Ultrazvočna ekstrakcija sladkorja iz rezancev sladkorne pese
Ultrazvočna ekstrakcija poveča izkoristek ekstrakcije saharoze iz rezancev sladkorne pese in znatno skrajša trajanje postopka ekstrakcije. Sonikacija je preprosta in varna tehnika, ki jo je mogoče enostavno združiti z obstoječo tehnologijo ekstrakcije s protitočnim tokom za izboljšanje učinkovitosti ekstrakcije.
Ultrazvočna ekstrakcija rezancev sladkorne pese
Ekstrakcija s pomočjo ultrazvoka temelji na principu delovanja akustične oziroma ultrazvočne kavitacije. Mehanski učinki, ki jih povzroča ultrazvočno inducirana kavitacija, povzročajo sonoporacijo in razgradnjo celičnih sten, kar posledično poveča prepustnost molekul, ujetih v notranjosti celic. Tokovi tekočine in mikroturbulence, ki jih povzroča kavitacija, izboljšajo prenos snovi med postopkom ekstrakcije, tako da se saharoza in druge molekule prenesejo v topilo, tj. vodo.
Ultrazvočna naprava UIP4000hdT za industrijsko ekstrakcijo sladkorne pese.
- Ultrazvočna predobdelava (pred protitočnim stolpom)
- Sonikacija med protitočno ekstrakcijo
- Ultrazvočna naknadna obdelava (po protitočnem stolpu)
Glede na obstoječi ekstrakcijski obrat, proizvodne cilje in razpoložljivi prostor je mogoče sonikacijo enostavno naknadno vključiti kot predobdelavo ali naknadno obdelavo ter tudi med ekstrakcijo s protitočnim tokom.
Ultrazvočna predobdelava rezancev sladkorne pese
Ultrazvočna predobdelava rezancev sladkorne pese je tehnika intenzifikacije procesa. Ultrazvočne ekstraktorje je mogoče enostavno združiti z ekstrakcijskimi stolpi s protitočnim tokom, ki se večinoma uporabljajo za ekstrakcijo sladkorne pese. Kratka sonikacija rezancev sladkorne pese pred vstopom v protitočni ekstrakcijski sistem pomaga razgraditi in odpreti celične stene. Ultrazvočna obdelava spodbuja prenos snovi med topilom (tj. vodo) in pesnimi rezanci, tako da se znotrajcelične molekule, kot je saharoza, prenesejo iz notranjosti celic v topilo. Ultrazvočna predobdelava rezancev sladkorne pese olajša in pospeši ekstrakcijo saharoze v koloni s protitočnim tokom.
Posnetki SEM (200×) vzorcev rezancev sladkorne pese, sonikiranih pri 400 W in 50°C z različnimi časi ekstrakcije. A) ekstrakcija rezancev s protitočnim tokom; B) po 10 min UAE; C) po 20 min UAE; D) po 40 min UAE. Ultrazvočna ekstrakcija razgradi celične stene in sprosti znotrajcelični material.
(©Fu et al., 2013)
Primerjava ultrazvočne in protitočne ekstrakcije
Fu et al. (2013) so primerjali tradicionalno ekstrakcijo s protitočnim tokom z ultrazvočno ekstrakcijo saharoze iz rezancev sladkorne pese. Rezultati študije so pokazali, da je sonikacija omogočila večji izkoristek in višjo čistost, čas ekstrakcije pa se je znatno skrajšal s 70 min. (protitočna ekstrakcija) na 40 min. (sonikacija). Ekstrakcija s pomočjo ultrazvoka (UAE) omogoča nižjo koncentracijo koloidnih nečistoč (zlasti pektinov) in večji izkoristek saharoze (94,0±0,15%). Ekstrahirani sok ima visoko čistost (92,6±0,11%). (prim. Fu et al., 2013)
Ker so obrati za proizvodnjo sladkorja že opremljeni s konvencionalnimi protitočnimi ekstrakcijskimi stolpi, se na splošno daje prednost kombinaciji sinergijske sonikacije z obstoječo opremo. Za stroškovno in časovno najučinkovitejšo uporabo ultrazvočne ekstrakcije saharoze je mogoče ultrazvočno ekstrakcijo vključiti kot sinergijsko obdelavo pred konvencionalno ekstrakcijo s protitočnim tokom, med njo ali po njej. Ker sonikacija razgradi celice sladkorne pese in iz njih sprosti saharozo, je mogoče trajanje obdelave s protitočnim tokom skrajšati, izkoristek saharoze pa povečati.
