Luonnonaineiden uuton pilot-prosessin koetoiminta ja prosessitutkimus lähtien raaka-aineista tuotteiksi
Vihelä, Vihelä (2021)
Diplomityö
2021
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021080241873
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021080241873
Tiivistelmä
Väestönkasvun myötä tarvitaan jatkuvasti enemmän ympäristöystävällisempiä ratkaisuja erityisesti teollisuudessa. Kestävään kehitykseen pyritään maailmanlaajuisesti, jotta kaikki tuotetut elintarvikkeet ja hyödykkeet olisivat mahdollisimman hiilineutraaleja koko elinkaarensa aikana. Luonnon raaka-aineissa on edelleen laajasti potentiaalia eri käyttökohteiden suhteen. Erityisesti paikallisesti esiintyvien luonnonaineiden hyötykäytöllä voidaan vähentää merkittävästi tuotannosta koituvaa hiilijalanjälkeä.
Luonnonaineiden uutossa käytetään yleisesti muun muassa liuotinuuttoa, jossa liukoinen ainesosa uutetaan pois raaka-aineesta käyttäen sille soveltuvaa liuotinta. Useita erityyppisiä liuotinuuttomenetelmiä on olemassa, joista etenkin ultraääniuutto on yleistynyt viime vuosina merkittävästi. Ultraääniuuton etuja perinteisiin liuotinuuttomenetelmiin verrattuna on muun muassa uuton korkeampi saanto sekä kohentunut taloudellisuus, ympäristöystävällisyys ja turvallisuus. Ultraääniuuttoon liittyvä teknologia on vielä kehitysvaiheessa, jonka takia kaikkia sen potentiaalisia etuja ei vielä täysin tunneta.
Tässä diplomityössä tutkittiin erityyppisten luonnonaineiden soveltuvuutta käytettäväksi raaka-aineena ultraääniuuttoon perustuvassa prosessissa sekä testattiin prosessin eri parametreja, joiden pohjalta uuttoprosessin käyttöä optimoitiin. Eri raaka-aineiden kiintoaine-liuotinseosten näennäisen viskositeetin ja partikkelikoon välistä yhteyttä tutkittiin ensin. Tämän pohjalta yksi raaka-aineista valittiin jatkotestauksiin ultraääniuuttokokeisiin. Jatkotestaukset suoritettiin sekä laboratoriomittakaavan, että pilot-mittakaavan laitteistoja käyttäen.
Porkkana valittiin reologisten ominaisuuksiensa perusteella testattavaksi ultraääniuuttokokeissa, joissa porkkanasta uutettiin karotenoideja. Laboratoriomittakaavan kokeissa kiintoaine-liuotinseosta kierrätettiin syöttösäiliön ja ultraäänireaktorin välillä. Laboratoriomittakaavan kokeissa uuttoastetta oli ultraäänen avulla mahdollista kasvattaa jopa 2,62 kertaa korkeammaksi, kuin maseroinnissa. Pilot-mittakaavan kokeissa kiintoaine-liuotinseosta pumpattiin syöttösäiliöstä ultraäänireaktorin läpi. Pilot-mittakaavan kokeissa uuttoaste oli 1,04–2,02-kertainen ultraäänireaktorin ulostulossa kuin syöttösäiliössä ultraäänen ollessa käytössä. More ecological solutions are needed constantly especially in industry due to population growth. Sustainable development is aimed worldwide so that all produced foodstuffs and utilities would be as carbon neutral as possible throughout their life cycle. There are still multiple potential solutions for the utilization of natural ingredients. Especially utilization of endemic natural ingredient species would significantly decrease the carbon footprint of production.
Solvent extraction is widely used for the leaching of natural ingredients. In solvent extraction soluble ingredient is leached from the raw material by using applicable solvent. There are multiple different solvent extraction methods. Especially ultrasound-assisted extraction (UAE) has been increasingly used in recent years. The benefits of using UAE are higher extraction yield, increased economic and ecologic efficiency and high level of safety compared to the traditional solvent extraction methods. UAE technology is still in development phase and therefore all of its potential benefits are not completely known yet.
In this master’s thesis the applicability of different natural ingredients used as raw materials was studied in a process that was based on the ultrasound-assisted extraction. Different parameters were also tested in order to optimize the extraction process. Dependency between the apparent viscosity and the particle size of different raw material-solvent pulp mixtures was studied first. Based on the results, one of the raw materials was chosen for further testing with UAE experiments in laboratory scale equipment and pilot scale equipment.
