Ultrazvuková extrakcia cukru z rezkov cukrovej repy
Ultrazvuková extrakcia zvyšuje výťažok sacharózy extrahovanej z rezkov cukrovej repy a výrazne skracuje trvanie extrakčného procesu. Sonikácia je jednoduchá a bezpečná technika, ktorú možno ľahko kombinovať so súčasnou technológiou protiprúdovej extrakcie na zvýšenie účinnosti extrakcie.
Ultrazvuková extrakcia rezkov cukrovej repy
Extrakcia podporovaná ultrazvukom je založená na princípe akustickej alebo ultrazvukovej kavitácie. Mechanické účinky vyvolané ultrazvukom indukovanou kavitáciou spôsobujú sonoporáciu a narušenie bunkových stien, čím sa následne zvyšuje ich priepustnosť pre molekuly zachytené vo vnútri buniek. Prúdenie kvapaliny a mikroturbulencie spôsobené kavitáciou zlepšujú prenos hmoty pri extrakcii, takže sacharóza a ďalšie molekuly prechádzajú do rozpúšťadla, t. j. vody.
Ultrazvukový prístroj UIP4000hdT na priemyselnú extrakciu cukrovej repy.
- Ultrazvuková predúprava (pred protiprúdovou vežou)
- Sonikácia počas protiprúdovej extrakcie
- Ultrazvuková následná úprava (za protiprúdovou vežou)
V závislosti od existujúceho extrakčného zariadenia, výrobných cieľov a dostupného priestoru možno sonikáciu ľahko dodatočne začleniť ako predúpravu alebo následnú úpravu, ako aj počas protiprúdovej extrakcie.
Ultrazvuková predúprava rezkov cukrovej repy
Ultrazvuková predúprava rezkov cukrovej repy je technika na intenzifikáciu procesu. Ultrazvukové extraktory možno ľahko kombinovať s protiprúdovými extrakčnými vežami, ktoré sa používajú najmä na extrakciu cukrovej repy. Krátka sonikácia rezkov cukrovej repy pred ich vstupom do protiprúdového extrakčného systému pomáha narušiť a otvoriť bunkové steny. Pôsobenie ultrazvuku podporuje prenos hmoty medzi rozpúšťadlom (t. j. vodou) a repnými rezkami, takže vnútrobunkové molekuly, ako je sacharóza, prechádzajú z vnútra buniek do rozpúšťadla. Ultrazvuková predúprava rezkov cukrovej repy uľahčuje a urýchľuje extrakciu sacharózy v protiprúdovej kolóne.
Snímky zo skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM, 200×) vzoriek rezkov cukrovej repy sonikovaných pri výkone 400 W a teplote 50°C počas rôznych časov extrakcie. A) protiprúdová extrakcia rezkov; B) po 10 min extrakcie podporovanej ultrazvukom (UAE); C) po 20 min UAE; D) po 40 min UAE. Ultrazvuková extrakcia narúša bunkové steny a uvoľňuje vnútrobunkový materiál.
(©Fu et al., 2013)
Porovnanie ultrazvukovej a protiprúdovej extrakcie
Fu et al. (2013) porovnávali tradičnú protiprúdovú extrakciu s ultrazvukovou extrakciou sacharózy z rezkov cukrovej repy. Výsledky štúdie ukázali, že sonikácia priniesla vyšší výťažok s vyššou čistotou, pričom čas extrakcie sa výrazne skrátil zo 70 min. (protiprúdová extrakcia) na 40 min. (sonikácia). Extrakcia podporovaná ultrazvukom (UAE) vedie k nižšej koncentrácii koloidných nečistôt (najmä pektínov) a poskytuje vyšší výťažok sacharózy (94,0±0,15%). Extrahovaná šťava s vysokou čistotou (92,6±0,11%). (porov. Fu et al., 2013)
Keďže závody na výrobu cukru sú už vybavené konvenčnými protiprúdovými extrakčnými vežami, vo všeobecnosti sa uprednostňuje kombinácia synergicky pôsobiacej sonikácie s existujúcim zariadením. Na dosiahnutie čo najvyššej nákladovej a časovej efektívnosti ultrazvukovej extrakcie sacharózy možno ultrazvukovú extrakciu zaradiť ako synergicky pôsobiacu úpravu pred konvenčnú protiprúdovú extrakciu, počas nej alebo po nej. Keďže sonikácia narúša bunky cukrovej repy a uvoľňuje z nich sacharózu, možno skrátiť trvanie protiprúdového spracovania a zároveň zvýšiť výťažok sacharózy.
