Ultrasone extractie van suiker uit suikerbietensnijdsels
Ultrasone extractie verhoogt de opbrengst aan geëxtraheerde sacharose uit suikerbietensnijdsels en verkort de duur van het extractieproces aanzienlijk. Sonicatie is een eenvoudige en veilige techniek die gemakkelijk kan worden gecombineerd met de huidige extractietechnologie met tegenstroom om de extractie-efficiëntie te verbeteren.
Ultrasone extractie van suikerbietensnijdsels
Ultrasoon ondersteunde extractie is gebaseerd op het werkingsprincipe van akoestische of ultrasone cavitatie. De mechanische effecten die door ultrasoon geïnduceerde cavitatie worden opgewekt, veroorzaken sonoporatie en het openbreken van celwanden, waardoor vervolgens de permeabiliteit van moleculen die in het celinterieur opgesloten zitten, toeneemt. Vloeistofstromingen en microturbulentie veroorzaakt door cavitatie verbeteren de massaoverdracht tijdens het extractieproces, zodat sacharose en andere moleculen worden overgebracht naar het oplosmiddel, namelijk water.
Sonicator UIP4000hdT voor industriële suikerbietenextractie.
- Ultrasone voorbehandeling (vóór de tegenstroomtoren)
- Sonicatie tijdens tegenstroomextractie
- Ultrasone nabehandeling (na de tegenstroomtoren)
Afhankelijk van de bestaande extractie-installatie, de productiedoelen en de beschikbare ruimte kan sonicatie gemakkelijk achteraf worden geïntegreerd als voor- of nabehandeling, maar ook tijdens de extractie met tegenstroom.
Ultrasone voorbehandeling van suikerbietensnijdsels
Ultrasone voorbehandeling van suikerbietensnijdsels is een techniek voor procesintensivering. Ultrasone extractoren kunnen gemakkelijk worden gecombineerd met extractietorens met tegenstroom, die voornamelijk worden gebruikt voor suikerbietenextractie. Een korte sonicatie van de suikerbietensnijdsels voordat ze het tegenstroomextractiesysteem ingaan, helpt de celwanden open te breken en te openen. Ultrasone behandeling bevordert de massaoverdracht tussen het oplosmiddel (namelijk water) en de bietensnijdsels, zodat intracellulaire moleculen zoals sacharose vanuit het celinterieur naar het oplosmiddel worden overgebracht. De ultrasone voorbehandeling van suikerbietensnijdsels vergemakkelijkt en versnelt de sacharose-extractie in de extractiekolom met tegenstroom.
SEM (200×) van monsters van suikerbietensnijdsels die bij 400 W en 50°C gedurende verschillende extractietijden zijn gesoniceerd. A) extractie van snijdsels met tegenstroom; B) na UAE gedurende 10 min; C) na UAE gedurende 20 min; D) na UAE gedurende 40 min. Ultrasone extractie breekt de celwanden open en maakt het intracellulaire materiaal vrij.
(©Fu et al., 2013)
Vergelijking van ultrasone extractie en tegenstroomextractie
Fu et al. (2013) vergeleken de traditionele extractie met tegenstroom met ultrasone extractie van sacharose uit suikerbietensnijdsels. De resultaten van het onderzoek toonden aan dat sonicatie een hogere opbrengst met een superieure zuiverheid opleverde, terwijl de extractietijd aanzienlijk werd verkort van 70 min. (tegenstroom) tot 40 min. (sonicatie). Ultrasoon ondersteunde extractie (UAE) resulteert in een lagere concentratie colloïdale onzuiverheden (vooral pectinen) en geeft een hogere sacharose-opbrengst (94,0±0,15%). Het geëxtraheerde sap heeft een hoge zuiverheid (92,6±0,11%). (vgl. Fu et al., 2013)
Omdat suikerproductie-installaties al zijn uitgerust met conventionele tegenstroomextractietorens, wordt doorgaans de voorkeur gegeven aan de combinatie van synergetische sonicatie met de bestaande installatie. Om ultrasone sacharose-extractie op de meest kosten- en tijdefficiënte manier toe te passen, kan ultrasone extractie als synergetische behandeling vóór, tijdens of na conventionele extractie met tegenstroom worden geïnstalleerd. Omdat sonicatie de suikerbietencellen openbreekt en de sacharose uit de cellen vrijmaakt, kan de duur van de behandeling met tegenstroom worden verkort, terwijl de sacharose-opbrengst wordt verhoogd.
