Ultradźwiękowa ekstrakcja cukru z krajanki buraczanej
Ekstrakcja ultradźwiękowa zwiększa uzysk sacharozy ekstrahowanej z krajanki buraczanej i znacznie skraca czas procesu ekstrakcji. Sonikacja jest prostą i bezpieczną techniką, którą można łatwo połączyć z obecnie stosowaną technologią ekstrakcji w przepływie przeciwprądowym w celu poprawy wydajności ekstrakcji.
Ultradźwiękowa ekstrakcja krajanki buraczanej
Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami opiera się na zasadzie działania kawitacji akustycznej lub ultradźwiękowej. Efekty mechaniczne generowane przez kawitację wywołaną ultradźwiękami powodują sonoporację i rozrywanie ścian komórkowych, co następnie zwiększa przepuszczalność cząsteczek uwięzionych wewnątrz komórek. Przepływ cieczy i mikroturbulencje wywołane kawitacją poprawiają transport masy w procesie ekstrakcji, dzięki czemu sacharoza i inne cząsteczki są przenoszone do rozpuszczalnika, czyli wody.
Sonikator UIP4000hdT do przemysłowej ekstrakcji buraków cukrowych.
- Ultradźwiękowa obróbka wstępna (przed wieżą przeciwprądową)
- Sonikacja podczas ekstrakcji przeciwprądowej
- Ultradźwiękowa obróbka końcowa (po wieży przeciwprądowej)
W zależności od istniejącej instalacji ekstrakcyjnej, celów produkcyjnych i dostępnej przestrzeni sonikację można łatwo włączyć do istniejącej instalacji jako obróbkę wstępną lub końcową, a także podczas ekstrakcji w przepływie przeciwprądowym.
Ultradźwiękowa obróbka wstępna krajanki buraczanej
Ultradźwiękowa obróbka wstępna krajanki buraczanej jest techniką intensyfikacji procesu. Ekstraktory ultradźwiękowe można łatwo łączyć z wieżami ekstrakcyjnymi o przepływie przeciwprądowym, które są wykorzystywane głównie do ekstrakcji buraków cukrowych. Krótka sonikacja krajanki buraczanej przed jej wprowadzeniem do przeciwprądowego układu ekstrakcyjnego pomaga rozerwać i otworzyć ściany komórkowe. Obróbka ultradźwiękowa wspomaga transport masy między rozpuszczalnikiem (czyli wodą) a krajanką buraczaną, dzięki czemu cząsteczki wewnątrzkomórkowe, takie jak sacharoza, są przenoszone z wnętrza komórek do rozpuszczalnika. Ultradźwiękowa obróbka wstępna krajanki buraczanej ułatwia i przyspiesza ekstrakcję sacharozy w kolumnie o przepływie przeciwprądowym.
Obrazy SEM (200×) próbek krajanki buraczanej poddanych sonikacji przy mocy 400 W i temperaturze 50°C przez różny czas ekstrakcji. A) ekstrakcja krajanki w przepływie przeciwprądowym; B) po UAE przez 10 min; C) po UAE przez 20 min; D) po UAE przez 40 min. Ekstrakcja ultradźwiękowa rozrywa ściany komórkowe i uwalnia materiał wewnątrzkomórkowy.
(©Fu et al., 2013)
Porównanie ekstrakcji ultradźwiękowej i przeciwprądowej
Fu et al. (2013) porównali tradycyjną ekstrakcję w przepływie przeciwprądowym z ultradźwiękową ekstrakcją sacharozy z krajanki buraczanej. Wyniki badania wykazały, że sonikacja zapewniała większy uzysk produktu o wyższej czystości, a czas ekstrakcji został znacznie skrócony z 70 min. (ekstrakcja przeciwprądowa) do 40 min. (sonikacja). Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami (UAE) prowadzi do niższego stężenia zanieczyszczeń koloidalnych (zwłaszcza pektyn) i zapewnia większy uzysk sacharozy (94,0±0,15%). Wyekstrahowany sok charakteryzuje się wysoką czystością (92,6±0,11%). (por. Fu et al., 2013)
Ponieważ zakłady produkujące cukier są już wyposażone w konwencjonalne przeciwprądowe wieże ekstrakcyjne, na ogół preferuje się połączenie synergistycznej sonikacji z istniejącą instalacją. Aby zastosować ultradźwiękową ekstrakcję sacharozy w sposób najbardziej efektywny pod względem kosztów i czasu, ekstrakcję ultradźwiękową można wdrożyć jako obróbkę synergistyczną przed konwencjonalną ekstrakcją w przepływie przeciwprądowym, podczas niej lub po niej. Ponieważ sonikacja rozbija komórki buraka cukrowego i uwalnia z nich sacharozę, czas obróbki w przepływie przeciwprądowym można skrócić, zwiększając jednocześnie uzysk sacharozy.
