Élelmiszeripari műveletek V. Elmélet

Átírás

1 1. Extrakció: alapfogalmak, oldószer-kiválasztás Extrakció fogalma Az extrakció meghatározott (értékes vagy káros) komponensek szelektív kioldása szilárd vagy folyékony elegyből (leadó fázis) folyékony oldószer segítségével (felvevő fázis). Más szétválasztási műveletekkel ellentétben (pl. lepárlás, kristályosítás stb.) nem vezet közvetlenül tiszta komponensekhez OLDÓSZER-REGENERÁLÁS-ra van szükség. Az extrahálásnál elvégzendő fő feladatok a leadó fázis és a felvevő oldószer intenzív érintkeztetése, összekeverése megfelelő időtartam biztosítása, hogy az értékes komponens anyagtranszportja megtörténjen a fázisok között az extrahálás során keletkezett két fázis (raffinátum és extraktum) szétválasztása. Csoportosítás a leadó fázis halmazállapota szerint szilárd-folyadék extrakció (kilúgozás vagy drogextrakció) folyadék-folyadék extrakció Az oldószer-kiválasztás szempontjai Az extraháló oldószereknek jónéhány követelménynek kell eleget tenniük, hogy gazdaságos és hatékony legyen a szétválasztást az értékes komponenst jól oldja, nagy szelektivitással a hordozó oldószer és az alkalmazott extraháló oldószer lehetőség szerint minél kevésbé oldódjon egymásban (alapfeltétel) az extraháló oldószert könnyű legyen elválasztani az extraktum fázisból (nagy forrpont-különbség, ne legyen azeotróp-képződés, stb.) nagy legyen a sűrűség-különbség a hordozó- és az extraháló oldószer között nagy legyen a határfelületi-feszültség a két oldószer között az emulzió-képződés elkerülése miatt az extraháló oldószer gőznyomása legyen alacsony a munkahőmérsékleten a párolgási veszteségek elkerülése miatt legyen alacsony viszkozitású a könnyebb szállíthatóság céljából legyen kémiailag és termikusan stabil lehetőleg ne legyen korrozív, mérgező és gyúlékony lehetőleg alacsony árú legyen

2 2. Folyadék-folyadék extrakció: fázisdiagram, egyensúlyi görbe, diszperz fázis kiválasztása Folyadék-folyadék extrakció A folyadék-folyadék extrakció során a leadó fázisból, amely a hordozót (primer oldószer) és az értékes komponenst tartalmazza, az extraháló oldószer (szekunder oldószer, felvevő fázis) segítségével kioldják az értékes komponens nagy részét. Folyékony kiindulási elegy (hordozó oldószer + értékes komponens) (A + B) Extraháló oldószer (S) Folyadék-folyadék extrakció Fázis-szétválasztás Raffinátum fázis (hordozó oldószer + értékes komponens-maradék + extraháló oldószer-nyomok) (A + B M + kevés S) Extraktum fázis (extraháló oldószer + értékes komponens + hordozó oldószer-maradék) (S + B + kevés A) Oldószer-regenerálás Oldószer-visszanyerés pl. rektifikálással A + B M (S 1 ) S 2 (A) + B - 2 -

3 Folyadék-folyadék extrakció alkalmazása aromás szénhidrogének és paraffinok szétválasztása élelmiszeripari szennyvizek tisztítása (pl. ecetsav-visszanyerés) etanol, ecetsav kinyerése fermentáció után növényolajok tisztítása A folyadék-folyadék extrakció ábrázolása Fázisdiagram A folyadék-folyadék extrakciós anyagátadásban három komponens vesz részt és létrejön két nem- vagy csak részben elegyedő folyadékfázis. A három komponens jelenléte miatt az ilyen terner rendszereket célszerűen háromszög-diagramban ábrázolni, (mely általában vagy egyenlő oldalú szabályos háromszög, vagy egyenlő szárú derékszögű háromszög) A háromszög csúcsaiban a három tiszta komponens állapotpontja találhatók, itt a másik két-két komponens koncentrációja nulla A hordozó oldószer B értékes komponens S Extraháló oldószer A háromszög oldalait kétkomponensű elegyek állapotpontjai alkotják, melyek két komponense az oldalon található két csúcsban lévő komponensek A háromszög által határolt területet az egyensúlyi görbe (binóda) két részre osztja. o A binóda fölötti részt homogén háromkomponensű elegyek állapotpontjai alkotják. o A binóda alatti terület instabil tartomány, ahol azonnal bekövetkezik a fázisszétválás. A szétválás az ún. egyensúlyi húr (konóda) mentén történik. A legrövidebb konóda valójában csak egy pont, ez a kritikus oldási pont (K). A szétválás eredményeképpen keletkező raffinátum fázis állapotpontja a kritikus ponttól balra, az extraktum fázis pontja a K ponttól jobbra helyezkedik el a binódán o Egyensúlyi görbe (biónda) Megmutatja az exrahálandó komponens eloszlását a raffinátum és az extraktum fázis között. Tömegarány diagram - 3 -