- Urýchlený proces
- Vyššie výťažky
- Intenzifikácia procesu
- Synergické účinky v kombinácii s protiprúdovými systémami
- Jednoduché dodatočné začlenenie do existujúceho zariadenia
- Jednoduché testovanie
- Lineárna škálovateľnosť
- Nízke nároky na údržbu
- Rýchla návratnosť investície
Vysokovýkonné ultrazvukové extraktory
Extrakčné systémy Hielscher Ultrasonics sa používajú na celom svete v potravinárskom a farmaceutickom priemysle na komerčnú výrobu vysokokvalitných extraktov používaných ako potraviny, výživové doplnky alebo liečivá. Či už chcete testovať a optimalizovať parametre ultrazvukového spracovania v laboratórnom stolovom meradle alebo nainštalovať plne priemyselný ultrazvukový extrakčný systém na výrobu v prietokovom režime, Hielscher Ultrasonics má pre vás vhodnú ultrazvukovú extrakčnú zostavu. Malé nároky na priestor a flexibilné možnosti inštalácie umožňujú dodatočnú montáž aj v stiesnených výrobných priestoroch.
Štandardizácia procesu s Hielscher Ultrasonics
Produkty potravinárskej kvality by sa mali vyrábať v súlade so správnou výrobnou praxou (GMP) a podľa štandardizovaných špecifikácií spracovania. Digitálne extrakčné systémy Hielscher Ultrasonics sú vybavené inteligentným softvérom, ktorý uľahčuje presné nastavenie a riadenie procesu sonikácie. Automatický záznam údajov ukladá všetky parametre ultrazvukového procesu, ako sú ultrazvuková energia (celková a čistá energia), amplitúda, teplota a tlak (ak sú namontované snímače teploty a tlaku), spolu s dátumovou a časovou pečiatkou na zabudovanú SD kartu. To vám umožňuje spätne preskúmať každú šaržu spracovanú ultrazvukom. Zároveň je zabezpečená reprodukovateľnosť a trvalo vysoká kvalita produktu.
Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200µm možno ľahko udržiavať pri nepretržitej prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru. Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri veľkom zaťažení a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových zariadení:
| Objem šarže | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zostava zariadení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórnej po poloprevádzkovú a priemyselnú mierku.
Literatúra / Referencie
- 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.
Užitočné fakty
Výroba cukru
Sacharóza, známa aj ako stolový cukor, sa vyrába prevažne z cukrovej trstiny a cukrovej repy (Beta vulgaris). Cukor, teda sacharóza, sa z repy extrahuje horúcou vodou vo viacstupňovom procese, pri ktorom sa surová cukrová šťava získava difúziou v horúcej vode v protiprúdovom systéme. Následne sa cukrová šťava zahusťuje vo vákuu, po čom nasleduje cyklické premývanie a napokon sušenie.
Po zbere sa korene repy prepravia do cukrovaru, kde sa repa umyje a potom mechanicky nareže na tenké prúžky, takzvané rezky. Rezky sa privádzajú do protiprúdového extrakčného systému. Protiprúdový systém funguje na princípe difúzie a vylúhuje cukor z rezkov do horúcej vody.
