Ultradźwiękowa ekstrakcja cukru z kozłów buraka cukrowego
Ekstrakcja ultradźwiękowa zwiększa wydajność ekstrahowanej sacharozy z kozetek buraka cukrowego i znacznie skraca czas trwania procesu ekstrakcji. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest prostą i bezpieczną techniką, którą można łatwo połączyć z aktualną technologią ekstrakcji przeciwprądowej w celu poprawy wydajności ekstrakcji.
Ultradźwiękowa ekstrakcja kozetek z buraków cukrowych
Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami opiera się na zasadzie pracy kawitacji akustycznej lub ultradźwiękowej. Mechaniczne efekty, które powstają w wyniku kawitacji wywołanej ultradźwiękami, powodują sono-porację i rozerwanie ścian komórkowych, co w konsekwencji zwiększa przepuszczalność cząsteczek uwięzionych we wnętrzu komórki. Kawitacja wywołana strumieniem cieczy i mikroturbulencje usprawniają masowe przenoszenie procesu ekstrakcji, dzięki czemu sacharoza i inne cząsteczki są przenoszone do rozpuszczalnika, czyli wody.
Ultradźwiękowiec UIP4000hdT do przemysłowej ekstrakcji buraków cukrowych.
- Wstępna obróbka ultradźwiękowa (przed wieżą przeciwprądową)
- Sygnalizacja dźwiękowa podczas odbioru przeciwprądowego
- Ultrasoniczna obróbka końcowa (po wieży przeciwprądowej)
W zależności od istniejącej instalacji ekstrakcyjnej, celów produkcyjnych i dostępnej przestrzeni, sonica może być łatwo doposażona jako instalacja wstępna lub wtórna, jak również podczas ekstrakcji przeciwprądowej.
Ultradźwiękowa obróbka wstępna kozłów buraka cukrowego
Ultradźwiękowa obróbka wstępna kozłów buraka cukrowego jest techniką intensyfikującą proces. Ekstraktory ultradźwiękowe mogą być łatwo łączone z przeciwprądowymi wieżami ekstrakcyjnymi, które są stosowane głównie do ekstrakcji buraków cukrowych. Krótka sonizacja kozetek buraka cukrowego przed wejściem do przeciwprądowego systemu ekstrakcji pomaga rozbić i otworzyć ściany komór. Ultrasonizacja wspomaga przenoszenie masy pomiędzy rozpuszczalnikiem (tzn. wodą) a kozetkami buraczanymi, tak że wewnątrzkomórkowe cząsteczki, takie jak sacharoza, są przenoszone z wnętrza komórki do rozpuszczalnika. Wstępna obróbka ultradźwiękowa kozetek buraka cukrowego ułatwia i przyspiesza ekstrakcję sacharozy w kolumnie przepływu przeciwprądowego.
SEM (200×) próbek kosaćców buraka cukrowego sonikowanych przy 400 W w temperaturze 50°C dla różnych czasów ekstrakcji. A) przeciwprądowy przepływ ekstrakcji kossaków; B) po ZEA przez 10 min; C) po ZEA przez 20 min; D) po ZEA przez 40 min. Ekstrakcja ultradźwiękowa powoduje przerwanie ścian komórkowych i uwolnienie materiału wewnątrzkomórkowego.
(©Lu i in., 2013)
Porównanie wydobycia ultradźwiękowego i przeciwprądowego
Fu et al. (2013) porównali tradycyjną ekstrakcję przeciwprądową z ekstrakcją ultradźwiękową sacharozy z kozetki buraka cukrowego. Wyniki badań wykazały, że ekstrakcja ultradźwiękowa przyniosła większy plon o wyższej czystości, natomiast czas ekstrakcji został istotnie skrócony z 70 min. (przeciwprąd) do 40 min. (sonikacja). Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami (ZEA) skutkuje niższym stężeniem zanieczyszczeń koloidalnych (zwłaszcza pektyn), a także daje wyższy plon sacharozy (94,0±0,15%). Ekstrahowany sok o wysokiej czystości (92,6±0,11%). (por. Fu et al., 2013)
Ponieważ urządzenia do produkcji cukru są już wyposażone w konwencjonalne wieże do ekstrakcji przeciwprądowej, zasadniczo preferowane jest połączenie synergicznego sondowania z istniejącą instalacją. W celu zastosowania ultradźwiękowej ekstrakcji sacharozy w sposób najbardziej efektywny kosztowo i czasowo, ekstrakcja ultradźwiękowa może być zainstalowana jako zabieg synergiczny przed, podczas lub po konwencjonalnej ekstrakcji przeciwprądowej. Ponieważ ultradźwięki rozbijają komórki buraka cukrowego i uwalniają sacharozę z tych komórek, czas trwania przeciwprądowej ekstrakcji może być skrócony, a jednocześnie zwiększa się wydajność sacharozy.