4 A terner elegy binerként is közelíthető, ha elhanyagolhatóan kicsi a hordozó- és az extraháló oldószer oldhatósága. Ekkor a műveletet jól ábrázolható a szokásos derékszögű koordináta-rendszerben is. Ezt a diagramot a tengelyeken található koncentrációk mértékegységére utalva tömegarány-diagramnak nevezzük. o vízszintes tengelyen a leadó fázis és a raffinátum tömegaránya található o függőlegesen tengelyen a felvevő fázis és az extraktum tömegaránya található A diagramba berajzolható a fázisegyensúlyi viszonyokat leíró egyensúlyi görbe. Ilyen esetekben a háromszög- és a tömegarány diagram egyenértékű, bármelyik használható. A tömegarány koncentráció megadja a biner rendszerben található két komponens (a harmadikat elhanyagoltuk) tömegének arányát X R extrahálandó komponens tömege hordozó oldószer tömege Y E extrahálandó komponens tömege extraháló oldószer tömege - 4 -

5 Az extrakció hatékonysága A kiválasztott extraháló oldószernek nagy szelektivitásúnak kell lennie az extrahálandó komponensre nézve. A szelektivitás megadja az értékes komponens (B) és a hordozó oldószer (A) megoszlási viszonyát a raffinátum- és az extraktum fázis között: β ( B konc. az extraktumban) ( A konc. az extraktumban) yb ya yb x B mb ( B konc. a raffinátumban) ( A konc. a raffinátumban) x B x A ya x A ma m B m A az extrahálandó B komponens megoszlási hányadosa az extraktum és a raffinátum fázis között az A hordozó oldószer megoszlási hányadosa az extraktum és a raffinátum fázis között Diszperz fázis kiválasztásának szempontjai Elvileg mindkét fázis lehet diszperz vagy folytonos fázis. az anyagátadás a folytonos fázisból történjen a diszperz fázisba a jobb anyagátadás érdekében a nagyobb térfogatáramú fázis legyen a diszperz a viszkózusabb legyen a diszperz a cseppek könnyebb újraegyesülése érdekében az alacsonyabb felületi feszültségű legyen a diszperz a drágább, mérgező, gyúlékony fázist diszpergáljuk a minél kisebb cseppátmérő elérése érdekében azt a fázist választjuk diszperznek, amelyik kevésbé nedvesíti az extraktor szerkezeti anyagát - 5 -

6 3. Folyadék-folyadék extrakciós megoldások: egyfokozatú és többfokozatú keresztáramú extrakció Egyfokozatú folyadék-folyadék extrakció Anyagmérleg F + S R + E M Komponensmérleg az extrahálandó komponensre nézve F x F + S y S R x R + E y E M x M Tiszta extraháló oldószerrel végezve a műveletet (y S 0), a munkapontban (az instabil tartományban található pont, szétválás előtti állapot) a következő a B komponens koncentrációja x M F x M F F x F F + S - 6 -

7 Ábrázolás fázisdiagramban Kiindulási elegy F x F Extraháló oldószer S y S 0 mert tiszta oldószerrel végzik az extrahálást Munkapont (mixtúra pont, mivel kétfázisú mezőben van, két nem elegyedő folyadékfázisra oszlik, Raffinátum és Extraktum fázisra) Az M munkapont helyzete az F és S mennyisége alapján az emelőszabály segítségével vagy az x M kiszámításával meghatározható. R y EM E xm Emelőszabály E x x MR M R F x F F x F x M M F + S Az egyensúlyi görbe segítségével megtalálható az a konóda, amely az M ponton halad át, és ennek végein a megfelelő Raffinátum (R) és Extraktum (E) fázis, amelyre az instabil M állapotú rendszer szétválik

