Chiết xuất đường từ sợi củ cải đường bằng siêu âm
Chiết xuất bằng siêu âm nâng cao hiệu suất thu hồi sucrose từ sợi củ cải đường và rút ngắn đáng kể thời gian chiết xuất. Xử lý bằng siêu âm là một kỹ thuật đơn giản và an toàn, có thể dễ dàng kết hợp với công nghệ chiết xuất ngược dòng hiện có để cải thiện hiệu quả chiết xuất.
Chiết xuất sợi củ cải đường bằng siêu âm
Chiết xuất có hỗ trợ siêu âm dựa trên nguyên lý hoạt động của hiện tượng xâm thực âm học hay xâm thực siêu âm. Các tác động cơ học do hiện tượng xâm thực cảm ứng bằng siêu âm tạo ra gây hình thành lỗ và phá vỡ thành tế bào, từ đó làm tăng khả năng thấm qua của các phân tử bị giữ bên trong tế bào. Dòng chảy chất lỏng và các dòng rối vi mô do xâm thực tạo ra cải thiện quá trình truyền khối trong chiết xuất, nhờ đó sucrose và các phân tử khác được chuyển vào dung môi, tức là nước.
Thiết bị siêu âm UIP4000hdT dùng để chiết xuất củ cải đường ở quy mô công nghiệp.
- Tiền xử lý bằng siêu âm (trước tháp ngược dòng)
- Xử lý bằng siêu âm trong quá trình chiết xuất ngược dòng
- Hậu xử lý bằng siêu âm (sau tháp ngược dòng)
Tùy thuộc vào cơ sở chiết xuất hiện có, mục tiêu sản xuất và không gian sẵn có, có thể dễ dàng lắp bổ sung thiết bị siêu âm để tiền xử lý hoặc hậu xử lý, cũng như để xử lý trong quá trình chiết xuất ngược dòng.
Tiền xử lý sợi củ cải đường bằng siêu âm
Tiền xử lý sợi củ cải đường bằng siêu âm là một kỹ thuật tăng cường quá trình. Thiết bị chiết xuất bằng siêu âm có thể dễ dàng kết hợp với các tháp chiết xuất ngược dòng, vốn chủ yếu được sử dụng để chiết xuất củ cải đường. Xử lý sợi củ cải đường bằng siêu âm trong thời gian ngắn trước khi đưa vào hệ thống chiết xuất ngược dòng giúp phá vỡ và mở thành tế bào. Xử lý bằng siêu âm thúc đẩy quá trình truyền khối giữa dung môi (tức là nước) và sợi củ cải đường, nhờ đó các phân tử nội bào như sucrose được chuyển từ bên trong tế bào vào dung môi. Tiền xử lý sợi củ cải đường bằng siêu âm tạo thuận lợi và đẩy nhanh quá trình chiết xuất sucrose trong cột ngược dòng.
Ảnh hiển vi điện tử quét SEM (200×) của các mẫu sợi củ cải đường được xử lý bằng siêu âm ở 400 W và 50°C với các thời gian chiết xuất khác nhau. A) chiết xuất sợi củ cải đường bằng dòng chảy ngược chiều; B) sau khi chiết xuất có hỗ trợ siêu âm (UAE) trong 10 min; C) sau khi chiết xuất có hỗ trợ siêu âm (UAE) trong 20 min; D) sau khi chiết xuất có hỗ trợ siêu âm (UAE) trong 40 min. Chiết xuất bằng siêu âm phá vỡ thành tế bào và giải phóng vật chất nội bào.
(©Fu et al., 2013)
So sánh chiết xuất bằng siêu âm với chiết xuất ngược dòng
Fu và cộng sự (2013) đã so sánh phương pháp chiết xuất ngược dòng truyền thống với phương pháp chiết xuất sucrose từ sợi củ cải đường bằng siêu âm. Kết quả nghiên cứu cho thấy xử lý bằng siêu âm mang lại hiệu suất thu hồi cao hơn với độ tinh khiết vượt trội, đồng thời thời gian chiết xuất giảm đáng kể từ 70 min. (ngược dòng) xuống 40 min. (siêu âm). Chiết xuất có hỗ trợ siêu âm (UAE) cho nồng độ tạp chất dạng keo thấp hơn (đặc biệt là pectin) và hiệu suất thu hồi sucrose cao hơn (94,0±0,15%). Dịch chiết có độ tinh khiết cao (92,6±0,11%). (tham khảo Fu và cộng sự, 2013)
Do các cơ sở sản xuất đường đã được trang bị tháp chiết xuất ngược dòng thông thường, việc kết hợp xử lý bằng siêu âm có tác dụng hiệp đồng với hệ thống hiện có thường được ưu tiên. Để áp dụng phương pháp chiết xuất sucrose bằng siêu âm một cách hiệu quả nhất về chi phí và thời gian, có thể lắp đặt thiết bị chiết xuất bằng siêu âm để xử lý hiệp đồng trước, trong hoặc sau quá trình chiết xuất ngược dòng thông thường. Vì xử lý bằng siêu âm phá vỡ tế bào củ cải đường và giải phóng sucrose khỏi tế bào, thời gian xử lý ngược dòng có thể được rút ngắn, đồng thời hiệu suất thu hồi sucrose được nâng cao.