- Pospešen proces
- Večji izkoristki
- Intenzifikacija procesa
- Sinergijski učinki s protitočnimi sistemi
- Enostavna naknadna vgradnja
- Preprosto preskušanje
- Linearno povečevanje merila
- Majhne potrebe po vzdrževanju
- Hitro povračilo naložbe
Visokozmogljivi ultrazvočni ekstraktorji
Ekstrakcijski sistemi Hielscher Ultrasonics se po vsem svetu uporabljajo v živilski in farmacevtski industriji za komercialno proizvodnjo visokokakovostnih ekstraktov, ki se uporabljajo kot živilski izdelki, prehranska dopolnila ali zdravila. Ne glede na to, ali želite preskusiti in optimizirati parametre ultrazvočne obdelave na laboratorijski mizi ali namestiti povsem industrijski ultrazvočni ekstrakcijski sistem za proizvodnjo v pretočni liniji, ima Hielscher Ultrasonics za vas ustrezno ultrazvočno ekstrakcijsko opremo. Majhna tlorisna površina in prilagodljive možnosti namestitve omogočajo naknadno vgradnjo tudi v prostorsko omejenem predelovalnem obratu.
Standardizacija procesa s Hielscher Ultrasonics
Izdelke živilske kakovosti je treba proizvajati v skladu z dobro proizvodno prakso (GMP) in standardiziranimi specifikacijami obdelave. Digitalni ekstrakcijski sistemi Hielscher Ultrasonics so opremljeni z inteligentno programsko opremo, ki omogoča enostavno in natančno nastavitev ter nadzor procesa sonikacije. Samodejno beleženje podatkov zapisuje vse parametre ultrazvočnega procesa, kot so ultrazvočna energija (skupna in neto energija), amplituda, temperatura in tlak (če sta nameščena senzorja temperature in tlaka), z datumskim in časovnim žigom na vgrajeno kartico SD. To vam omogoča pregled vsake ultrazvočno obdelane serije. Hkrati sta zagotovljeni ponovljivost in stalno visoka kakovost izdelkov.
Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200µm je mogoče enostavno neprekinjeno vzdrževati pri delovanju 24/7. Za še višje amplitude so na voljo ultrazvočne sonotrode, izdelane po meri. Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:
| Prostornina serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!
Ultrazvočni homogenizatorji velike moči od laboratorijskega do pilotnega in industrijskega merila.
Literatura / Viri
- 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.
Koristna dejstva
Proizvodnja sladkorja
Saharoza, znana tudi kot namizni sladkor, se večinoma proizvaja iz sladkornega trsa in sladkorne pese (Beta vulgaris). Sladkor, tj. saharoza, se iz pese ekstrahira z vročo vodo v večstopenjskem postopku, pri katerem se surovi sladkorni sok pridobiva z difuzijo v vroči vodi v sistemu s protitočnim tokom. Nato se sladkorni sok koncentrira pod vakuumom, čemur sledita ciklično pranje in nazadnje sušenje.
Po spravilu se koreni pese prepeljejo v obrat za predelavo sladkorja, kjer peso operejo in nato mehansko narežejo na tanke trakove, tako imenovane rezance. Rezanci se dovajajo v ekstrakcijski sistem s protitočnim tokom. Protitočni sistem deluje na osnovi difuzije in izlužuje sladkor iz rezancev v vročo vodo.
