甜菜コセットからの超音波による砂糖抽出
超音波抽出は、甜菜コセットから抽出されるショ糖の収量を高め、抽出工程の時間を大幅に短縮する。超音波抽出はシンプルで安全な技術であり、抽出効率を向上させるために、現在の向流抽出技術と容易に組み合わせることができる。
超音波によるテンサイのコゼット抽出
超音波支援抽出は、音響または超音波キャビテーションの作動原理に基づいている。超音波キャビテーションによって生じる機械的効果は、細胞壁のソノポレーションと破壊を引き起こし、細胞内部に閉じ込められた分子の透過性を増加させる。キャビテーションによって引き起こされる液体の流れや微小乱流は、抽出プロセスの物質移動を改善し、スクロースやその他の分子が溶媒、すなわち水に移動する。
超音波発生装置 UIP4000hdT 工業用甜菜抽出用。
- 超音波前処理（向流塔前）
- 向流抽出中の超音波処理
- 超音波後処理（向流塔後）
既存の抽出設備、生産目標、利用可能なスペースに応じて、超音波処理を前処理または後処理として、また向流抽出中に簡単に後付けすることができる。
シュガービート・コセットの超音波前処理
甜菜コセットの超音波前処理は、プロセスを強化する技術である。超音波抽出装置は、主にテンサイ抽出に使用される向流抽出タワーと簡単に組み合わせることができる。甜菜コセットが向流抽出システムに入る前に短時間の超音波処理を行うことで、細胞壁を破壊し、開口させることができます。超音波処理により、溶媒（すなわち水）とビートコセットの間の物質移動が促進され、スクロースなどの細胞内分子が細胞内部から溶媒に移動する。甜菜コセットの超音波前処理は、向流カラムでのスクロース抽出を容易にし、加速する。
400W、50℃で超音波処理し、抽出時間を変えたテンサイコセットサンプルのSEM（200×）。A)コゼット抽出の向流；B)UAE10分後；C)UAE20分後；D)UAE40分後。超音波抽出は細胞壁を破壊し、細胞内物質を放出する。
(©Lu et al., 2013)
超音波抽出と向流抽出の比較
Fuら（2013）は、甜菜コセットからのスクロースの抽出において、従来の向流抽出と超音波抽出を比較した。その結果、超音波抽出の方が優れた純度の収量が高く、抽出時間は70分（向流）から40分（超音波）に大幅に短縮された。超音波アシスト抽出（UAE）では、コロイド状不純物濃度（特にペクチン）が低くなり、高いスクロース収率（94.0±0.15%）が得られた。高純度の抽出果汁（92.6±0.11%）。(参照：Fu et al.）
製糖施設にはすでに従来型の向流抽出塔が設置されているため、既存の設備に相乗的な超音波処理を組み合わせるのが一般的です。超音波スクロース抽出を最もコストと時間効率の良い方法で適用するために、超音波抽出は従来の向流抽出の前、最中、または後に相乗的処理として設置することができる。超音波処理によりテンサイ細胞が破壊され、細胞からスクロースが放出されるため、向流処理の時間を短縮することができ、その一方でスクロース収量は向上する。
- 加速プロセス
- 高収量
- プロセス強化
- 向流システムとの相乗効果
- 簡単な後付け
- 簡単なテスト
- 線形スケーラビリティ
- ローメンテナンス
- 迅速なROI
高性能超音波抽出機
Hielscher Ultrasonicsの抽出システムは、食品、栄養補助食品、医薬品として使用される高品質のエキスの商業生産のために、食品および製薬業界で世界中で使用されています。ベンチトップレベルでの超音波処理パラメータのテストと最適化、またはインライン生産用の完全工業用超音波抽出システムの設置など、Hielscher Ultrasonicsはお客様に最適な超音波抽出セットアップを提供します。小さなフットプリントと柔軟な設置オプションにより、手狭な加工施設でも後付けが可能です。
ヒルシャー超音波によるプロセスの標準化
食品グレードの製品は、適正製造基準（GMP）に準拠し、標準化された処理仕様の下で製造される必要があります。Hielscher Ultrasonicsのデジタル抽出システムにはインテリジェントなソフトウェアが付属しており、超音波処理を簡単に設定し、正確に制御することができます。自動データ記録機能により、超音波エネルギー（全エネルギーと正味エネルギー）、振幅、温度、圧力（温度センサーと圧力センサーが装着されている場合）などのすべての超音波プロセスパラメーターが、日付とタイムスタンプと共に内蔵のSDカードに書き込まれます。これにより、超音波処理された各ロットを修正することができます。同時に、再現性と継続的に高い製品品質が保証されます。
Hielscher Ultrasonics’ 工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供することができます。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続稼働が容易です。さらに高い振幅を得るためには、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、高負荷や過酷な環境下でも24時間365日の稼働が可能です。
下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：
| バッチ量 | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 1〜500mL | 10～200mL/分 | UP100H |
| 10〜2000mL | 20～400mL/分 | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1～20L | 0.2～4L/分 | UIP2000hdT |
| 10～100L | 2～10L/分 | UIP4000hdT |
| n.a. | 10～100L/分 | uip16000 |
| n.a. | より大きい | クラスタ uip16000 |
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文献・参考文献
- 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.