- Versneld proces
- Hogere opbrengsten
- Procesintensivering
- Synergetische effecten met tegenstroomsystemen
- Eenvoudige integratie achteraf
- Eenvoudig testen
- Lineaire schaalbaarheid
- Weinig onderhoud
- Snel rendement op de investering
Ultrasone extractoren met hoge prestaties
De extractiesystemen van Hielscher Ultrasonics worden wereldwijd in de voedingsmiddelen- en farmaceutische industrie gebruikt voor de commerciële productie van hoogwaardige extracten die worden gebruikt als voedingsproducten, voedingssupplementen of geneesmiddelen. Of u nu ultrasone procesparameters op laboratoriumschaal wilt testen en optimaliseren of een volledig industrieel ultrasoon extractiesysteem voor inlineproductie wilt installeren, Hielscher Ultrasonics heeft de geschikte ultrasone extractieopstelling voor u. Een klein ruimtebeslag en flexibele installatiemogelijkheden maken integratie achteraf mogelijk, zelfs in een krappe verwerkingsinstallatie.
Processtandaardisatie met Hielscher Ultrasonics
Producten van levensmiddelenkwaliteit moeten worden geproduceerd volgens de goede productiepraktijken (GMP) en gestandaardiseerde verwerkingsspecificaties. De digitale extractiesystemen van Hielscher Ultrasonics zijn voorzien van intelligente software waarmee het sonicatieproces eenvoudig nauwkeurig kan worden ingesteld en geregeld. Automatische gegevensregistratie schrijft alle ultrasone procesparameters, zoals ultrasone energie (totale en netto-energie), amplitude, temperatuur en druk (wanneer temperatuur- en druksensoren zijn gemonteerd), met datum- en tijdstempel naar de ingebouwde SD-kaart. Hiermee kunt u elke ultrasoon verwerkte partij controleren. Tegelijkertijd worden reproduceerbaarheid en een voortdurend hoge productkwaliteit gewaarborgd.
De industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast in 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. Dankzij de robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher is 24/7-bedrijf onder zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500mL | 10 tot 200mL/min | UP100H |
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!
Krachtige ultrasone homogenisatoren van laboratoriumschaal tot pilotschaal en industriële schaal.
Literatuur / Referenties
- 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.
Wetenswaardigheden
Suikerproductie
Sacharose, ook bekend als tafelsuiker, wordt voornamelijk geproduceerd uit suikerriet en suikerbieten (Beta vulgaris). Suiker, oftewel sacharose, wordt met heet water uit bieten geëxtraheerd in een proces met meerdere stappen, waarbij ruw suikersap door diffusie met heet water in een tegenstroomsysteem wordt geëxtraheerd. Daarna wordt het suikersap onder vacuüm geconcentreerd, gevolgd door cyclisch wassen en ten slotte drogen.
Na de oogst worden de bietenwortels naar de suikerfabriek vervoerd, waar de bieten worden gewassen en vervolgens mechanisch in dunne reepjes worden gesneden, de zogenoemde snijdsels. De snijdsels worden in het extractiesysteem met tegenstroom gevoerd. Het tegenstroomsysteem werkt door diffusie en loogt de suiker uit de snijdsels uit in heet water.
