo che le molecole intracellulari come il saccarosio vengano trasferite dall'interno della cellula al solvente. Il pretrattamento ad ultrasuoni delle cosette di barbabietola da zucchero facilita e accelera l'estrazione del saccarosio nella colonna di flusso in controcorrente.
SEM (200×) di campioni di cossette di barbabietola da zucchero sonicati a 400 W a 50°C per diversi tempi di estrazione. A) flusso in controcorrente dell'estrazione delle cossette; 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.
(©Lu et al., 2013)
Confronto tra l'estrazione a ultrasuoni e quella controcorrente
Fu et al. (2013) hanno confrontato l'estrazione tradizionale a flusso in controcorrente con l'estrazione ad ultrasuoni del saccarosio dalla bietola da zucchero cossette. I risultati dello studio hanno mostrato che la sonicazione ha portato ad una maggiore resa di purezza superiore, mentre il tempo di estrazione è stato significativamente ridotto da 70 min. (controcorrente) a 40 min. (sonicazione). L'estrazione assistita ad ultrasuoni (Emirati Arabi Uniti) si traduce in una minore concentrazione di impurità colloidale (soprattutto pectine), e dà una maggiore resa di saccarosio (94,0±0,15%). Il succo estratto di 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, la combinazione di sonicazione sinergica con l'impianto esistente è generalmente favorita. Al fine di applicare l'estrazione a ultrasuoni del saccarosio nel modo più efficiente in termini di costi e di tempo, l'estrazione a ultrasuoni può essere installata come trattamento sinergico prima, durante o dopo l'estrazione convenzionale in controcorrente. Poiché la sonicazione interrompe le cellule della barbabietola da zucchero e rilascia il saccarosio dalle cellule, la durata del trattamento a flusso in controcorrente può essere ridotta, mentre la resa di saccarosio viene aumentata.
- Processo accelerato
- Rendimenti più elevati
- intensificazione del processo
- Effetti sinergici con sistemi a controcorrente
- Facilità di retrofitting
- Semplici test
- Scalabilità lineare
- Bassa manutenzione
- ROI veloce
Estrattori ad ultrasuoni ad alte prestazioni
I sistemi di estrazione Hielscher Ultrasonics sono utilizzati in tutto il mondo nel settore alimentare e farmaceutico per la produzione commerciale di estratti di alta qualità utilizzati come prodotti alimentari, integratori alimentari o farmaceutici. Sia che vogliate testare e ottimizzare i parametri di lavorazione ad ultrasuoni a livello di banco, sia che vogliate installare un sistema di estrazione ad ultrasuoni completamente industriale per la produzione in linea, Hielscher Ultrasonics ha la configurazione di estrazione ad ultrasuoni adatta a voi. Un piccolo ingombro e le opzioni di installazione flessibili consentono di effettuare il retrofit anche in un impianto di lavorazione stipato.
Standardizzazione dei processi con Hielscher Ultrasonics
I prodotti di qualità alimentare devono essere prodotti in conformità alle buone pratiche di fabbricazione (GMP) e secondo specifiche di lavorazione standardizzate. I sistemi di estrazione digitale di Hielscher Ultrasonics sono dotati di un software intelligente, che rende facile impostare e controllare con precisione il processo di sonicazione. La registrazione automatica dei dati scrive tutti i parametri di processo ad ultrasuoni come l'energia ultrasonica (energia totale e netta), l'ampiezza, la temperatura, la pressione (quando sono montati i sensori di temperatura e pressione) con data e ora sulla scheda SD incorporata. Questo permette di rivedere ogni lotto elaborato ad ultrasuoni. Allo stesso tempo, sono garantite la riproducibilità e la qualità del prodotto costantemente elevata.
Ultrasuoni Hielscher’ i processori ad ultrasuoni industriali possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente gestite ininterrottamente in funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi ad ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24/7 in ambienti gravosi e impegnativi.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
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Letteratura / Referenze
- Fu et al. (2013): The ultrasonic-assisted extraction of sugar from sugar beet cossettes. International Sugar Journal, Sept. 2013. 696-700.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- 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.
Particolarità / Cose da sapere
Produzione di zucchero
Il saccarosio, noto anche come zucchero da tavola, è prodotto principalmente dalla canna da zucchero e dalle barbabietole da zucchero (Beta vulgaris). Lo zucchero, cioè il saccarosio, viene estratto dalle barbabietole utilizzando acqua calda in un processo a più fasi, in cui il succo di zucchero grezzo viene estratto in una diffusione di acqua calda in un sistema di flusso in controcorrente. Successivamente, il succo di zucchero viene concentrato sotto vuoto, seguito da un lavaggio ciclico e infine dall'asciugatura.