知っておくべき事実
砂糖生産
ショ糖はテーブルシュガーとしても知られ、主にサトウキビとテンサイ（Beta vulgaris）から生産される。 砂糖、すなわちスクロースは、多段階プロセスで熱水を用いてテンサイから抽出され、原料糖汁は向流システムで熱水拡散抽出される。その後、砂糖汁は真空下で濃縮され、循環洗浄が行われ、最後に乾燥される。
収穫後、ビートの根は砂糖加工工場に運ばれ、そこでビートは洗浄され、機械的に薄くスライスされたストリップ、いわゆるコセットに切断される。 コセットは向流抽出システムに投入される。向流システムは拡散によって機能し、コセットから熱水に糖分を浸出させる。
向流拡散システムは、コセットが一方向（上方）に流れ、温水が反対方向（下流）に流れる、数メートルの長い反応器または高い塔／カラムである。最新の塔型抽出プラントは、1日当たり最大17,000トンの処理能力を持つ。向流塔におけるコセットの典型的な滞留時間は約90分であるのに対し、散気塔における水の滞留時間はわずか45分である。向流システムの主な利点は、温水リアクターでの甜菜浸漬と比較して、水の使用量を削減できることである。向流拡散システムで生産される糖汁液は生汁と呼ばれる。生果汁の色は、その酸化レベルによって黒から暗赤色の間で変化する。
使用済みのコセットは、水分約95％のパルプとして拡散システムから排出されるが、ショ糖含量は低い。
湿ったパルプをスクリュープレスで約75％の水分まで圧搾し、パルプに残ったスクロースを回収する。
残ったパルプは乾燥され、主に飼料として利用される。
炭酸化は、砂糖の結晶を析出させる前に、生ジュースから不純物を取り除くために行われる。そのため、原料果汁は熱い石灰乳、すなわち水酸化カルシウムの水中懸濁液と混合される。炭酸化の過程で、硫酸塩、リン酸塩、クエン酸塩、シュウ酸塩などの不純物が沈殿する。これらはカルシウム塩や、タンパク質、ペクチン、サポニンなどの大きな有機分子の形で沈殿する。さらに、アルカリ性のpH値は、単糖のグルコースとフルクトース、アミノ酸のグルタミンを化学的に安定なカルボン酸に変換する。
次の工程では、アルカリ性糖液に二酸化炭素をバブリングし、石灰を炭酸カルシウムとして沈殿させる。炭酸カルシウムの粒子はいくつかの不純物と結合する。重い粒子はタンクに沈殿し、濾過によって取り除くことができる。これらの精製・洗浄工程の後、いわゆる薄いジュースが得られる。この薄い果汁は、pH値を調整するためにソーダ灰で処理されたり、単糖類の熱分解によって生じる可能性のある着色を抑えるために硫黄系化合物で処理されることもある。
多重効用蒸発システムを使って薄い果汁を濃縮し、薄い果汁を濃い果汁にする。濃厚果汁には約60重量％のショ糖が含まれている。
最終段階では、濃厚な果汁は結晶化装置で処理される。再生糖を加えて溶かすことで、いわゆる母液ができる。母液は真空パンと呼ばれる大きな容器で真空下に煮沸することでさらに濃縮され、非常に細かい砂糖の結晶が播種点として加えられる。この結晶は、母液の糖分が結晶の周りに形成されるにつれて成長する。出来上がった砂糖の結晶とシロップの混合物はマセキュイットと呼ばれる。 “調理質量”.マセキュアイトは遠心分離機に投入され、遠心力によってマセキュアイトから「ハイ・グリーン・シロップ」が除去される。遠心分離の後、砂糖の結晶を洗浄するために遠心分離機に水が噴霧され、いわゆる「ローグリーン・シロップ」が生成される。その後、遠心分離機は超高速で回転し、結晶を部分的に乾燥させる。遠心分離機が減速すると、砂糖は遠心分離機の壁からコンベア・システム上に掻き出され、回転造粒機に運ばれ、そこで温風によって乾燥される。乾燥したきれいな砂糖の結晶は、精製所や食品メーカーに販売され、さらに処理されたり使用されたりします。