Ultrazvuková extrakcia cukru z cukrovej repy
Ultrazvuková extrakcia zvyšuje výťažok extrahovanej sacharózy z cukrovej repy a výrazne skracuje trvanie procesu extrakcie. Sonikácia je jednoduchá a bezpečná technika, ktorú možno ľahko kombinovať so súčasnou technológiou extrakcie s protiprúdovým tokom, aby sa zlepšila účinnosť extrakcie.
Ultrazvuková extrakcia kozety z cukrovej repy
Ultrazvukom asistovaná extrakcia je založená na princípe činnosti akustické alebo ultrazvukovej kavitácie. Mechanické účinky, ktoré vznikajú ultrazvukom indukovanou kavitáciou, spôsobujú sonoporáciu a narušenie bunkových stien, čo následne zvyšuje priepustnosť molekúl zachytených vo vnútri bunky. Kavitáciou spôsobené prúdenie kvapaliny a mikroturbulencie zlepšujú prenos hmoty extrakčného procesu, takže sacharóza a ďalšie molekuly sa prenášajú do rozpúšťadla, t. j. vody.
Ultrazvuk UIP4000hdT na priemyselnú ťažbu cukrovej repy.
- Ultrazvuková predúprava (pred protiprúdovou vežou)
- Sonikácia počas odsávania protiprúdu
- Ultrazvuková dodatočná úprava (po protiprúdovej veži)
V závislosti od existujúceho odsávacieho zariadenia, výrobných cieľov a dostupného priestoru je možné sonikáciu ľahko dodatočne namontovať ako predbežnú alebo dodatočnú úpravu, ako aj počas odsávania protiprúdovým tokom.
Ultrazvuková predúprava kokzet z cukrovej repy
Ultrazvuková predbežná úprava kokzet z cukrovej repy je technika zintenzívňujúca proces. Ultrazvukové extraktory je možné ľahko kombinovať s protiprúdovými odsávacími vežami, ktoré sa používajú hlavne na extrakciu cukrovej repy. Krátka sonikácia kokzet cukrovej repy pred vstupom do protiprúdového extrakčného systému pomáha narušiť a otvoriť bunkové steny. Ultrazvuk podporuje prenos hmoty medzi rozpúšťadlom (tj vodou) a repnými kosetami, takže intracelulárne molekuly, ako je sacharóza, sa prenášajú z vnútra bunky do rozpúšťadla. Ultrazvuková predúprava kokzet z cukrovej repy uľahčuje a urýchľuje extrakciu sacharózy v protiprúdovom stĺpci.
SEM (200×) vzoriek kozety z cukrovej repy sonikovaných pri 400 W pri 50 °C na rôzne časy extrakcie. A) protiprúdový tok odsávania koset; B) po SAE na 10 min; C) po Spojených arabských emirátoch na 20 minút; D) po SAE na 40 min. Ultrazvuková extrakcia narúša bunkové steny a uvoľňuje intracelulárny materiál.
Porovnanie ultrazvukovej a protiprúdovej extrakcie
Fu et al. (2013) porovnali tradičnú extrakciu protiprúdovým prietokom s ultrazvukovou extrakciou sacharózy z cukrovej repy. Výsledky štúdie ukázali, že sonikacia viedla k vyššiemu výťažku vyššej čistoty, zatiaľ čo čas extrakcie sa výrazne skrátil zo 70 min. (protiprúd) na 40 min. (sonikacia). Ultrazvukom asistovaná extrakcia (SAE) má za následok nižšiu koncentráciu koloidných nečistôt (najmä pektínov) a poskytuje vyšší výťažok sacharózy (94,0±0,15 %). Extrahovaná šťava vysokej čistoty (92,6±0,11%). (porovnaj Fu a kol., 2013)
Keďže zariadenia na výrobu cukru sú už vybavené konvenčnými protiprúdovými odsávacími vežami, vo všeobecnosti sa uprednostňuje kombinácia synergickej sonikácie s existujúcim zariadením. Aby bolo možné aplikovať ultrazvukovú extrakciu sacharózy nákladovo a časovo najefektívnejším spôsobom, ultrazvuková extrakcia môže byť inštalovaná ako synergické ošetrenie pred, počas alebo po konvenčnej extrakcii protiprúdovým tokom. Keďže sonikácia narúša bunky cukrovej repy a uvoľňuje sacharózu z buniek, môže sa skrátiť trvanie protiprúdovej liečby, zatiaľ čo výťažok sacharózy sa zvýši.
- Zrýchlený proces
- vyššie výnosy
- intenzifikácia procesov
- Synergické efekty s protiprúdovými systémami
- jednoduchá dodatočná montáž
- Jednoduché testovanie
- lineárna škálovateľnosť
- nízka údržba
- Rýchla návratnosť investícií
Vysokovýkonné ultrazvukové extraktory
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.
Štandardizácia procesov pomocou Hielscher Ultrasonics
Food-grade products should be produced in accordance to Good Manufacturing Practices (GMP) and under standardised processing specifications. Hielscher Ultrasonics’ digital extraction systems come with intelligent software, which makes it easy to set and control the sonication process precisely. Automatic data recording writes all ultrasonic process parameters such as ultrasound energy (total and net energy), amplitude, temperature, pressure (when temp and pressure sensors are mounted) with date and time stamp on the built-in SD-card. This allows you to revise each ultrasonically processed lot . At the same time, reproducibility and continuously high product quality are ensured.
