Cukura ekstrakcija no cukurbiešu skaidiņām ar ultraskaņu
Ekstrakcija ar ultraskaņu palielina no cukurbiešu skaidiņām ekstrahētās saharozes iznākumu un ievērojami saīsina ekstrakcijas procesa ilgumu. Apstrāde ar ultraskaņu ir vienkārša un droša metode, ko var viegli apvienot ar pašreizējo pretplūsmas ekstrakcijas tehnoloģiju, lai uzlabotu ekstrakcijas efektivitāti.
Cukurbiešu skaidiņu ekstrakcija ar ultraskaņu
Ultraskaņas veicinātas ekstrakcijas pamatā ir akustiskās jeb ultraskaņas kavitācijas darbības princips. Ultraskaņas izraisītās kavitācijas radītā mehāniskā iedarbība izraisa sonoporāciju un šūnu sieniņu sagraušanu, kas savukārt palielina caurlaidību šūnu iekšienē ieslēgtajām molekulām. Kavitācijas izraisītās šķidruma plūsmas un mikroturbulence uzlabo masas pārnesi ekstrakcijas procesā, tādējādi saharoze un citas molekulas nonāk šķīdinātājā, proti, ūdenī.
Ultraskaņas procesors UIP4000hdT cukurbiešu rūpnieciskai ekstrakcijai.
- Priekšapstrāde ar ultraskaņu (pirms pretplūsmas torņa)
- Apstrāde ar ultraskaņu pretplūsmas ekstrakcijas laikā
- Pēcapstrāde ar ultraskaņu (pēc pretplūsmas torņa)
Atkarībā no esošās ekstrakcijas iekārtas, ražošanas mērķiem un pieejamās vietas apstrādi ar ultraskaņu var viegli integrēt esošajā sistēmā kā priekšapstrādi vai pēcapstrādi, kā arī pretplūsmas ekstrakcijas laikā.
Cukurbiešu skaidiņu priekšapstrāde ar ultraskaņu
Cukurbiešu skaidiņu priekšapstrāde ar ultraskaņu ir procesa intensifikācijas metode. Ultraskaņas ekstraktorus var viegli apvienot ar pretplūsmas ekstrakcijas torņiem, kurus galvenokārt izmanto cukurbiešu ekstrakcijai. Īslaicīga cukurbiešu skaidiņu apstrāde ar ultraskaņu pirms to ievadīšanas pretplūsmas ekstrakcijas sistēmā palīdz sagraut un atvērt šūnu sieniņas. Apstrāde ar ultraskaņu veicina masas pārnesi starp šķīdinātāju (proti, ūdeni) un biešu skaidiņām, tādējādi šūnu iekšienē esošās molekulas, piemēram, saharoze, no šūnas iekšienes nonāk šķīdinātājā. Cukurbiešu skaidiņu priekšapstrāde ar ultraskaņu atvieglo un paātrina saharozes ekstrakciju pretplūsmas kolonnā.
SEM (200×) attēli ar cukurbiešu skaidiņu paraugiem, kas dažādu ekstrakcijas laiku apstrādāti ar ultraskaņu pie 400 W jaudas un 50°C temperatūrā. A) skaidiņu pretplūsmas ekstrakcija; B) pēc 10 min ilgas UAE; C) pēc 20 min ilgas UAE; D) pēc 40 min ilgas UAE. Ekstrakcija ar ultraskaņu sagrauj šūnu sieniņas un atbrīvo šūnu iekšējo materiālu.
(©Fu et al., 2013)
Ekstrakcijas ar ultraskaņu un pretplūsmas ekstrakcijas salīdzinājums
Fu et al. (2013) salīdzināja tradicionālo pretplūsmas ekstrakciju ar saharozes ekstrakciju no cukurbiešu skaidiņām ar ultraskaņu. Pētījuma rezultāti parādīja, ka apstrāde ar ultraskaņu nodrošināja lielāku iznākumu un augstāku tīrību, vienlaikus ievērojami saīsinot ekstrakcijas laiku no 70 min. (pretplūsmas ekstrakcija) līdz 40 min. (apstrāde ar ultraskaņu). Ultraskaņas veicināta ekstrakcija (UAE) nodrošina zemāku koloidālo piemaisījumu (īpaši pektīnu) koncentrāciju un lielāku saharozes iznākumu (94,0±0,15%). Ekstrahētajai sulai ir augsta tīrība (92,6±0,11%). (Sk. Fu et al., 2013)
Tā kā cukura ražotnes jau ir aprīkotas ar tradicionālajiem pretplūsmas ekstrakcijas torņiem, parasti priekšroka tiek dota sinerģiskas apstrādes ar ultraskaņu apvienošanai ar esošo iekārtu. Lai saharozes ekstrakciju ar ultraskaņu izmantotu ar vislielāko izmaksu un laika efektivitāti, ekstrakciju ar ultraskaņu var ieviest kā sinerģisku apstrādi pirms tradicionālās pretplūsmas ekstrakcijas, tās laikā vai pēc tās. Tā kā apstrāde ar ultraskaņu sagrauj cukurbiešu šūnas un atbrīvo saharozi no šūnām, pretplūsmas apstrādes ilgumu var saīsināt, vienlaikus palielinot saharozes iznākumu.
