Ультразвуковая экстракция сахара из свекловичной стружки
Ультразвуковая экстракция повышает выход сахарозы, извлекаемой из свекловичной стружки, и значительно сокращает продолжительность процесса экстракции. Обработка ультразвуком – простой и безопасный метод, который легко сочетается с существующей технологией противоточной экстракции для повышения эффективности извлечения.
Ультразвуковая экстракция из свекловичной стружки
Экстракция с помощью ультразвука основана на принципе действия акустической, или ультразвуковой, кавитации. Механические эффекты, возникающие при кавитации, вызванной ультразвуком, приводят к сонопорации и разрушению клеточных стенок, что впоследствии повышает проницаемость молекул, заключённых внутри клеток. Вызванные кавитацией потоки жидкости и микротурбулентность улучшают массоперенос в процессе экстракции, благодаря чему сахароза и другие молекулы переходят в растворитель, то есть в воду.
Ультразвуковой аппарат UIP4000hdT для промышленной экстракции из сахарной свёклы.
- Предварительная обработка ультразвуком (перед противоточной башней)
- Обработка ультразвуком во время противоточной экстракции
- Последующая обработка ультразвуком (после противоточной башни)
В зависимости от существующего экстракционного оборудования, производственных целей и доступного пространства обработку ультразвуком можно легко внедрить при модернизации в качестве предварительной или последующей обработки, а также непосредственно в процессе противоточной экстракции.
Предварительная обработка свекловичной стружки ультразвуком
Предварительная обработка свекловичной стружки ультразвуком представляет собой метод интенсификации процесса. Ультразвуковые экстракторы легко сочетаются с противоточными экстракционными башнями, которые преимущественно используются для экстракции из сахарной свёклы. Кратковременная обработка свекловичной стружки ультразвуком перед её поступлением в систему противоточной экстракции способствует разрушению и раскрытию клеточных стенок. Обработка ультразвуком усиливает массоперенос между растворителем (то есть водой) и свекловичной стружкой, благодаря чему внутриклеточные молекулы, такие как сахароза, переходят из клеток в растворитель. Предварительная обработка свекловичной стружки ультразвуком облегчает и ускоряет экстракцию сахарозы в противоточной колонне.
Сканирующая электронная микроскопия (200×) образцов свекловичной стружки, обработанных ультразвуком мощностью 400 W при 50°C в течение различного времени экстракции. A) противоточная экстракция из стружки; B) после экстракции с помощью ультразвука (UAE) в течение 10 min; C) после UAE в течение 20 min; D) после UAE в течение 40 min. Ультразвуковая экстракция разрушает клеточные стенки и высвобождает внутриклеточный материал.
(©Fu et al., 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 обработка ультразвуком обеспечила более высокий выход продукта более высокой чистоты, при этом время экстракции значительно сократилось с 70 min. (противоточная экстракция) до 40 min. (обработка ультразвуком). Экстракция с помощью ультразвука (UAE) приводит к более низкой концентрации коллоидных примесей (особенно пектинов) и обеспечивает более высокий выход сахарозы (94,0±0,15%). Полученный сок имеет высокую чистоту (92,6±0,11%). (См. Fu et al., 2013)
Поскольку предприятия по производству сахара уже оснащены обычными противоточными экстракционными башнями, обычно предпочтение отдаётся сочетанию синергетической обработки ультразвуком с существующим оборудованием. Чтобы применять ультразвуковую экстракцию сахарозы с наибольшей экономией затрат и времени, её можно внедрить в качестве синергетической обработки до, во время или после обычной противоточной экстракции. Поскольку обработка ультразвуком разрушает клетки сахарной свёклы и высвобождает из них сахарозу, продолжительность противоточной обработки можно сократить, одновременно повышая выход сахарозы.
- Ускорение процесса
- Более высокий выход
- Интенсификация процесса
- Синергетические эффекты при сочетании с противоточными системами
- Простота внедрения при модернизации
- Простота испытаний
- Линейная масштабируемость
- Низкая потребность в техническом обслуживании
- Быстрая окупаемость инвестиций
Высокопроизводительные ультразвуковые экстракторы
Экстракционные системы Hielscher Ultrasonics используются во всём мире в пищевой и фармацевтической промышленности для коммерческого производства высококачественных экстрактов, применяемых в качестве пищевых продуктов, биологически активных добавок или фармацевтических препаратов. Независимо от того, хотите ли вы испытать и оптимизировать параметры обработки ультразвуком на настольной установке или установить полностью промышленную систему ультразвуковой экстракции для производства в потоке, Hielscher Ultrasonics предложит вам подходящую установку для ультразвуковой экстракции. Небольшая занимаемая площадь и гибкие варианты установки позволяют внедрять оборудование при модернизации даже в условиях тесного производственного помещения.
Стандартизация процесса с Hielscher Ultrasonics
Продукция пищевого назначения должна производиться в соответствии с надлежащей производственной практикой (GMP) и стандартизированными технологическими требованиями. Цифровые экстракционные системы Hielscher Ultrasonics оснащены интеллектуальным программным обеспечением, которое позволяет легко и точно задавать и контролировать процесс обработки ультразвуком. Автоматическая регистрация данных записывает все параметры ультразвукового процесса, такие как ультразвуковая энергия (полная и полезная энергия), амплитуда, температура и давление (при установленных датчиках температуры и давления), с отметками даты и времени на встроенную SD-карту. Это позволяет проверять каждую партию, обработанную ультразвуком. Одновременно обеспечиваются воспроизводимость и стабильно высокое качество продукции.
Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics способны обеспечивать очень высокие амплитуды. Непрерывная работа с амплитудами до 200µm легко осуществляется в режиме 24/7. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Прочность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 при высоких нагрузках и в сложных условиях.
В таблице ниже приведены ориентировочные значения производительности наших ультразвуковых аппаратов:
| Объём партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 1 до 500mL | от 10 до 200mL/min | UP100H |
| от 10 до 2000mL | от 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| от 0,1 до 20L | от 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| от 10 до 100L | от 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| не применимо | от 10 до 100L/min | UIP16000 |
| не применимо | больше | группа устройств UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Задайте нам вопрос!
Мощные ультразвуковые гомогенизаторы от лабораторного до пилотного и промышленного масштаба.
Литература / Источники
- 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.
Полезные сведения
Производство сахара
Сахарозу, также известную как столовый сахар, преимущественно производят из сахарного тростника и сахарной свёклы (Beta vulgaris). Сахар, то есть сахарозу, извлекают из свёклы горячей водой в ходе многоэтапного процесса, при котором сырой сахарный сок получают диффузией в горячую воду в противоточной системе. Затем сахарный сок концентрируют под вакуумом, после чего проводят циклическую промывку и, наконец, сушку.
После уборки урожая корнеплоды свёклы доставляют на сахарный завод, где их моют, а затем механически нарезают тонкими полосками – так называемой свекловичной стружкой. Стружку подают в систему противоточной экстракции. Противоточная система работает по принципу диффузии и вымывает содержащийся в стружке сахар в горячую воду.
Противоточные диффузионные системы представляют собой длинные реакторы или высокие башни / колонны высотой в несколько метров, в которых стружка движется в одном направлении (вверх), а горячая вода – в противоположном (вниз). Современные башенные экстракционные установки имеют производительность до 17 000 метрических тонн в сутки. Типичное время пребывания стружки в противоточной башне составляет приблизительно 90 min., тогда как вода находится в диффузионной колонне только 45 min. Основное преимущество противоточных систем – сниженный расход воды по сравнению с мацерацией сахарной свёклы в реакторе с горячей водой. Раствор сахарного сока, получаемый в противоточной диффузионной системе, называется сырым соком. Цвет сырого сока может варьироваться от чёрного до тёмно-красного в зависимости от степени его окисления.
Отработанная стружка выходит из диффузионной системы в виде жома с влажностью приблизительно 95%, но низким содержанием сахарозы.
Влажный жом отжимают шнековым прессом до влажности приблизительно 75%, чтобы извлечь оставшуюся в нём сахарозу.
Оставшийся жом сушат и используют главным образом в качестве корма для животных.
Для удаления примесей из сырого сока перед осаждением из него кристаллов сахара применяют сатурацию. Для этого сырой сок смешивают с горячим известковым молоком, то есть суспензией гидроксида кальция в воде. Во время сатурации примеси, такие как сульфаты, фосфаты, цитрат и оксалаты, выпадают в осадок. Они осаждаются 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, а также аминокислоту глутамин в химически стабильные карбоновые кислоты, которые впоследствии можно удалить фильтрацией, поскольку эти молекулы препятствовали бы кристаллизации.
На следующем этапе процесса через щелочной сахарный раствор пропускают пузырьки диоксида углерода, осаждая известь в виде карбоната кальция. Частицы карбоната кальция связывают некоторые примеси. Тяжёлые частицы оседают в резервуаре и могут быть удалены фильтрацией. После этих этапов очистки получают так называемый очищенный сок. Очищенный сок может быть обработан кальцинированной содой для корректировки значения pH, а также соединением на основе серы для уменьшения окрашивания, которое может возникать вследствие термического разложения моносахаридов.
Для концентрирования очищенного сока используют выпаривание в многокорпусных выпарных установках, в результате чего очищенный сок превращается в густой сок. Густой сок содержит приблизительно 60% сахарозы по массе.
На заключительном этапе густой сок обрабатывают в кристаллизаторах. При добавлении и растворении возвращаемого в процесс сахара получают так называемый маточный раствор. Маточный раствор дополнительно концентрируют кипячением под вакуумом в больших ёмкостях, называемых вакуум-аппаратами, и добавляют очень мелкие кристаллы сахара в качестве центров кристаллизации. Эти кристаллы растут по мере того, как сахар из маточного раствора образуется вокруг них. Полученную смесь кристаллов сахара и сиропа называют утфелем, или massecuite – французским термином, означающим «сваренная масса». Утфель подают в центрифугу, где сироп «High Green» отделяется от утфеля под действием центробежной силы. После центрифугирования в центрифугу распыляют воду для промывки кристаллов сахара, в результате чего образуется так называемый сироп «Low Green». Затем центрифуга вращается с очень высокой скоростью для частичного высушивания кристаллов. Когда центрифуга замедляется, сахар соскребают с её стенок на конвейерную систему, которая транспортирует его во вращающийся гранулятор, где он сушится тёплым воздухом. Сухие чистые кристаллы сахара готовы к продаже предприятиям по рафинированию сахара или производителям пищевых продуктов для дальнейшей обработки или использования.