Extracția cu ultrasunete a zahărului din tăițeii de sfeclă de zahăr
Extracția cu ultrasunete crește randamentul de zaharoză extrasă din tăițeii de sfeclă de zahăr și reduce semnificativ durata procesului de extracție. Sonicarea este o tehnică simplă și sigură, care poate fi combinată cu ușurință cu tehnologia actuală de extracție în contracurent, pentru a îmbunătăți eficiența extracției.
Extracția cu ultrasunete din tăițeii de sfeclă de zahăr
Extracția asistată de ultrasunete se bazează pe principiul de funcționare al cavitației acustice sau ultrasonice. Efectele mecanice generate de cavitația indusă ultrasonic provoacă sonoporarea și dezintegrarea pereților celulari, ceea ce crește ulterior permeabilitatea moleculelor captive în interiorul celulei. Curgerea lichidului și microturbulențele cauzate de cavitație îmbunătățesc transferul de masă al procesului de extracție, astfel încât zaharoza și alte molecule sunt transferate în solvent, adică în apă.
Ultrasonicatorul UIP4000hdT pentru extracția industrială din sfecla de zahăr.
- Pretratare cu ultrasunete (înainte de turnul de contracurent)
- Sonicare în timpul extracției în contracurent
- Post-tratare cu ultrasunete (după turnul de contracurent)
În funcție de instalația de extracție existentă, de obiectivele de producție și de spațiul disponibil, sonicarea poate fi integrată cu ușurință ulterior ca pretratare sau post-tratare, precum și în timpul extracției în contracurent.
Pretratarea cu ultrasunete a tăițeilor de sfeclă de zahăr
Pretratarea cu ultrasunete a tăițeilor de sfeclă de zahăr este o tehnică de intensificare a procesului. Extractoarele cu ultrasunete pot fi combinate cu ușurință cu turnurile de extracție în contracurent, care sunt utilizate în principal pentru extracția din sfecla de zahăr. O sonicare scurtă a tăițeilor de sfeclă de zahăr, înainte ca aceștia să intre în sistemul de extracție în contracurent, ajută la dezintegrarea și deschiderea pereților celulari. Ultrasonicarea favorizează transferul de masă între solvent (adică apă) și tăițeii de sfeclă, astfel încât moleculele intracelulare, cum ar fi zaharoza, sunt transferate din interiorul celulei în solvent. Pretratarea cu ultrasunete a tăițeilor de sfeclă de zahăr facilitează și accelerează extracția zaharozei în coloana de extracție în contracurent.
SEM (200×) al probelor de tăiței de sfeclă de zahăr sonicate la 400 W la 50°C pentru durate diferite de extracție. A) extracția tăițeilor în contracurent; B) după UAE timp de 10 min; C) după UAE timp de 20 min; D) după UAE timp de 40 min. Extracția cu ultrasunete dezintegrează pereții celulari și eliberează materialul intracelular.
(©Fu et al., 2013)
Comparație între extracția cu ultrasunete și extracția în contracurent
Fu et al. (2013) au comparat extracția tradițională în contracurent cu extracția cu ultrasunete a zaharozei din tăițeii de sfeclă de zahăr. Rezultatele studiului au arătat că sonicarea a dus la un randament mai mare, cu o puritate superioară, în timp ce durata extracției a fost redusă semnificativ de la 70 min. (contracurent) la 40 min. (sonicare). Extracția asistată de ultrasunete (UAE) are ca rezultat o concentrație mai scăzută de impurități coloidale (în special pectine) și oferă un randament mai mare de zaharoză (94,0±0,15%). Sucul extras are o puritate ridicată (92,6±0,11%). (cf. Fu et al., 2013)
Deoarece instalațiile de producție a zahărului sunt deja echipate cu turnuri convenționale de extracție în contracurent, se preferă în general combinarea sonicării sinergice cu instalația existentă. Pentru a aplica extracția cu ultrasunete a zaharozei în modul cel mai eficient din punctul de vedere al costurilor și al timpului, extracția cu ultrasunete poate fi instalată ca tratament sinergic înainte, în timpul sau după extracția convențională în contracurent. Deoarece sonicarea dezintegrează celulele de sfeclă de zahăr și eliberează zaharoza din celule, durata tratamentului în contracurent poate fi redusă, în timp ce randamentul de zaharoză crește.
