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.
(©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 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’ extraction systems are used worldwide in food and pharma for the commercial production of high quality extracts used as food products, dietary supplements or pharmaceuticals. Wether you want to test and optimise ultrasonic processing parameters on bench-top level or install a fully-industrial ultrasonic extraction system for inline production, Hielscher Ultrasonics has the suitable ultrasonic extraction setup for you. A small foot print and flexible installation options allow for retro-fitting even in a crammed processing facility.
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”. The massecuite is fed into a centrifuge, where the “High Green syrup” is removed from the massecuite by centrifugal force. After a centrifucagtion, water is then sprayed into the centrifuge to wash the sugar crystals, which produces a so-called “Low Green syrup”. The centrifuge then spins at very high speeds to partially dry the crystals. When the centrifuge slows down, the sugar is scraped from centrifuge walls onto a conveyer system to transport the sugar into a rotation granulator where it is dried by warm air. The dry, clean sugar crystals are ready to be sold to refineries or food manufacturers for further treatment or use.