- Przyspieszony proces
- Większy uzysk
- Intensyfikacja procesu
- Efekty synergistyczne w połączeniu z układami przeciwprądowymi
- Łatwa integracja z istniejącą instalacją
- Proste testowanie
- Liniowa skalowalność
- Niewielkie wymagania konserwacyjne
- Szybki zwrot z inwestycji
Wysokowydajne ekstraktory ultradźwiękowe
Systemy ekstrakcyjne Hielscher Ultrasonics są wykorzystywane na całym świecie w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym do komercyjnej produkcji wysokiej jakości ekstraktów stosowanych jako produkty spożywcze, suplementy diety lub produkty farmaceutyczne. Niezależnie od tego, czy chcesz przetestować i zoptymalizować parametry obróbki ultradźwiękowej w skali laboratoryjnej na urządzeniu stołowym, czy zainstalować w pełni przemysłowy system ekstrakcji ultradźwiękowej do produkcji w linii, Hielscher Ultrasonics oferuje odpowiedni dla Ciebie zestaw do ekstrakcji ultradźwiękowej. Niewielka powierzchnia zajmowana przez urządzenia i elastyczne możliwości instalacji pozwalają na integrację z istniejącą instalacją nawet w ciasnym zakładzie przetwórczym.
Standaryzacja procesu z Hielscher Ultrasonics
Produkty przeznaczone do zastosowań spożywczych powinny być wytwarzane zgodnie z Dobrą Praktyką Wytwarzania (GMP) i według ustandaryzowanych specyfikacji procesu. Cyfrowe systemy ekstrakcyjne Hielscher Ultrasonics są wyposażone w inteligentne oprogramowanie, które ułatwia precyzyjne ustawianie i kontrolowanie procesu sonikacji. Automatyczny zapis danych rejestruje na wbudowanej karcie SD wszystkie parametry procesu ultradźwiękowego, takie jak energia ultradźwięków (energia całkowita i netto), amplituda, temperatura i ciśnienie (gdy zamontowane są czujniki temperatury i ciśnienia), wraz ze znacznikiem daty i czasu. Umożliwia to weryfikację każdej partii poddanej obróbce ultradźwiękowej. Jednocześnie zapewnione są powtarzalność i stale wysoka jakość produktu.
Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w ciągłej pracy w trybie 24/7. Do jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonane na zamówienie. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach.
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:
| Objętość partii | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| nie dotyczy | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| nie dotyczy | większe | zespół urządzeń UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Homogenizatory ultradźwiękowe dużej mocy do pracy w skali od laboratoryjnej do pilotażowej i przemysłowej .
Literatura / Źródła
- 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.
Warto wiedzieć
Produkcja cukru
Sacharoza, znana również jako cukier stołowy, jest produkowana głównie z trzciny cukrowej i buraków cukrowych (Beta vulgaris). Cukier, czyli sacharoza, jest ekstrahowany z buraków przy użyciu gorącej wody w wieloetapowym procesie, w którym surowy sok cukrowniczy uzyskuje się przez dyfuzję w gorącej wodzie w układzie o przepływie przeciwprądowym. Następnie sok cukrowniczy jest zagęszczany pod próżnią, po czym następują cykliczne płukanie i ostateczne suszenie.
Po zbiorze korzenie buraków są transportowane do cukrowni, gdzie buraki są myte, a następnie mechanicznie cięte na cienkie paski, czyli tak zwaną krajankę. Krajanka jest wprowadzana do układu ekstrakcyjnego o przepływie przeciwprądowym. Układ przeciwprądowy działa na zasadzie dyfuzji i wymywa cukier z krajanki do gorącej wody.
