Şeker Pancarı Kıyımlarından Ultrasonik Şeker Ekstraksiyonu
Ultrasonik ekstraksiyon, şeker pancarı kıyımlarından ekstrakte edilen sakkarozun verimini artırır ve ekstraksiyon işleminin süresini önemli ölçüde azaltır. Sonikasyon, ekstraksiyon verimliliğini artırmak amacıyla mevcut ters akışlı ekstraksiyon teknolojisiyle kolayca birleştirilebilen basit ve güvenli bir tekniktir.
Şeker Pancarı Kıyımlarının Ultrasonik Ekstraksiyonu
Ultrason destekli ekstraksiyon, akustik veya ultrasonik kavitasyonun çalışma prensibine dayanır. Ultrasonik olarak oluşturulan kavitasyonun meydana getirdiği mekanik etkiler, sonoporasyona ve hücre duvarlarının parçalanmasına neden olur; bu da hücre içinde hapsolmuş moleküllerin geçirgenliğini artırır. Kavitasyonun neden olduğu sıvı akımları ve mikro türbülanslar, ekstraksiyon işleminin kütle transferini iyileştirerek sakkarozun ve diğer moleküllerin çözücüye, yani suya aktarılmasını sağlar.
UIP4000hdT sonikatörü – endüstriyel şeker pancarı ekstraksiyonu için.
- Ultrasonik ön işlem (ters akış kulesinden önce)
- Ters akışlı ekstraksiyon sırasında sonikasyon
- Ultrasonik son işlem (ters akış kulesinden sonra)
Mevcut ekstraksiyon tesisine, üretim hedeflerine ve kullanılabilir alana bağlı olarak sonikasyon, ön işlem veya son işlem olarak ya da ters akışlı ekstraksiyon sırasında uygulanmak üzere mevcut sisteme kolayca eklenebilir.
Şeker Pancarı Kıyımlarının Ultrasonik Ön İşlemi
Şeker pancarı kıyımlarının ultrasonik ön işlemi, bir proses yoğunlaştırma tekniğidir. Ultrasonik ekstraktörler, ağırlıklı olarak şeker pancarı ekstraksiyonunda kullanılan ters akışlı ekstraksiyon kuleleriyle kolayca birleştirilebilir. Şeker pancarı kıyımlarına ters akışlı ekstraksiyon sistemine girmeden önce uygulanan kısa bir sonikasyon, hücre duvarlarının parçalanmasına ve açılmasına yardımcı olur. Ultrasonik işlem, çözücü (yani su) ile pancar kıyımları arasındaki kütle transferini destekleyerek sakkaroz gibi hücre içi moleküllerin hücre içinden çözücüye aktarılmasını sağlar. Şeker pancarı kıyımlarının ultrasonik ön işlemi, ters akış kolonundaki sakkaroz ekstraksiyonunu kolaylaştırır ve hızlandırır.
Farklı ekstraksiyon süreleri boyunca 400 W güçte ve 50°C sıcaklıkta sonikasyona tabi tutulan şeker pancarı kıyımı numunelerinin SEM (200×) görüntüleri. A) kıyımların ters akışlı ekstraksiyonu; B) 10 min UAE sonrasında; C) 20 min UAE sonrasında; D) 40 min UAE sonrasında. Ultrasonik ekstraksiyon, hücre duvarlarını parçalar ve hücre içi materyali serbest bırakır.
(©Fu et al., 2013)
Ultrasonik Ekstraksiyon ile Ters Akışlı Ekstraksiyonun Karşılaştırılması
Fu et al. (2013), şeker pancarı kıyımlarından sakkarozun geleneksel ters akışlı ekstraksiyonunu ultrasonik ekstraksiyonuyla karşılaştırmıştır. Çalışmanın sonuçları, sonikasyonun daha üstün saflıkta daha yüksek verim sağladığını, ekstraksiyon süresinin ise 70 min. (ters akış) değerinden 40 min. (sonikasyon) değerine önemli ölçüde düştüğünü göstermiştir. Ultrason destekli ekstraksiyon (UAE), daha düşük kolloidal safsızlık konsantrasyonu (özellikle pektinler) ve daha yüksek sakkaroz verimi (%94,0±0,15) sağlar. Ekstrakte edilen şerbet yüksek saflıktadır (%92,6±0,11). (bkz. Fu et al., 2013)
Şeker üretim tesisleri hâlihazırda geleneksel ters akışlı ekstraksiyon kuleleriyle donatılmış olduğundan, sinerjik sonikasyonun mevcut tesisatla birleştirilmesi genellikle tercih edilir. Ultrasonik sakkaroz ekstraksiyonunu maliyet ve zaman açısından en verimli şekilde uygulamak için ultrasonik ekstraksiyon, geleneksel ters akışlı ekstraksiyondan önce, bu işlem sırasında veya sonrasında sinerjik bir işlem olarak entegre edilebilir. Sonikasyon, şeker pancarı hücrelerini parçalayıp sakkarozu hücrelerden serbest bıraktığından, sakkaroz verimi artırılırken ters akışlı işlem süresi azaltılabilir.