- Paātrināts process
- Lielāks iznākums
- Procesa intensifikācija
- Sinerģiska iedarbība apvienojumā ar pretplūsmas sistēmām
- Viegla integrēšana esošajās iekārtās
- Vienkārša testēšana
- Lineāra mērogojamība
- Nelielas apkopes prasības
- Ātra ieguldījumu atdeve
Augstas veiktspējas ultraskaņas ekstraktori
Hielscher Ultrasonics ekstrakcijas sistēmas visā pasaulē izmanto pārtikas un farmācijas nozarē augstas kvalitātes ekstraktu komerciālai ražošanai, kurus izmanto kā pārtikas produktus, uztura bagātinātājus vai zāles. Neatkarīgi no tā, vai vēlaties pārbaudīt un optimizēt ultraskaņas apstrādes parametrus laboratorijas galda iekārtās vai uzstādīt pilnībā rūpniecisku ultraskaņas ekstrakcijas sistēmu ražošanai plūsmā, Hielscher Ultrasonics piedāvā jums piemērotu ultraskaņas ekstrakcijas aprīkojumu. Nelielā aizņemtā platība un elastīgās uzstādīšanas iespējas ļauj aprīkojumu integrēt pat šaurās ražotnēs.
Procesa standartizācija ar Hielscher Ultrasonics
Pārtikas kvalitātes produkti būtu jāražo saskaņā ar labas ražošanas praksi (GMP) un standartizētām apstrādes specifikācijām. Hielscher Ultrasonics digitālās ekstrakcijas sistēmas ir aprīkotas ar viedu programmatūru, kas ļauj viegli un precīzi iestatīt un kontrolēt apstrādes ar ultraskaņu procesu. Automātiskā datu reģistrēšana iebūvētajā SD kartē ieraksta visus ultraskaņas procesa parametrus, piemēram, ultraskaņas enerģiju (kopējo un neto enerģiju), amplitūdu, temperatūru un spiedienu (ja ir uzstādīti temperatūras un spiediena sensori), kopā ar datuma un laika atzīmi. Tas ļauj pārskatīt katru ar ultraskaņu apstrādāto partiju. Vienlaikus tiek nodrošināta reproducējamība un pastāvīgi augsta produktu kvalitāte.
Hielscher Ultrasonics rūpnieciskās ultraskaņas apstrādes iekārtas var nodrošināt ļoti lielas amplitūdas. Nepārtrauktu darbību ar amplitūdu līdz 200µm var viegli nodrošināt 24/7 režīmā. Vēl lielākām amplitūdām ir pieejamas individuāli pielāgotas ultraskaņas sonotrodes. Hielscher ultraskaņas aprīkojuma izturība ļauj darboties 24/7 režīmā ar lielu slodzi un sarežģītos vides apstākļos.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās iekārtas |
|---|---|---|
| 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. | lielāks | iekārtu grupa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Lieljaudas ultraskaņas homogenizatori no laboratorijas mēroga līdz pilotražošanas un rūpnieciskajam mērogam.
Literatūra / Atsauces
- 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.
Noderīgi fakti
Cukura ražošana
Saharozi, kas pazīstama arī kā galda cukurs, galvenokārt ražo no cukurniedrēm un cukurbietēm (Beta vulgaris). Cukuru, t. i., saharozi, no bietēm ekstrahē ar karstu ūdeni daudzpakāpju procesā, kurā cukura jēlsulu iegūst difūzijas ceļā karstā ūdenī pretplūsmas sistēmā. Pēc tam cukura sulu koncentrē vakuumā, kam seko cikliska mazgāšana un visbeidzot žāvēšana.
Pēc ražas novākšanas biešu saknes nogādā cukura ražotnē, kur bietes mazgā un pēc tam mehāniski sagriež plānās strēmelēs, ko sauc par skaidiņām. Skaidiņas ievada pretplūsmas ekstrakcijas sistēmā. Pretplūsmas sistēma darbojas pēc difūzijas principa, izskalojot cukuru no skaidiņām karstajā ūdenī.
