Ультразвуковая экстракция сахара из свекловичной стружки
Ультразвуковая экстракция повышает выход экстрагированной сахарозы из свекловичной стружки и значительно сокращает продолжительность процесса экстракции. Ультразвуковая обработка является простым и безопасным методом, который можно легко сочетать с технологией противоточной экстракции для повышения эффективности экстракции.
Ультразвуковая экстракция сахарной свеклы
Ультразвуковая экстракция основана на принципе работы акустической или ультразвуковой кавитации. Механические эффекты, которые генерируются ультразвуковой кавитацией, вызывают сонопорацию и разрушение клеточных стенок, что впоследствии увеличивает проницаемость молекул, захваченных внутри клетки. Кавитационно вызванные потоки жидкости и микротурбулентности улучшают массоперенос в процессе экстракции, так что сахароза и другие молекулы переносятся в растворитель, т.е. воду.
Ультразвуковой аппарат UIP4000hdT для промышленной экстракции сахарной свеклы.
- Ультразвуковая предварительная обработка (перед противоточной колонной)
- Ультразвуковая обработка при противоточной экстракции
- Ультразвуковая последующая обработка (после противоточной колонны)
В зависимости от существующей установки экстракции, производственных целей и доступного пространства, ультразвуковая обработка может быть легко модернизирована в качестве предварительной или последующей обработки, а также во время противоточной экстракции.
Ультразвуковая предварительная обработка свекловичной стружки
Ультразвуковая предварительная обработка свекловичной стружки является интенсификацией процесса. Ультразвуковые экстракторы можно легко комбинировать с противооточными вытяжными колоннами, которые в основном используются для экстракции сахарной свеклы. Короткая ультразвуковая обработка стружки сахарной свеклы перед тем, как она попадет в противоточную систему экстракции, помогает разрушить и открыть клеточные стенки. Ультразвуковое исследование способствует массопереносу между растворителем (т.е. водой) и свекловичной стружкой, так что внутриклеточные молекулы, такие как сахароза, переносятся из внутренней части клетки в растворитель. Ультразвуковая предварительная обработка свекловичной стружки облегчает и ускоряет экстракцию сахарозы в противоточной колонне.
SEM (200×) образцов свекловичной стружки, обработанных ультразвуком при 400 Вт при 50°C для разного времени экстракции. А) противоток вытяжки стружки; Б) после ОАЭ в течение 10 минут; В) после ОАЭ в течение 20 минут; D) после ОАЭ на 40 мин. Ультразвуковая экстракция разрушает клеточные стенки и высвобождает внутриклеточный материал.
(© Фу и др., 2013)
Сравнение ультразвуковой и противоточной экстракции
Fu et al. (2013) сравнили традиционную противоточную экстракцию с ультразвуковой экстракцией сахарозы из свекловичной стружки. Результаты исследования показали, что ультразвуковая обработка привела к более высокому выходу превосходной чистоты, в то время как время экстракции было значительно сокращено с 70 мин. (противоток) до 40 мин. (ультразвуковая обработка). Ультразвуковая экстракция (УЗИ) приводит к снижению концентрации коллоидных примесей (особенно пектинов) и дает более высокий выход сахарозы (94,0±0,15%). Экстрагированный сок высокой чистоты (92,6±0,11%). (ср. Fu et al., 2013)
Поскольку сахарные заводы уже оснащены обычными противооточными колоннами экстракции, обычно предпочтение отдается сочетанию синергетической ультразвука с существующей установкой. Для того, чтобы применить ультразвуковую экстракцию сахарозой наиболее экономичным и эффективным по времени способом, ультразвуковая экстракция может быть установлена в качестве синергетической обработки до, во время или после традиционной противоточной экстракции. Поскольку ультразвуковая обработка разрушает клетки сахарной свеклы и высвобождает сахарозу из клеток, продолжительность обработки противотоком может быть сокращена, в то время как выход сахарозы увеличивается.
- Ускоренный процесс
- Более высокая урожайность
- интенсификация технологического процесса
- Синергетические эффекты с противоточными системами
- Простая модернизация
- Простое тестирование
- Линейная масштабируемость
- Низкие эксплуатационные расходы
- Быстрая окупаемость инвестиций
Высокопроизводительные ультразвуковые экстракторы
Hielscher Ultrasonics’ Системы экстракции широко используются во всем мире в пищевой и фармацевтической промышленности для промышленного производства высококачественных экстрактов, применяемых в качестве пищевых продуктов, биологически активных добавок или лекарственных средств. Независимо от того, хотите ли вы протестировать и оптимизировать параметры ультразвуковой обработки на лабораторном уровне или установить полностью промышленную ультразвуковую экстракционную систему для поточного производства, компания Hielscher Ultrasonics предложит вам подходящую ультразвуковую экстракционную установку. Компактные габариты и гибкие варианты монтажа позволяют модернизировать оборудование даже на перегруженном производственном объекте.