- Hızlandırılmış proses
- Daha yüksek verimler
- Proses yoğunlaştırma
- Ters akışlı sistemlerle sinerjik etkiler
- Mevcut sistemlere kolay entegrasyon
- Basit test uygulaması
- Doğrusal ölçeklenebilirlik
- Düşük bakım gereksinimi
- Hızlı yatırım geri dönüşü
Yüksek Performanslı Ultrasonik Ekstraktörler
Hielscher Ultrasonics ekstraksiyon sistemleri, gıda ürünleri, besin takviyeleri veya ilaç olarak kullanılan yüksek kaliteli ekstraktların ticari üretimi için dünya genelinde gıda ve ilaç sektörlerinde kullanılmaktadır. İster tezgâh üstü ölçekte ultrasonik işlem parametrelerini test edip optimize etmek ister hat içi üretim için tamamen endüstriyel bir ultrasonik ekstraksiyon sistemi kurmak isteyin, Hielscher Ultrasonics size uygun ultrasonik ekstraksiyon kurulumunu sunar. Az yer kaplaması ve esnek kurulum seçenekleri, alanı dar bir işleme tesisinde bile mevcut sisteme entegrasyona olanak tanır.
Hielscher Ultrasonics ile Proses Standardizasyonu
Gıdaya uygun ürünler, İyi Üretim Uygulamalarına (GMP) ve standartlaştırılmış işleme şartnamelerine uygun olarak üretilmelidir. Hielscher Ultrasonics dijital ekstraksiyon sistemleri, sonikasyon işleminin hassas biçimde ayarlanmasını ve kontrol edilmesini kolaylaştıran akıllı yazılımla birlikte sunulur. Otomatik veri kaydı; ultrason enerjisi (toplam ve net enerji), genlik, sıcaklık ve basınç (sıcaklık ve basınç sensörleri takılı olduğunda) gibi tüm ultrasonik proses parametrelerini tarih ve saat damgasıyla birlikte dahili SD karta yazar. Bu, ultrasonik olarak işlenen her partiyi incelemenize olanak tanır. Aynı zamanda tekrarlanabilirlik ve sürekli yüksek ürün kalitesi sağlanır.
Hielscher Ultrasonics endüstriyel ultrasonik işlemcileri çok yüksek genlikler sağlayabilir. 200µm değerine kadar genliklerde 24/7 kesintisiz çalışma kolayca gerçekleştirilebilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur. Hielscher ultrasonik ekipmanlarının sağlamlığı, ağır çalışma koşullarında ve zorlu ortamlarda 24/7 çalışmaya olanak tanır.
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bilgi verir:
| Parti Hacmi | Debi | Önerilen Cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| Uygulanamaz | 10–100L/min | UIP16000 |
| Uygulanamaz | daha yüksek | Cihaz grubu: UIP16000 |
Bize Ulaşın! / Bize Sorun!
Yüksek güçlü ultrasonik homojenizatörler – laboratuvar ölçeğinden pilot ve endüstriyel ölçeğe kadar.
Literatür / Kaynaklar
- 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.
Bilinmesi Gerekenler
Şeker Üretimi
Sofra şekeri olarak da bilinen sakkaroz, ağırlıklı olarak şeker kamışından ve şeker pancarından (Beta vulgaris) üretilir. Şeker, yani sakkaroz, pancardan sıcak su kullanılarak çok aşamalı bir işlemle ekstrakte edilir; bu işlemde ham şeker şerbeti, ters akışlı bir sistemde sıcak su difüzyonuyla ekstrakte edilir. Ardından şeker şerbeti vakum altında yoğunlaştırılır, bunu döngüsel yıkama ve son olarak kurutma izler.
Hasattan sonra pancar kökleri şeker işleme tesisine taşınır; burada pancarlar yıkanır ve ardından mekanik olarak ince şeritler hâlinde kesilerek kıyım adı verilen parçalar elde edilir. Kıyımlar ters akışlı ekstraksiyon sistemine beslenir. Ters akışlı sistem difüzyon yoluyla çalışır ve kıyımlardaki şekeri sıcak suya geçirir.