- Proces accelerat
- Randamente mai mari
- Intensificarea procesului
- Efecte sinergice cu sistemele în contracurent
- Integrare ulterioară ușoară
- Testare simplă
- Scalabilitate liniară
- Întreținere redusă
- Recuperare rapidă a investiției (RoI)
Extractoare cu ultrasunete de înaltă performanță
Sistemele de extracție Hielscher Ultrasonics sunt utilizate în întreaga lume în industria alimentară și farmaceutică pentru producția comercială de extracte de înaltă calitate, folosite ca produse alimentare, suplimente alimentare sau produse farmaceutice. Fie că doriți să testați și să optimizați parametrii de procesare cu ultrasunete la nivel de laborator (bench-top), fie să instalați un sistem de extracție cu ultrasunete complet industrial pentru producția în linie, Hielscher Ultrasonics are configurația de extracție cu ultrasunete potrivită pentru dumneavoastră. Amprenta redusă la sol și opțiunile flexibile de instalare permit integrarea ulterioară chiar și într-o instalație de procesare cu spațiu limitat.
Standardizarea proceselor cu Hielscher Ultrasonics
Produsele de calitate alimentară ar trebui fabricate în conformitate cu Bunele Practici de Fabricație (GMP) și conform unor specificații de procesare standardizate. Sistemele digitale de extracție Hielscher Ultrasonics sunt dotate cu un software inteligent, care facilitează setarea și controlul precis al procesului de sonicare. Înregistrarea automată a datelor salvează pe cardul SD încorporat toți parametrii procesului cu ultrasunete, cum ar fi energia ultrasonică (energia totală și netă), amplitudinea, temperatura, presiunea (când sunt montați senzori de temperatură și presiune), cu marcaj de dată și oră. Acest lucru vă permite să verificați fiecare lot procesat cu ultrasunete. În același timp, sunt asigurate reproductibilitatea și o calitate constant ridicată a produsului.
Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher Ultrasonics pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în funcționare continuă 24/7. Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate. Robustețea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim intensiv și în medii solicitante.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:
| Volumul lotului | Debit | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 1 până la 500mL | 10 până la 200mL/min | UP100H |
| 10 până la 2000mL | 20 până la 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 până la 20L | 0,2 până la 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 până la 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | cluster de UIP16000 |
Contactați-ne! / Întrebați-ne!
Literatură / Referințe
- 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.
Fapte demne de știut
Producția de zahăr
Zaharoza, cunoscută și sub denumirea de zahăr de masă, este produsă în principal din trestie de zahăr și din sfeclă de zahăr (Beta vulgaris). Zahărul, adică zaharoza, este extras din sfeclă cu ajutorul apei fierbinți într-un proces în mai multe etape, în care sucul brut de zahăr este extras prin difuzie în apă fierbinte, într-un sistem cu flux în contracurent. Ulterior, sucul de zahăr este concentrat sub vid, urmând spălarea ciclică și, în final, uscarea.
După recoltare, rădăcinile de sfeclă sunt transportate la fabrica de procesare a zahărului, unde sfecla este spălată și apoi tăiată mecanic în fâșii subțiri, așa-numiții tăiței. Tăițeii sunt introduși în sistemul de extracție în contracurent. Sistemul în contracurent funcționează prin difuzie și extrage prin levigare conținutul de zahăr din tăiței în apa fierbinte.