Стандартизация процессов с помощью Hielscher Ultrasonics
Продукты пищевого назначения должны производиться в соответствии с надлежащей производственной практикой (GMP) и стандартизированными технологическими условиями. Hielscher Ultrasonics’ Цифровые системы экстракции поставляются с интеллектуальным программным обеспечением, которое позволяет легко и точно настроить и контролировать процесс соникации. Автоматическая запись данных записывает все параметры ультразвукового процесса, такие как энергия ультразвука (общая и чистая энергия), амплитуда, температура, давление (если установлены датчики температуры и давления) с отметкой даты и времени на встроенную SD-карту. Это позволяет пересмотреть каждую обработанную ультразвуком партию. При этом обеспечивается воспроизводимость и постоянно высокое качество продукции.
Hielscher Ultrasonics’ Промышленные ультразвуковые процессоры могут обеспечивать очень высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях эксплуатации и в сложных условиях.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!
Мощные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому пилот и промышленный шкала.
Литература / Литература
- 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.
Факты, которые стоит знать
Производство сахара
Сахароза, также известная как столовый сахар, в основном производится из сахарного тростника и сахарной свеклы (Beta vulgaris). Сахар, т.е. сахароза, извлекают из свеклы с помощью горячей воды в многоступенчатом процессе, где сок сахара-сырца экстрагируется диффузией горячей воды в системе противотока. После этого сахарный сок концентрируется под вакуумом, после чего следует циклическая промывка и, наконец, сушка.
После сбора урожая корнеплоды свеклы транспортируются на сахароперерабатывающий завод, где свеклу промывают и затем механически нарезают тонко нарезанными полосками, так называемыми козетками. Стружка подается в противоточную систему вытяжки. Противоточная система работает за счет диффузии и выщелачивает сахар из стружки в горячую воду.
Противоточные диффузионные системы представляют собой длинные реакторы или высокие башни / колонны высотой в несколько метров, в которых стружка течет в одном направлении (вверх), а горячая вода — в противоположном направлении (вниз по течению). Современные башенные экстракционные установки имеют перерабатывающую мощность до 17 000 метрических тонн в день. Типичное время удержания стружки в противоточной башне составляет около 90 минут, в то время как вода остается в колонне диффузора всего 45 минут. Основным преимуществом противоточных систем является снижение расхода воды по сравнению с мацерацией сахарной свеклы в реакторе с горячей водой. Раствор сахарного сока, который образуется в противоточной диффузионной системе, называется сырым соком. Цвет сырого сока может варьироваться от черного до темно-красного в зависимости от степени его окисления.
Отработанная стружка выходит из диффузионной системы в виде пульпы с влажностью около 95%, но низким содержанием сахарозы.
Влажная мякоть прессуется с помощью шнекового пресса примерно до 75% влажности для восстановления остатков сахарозы из мякоти.
Оставшаяся мякоть высушивается и используется в основном в качестве корма для животных.
Карбонатация применяется для удаления примесей из сырого сока до того, как он сможет осаждаться до кристаллов сахара. Поэтому сырой сок смешивают с горячим известковым молоком, т. е. суспензией гидроксида кальция в воде. Во время карбонатации выпадают в осадок такие примеси, как сульфаты, фосфаты, цитраты и оксалаты. Они выпадают в осадок в виде солей кальция и более крупных органических молекул, например, белков, пектинов и сапонинов. Кроме того, щелочное значение pH превращает простые сахара глюкозу и фруктозу вместе с аминокислотой глутамином в химически стабильные карбоновые кислоты, которые могут быть удалены позже с помощью фильтрации, поскольку эти молекулы будут препятствовать кристаллизации.
На следующем этапе процесса углекислый газ пузырится через щелочной раствор сахара, осаждая известь в виде карбоната кальция. Частицы карбоната кальция связывают некоторые примеси. Тяжелые частицы оседают в резервуаре и могут быть удалены с помощью фильтрации. После этих этапов очистки и очистки получается так называемый тонкий сок. Тонкий сок может быть обработан кальцинированной содой для регулировки значения pH, а также соединением на основе серы для уменьшения окрашивания, которое может произойти из-за термического разложения моносахаридов.
Выпаривание используется для концентрирования жидкого сока с помощью многоступенчатых систем выпаривания, так что тонкий сок превращается в густой сок. Густой сок содержит около 60% сахарозы по весу.
На заключительном этапе густой сок обрабатывается в кристаллизаторах. Путем добавления и растворения переработанного сахара получают так называемый маточный раствор. Маточный раствор концентрируется далее путем кипячения под вакуумом в больших сосудах, известных как вакуумные кастрюли, и очень мелкие кристаллы сахара добавляются в качестве точек посева. Эти кристаллы растут по мере того, как вокруг них образуется сахар из маточного раствора. Полученная смесь кристаллов сахара и сиропа называется утфелем, что в переводе с французского означает “Приготовленная масса”. Массекуит подается в центрифугу, где “Сироп «Хай Грин»” удаляется из массекуита под действием центробежной силы. После центрифугирования в центрифугу распыляется вода для промывки кристаллов сахара, в результате чего образуется так называемый “Сироп «Low Green»”. Затем центрифуга вращается с очень высокой скоростью, чтобы частично высушить кристаллы. Когда центрифуга замедляется, сахар соскребают со стенок центрифуги на конвейерную систему, которая транспортирует его в ротационный гранулятор, где он сушится теплым воздухом. Сухие, чистые кристаллы сахара готовы к продаже на сахарные заводы или предприятиям пищевой промышленности для дальнейшей переработки или использования.