Hielscher Ultrasonics’ industrial ultrasonic processors can deliver very high amplitudes. Amplitudes of up to 200µm can be easily continuously run in 24/7 operation. For even higher amplitudes, customized ultrasonic sonotrodes are available. The robustness of Hielscher’s ultrasonic equipment allows for 24/7 operation at heavy duty and in demanding environments.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás!? Opýtajte sa nás!
Vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do pilot a priemyselný stupnica.
Literatúra? Referencie
- Fu et al. (2013): The ultrasonic-assisted extraction of sugar from sugar beet cossettes. International Sugar Journal, Sept. 2013. 696-700.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- 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.
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Výroba cukru
Sacharóza, tiež známa ako stolový cukor, sa vyrába hlavne z cukrovej trstiny a z cukrovej repy (Beta vulgaris). Cukor, t. j. sacharóza, sa extrahuje z repy pomocou horúcej vody vo viacstupňovom krokovom procese, kde sa surová cukrová šťava extrahuje difúziou horúcej vody v protiprúdovom systéme. Potom sa cukrová šťava koncentruje vo vákuu, nasleduje cyklické umývanie a nakoniec sušenie.
Po zbere sa korene repy dopravia do cukrovaru, kde sa repa umyje a potom sa mechanicky nakrája na tenké plátky nakrájané pásy, tzv. cossettes. Kozety sa privádzajú do protiprúdového odsávacieho systému. Protiprúdový systém funguje difúziou a vylúhuje obsah cukru z koset do horúcej vody.
Protiprúdové difúzne systémy sú dlhé reaktory alebo vysoké veže? stĺpy s dĺžkou niekoľkých metrov, v ktorých kozety tečú jedným smerom (nahor), zatiaľ čo horúca voda tečie opačným smerom (po prúde). Moderné vežové ťažobné zariadenia majú spracovateľskú kapacitu až 17 000 metrických ton denne. Typický retenčný čas kozet v protiprúdovej veži je cca 90 min., zatiaľ čo voda zostáva len 45 min. v stĺpci difúzora. Hlavnou výhodou protiprúdových prietokových systémov je znížená spotreba vody v porovnaní s maceráciou cukrovej repy v teplovodnom reaktore. Roztok cukrovej šťavy, ktorý sa vyrába v protiprúdovom difúznom systéme, sa nazýva surová šťava. Surová farba šťavy sa môže meniť od čiernej po tmavočervenú v závislosti od úrovne oxidácie.
Použité košety opúšťajú difúzny systém ako buničina s cca. 95% vlhkosť, ale s nízkym obsahom sacharózy.
Vlhká dužina sa lisuje závitovkovým lisom na cca. 75% vlhkosti, aby sa z buničiny získala zvyšná sacharóza.
Zvyšná dužina sa suší a používa hlavne ako krmivo pre zvieratá.
Karbonatácia sa používa na odstránenie nečistôt zo surovej šťavy predtým, ako sa môže vyzrážať na kryštály cukru. Preto sa surová šťava zmieša s horúcim vápenným mliekom, t.j. so suspenziou hydroxidu vápenatého vo vode. Počas karbonatácie sa vyzrážajú nečistoty ako sírany, fosfáty, citrát a oxaláty. Vyzrážajú sa vo forme vápenatých solí a väčších organických molekúl, napr. bielkovín, pektínov a saponínov. Okrem toho alkalická hodnota pH premieňa jednoduché cukry glukózu a fruktózu spolu s aminokyselinou glutamínom na chemicky stabilné karboxylové kyseliny, ktoré sa môžu neskôr odstrániť filtráciou, pretože tieto molekuly by interferovali s kryštalizáciou.
V nasledujúcom kroku procesu sa oxid uhličitý prebubláva cez roztok alkalického cukru, čím sa vápno vyzráža ako uhličitan vápenatý. Častice uhličitanu vápenatého viažu niektoré nečistoty. Ťažké častice sa usadzujú v nádrži a môžu byť odstránené filtráciou. Po týchto krokoch čistenia a čistenia sa získa takzvaná riedka šťava. Riedka šťava môže byť ošetrená uhličitanom sodným na úpravu hodnoty pH, ako aj zlúčeninou na báze síry, aby sa znížilo sfarbenie, ku ktorému môže dôjsť v dôsledku tepelného rozkladu monosacharidov.
Odparovanie sa používa na koncentráciu riedkej šťavy pomocou odparovacích systémov s viacerými účinkami, takže riedka šťava sa zmení na hustú šťavu. Hustá šťava má cca. 60 % hmotnosti.
V poslednom kroku sa hustá šťava spracuje v kryštalizátoroch. Pridaním a rozpustením recyklovaného cukru vzniká takzvaný materský lúh. Materský lúh sa ďalej koncentruje varením vo vákuu vo veľkých nádobách, známych ako vákuové panvice, a ako výsevné miesta sa pridávajú veľmi jemné kryštály cukru. Tieto kryštály rastú, keď sa okolo nich vytvára cukor z materského lúhu. Výsledná zmes kryštálov cukru? sirupu sa nazýva masecuit, čo je francúzsky výraz, ktorý znamená “varená hmota”. 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.