Ters akışlı difüzyon sistemleri, kıyımların bir yönde (yukarı doğru), sıcak suyun ise ters yönde (aşağı doğru) aktığı uzun reaktörler veya birkaç metre yüksekliğindeki kuleler / kolonlardır. Modern kule tipi ekstraksiyon tesisleri, günde 17.000 metrik tona kadar işleme kapasitesine sahiptir. Kıyımların ters akış kulesindeki tipik kalış süresi yaklaşık 90 min. iken, su difüzör kolonunda yalnızca 45 min. kalır. Ters akışlı sistemlerin temel avantajı, sıcak su reaktöründe şeker pancarı maserasyonuna kıyasla daha az su kullanılmasıdır. Ters akışlı difüzyon sisteminde üretilen şeker şerbeti çözeltisine ham şerbet adı verilir. Ham şerbetin rengi, oksidasyon düzeyine bağlı olarak siyah ile koyu kırmızı arasında değişebilir.
Şekeri alınmış kıyımlar, difüzyon sisteminden yaklaşık %95 nem içeren, ancak sakkaroz içeriği düşük posa olarak çıkar.
Nemli posa, içinde kalan sakkarozu geri kazanmak için vidalı bir presle yaklaşık %75 nem düzeyine kadar preslenir.
Kalan posa kurutulur ve ağırlıklı olarak hayvan yemi olarak kullanılır.
Ham şerbet şeker kristalleri hâlinde çöktürülebilmeden önce safsızlıkları uzaklaştırmak için karbonatasyon uygulanır. Bu amaçla ham şerbet, sıcak kireç sütüyle, yani kalsiyum hidroksitin sudaki süspansiyonuyla karıştırılır. Karbonatasyon sırasında sülfatlar, fosfatlar, sitrat ve oksalatlar gibi safsızlıklar çöker. Bunlar, kalsiyum tuzları ve proteinler, pektinler ve saponinler gibi daha büyük organik moleküller biçiminde çöker. Ayrıca alkali pH değeri, basit şekerler olan glikoz ve fruktozu, amino asit glutaminle birlikte kimyasal olarak kararlı karboksilik asitlere dönüştürür. Bu moleküller kristalleşmeye engel olacağından, oluşan asitler daha sonra filtrasyonla uzaklaştırılabilir.
Bir sonraki işlem aşamasında, alkali şeker çözeltisinden kabarcıklar hâlinde karbondioksit geçirilerek kireç, kalsiyum karbonat olarak çöktürülür. Kalsiyum karbonat parçacıkları bazı safsızlıkları bağlar. Ağır parçacıklar tankta çöker ve filtrasyonla uzaklaştırılabilir. Bu saflaştırma ve temizleme aşamalarından sonra sulu şerbet adı verilen ürün elde edilir. Sulu şerbet, pH değerini ayarlamak için soda külüyle ve monosakkaritlerin termal bozunması nedeniyle oluşabilecek renklenmeyi azaltmak için kükürt bazlı bir bileşikle işlenebilir.
Sulu şerbeti yoğunlaştırmak için çok etkili buharlaştırma sistemleriyle buharlaştırma uygulanır; böylece sulu şerbet koyu şerbete dönüşür. Koyu şerbet, ağırlıkça yaklaşık %60 sakkaroz içerir.
Son aşamada koyu şerbet kristalizatörlerde işlenir. Geri dönüştürülmüş şekerin eklenip çözündürülmesiyle ana çözelti adı verilen sıvı üretilir. Ana çözelti, vakum kazanları olarak bilinen büyük kaplarda vakum altında kaynatılarak daha da yoğunlaştırılır ve kristallenme çekirdekleri olarak çok ince şeker kristalleri eklenir. Ana çözeltideki şeker bu kristallerin çevresinde oluşurken kristaller büyür. Ortaya çıkan şeker kristali / şurup karışımına, Fransızcada “pişmiş kütle” anlamına gelen massecuite adı verilir. Massecuite bir santrifüje beslenir; burada “High Green şurubu” santrifüj kuvvetiyle massecuite içinden uzaklaştırılır. Santrifüjleme sonrasında şeker kristallerini yıkamak için santrifüje su püskürtülür ve böylece “Low Green şurubu” adı verilen şurup oluşur. Ardından santrifüj, kristalleri kısmen kurutmak için çok yüksek hızlarda döner. Santrifüj yavaşladığında şeker, santrifüj duvarlarından sıyrılarak bir konveyör sistemine aktarılır; bu sistem şekeri, sıcak havayla kurutulduğu döner bir granülatöre taşır. Kuru ve temiz şeker kristalleri, ileri işlem veya kullanım için rafinerilere ya da gıda üreticilerine satılmaya hazırdır.