Protiprúdové difúzne systémy sú dlhé reaktory alebo vysoké veže / kolóny s výškou niekoľkých metrov, v ktorých sa rezky pohybujú jedným smerom (nahor), zatiaľ čo horúca voda prúdi opačným smerom (nadol). Moderné vežové extrakčné zariadenia majú spracovateľskú kapacitu až 17 000 metrických ton za deň. Typický čas zdržania rezkov v protiprúdovej veži je približne 90 min., zatiaľ čo voda zostáva v difúznej kolóne iba 45 min. Hlavnou výhodou protiprúdových systémov je nižšia spotreba vody v porovnaní s maceráciou cukrovej repy v reaktore s horúcou vodou. Roztok cukru, ktorý vzniká v protiprúdovom difúznom systéme, sa nazýva surová šťava. Farba surovej šťavy sa môže pohybovať od čiernej po tmavočervenú v závislosti od stupňa jej oxidácie.
Vylúhované rezky opúšťajú difúzny systém ako dužina s vlhkosťou približne 95%, ale s nízkym obsahom sacharózy.
Vlhká dužina sa lisuje závitovkovým lisom na vlhkosť približne 75%, aby sa z nej získala zvyšná sacharóza.
Zvyšná dužina sa suší a používa sa najmä ako krmivo pre zvieratá.
Na odstránenie nečistôt zo surovej šťavy predtým, ako sa z nej môže cukor vyzrážať vo forme kryštálov, sa používa saturácia. Surová šťava sa preto zmieša s horúcim vápenným mliekom, teda suspenziou hydroxidu vápenatého vo vode. Počas saturácie sa zrážajú nečistoty, ako sú sírany, fosforečnany, citrát a oxaláty. Zrážajú sa vo forme vápenatých solí a väčších organických molekúl, napr. bielkovín, pektínov a saponínov. Zásaditá hodnota pH navyše premieňa jednoduché cukry glukózu a fruktózu spolu s aminokyselinou glutamínom na chemicky stabilné karboxylové kyseliny, ktoré možno neskôr odstrániť filtráciou, pretože tieto molekuly by narúšali kryštalizáciu.
V nasledujúcom kroku procesu sa cez zásaditý cukrový roztok prebubláva oxid uhličitý, čím sa vápno zráža vo forme uhličitanu vápenatého. Častice uhličitanu vápenatého viažu niektoré nečistoty. Ťažké častice sa usádzajú v nádrži a možno ich odstrániť filtráciou. Po týchto krokoch čistenia sa získava takzvaná ľahká šťava. Ľahká šťava sa môže upraviť uhličitanom sodným na nastavenie hodnoty pH a tiež zlúčeninou na báze síry na zníženie zafarbenia, ktoré môže vzniknúť v dôsledku tepelného rozkladu monosacharidov.
Ľahká šťava sa zahusťuje odparovaním vo viacstupňových odparovacích systémoch, čím sa mení na ťažkú šťavu. Ťažká šťava obsahuje približne 60% hmotnostných sacharózy.
V záverečnom kroku sa ťažká šťava spracúva v kryštalizátoroch. Pridaním a rozpustením recyklovaného cukru sa vytvorí takzvaný materský roztok. Materský roztok sa ďalej zahusťuje varom vo vákuu vo veľkých nádobách, známych ako vákuové varostroje, a pridávajú sa doň veľmi jemné kryštály cukru ako kryštalizačné zárodky. Tieto kryštály rastú, keď sa okolo nich vytvára cukor z materského roztoku. Výsledná zmes kryštálov cukru a sirupu sa nazýva cukrovina, po francúzsky massecuite, čo znamená „varená hmota“. Cukrovina sa privádza do odstredivky, kde sa z nej odstredivou silou odstraňuje „silný zelený sirup“. Po odstredení sa do odstredivky rozprašuje voda na premytie kryštálov cukru, čím vzniká takzvaný „slabý zelený sirup“. Odstredivka sa potom otáča veľmi vysokou rýchlosťou, aby sa kryštály čiastočne vysušili. Keď odstredivka spomalí, cukor sa zoškrabuje z jej stien na dopravný systém, ktorý ho prepravuje do rotačného granulátora, kde sa suší teplým vzduchom. Suché, čisté kryštály cukru sú pripravené na predaj rafinériám alebo výrobcom potravín na ďalšie spracovanie alebo použitie.