Sistemele de difuzie în contracurent sunt reactoare lungi sau turnuri / coloane înalte de câțiva metri, în care tăițeii curg într-o direcție (în sus), în timp ce apa fierbinte curge în direcția opusă (în aval). Instalațiile moderne de extracție cu turn au o capacitate de procesare de până la 17.000 de tone metrice pe zi. Timpul tipic de retenție al tăițeilor în turnul în contracurent este de aprox. 90 min., în timp ce apa rămâne doar 45 min. în coloana de difuzie. Principalul avantaj al sistemelor în contracurent este consumul redus de apă în comparație cu macerarea sfeclei de zahăr într-un reactor cu apă fierbinte. Soluția de suc de zahăr produsă în sistemul de difuzie în contracurent se numește suc brut. Culoarea sucului brut poate varia de la negru la roșu închis, în funcție de gradul său de oxidare.
Tăițeii epuizați ies din sistemul de difuzie sub formă de pulpă cu aprox. 95% umiditate, dar cu un conținut scăzut de zaharoză.
Pulpa umedă este presată cu o presă cu șnec până la aprox. 75% umiditate, pentru a recupera zaharoza rămasă din pulpă.
Pulpa rămasă este uscată și utilizată în principal ca furaj pentru animale.
Carbonatarea este aplicată pentru a îndepărta impuritățile din sucul brut înainte ca acesta să poată fi precipitat sub formă de cristale de zahăr. În acest scop, sucul brut este amestecat cu lapte de var fierbinte, adică o suspensie de hidroxid de calciu în apă. În timpul carbonatării, impuritățile precum sulfații, fosfații, citratul și oxalații precipită. Acestea precipită sub formă de săruri de calciu și molecule organice mai mari, de ex. proteine, pectine și saponine. În plus, valoarea alcalină a pH-ului transformă zaharurile simple glucoză și fructoză, împreună cu aminoacidul glutamină, în acizi carboxilici stabili chimic, care pot fi îndepărtați ulterior prin filtrare, deoarece aceste molecule ar interfera cu cristalizarea.
În etapa următoare a procesului, dioxidul de carbon este barbotat prin soluția alcalină de zahăr, precipitând varul sub formă de carbonat de calciu. Particulele de carbonat de calciu leagă o parte din impurități. Particulele grele se depun în rezervor și pot fi îndepărtate prin filtrare. După aceste etape de purificare și curățare se obține așa-numitul suc subțire. Sucul subțire poate fi tratat cu sodă calcinată pentru ajustarea valorii pH-ului, precum și cu un compus pe bază de sulf pentru a reduce colorarea, care poate apărea din cauza descompunerii termice a monozaharidelor.
Evaporarea este utilizată pentru concentrarea sucului subțire cu ajutorul sistemelor de evaporare cu efect multiplu, astfel încât sucul subțire se transformă în suc dens. Sucul dens conține aprox. 60% zaharoză în greutate.
În etapa finală, sucul dens este tratat în cristalizatoare. Prin adăugarea și dizolvarea zahărului reciclat se produce o așa-numită soluție-mamă. Soluția-mamă este concentrată în continuare prin fierbere sub vid în recipiente mari, cunoscute sub denumirea de aparate de fierbere sub vid (vacuum pans), iar cristale de zahăr foarte fine sunt adăugate ca puncte de însămânțare. Aceste cristale cresc pe măsură ce zahărul din soluția-mamă se formează în jurul lor. Amestecul rezultat de cristale de zahăr / sirop se numește massecuite, un termen francez care înseamnă „masă fiartă”. Massecuite-ul este introdus într-o centrifugă, unde siropul „High Green” este separat din massecuite prin forța centrifugă. După o centrifugare, se pulverizează apoi apă în centrifugă pentru a spăla cristalele de zahăr, ceea ce produce un așa-numit sirop „Low Green”. Centrifuga se rotește apoi la viteze foarte mari pentru a usca parțial cristalele. Când centrifuga încetinește, zahărul este răzuit de pe pereții centrifugei pe un sistem de transport care duce zahărul într-un granulator rotativ, unde este uscat cu aer cald. Cristalele de zahăr uscate și curate sunt gata pentru a fi vândute rafinăriilor sau producătorilor de alimente pentru tratare sau utilizare ulterioară.