Pretplūsmas difūzijas sistēmas ir gari reaktori vai vairākus metrus augsti torņi / kolonnas, kuros skaidiņas pārvietojas vienā virzienā (augšup), bet karstais ūdens plūst pretējā virzienā (lejup). Mūsdienu torņu ekstrakcijas iekārtu pārstrādes jauda sasniedz līdz 17 000 metrisko tonnu dienā. Skaidiņu tipiskais uzturēšanās laiks pretplūsmas tornī ir aptuveni 90 min., savukārt ūdens difūzijas kolonnā uzturas tikai 45 min. Pretplūsmas sistēmu galvenā priekšrocība ir mazāks ūdens patēriņš salīdzinājumā ar cukurbiešu macerāciju karstā ūdens reaktorā. Cukura šķīdumu, ko iegūst pretplūsmas difūzijas sistēmā, sauc par jēlsulu. Jēlsulas krāsa atkarībā no tās oksidēšanās pakāpes var būt no melnas līdz tumši sarkanai.
Ekstrahētās skaidiņas izvada no difūzijas sistēmas kā biešu graizījumus ar aptuveni 95% mitruma saturu, bet zemu saharozes saturu.
Mitros graizījumus presē ar gliemežpresi līdz aptuveni 75% mitruma saturam, lai no tiem atgūtu atlikušo saharozi.
Atlikušos graizījumus žāvē un izmanto galvenokārt dzīvnieku barībai.
Saturāciju izmanto piemaisījumu atdalīšanai no jēlsulas, pirms no tās var izgulsnēt cukura kristālus. Šim nolūkam jēlsulu sajauc ar karstu kaļķu pienu, t. i., kalcija hidroksīda suspensiju ūdenī. Saturācijas laikā izgulsnējas tādi piemaisījumi kā sulfāti, fosfāti, citrāts un oksalāti. Tie izgulsnējas kalcija sāļu un lielāku organisko molekulu, piemēram, olbaltumvielu, pektīnu un saponīnu, veidā. Turklāt sārmainā pH vērtība pārvērš vienkāršos cukurus glikozi un fruktozi kopā ar aminoskābi glutamīnu ķīmiski stabilās karbonskābēs, kuras vēlāk var atdalīt filtrējot, jo šīs molekulas traucētu kristalizāciju.
Nākamajā procesa posmā caur sārmaino cukura šķīdumu burbuļo oglekļa dioksīdu, izgulsnējot kaļķus kalcija karbonāta veidā. Kalcija karbonāta daļiņas saista daļu piemaisījumu. Smagās daļiņas nosēžas tvertnē, un tās var atdalīt filtrējot. Pēc šiem attīrīšanas posmiem iegūst tā saukto šķidrsulu. Šķidrsulu var apstrādāt ar kalcinēto sodu, lai regulētu pH vērtību, kā arī ar sēra savienojumu, lai mazinātu iekrāsošanos, kas var rasties monosaharīdu termiskās sadalīšanās dēļ.
Šķidrsulu koncentrē iztvaicējot daudzpakāpju iztvaicēšanas iekārtās, tādējādi pārvēršot šķidrsulu biezsulā. Saharozes masas daļa biezsulā ir aptuveni 60%.
Pēdējā posmā biezsulu apstrādā kristalizatoros. Pievienojot un izšķīdinot atkārtoti izmantojamo cukuru, iegūst tā saukto mātes šķīdumu. Mātes šķīdumu turpina koncentrēt, vārot vakuumā lielās tvertnēs, ko sauc par vakuumaparātiem, un pievieno ļoti smalkus cukura kristālus kā kristalizācijas ierosinātājus. Šie kristāli aug, cukuram no mātes šķīduma veidojoties ap tiem. Iegūto cukura kristālu / sīrupa maisījumu sauc par utfeli; franču valodā lietotais termins «massecuite» nozīmē «vārīta masa». Utfeli ievada centrifūgā, kur centrbēdzes spēks no tā atdala «pirmās noteces sīrupu». Pēc centrifugēšanas centrifūgā izsmidzina ūdeni, lai mazgātu cukura kristālus, tādējādi iegūstot tā saukto «otrās noteces sīrupu». Pēc tam centrifūga griežas ar ļoti lielu ātrumu, lai daļēji izžāvētu kristālus. Kad centrifūgas griešanās palēninās, cukuru nokasa no centrifūgas sienām uz konveijeru sistēmas, lai to nogādātu rotējošā granulatorā, kur to žāvē ar siltu gaisu. Sausie, tīrie cukura kristāli ir gatavi pārdošanai cukura rafinēšanas uzņēmumiem vai pārtikas ražotājiem turpmākai apstrādei vai izmantošanai.