Protitočni difuzijski sistemi so dolgi reaktorji ali visoki stolpi / kolone, visoki več metrov, v katerih rezanci tečejo v eno smer (navzgor), vroča voda pa v nasprotno smer (dolvodno). Sodobni stolpni ekstrakcijski obrati imajo zmogljivost obdelave do 17.000 metričnih ton na dan. Običajni zadrževalni čas rezancev v protitočnem stolpu je približno 90 min., voda pa ostane v difuzijski koloni le 45 min. Glavna prednost sistemov s protitočnim tokom je manjša poraba vode v primerjavi z maceracijo sladkorne pese v reaktorju z vročo vodo. Raztopina sladkornega soka, ki nastane v protitočnem difuzijskem sistemu, se imenuje surovi sok. Barva surovega soka lahko sega od črne do temno rdeče, odvisno od stopnje njegove oksidacije.
Izluženi rezanci zapustijo difuzijski sistem kot pulpa s približno 95% vlage, vendar z nizko vsebnostjo saharoze.
Vlažna pulpa se stisne z vijačno stiskalnico do približno 75% vlage, da se iz nje pridobi preostala saharoza.
Preostala pulpa se posuši in uporablja predvsem kot krma za živali.
Karbonatacija se uporablja za odstranjevanje nečistoč iz surovega soka, preden se ta lahko obori v kristale sladkorja. Zato se surovi sok zmeša z vročim apnenim mlekom, tj. suspenzijo kalcijevega hidroksida v vodi. Med karbonatacijo se oborijo nečistoče, kot so sulfati, fosfati, citrat in oksalati. Oborijo se v obliki kalcijevih soli in večjih organskih molekul, npr. beljakovin, pektinov in saponinov. Poleg tega alkalna vrednost pH pretvori enostavna sladkorja glukozo in fruktozo skupaj z aminokislino glutaminom v kemično stabilne karboksilne kisline, ki jih je mogoče pozneje odstraniti s filtracijo, saj bi te molekule motile kristalizacijo.
V naslednji fazi postopka se skozi alkalno raztopino sladkorja uvaja ogljikov dioksid v obliki mehurčkov, pri čemer se apno obori kot kalcijev karbonat. Delci kalcijevega karbonata vežejo nekatere nečistoče. Težki delci se usedejo v rezervoarju in jih je mogoče odstraniti s filtracijo. Po teh fazah prečiščevanja in čiščenja se pridobi tako imenovani redki sok. Redki sok se lahko obdela s kalcinirano sodo za prilagoditev vrednosti pH in z žveplovo spojino za zmanjšanje obarvanja, do katerega lahko pride zaradi toplotnega razkroja monosaharidov.
Za koncentriranje redkega soka se uporablja uparjanje v večstopenjskih uparjalnih sistemih, tako da redki sok postane gosti sok. Gosti sok vsebuje približno 60% saharoze po masi.
V zadnji fazi se gosti sok obdela v kristalizatorjih. Z dodajanjem in raztapljanjem recikliranega sladkorja nastane tako imenovana matična lužnica. Matična lužnica se dodatno koncentrira z vrenjem pod vakuumom v velikih posodah, znanih kot vakuumski kuhalniki, zelo drobni kristali sladkorja pa se dodajo kot kristalizacijska jedra. Ti kristali rastejo, ko se okoli njih tvori sladkor iz matične lužnice. Nastala mešanica kristalov sladkorja / sirupa se imenuje masekvit, kar je francoski izraz, ki pomeni »kuhana masa«. Masekvit se dovaja v centrifugo, kjer se iz njega s centrifugalno silo odstrani »sirup High Green«. Po centrifugiranju se v centrifugo razprši voda za pranje kristalov sladkorja, pri čemer nastane tako imenovani »sirup Low Green«. Centrifuga se nato vrti z zelo visokimi hitrostmi, da delno posuši kristale. Ko se centrifuga upočasni, se sladkor postrga s sten centrifuge na transportni sistem, ki ga prenese v rotacijski granulator, kjer se posuši s toplim zrakom. Suhi, čisti kristali sladkorja so pripravljeni za prodajo rafinerijam ali proizvajalcem živil za nadaljnjo obdelavo ali uporabo.