Dopo la raccolta, le radici delle barbabietole vengono trasportate all'impianto di lavorazione dello zucchero, dove le barbabietole vengono lavate e poi tagliate meccanicamente in strisce sottili, le cosiddette cossette. Le cossette vengono immesse nel sistema di estrazione a flusso in controcorrente. Il sistema in controcorrente funziona per diffusione e fa fluire il contenuto di zucchero delle cosette in acqua calda.
I sistemi di diffusione in controcorrente sono lunghi reattori o alte torri/colonne di diversi metri in cui le cosette scorrono in una direzione (verso l'alto) mentre l'acqua calda scorre in direzione opposta (a valle). I moderni impianti di estrazione a torre hanno una capacità di lavorazione fino a 17.000 tonnellate metriche al giorno. Il tempo di ritenzione tipico dei cossettes nella torre controcorrente è di circa 90 min., mentre l'acqua rimane solo 45 min. nella colonna del diffusore. Il vantaggio principale dei sistemi di flusso in controcorrente è il ridotto consumo di acqua rispetto alla macerazione della barbabietola da zucchero in un reattore ad acqua calda. La soluzione di succo di zucchero che viene prodotta nel sistema di diffusione in controcorrente viene chiamata succo grezzo. Il colore del succo grezzo può variare dal nero al rosso scuro a seconda del suo livello di ossidazione.
Le cossette esaurite escono dal sistema di diffusione come polpa con circa il 95% di umidità, ma con un basso contenuto di saccarosio.
La polpa umida viene pressata con una pressa a vite a circa il 75% di umidità per recuperare il saccarosio rimanente dalla polpa.
La polpa rimanente viene essiccata e utilizzata principalmente come mangime per animali.
La carbonatazione viene applicata per rimuovere le impurità dal succo grezzo prima che possa essere precipitato nei cristalli di zucchero. Pertanto, il succo crudo viene miscelato con latte caldo di calce, cioè una sospensione di idrossido di calcio in acqua. Durante la carbonatazione, le impurità come solfati, fosfati, citrato e ossalati precipitano. Esse precipitano sotto forma di sali di calcio e molecole organiche più grandi, ad esempio proteine, pectine e saponine. Inoltre, il valore del pH alcalino converte gli zuccheri semplici glucosio e fruttosio insieme all'aminoacido glutammina, in acidi carbossilici chimicamente stabili, che possono essere rimossi successivamente tramite filtrazione, poiché queste molecole interferirebbero con la cristallizzazione.
Nella fase successiva del processo, l'anidride carbonica viene fatta gorgogliare attraverso la soluzione di zucchero alcalino, facendo precipitare la calce come carbonato di calcio. Le particelle di carbonato di calcio legano alcune impurità. Le particelle pesanti si depositano nel serbatoio e possono essere rimosse tramite filtrazione; dopo queste fasi di purificazione e pulizia si ottiene il cosiddetto succo sottile. Il succo sottile può essere trattato con soda per regolare il valore del pH e con un composto a base di zolfo per ridurre la colorazione, che potrebbe verificarsi a causa della decomposizione termica dei monosaccaridi.
L'evaporazione viene utilizzata per concentrare il succo sottile utilizzando sistemi di evaporazione a effetto multiplo, in modo che il succo sottile si trasformi in un succo denso. Il succo denso ha circa il 60% di saccarosio in peso.
Nella fase finale, il succo denso viene trattato in cristallizzatori. Aggiungendo e sciogliendo lo zucchero riciclato si produce un cosiddetto liquore madre. Il liquore madre viene ulteriormente concentrato facendo bollire sotto vuoto in grandi recipienti, noti come pentole sottovuoto, e vengono aggiunti cristalli di zucchero finissimo come punti di semina. Questi cristalli crescono man mano che lo zucchero del liquore madre si forma intorno ad essi. La miscela di cristalli di zucchero / sciroppo che ne risulta è chiamata massecuite, un termine francese che significa “massa cotta”. La massecuite viene immessa in una centrifuga, dove lo "sciroppo High Green" viene rimosso dalla massecuite per effetto della forza centrifuga. Dopo una centrifuga, l'acqua viene spruzzata nella centrifuga per lavare i cristalli di zucchero, che produce il cosiddetto "Sciroppo verde basso". La centrifuga gira poi a velocità molto elevate per asciugare parzialmente i cristalli. Quando la centrifuga rallenta, lo zucchero viene raschiato dalle pareti della centrifuga su un sistema di trasporto per trasportare lo zucchero in un granulatore a rotazione dove viene asciugato da aria calda. I cristalli di zucchero secchi e puliti sono pronti per essere venduti alle raffinerie o ai produttori di alimenti per un ulteriore trattamento o per l'uso.