Ультразвукова екстракція цукру з стружки цукрового буряка
Ультразвукова екстракція підвищує вихід екстрагованої сахарози зі стружки цукрового буряка та значно скорочує тривалість процесу екстракції. Ультразвукова обробка є простим і безпечним методом, який можна легко поєднати з існуючою технологією протитечійної екстракції для підвищення ефективності екстракції.
Ультразвукова екстракція зі стружки цукрового буряка
Ультразвукова екстракція заснована на принципі дії акустичної або ультразвукової кавітації. Механічні ефекти, які генеруються ультразвуково індукованою кавітацією, спричиняють сонопорацію та руйнування клітинних стінок, що згодом підвищує проникність молекул, захоплених у внутрішній частині клітини. Кавітаційне рухання рідини та мікротурбулентності покращують масоперенесення в процесі екстракції, так що сахароза та інші молекули переходять у розчинник, тобто у воду.
Ультразвуковий гомогенізатор UIP4000hdT для промислової екстракції цукрового буряка.
- Ультразвукова попередня обробка (перед протитечійною колоною)
- Ультразвукова обробка під час протитечійної екстракції
- Ультразвукова постобробка (після протитечійної колони)
Залежно від наявної установки для екстракції, цілей виробництва та доступного простору, ультразвукову обробку можна легко дооснастити як попередню або постобробку, а також під час протитечійної екстракції.
Ультразвукова попередня обробка стружки цукрового буряка
Ультразвукова попередня обробка стружки цукрового буряка є методом інтенсифікації процесу. Ультразвукові екстрактори можна легко поєднати з протитечійними екстракційними колонами, які переважно використовуються для екстракції цукрового буряка. Коротка ультразвукова обробка стружки цукрового буряка перед її надходженням у систему протитечійної екстракції сприяє руйнуванню та розкриттю клітинних стінок. Ультразвукова обробка сприяє масоперенесенню між розчинником (тобто водою) та стружкою буряка, так що внутрішньоклітинні молекули, такі як сахароза, переходять із внутрішньої частини клітини в розчинник. Ультразвукова попередня обробка стружки цукрового буряка полегшує та прискорює екстракцію сахарози в протитечійній колоні.
SEM (200×) зразків стружки цукрового буряка, оброблених ультразвуком при 400 W при 50°C протягом різного часу екстракції. A) протитечійна екстракція стружки; B) після UAE протягом 10 хв; C) після UAE протягом 20 хв; D) після UAE протягом 40 хв. Ультразвукова екстракція руйнує клітинні стінки та вивільняє внутрішньоклітинний матеріал.
(©Fu et al., 2013)
Порівняння ультразвукової та протитечійної екстракції
Fu et al. (2013) порівняли традиційну протитечійну екстракцію з ультразвуковою екстракцією сахарози зі стружки цукрового буряка. Результати дослідження показали, що ультразвукова обробка призвела до вищого виходу вищої чистоти, тоді як час екстракції значно скоротився з 70 хв. (протитечійна екстракція) до 40 хв. (ультразвукова обробка). Ультразвуково-асистована екстракція (UAE) призводить до нижчої концентрації колоїдних домішок (особливо пектинів) та дає вищий вихід сахарози (94,0±0,15%). Екстрагований сік має високу чистоту (92,6±0,11%). (див. Fu et al., 2013)
Оскільки цукрові виробничі потужності вже обладнані звичайними протитечійними екстракційними колонами, поєднання синергетичної ультразвукової обробки з існуючою установкою зазвичай є переважним. Для застосування ультразвукової екстракції сахарози найбільш економічно та часово ефективно, ультразвукову екстракцію можна встановити як синергетичну обробку перед, під час або після звичайної протитечійної екстракції. Оскільки ультразвукова обробка руйнує клітини цукрового буряка та вивільняє сахарозу з клітин, тривалість протитечійної обробки можна скоротити, тоді як вихід сахарози підвищується.
- Прискорений процес
- Вищі виходи
- Інтенсифікація процесу
- Синергетичні ефекти з протитечійними системами
- Легке дооснащення
- Просте тестування
- Лінійна масштабованість
- Низьке обслуговування
- Швидкий RoI
Високоефективні ультразвукові екстрактори
Системи екстракції Hielscher Ultrasonics використовуються у всьому світі в харчовій та фармацевтичній промисловості для комерційного виробництва високоякісних екстрактів, що використовуються як харчові продукти, дієтичні добавки або фармацевтичні препарати. Незалежно від того, чи хочете ви протестувати та оптимізувати параметри ультразвукової обробки на лабораторному рівні, чи встановити повністю промислову систему ультразвукової екстракції для потокового виробництва, Hielscher Ultrasonics має відповідну установку для ультразвукової екстракції для вас. Компактні розміри та гнучкі варіанти встановлення дозволяють здійснювати дооснащення навіть у переповненому виробничому приміщенні.
Стандартизація процесу з Hielscher Ultrasonics
Продукти харчового класу слід виробляти відповідно до Настанов щодо належної виробничої практики (GMP) та за стандартизованих специфікацій обробки. Цифрові системи екстракції Hielscher Ultrasonics постачаються з інтелектуальним програмним забезпеченням, яке дозволяє легко точно встановлювати та контролювати процес ультразвукової обробки. Автоматичний запис даних фіксує всі параметри ультразвукового процесу, такі як ультразвукова енергія (загальна та корисна енергія), амплітуда, температура, тиск (якщо встановлені датчики температури та тиску) з позначкою дати та часу на вбудованій SD-картці. Це дозволяє вам переглянути кожну партію, оброблену ультразвуком. Водночас забезпечується відтворюваність та постійно висока якість продукції.
Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати в режимі безперервної роботи 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах та у складних середовищах.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових апаратів:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | більше | кластер із UIP16000 |
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Високопотужні ультразвукові гомогенізатори від лабораторного до пілотного та промислового масштабу.
Література / Посилання
- 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.
Факти, які варто знати
Виробництво цукру
Сахароза, також відома як столовий цукор, виробляється переважно з цукрової тростини та з цукрових буряків (Beta vulgaris). Цукор, тобто сахароза, екстрагується з буряків за допомогою гарячої води в багатоетапному процесі, де сік-сирець екстрагується шляхом дифузії в гарячій воді в системі протитечійного потоку. Після цього цукровий сік концентрують під вакуумом, застосовують циклічне промивання і, нарешті, сушіння.
Після збору врожаю коренеплоди буряків transportують на цукровий завод, де буряки миють, а потім механічно нарізають на тонкі смужки, так звані стружки (cossettes). Стружки подаються в систему екстракції з протитечійним потоком. Система протитечійної дифузії працює за принципом дифузії і вилуговує цукор зі стружків у гарячу воду.
Системи протитечійної дифузії являють собою довгі реактори або високі вежі / колони заввишки кілька метрів, у яких стружки рухаються в одному напрямку (вгору), тоді як гаряча вода тече в протилежному напрямку (allavoolu). Сучасні вежеві екстрактори мають потужність переробки до 17 000 метричних тонн на добу. Типовий час утримання стружків у протитечійній вежі становить приблизно 90 хв., тоді як вода залишається лише 45 хв. у дифузійній колоні. Головною перевагою систем протитечійного потоку є зменшення використання води порівняно з мацерацією цукрових буряків у реакторі з гарячою водою. Розчин цукрового соку, який виробляється в системі протитечійної дифузії, називають соком-сирцем. Колір соку-сирцю може варіюватися від чорного до темно-червоного залежно від рівня його окиснення.
Відпрацьовані стружки виходять із системи дифузії у вигляді мезги з вологістю приблизно 95%, але з низьким вмістом сахарози.
Вологу мезгу віджимають на шнековому пресі до вологості приблизно 75%, щоб відновити залишкову сахарозу з мезги.
Залишкову мезгу висушують і використовують переважно як корм для тварин.
Карбонатацію застосовують для видалення домішок із соку-сирцю перед тим, як він може бути осаждений у кристали цукру. Тому сік-сирець змішують з гарячим вапняним молоком, тобто суспензією гідроксиду кальцію у воді. Під час карбонатації домішки, такі як сульфати, фосфати, цитрати та оксалати, осаджуються. Вони осаджуються у формі солей кальцію та більших органічних молекул, наприклад білків, пектинів та сапонінів. Крім того, лужне значення pH перетворює прості цукри глюкозу та фруктозу разом з амінокислотою глутаміном на хімічно стабільні карбонові кислоти, які можна видалити пізніше шляхом фільтрації, оскільки ці молекули заважали б кристалізації.
На наступному етапі процесу вуглекислий газ пропускають крізь лужний цукровий розчин, осаджуючи вапно у вигляді карбонату кальцію. Частинки карбонату кальцію зв’язують деякі домішки. Важкі частинки осідають у резервуарі і можуть бути видалені шляхом фільтрації. Після цих етапів очищення та промивання отримують так званий тонкий сік. Тонкий сік може бути оброблений кальцинованою содою для коригування значення pH, а також сполукою на основі сірки для зменшення забарвлення, яке може виникати внаслідок термічного розкладання моносахаридів.
Випаровування використовується для концентрування тонкого соку за допомогою систем багаторазового випаровування, так що тонкий сік перетворюється на густий сік. Густий сік містить приблизно 60% сахарози за масою.
На останньому етапі густий сік обробляють у кристалізаторах. Додаванням і розчиненням рециркульованого цукру виробляють так званий маточний розчин. Маточний розчин додатково концентрують шляхом кип’ятіння під вакуумом у великих посудинах, відомих як вакуум-апарати, і додають дуже дрібні кристали цукру як точки затравки. Ці кристали ростуть, оскільки цукор з маточного розчину утворюється навколо них. Отриману суміш кристалів цукру / сиропу називають маскуїтом (massecuite), французьким терміном, що означає “варена маса”. Маскуїт подають у центрифугу, де “High Green syrup” видаляється з маскуїту за допомогою відцентрової сили. Після центрифугування у центрифугу потім розпилюють воду для промивання кристалів цукру, що виробляє так званий “Low Green syrup”. Потім центрифуга обертається на дуже високих швидкостях, щоб частково висушити кристали. Коли центрифуга сповільнюється, цукор зішкрібають зі стінок центрифуги на конвеєрну систему, щоб транспортувати цукор у ротаційний гранулятор, де він висушується теплим повітрям. Сухі, чисті кристали цукру готові до продажу на цукорорафінічні заводи або виробникам харчових продуктів для подальшої обробки або використання.