Przeciwprądowe układy dyfuzyjne to długie reaktory lub wysokie wieże / kolumny o wysokości kilku metrów, w których krajanka przepływa w jednym kierunku (w górę), a gorąca woda w przeciwnym kierunku (w dół). Nowoczesne wieżowe instalacje ekstrakcyjne mają wydajność przetwarzania do 17 000 ton metrycznych dziennie. Typowy czas przebywania krajanki w wieży przeciwprądowej wynosi ok. 90 min., podczas gdy woda pozostaje w kolumnie dyfuzyjnej tylko 45 min. Główną zaletą układów o przepływie przeciwprądowym jest mniejsze zużycie wody w porównaniu z maceracją buraków cukrowych w reaktorze z gorącą wodą. Roztwór soku cukrowniczego wytwarzany w przeciwprądowym układzie dyfuzyjnym nazywa się sokiem surowym. Barwa soku surowego może wahać się od czarnej do ciemnoczerwonej w zależności od stopnia jego utlenienia.
Zużyta krajanka opuszcza układ dyfuzyjny w postaci wysłodków o wilgotności ok. 95%, ale o niskiej zawartości sacharozy.
Wilgotne wysłodki są wyciskane w prasie ślimakowej do wilgotności ok. 75%, aby odzyskać pozostałą w nich sacharozę.
Pozostałe wysłodki są suszone i wykorzystywane głównie jako pasza dla zwierząt.
Saturację stosuje się w celu usunięcia zanieczyszczeń z soku surowego, zanim będzie można wytrącić z niego kryształy cukru. W tym celu sok surowy miesza się z gorącym mlekiem wapiennym, czyli zawiesiną wodorotlenku wapnia w wodzie. Podczas saturacji 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. Ponadto zasadowa wartość pH przekształca cukry proste, glukozę i fruktozę, wraz z aminokwasem glutaminą, w chemicznie stabilne kwasy karboksylowe, które można później usunąć przez filtrację, ponieważ cząsteczki te zakłócałyby krystalizację.
W kolejnym etapie procesu dwutlenek węgla jest przepuszczany w postaci pęcherzyków przez zasadowy roztwór cukru, co powoduje wytrącanie wapna w postaci węglanu wapnia. Cząstki węglanu wapnia wiążą część zanieczyszczeń. Ciężkie cząstki osiadają w zbiorniku i można je usunąć przez filtrację. Po tych etapach oczyszczania uzyskuje się tak zwany sok rzadki. Sok rzadki może być poddany obróbce sodą kalcynowaną w celu dostosowania wartości pH, a także związkiem na bazie siarki w celu ograniczenia zabarwienia, które może powstawać wskutek rozkładu termicznego monosacharydów.
Odparowywanie służy do zagęszczania soku rzadkiego przy użyciu wielostopniowych układów wyparnych, tak aby sok rzadki przekształcił się w sok gęsty. Sok gęsty zawiera ok. 60% sacharozy wagowo.
W ostatnim etapie sok gęsty jest poddawany obróbce w krystalizatorach. Przez dodanie i rozpuszczenie cukru zawracanego do procesu uzyskuje się tak zwany roztwór macierzysty. Roztwór macierzysty jest dalej zagęszczany przez wrzenie pod próżnią w dużych zbiornikach, zwanych warnikami próżniowymi, a bardzo drobne kryształy cukru dodaje się jako zarodki krystalizacji. Kryształy te rosną, gdy cukier z roztworu macierzystego odkłada się wokół nich. Powstała mieszanina kryształów cukru i syropu nazywana jest cukrzycą; jej francuska nazwa „massecuite” oznacza „ugotowaną masę”. Cukrzyca jest wprowadzana do wirówki, gdzie syrop „High Green” jest usuwany z cukrzycy przez siłę odśrodkową. Po wirowaniu do wirówki natryskuje się wodę w celu przemycia kryształów cukru, co daje tak zwany syrop „Low Green”. Następnie wirówka obraca się z bardzo dużą prędkością, aby częściowo wysuszyć kryształy. Gdy wirówka zwalnia, cukier jest zeskrobywany z jej ścian na układ przenośników, który transportuje go do granulatora obrotowego, gdzie jest suszony ciepłym powietrzem. Suche, czyste kryształy cukru są gotowe do sprzedaży rafineriom cukru lub producentom żywności w celu dalszej obróbki lub wykorzystania.