- Đẩy nhanh quá trình
- Hiệu suất thu hồi cao hơn
- Tăng cường quá trình
- Tác dụng hiệp đồng với các hệ thống ngược dòng
- Dễ dàng lắp bổ sung vào hệ thống hiện có
- Thử nghiệm đơn giản
- Khả năng mở rộng quy mô tuyến tính
- Ít cần bảo trì
- Hoàn vốn nhanh
Thiết bị chiết xuất siêu âm hiệu suất cao
Các hệ thống chiết xuất của Hielscher Ultrasonics được sử dụng trên toàn thế giới trong ngành thực phẩm và dược phẩm để sản xuất thương mại các dịch chiết chất lượng cao dùng làm sản phẩm thực phẩm, thực phẩm bổ sung hoặc dược phẩm. Dù bạn muốn thử nghiệm và tối ưu hóa các thông số xử lý siêu âm ở quy mô để bàn hay lắp đặt một hệ thống chiết xuất siêu âm hoàn toàn ở quy mô công nghiệp để sản xuất trên dây chuyền, Hielscher Ultrasonics đều có cấu hình chiết xuất siêu âm phù hợp cho bạn. Diện tích lắp đặt nhỏ và các phương án lắp đặt linh hoạt cho phép tích hợp bổ sung ngay cả trong cơ sở chế biến chật hẹp.
Chuẩn hóa quy trình với Hielscher Ultrasonics
Các sản phẩm đạt tiêu chuẩn dùng cho thực phẩm nên được sản xuất theo Thực hành sản xuất tốt (GMP) và các quy cách xử lý đã được chuẩn hóa. Các hệ thống chiết xuất kỹ thuật số của Hielscher Ultrasonics được trang bị phần mềm thông minh, giúp dễ dàng thiết lập và kiểm soát chính xác quá trình xử lý siêu âm. Chức năng ghi dữ liệu tự động ghi tất cả các thông số của quá trình siêu âm như năng lượng siêu âm (tổng năng lượng và năng lượng thuần), biên độ, nhiệt độ, áp suất (khi lắp cảm biến nhiệt độ và áp suất), kèm dấu ngày giờ, vào thẻ SD tích hợp. Điều này cho phép bạn xem xét lại từng lô đã được xử lý siêu âm. Đồng thời, khả năng tái lập và chất lượng sản phẩm luôn ở mức cao được đảm bảo.
Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể tạo ra biên độ rất cao. Có thể dễ dàng duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7. Đối với biên độ cao hơn nữa, có các đầu sonotrode siêu âm được chế tạo theo yêu cầu. Độ bền chắc của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 ở chế độ tải nặng và trong môi trường khắc nghiệt.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200mL/min | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Đặt câu hỏi cho chúng tôi!
Máy đồng nhất siêu âm công suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô thí điểm và công nghiệp .
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- 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.
Những điều cần biết
Sản xuất đường
Sucrose, còn gọi là đường ăn, chủ yếu được sản xuất từ mía và củ cải đường (Beta vulgaris). Đường, tức sucrose, được chiết xuất từ củ cải đường bằng nước nóng qua một quy trình nhiều bước, trong đó dịch đường thô được chiết xuất bằng phương pháp khuếch tán trong nước nóng trong hệ thống dòng ngược chiều. Sau đó, dịch đường được cô đặc dưới chân không, tiếp theo là rửa theo chu kỳ và cuối cùng là sấy khô.
Sau khi thu hoạch, củ cải đường được vận chuyển đến nhà máy chế biến đường, nơi chúng được rửa sạch rồi cắt cơ học thành các sợi mỏng, gọi là sợi củ cải đường. Các sợi củ cải đường được đưa vào hệ thống chiết xuất dòng ngược chiều. Hệ thống dòng ngược chiều hoạt động theo nguyên lý khuếch tán, đưa lượng đường trong các sợi củ cải đường vào nước nóng.