- Proces przyspieszony
- wyższe plony
- intensyfikacja procesu
- Efekty synergetyczne w/ układy przeciwprądowe
- Łatwa modernizacja
- Proste testowanie
- liniową skalowalność
- Niskie koszty utrzymania
- szybki RoI
Wysokowydajne wyciągi ultradźwiękowe
Systemy ekstrakcyjne firmy Hielscher Ultrasonics są stosowane na całym świecie w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym do komercyjnej produkcji wysokiej jakości ekstraktów stosowanych jako produkty spożywcze, suplementy diety lub farmaceutyki. Jeśli chcą Państwo przetestować i zoptymalizować parametry obróbki ultradźwiękowej na poziomie stołowym lub zainstalować w pełni przemysłowy system ekstrakcji ultradźwiękowej do produkcji inline, firma Hielscher Ultrasonics ma dla Państwa odpowiedni zestaw do ekstrakcji ultradźwiękowej. Niewielka powierzchnia podstawy i elastyczne opcje instalacji pozwalają na doposażenie nawet w ciasnej hali produkcyjnej.
Standaryzacja procesu za pomocą Hielscher Ultrasonics
Produkty klasy spożywczej powinny być produkowane zgodnie z dobrą praktyką wytwarzania (GMP) i zgodnie ze znormalizowanymi specyfikacjami przetwarzania. Cyfrowe systemy ekstrakcyjne firmy Hielscher Ultrasonics są wyposażone w inteligentne oprogramowanie, które ułatwia precyzyjne ustawianie i sterowanie procesem sondowania. Automatyczna rejestracja danych zapisuje wszystkie parametry procesu ultradźwiękowego, takie jak energia ultradźwiękowa (energia całkowita i netto), amplituda, temperatura, ciśnienie (po zamontowaniu czujników temperatury i ciśnienia) z datą i godziną na wbudowanej karcie SD. Pozwala to na korektę każdej partii przetwarzanej ultradźwiękowo. Jednocześnie zapewniona jest powtarzalność i niezmiennie wysoka jakość produktu.
Hielscher Ultrasonics’ przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo duże amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być z łatwością wykorzystywane w trybie ciągłym w trybie 24/7. Dla jeszcze większych amplitud, dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do potrzeb klienta. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach.
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do pilotażowy i Przemysł skala.
Literatura / materiały źródłowe
- 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.
Fakty Warto wiedzieć
Produkcja cukru
Sacharoza, znana również jako cukier stołowy, produkowana jest głównie z trzciny cukrowej oraz z buraków cukrowych (Beta vulgaris). Cukier, tj. sacharoza, jest ekstrahowany z buraków cukrowych przy użyciu gorącej wody w wielostopniowym procesie, w którym surowy sok cukrowy jest ekstrahowany w gorącej wodzie dyfuzyjnej w przeciwprądowym systemie przepływu. Następnie sok cukrowy jest zagęszczany w próżni, a następnie cyklicznie myty i ostatecznie suszony.
Po zbiorach korzenie buraków są transportowane do cukrowni, gdzie są myte, a następnie mechanicznie krojone na cienkie paski, tzw. kozetki. Koziołki są podawane do systemu ekstrakcji przeciwprądowej. System przeciwprądowy działa na zasadzie dyfuzji i wypłukuje zawartość cukru z kozetek do gorącej wody.