De diffusiesystemen met tegenstroom zijn lange reactoren of hoge torens / kolommen van meerdere meters waarin de snijdsels in één richting stromen (omhoog), terwijl heet water in de tegenovergestelde richting stroomt (omlaag). Moderne extractie-installaties met torens hebben een verwerkingscapaciteit van maximaal 17.000 metrische ton per dag. De gebruikelijke verblijftijd van snijdsels in de tegenstroomtoren is ongeveer 90 min., terwijl het water slechts 45 min. in de diffusiekolom blijft. Het belangrijkste voordeel van systemen met tegenstroom is het lagere waterverbruik in vergelijking met het macereren van suikerbieten in een heetwaterreactor. De suikersapoplossing die in het diffusiesysteem met tegenstroom wordt geproduceerd, wordt ruwsap genoemd. De kleur van het ruwsap kan variëren van zwart tot donkerrood, afhankelijk van de oxidatiegraad.
De geëxtraheerde snijdsels verlaten het diffusiesysteem als pulp met ongeveer 95% vocht, maar met een laag sacharosegehalte.
De vochtige pulp wordt met een schroefpers geperst tot ongeveer 75% vocht om de resterende sacharose uit de pulp terug te winnen.
De resterende pulp wordt gedroogd en voornamelijk als veevoer gebruikt.
Carbonatatie wordt toegepast om onzuiverheden uit ruwsap te verwijderen voordat het tot suikerkristallen kan worden neergeslagen. Daarom wordt het ruwsap gemengd met hete kalkmelk, oftewel een suspensie van calciumhydroxide in water. Tijdens de carbonatatie slaan onzuiverheden zoals sulfaten, fosfaten, citraat en oxalaten neer. Ze slaan neer in de vorm van calciumzouten en grotere organische moleculen, bijvoorbeeld eiwitten, pectinen en saponinen. Bovendien zet de alkalische pH-waarde de eenvoudige suikers glucose en fructose samen met het aminozuur glutamine om in chemisch stabiele carbonzuren, die later via filtratie kunnen worden verwijderd, omdat deze moleculen de kristallisatie zouden verstoren.
In de volgende processtap wordt koolstofdioxide door de alkalische suikeroplossing geborreld, waardoor de kalk als calciumcarbonaat neerslaat. De calciumcarbonaatdeeltjes binden sommige onzuiverheden. De zware deeltjes bezinken in de tank en kunnen via filtratie worden verwijderd. Na deze zuiverings- en reinigingsstappen wordt het zogenoemde dunsap verkregen. Het dunsap kan met natriumcarbonaat worden behandeld om de pH-waarde aan te passen, en met een verbinding op basis van zwavel om verkleuring te verminderen die door thermische ontleding van monosachariden kan optreden.
Verdamping wordt gebruikt om het dunsap te concentreren met meervoudige verdampingssystemen, zodat het dunsap in diksap verandert. Het diksap bevat ongeveer 60% sacharose op gewichtsbasis.
In de laatste stap wordt het diksap in kristallisatoren behandeld. Door gerecyclede suiker toe te voegen en op te lossen, wordt een zogenoemde moederloog geproduceerd. De moederloog wordt verder geconcentreerd door onder vacuüm te koken in grote vaten, zogenoemde vacuümpannen, en zeer fijne suikerkristallen worden als entkernen toegevoegd. Deze kristallen groeien doordat suiker uit de moederloog zich eromheen vormt. Het resulterende mengsel van suikerkristallen en stroop wordt massecuite genoemd, een Franse term die “gekookte massa” betekent. De massecuite wordt in een centrifuge gevoerd, waar de “High Green”-stroop door centrifugale kracht uit de massecuite wordt verwijderd. Na het centrifugeren wordt water in de centrifuge gesproeid om de suikerkristallen te wassen, waardoor een zogenoemde “Low Green”-stroop ontstaat. De centrifuge draait vervolgens met zeer hoge snelheden om de kristallen gedeeltelijk te drogen. Wanneer de centrifuge vertraagt, wordt de suiker van de centrifugewanden geschraapt en op een transportsysteem gebracht om de suiker naar een roterende granulator te vervoeren, waar deze met warme lucht wordt gedroogd. De droge, schone suikerkristallen zijn klaar om aan raffinaderijen of levensmiddelenproducenten te worden verkocht voor verdere behandeling of gebruik.