Các hệ thống khuếch tán ngược chiều là các thiết bị phản ứng dài hoặc các tháp / cột cao vài mét, trong đó các sợi củ cải đường di chuyển theo một hướng (lên trên), còn nước nóng chảy theo hướng ngược lại (xuống dưới). Các nhà máy chiết xuất bằng tháp hiện đại có năng suất xử lý lên đến 17.000 tấn mỗi ngày. Thời gian lưu điển hình của các sợi củ cải đường trong tháp ngược chiều là khoảng 90 phút, trong khi nước chỉ lưu lại 45 phút trong cột khuếch tán. Ưu điểm chính của các hệ thống dòng ngược chiều là giảm lượng nước sử dụng so với phương pháp ngâm củ cải đường trong thiết bị phản ứng chứa nước nóng. Dung dịch đường được tạo ra trong hệ thống khuếch tán ngược chiều được gọi là dịch đường thô. Màu của dịch đường thô có thể thay đổi từ đen đến đỏ sẫm tùy theo mức độ oxy hóa.
Các sợi củ cải đường sau chiết xuất ra khỏi hệ thống khuếch tán dưới dạng bã có độ ẩm khoảng 95% nhưng hàm lượng sucrose thấp.
Bã ẩm được ép bằng máy ép trục vít xuống độ ẩm khoảng 75% để thu hồi lượng sucrose còn lại trong bã.
Phần bã còn lại được sấy khô và chủ yếu dùng làm thức ăn chăn nuôi.
Quá trình cacbonat hóa được áp dụng để loại bỏ tạp chất khỏi dịch đường thô trước khi đường trong dịch có thể kết tủa thành tinh thể. Vì vậy, dịch đường thô được trộn với sữa vôi nóng, tức huyền phù canxi hydroxit trong nước. Trong quá trình cacbonat hóa, các tạp chất như sulfat, phosphat, citrat và oxalat kết tủa. Chúng kết tủa dưới dạng muối canxi và các phân tử hữu cơ lớn hơn, chẳng hạn như protein, pectin và saponin. Ngoài ra, pH kiềm chuyển hóa các đường đơn glucose và fructose cùng với axit amin glutamine thành các axit cacboxylic bền về mặt hóa học, có thể được loại bỏ sau đó bằng phương pháp lọc, vì những phân tử này sẽ cản trở quá trình kết tinh.
Ở bước tiếp theo của quy trình, khí cacbon dioxit được sục qua dung dịch đường có tính kiềm, làm vôi kết tủa dưới dạng canxi cacbonat. Các hạt canxi cacbonat liên kết với một số tạp chất. Các hạt nặng lắng xuống trong bồn và có thể được loại bỏ bằng phương pháp lọc. Sau các bước tinh sạch và làm sạch này, thu được dịch đường gọi là dịch đường loãng. Dịch đường loãng có thể được xử lý bằng natri cacbonat để điều chỉnh pH, cũng như bằng một hợp chất chứa lưu huỳnh để giảm sự hình thành màu có thể xảy ra do sự phân hủy nhiệt của các monosaccharide.
Phương pháp bay hơi được sử dụng để cô đặc dịch đường loãng bằng các hệ thống cô đặc nhiều nồi, biến dịch đường loãng thành dịch đường đặc. Dịch đường đặc chứa khoảng 60% sucrose theo khối lượng.
Ở bước cuối cùng, dịch đường đặc được xử lý trong các thiết bị kết tinh. Bằng cách bổ sung và hòa tan đường tái sử dụng, một dung dịch gọi là dịch mẹ được tạo thành. Dịch mẹ tiếp tục được cô đặc bằng cách đun sôi dưới chân không trong các thiết bị lớn gọi là nồi nấu chân không, và các tinh thể đường rất mịn được bổ sung làm mầm kết tinh. Các tinh thể này lớn dần khi đường từ dịch mẹ kết tinh xung quanh chúng. Hỗn hợp tinh thể đường / siro thu được gọi là đường non, tương ứng với thuật ngữ tiếng Pháp massecuite, có nghĩa là “khối đã nấu”. Đường non được đưa vào máy ly tâm, nơi “mật nguyên” được tách khỏi đường non bằng lực ly tâm. Sau một lần ly tâm, nước được phun vào máy ly tâm để rửa các tinh thể đường, tạo ra cái gọi là “mật rửa”. Sau đó, máy ly tâm quay ở tốc độ rất cao để làm khô một phần các tinh thể. Khi máy ly tâm giảm tốc, đường được cạo khỏi thành máy xuống hệ thống băng tải để vận chuyển vào thiết bị tạo hạt quay, nơi đường được sấy khô bằng không khí ấm. Các tinh thể đường khô, sạch đã sẵn sàng để bán cho các nhà máy tinh luyện hoặc nhà sản xuất thực phẩm nhằm tiếp tục xử lý hoặc sử dụng.