Based on its rheological properties, carrot was chosen as raw material to be tested in the UAE experiments where carotenoids were extracted from carrots. In the laboratory scale experiments raw material-solvent mixture was circulated between feed tank and ultrasound reactor. Based on the results of the laboratory scale experiments, it was possible to increase fraction extracted up to 2,62 times higher than in maceration. In pilot scale experiments raw material-solvent mixture was pumped from feed tank through the ultrasound reactor. In pilot scale experiments fraction extracted in ultrasound reactor outlet was 1,04–2,02 times higher than in feed tank when ultrasound was used.
Luonnonaineiden uutossa käytetään yleisesti muun muassa liuotinuuttoa, jossa liukoinen ainesosa uutetaan pois raaka-aineesta käyttäen sille soveltuvaa liuotinta. Useita erityyppisiä liuotinuuttomenetelmiä on olemassa, joista etenkin ultraääniuutto on yleistynyt viime vuosina merkittävästi. Ultraääniuuton etuja perinteisiin liuotinuuttomenetelmiin verrattuna on muun muassa uuton korkeampi saanto sekä kohentunut taloudellisuus, ympäristöystävällisyys ja turvallisuus. Ultraääniuuttoon liittyvä teknologia on vielä kehitysvaiheessa, jonka takia kaikkia sen potentiaalisia etuja ei vielä täysin tunneta.
Tässä diplomityössä tutkittiin erityyppisten luonnonaineiden soveltuvuutta käytettäväksi raaka-aineena ultraääniuuttoon perustuvassa prosessissa sekä testattiin prosessin eri parametreja, joiden pohjalta uuttoprosessin käyttöä optimoitiin. Eri raaka-aineiden kiintoaine-liuotinseosten näennäisen viskositeetin ja partikkelikoon välistä yhteyttä tutkittiin ensin. Tämän pohjalta yksi raaka-aineista valittiin jatkotestauksiin ultraääniuuttokokeisiin. Jatkotestaukset suoritettiin sekä laboratoriomittakaavan, että pilot-mittakaavan laitteistoja käyttäen.
Porkkana valittiin reologisten ominaisuuksiensa perusteella testattavaksi ultraääniuuttokokeissa, joissa porkkanasta uutettiin karotenoideja. Laboratoriomittakaavan kokeissa kiintoaine-liuotinseosta kierrätettiin syöttösäiliön ja ultraäänireaktorin välillä. Laboratoriomittakaavan kokeissa uuttoastetta oli ultraäänen avulla mahdollista kasvattaa jopa 2,62 kertaa korkeammaksi, kuin maseroinnissa. Pilot-mittakaavan kokeissa kiintoaine-liuotinseosta pumpattiin syöttösäiliöstä ultraäänireaktorin läpi. Pilot-mittakaavan kokeissa uuttoaste oli 1,04–2,02-kertainen ultraäänireaktorin ulostulossa kuin syöttösäiliössä ultraäänen ollessa käytössä.
Solvent extraction is widely used for the leaching of natural ingredients. In solvent extraction soluble ingredient is leached from the raw material by using applicable solvent. There are multiple different solvent extraction methods. Especially ultrasound-assisted extraction (UAE) has been increasingly used in recent years. The benefits of using UAE are higher extraction yield, increased economic and ecologic efficiency and high level of safety compared to the traditional solvent extraction methods. UAE technology is still in development phase and therefore all of its potential benefits are not completely known yet.
In this master’s thesis the applicability of different natural ingredients used as raw materials was studied in a process that was based on the ultrasound-assisted extraction. Different parameters were also tested in order to optimize the extraction process. Dependency between the apparent viscosity and the particle size of different raw material-solvent pulp mixtures was studied first. Based on the results, one of the raw materials was chosen for further testing with UAE experiments in laboratory scale equipment and pilot scale equipment.
Based on its rheological properties, carrot was chosen as raw material to be tested in the UAE experiments where carotenoids were extracted from carrots. In the laboratory scale experiments raw material-solvent mixture was circulated between feed tank and ultrasound reactor. Based on the results of the laboratory scale experiments, it was possible to increase fraction extracted up to 2,62 times higher than in maceration. In pilot scale experiments raw material-solvent mixture was pumped from feed tank through the ultrasound reactor. In pilot scale experiments fraction extracted in ultrasound reactor outlet was 1,04–2,02 times higher than in feed tank when ultrasound was used.