Przeciwprądowe systemy dyfuzyjne to długie reaktory lub wysokie wieże/kolumny o wysokości kilku metrów, w których kossety przepływają w jednym kierunku (do góry), podczas gdy ciepła woda płynie w przeciwnym kierunku (do dołu). Nowoczesne wieże wydobywcze mają wydajność przetwarzania do 17.000 ton metrycznych na dobę. Typowy czas retencji kossetów w wieży przeciwprądowej wynosi ok. 90 min., podczas gdy woda pozostaje tylko 45 min. w kolumnie dyfuzora. Główną zaletą systemów przepływu przeciwprądowego jest mniejsze zużycie wody w porównaniu z maceracją buraków cukrowych w reaktorze gorącej wody. Roztwór soku cukrowego produkowany w przeciwprądowym systemie dyfuzyjnym nazywany jest surowym sokiem. Sok surowy może mieć kolor od czarnego do ciemnoczerwonego w zależności od stopnia jego utlenienia.
Zużyte kozły wychodzą z systemu dyfuzyjnego jako masa o wilgotności ok. 95%, ale niskiej zawartości sacharozy.
Wilgotna masa jest prasowana za pomocą prasy śrubowej do ok. 75% wilgotności, aby odzyskać pozostałą sacharozę z masy.
Pozostała masa jest suszona i wykorzystywana głównie jako pasza dla zwierząt.
Węglenie jest stosowane w celu usunięcia zanieczyszczeń z surowego soku, zanim zostanie on wytrącony do kryształków cukru. Dlatego też surowy sok miesza się z gorącym mlekiem wapiennym, tj. zawiesiną wodorotlenku wapnia w wodzie. Podczas karbonatyzacji wytrącają się zanieczyszczenia takie jak siarczany, fosforany, cytrynian i szczawiany. Wytrącają się one w postaci soli wapnia i większych cząsteczek organicznych, np. białek, pektyn i saponin. Dodatkowo alkaliczna wartość pH przekształca cukry proste, glukozę i fruktozę wraz z aminokwasem glutaminowym, w stabilne chemicznie kwasy karboksylowe, które mogą być później usuwane przez filtrację, ponieważ cząsteczki te przeszkadzałyby w krystalizacji.
W następnym etapie procesu dwutlenek węgla jest przepuszczany przez alkaliczny roztwór cukru, wytrącając wapno jako węglan wapnia. Cząsteczki węglanu wapnia wiążą pewne zanieczyszczenia. Ciężkie cząsteczki osiadają w zbiorniku i mogą być usunięte przez filtrację. Po tych etapach oczyszczania i czyszczenia otrzymuje się tzw. cienki sok. Cienki sok może być poddany działaniu sody kalcynowanej w celu dostosowania wartości pH, jak również związku na bazie siarki w celu zmniejszenia zabarwienia, które może wystąpić w wyniku rozkładu termicznego monosacharydów.
Odparowywanie służy do zagęszczania cienkiego soku za pomocą systemów wielokrotnego odparowywania, dzięki czemu cienki sok zmienia się w gęsty sok. Gruby sok ma ok. 60% masy sacharozy.
W ostatnim etapie, gęsty sok jest przetwarzany w krystalizatorach. Poprzez dodanie i rozpuszczenie recyklowanego cukru powstaje tzw. liquor macierzysty. Nalewka macierzysta jest dalej zagęszczana przez gotowanie w próżni w dużych naczyniach, tzw. patelniach próżniowych, a bardzo drobne kryształki cukru są dodawane jako punkty nasienne. Kryształki te rosną, gdy wokół nich tworzy się cukier z nalewki macierzystej. Otrzymana w ten sposób mieszanka kryształków cukru i syropu nazywana jest masecuitem, co po francusku oznacza “gotowana masa”. Masecuit jest podawany do wirówki, gdzie "Wysoko Zielony Syrop" jest usuwany z masecuitu siłą odśrodkową. Po odwirowaniu woda jest następnie rozpylana do wirówki w celu umycia kryształków cukru, co powoduje powstanie tak zwanego "Wysoko Zielonego Syropu". Następnie wirówka obraca się z bardzo dużą prędkością, aby częściowo wysuszyć kryształki. Kiedy wirówka zwalnia, cukier jest zeskrobywany ze ścianek wirówki na system przenośnikowy w celu przetransportowania go do granulatora obrotowego, gdzie jest suszony ciepłym powietrzem. Suche, czyste kryształki cukru są gotowe do sprzedaży do rafinerii lub producentów żywności w celu dalszej obróbki lub wykorzystania.