8 SE egyenes kimetszi az AB oldalon az oldószermentes extraktum (E )állapotpontját RS egyenes kimetszi az AB oldalon az oldószermentes raffinátum (R ) állapotpontját Ábrázolás tömegarány diagramban x tengely y tengely leadó fázis (kiindulási elegy) és a raffinátum koncentrációja felvevő fázis (extraháló oldószer) és extraktum koncentrációja - 8 -

9 Többfokozatú keresztáramú folyadék- folyadék extrakció Valójában az egyfokozatú művelet többszöri ismétlése, ahol az előző fokozat raffinátum fázisát friss oldószerrel érintkeztetik. Anyagmérleg F + S 1 + S 2 + S 3 R 3 + E 1 + E 2 + E 3 F + S R 3 + E Σ S i S Σ E i E Komponensmérleg a teljes berendezésre F x F + S y S R 3 x R3 + E y K Komponensmérleg az első fokozatra F x F + S 1 y S R 1 x R1 + E 1 y E1 M 1 x M1 x M1 F x M 1 F F x F + S F 1 Komponensmérleg a második fokozatra R 1 x R1 + S 2 y S R 2 x R2 + E 2 y E2 M 2 x M2 x M 2 R1 x M 2 R1 R R 1 1 x R1 + S 2-9 -

10 Ábrázolás fázisdiagramban Első fokozat Kiindulási koncentráció F x F Extraháló oldószer S 1 y S 0 Munkapont Helyzete az x M1 kiszámításával meghatározható Az egyensúlyi görbe segítségével megtalálható az a konóda, amely az M ponton halad át, és ennek végein a megfelelő Raffinátum (R 1 ) és Extraktum (E 1 ) fázis, amelyre az instabil M állapotú rendszer szétválik

11 Második fokozat Kiindulási koncentráció R 1 x R1 Extraháló oldószer S 2 y S 0 Munkapont Helyzete az x M2 kiszámításával meghatározható Az egyensúlyi görbe segítségével megtalálható az a konóda, amely az M ponton halad át, és ennek végein a megfelelő Raffinátum (R 2 ) és Extraktum (E 2 ) fázis, amelyre az instabil M állapotú rendszer szétválik

12 Harmadik fokozat Kiindulási koncentráció R 2 x R2 Extraháló oldószer S 3 y S 0 Munkapont Helyzete az x M3 kiszámításával meghatározható Az egyensúlyi görbe segítségével megtalálható az a konóda, amely az M ponton halad át, és ennek végein a megfelelő Raffinátum (R 2 ) és Extraktum (E 2 ) fázis, amelyre az instabil M állapotú rendszer szétválik

13 Ábrázolás tömegarány diagramban Élelmiszeripari műveletek V

14 4. Folyadék-folyadék extrakciós megoldások: többfokozatú ellenáramú extrakció Többfokozatú ellenáramú folyadék-folyadék extrakció Az ellenáramú műveletek a leghatékonyabb műveletek. Az átlagos hajtóerő nagy, kevesebb oldószer szükséges Anyagmérleg a teljes berendezésre F + S R N + E 1 M F E 1 R N S P Anyagmérleg az első fokozatra F + E 2 R 1 + E 1 F E 1 R 1 E 2 P Anyagmérleg az i-edik fokozatig F + E i+1 R i + E 1 F E 1 R i E i+1 P Komponensmérleg F x F + S y S R N x RN + E 1 y E1 M x M x M F x M F F x F F + S

15 i fokozatszám meghatározása háromszög diagramban F, E 1, P egy egyenesen vannak R N, S, P egy egyenesen vannak R 1, E 2, P egy egyenesen vannak R i, E i+1, P egy egyenesen vannak Ezek az összefüggések adják az alapot az elméleti fokozatszám meghatározásához. Kiindulási koncentráció ábrázolása Munkapont meghatározása F S egyenesen található M pont, ahol az értékes komponens-tartalom: x M

16 Első extraktorból kilépő extraktum koncentrációja Összekötjük a termék R N pontját és az M pontot ez meghosszabbítva kijelöli a binódán az E 1 pontot Pólus pont A be- ill. kimenő áramok pontjait összekötve, azok egy P póluspontban metszik egymást. (F pont - E 1 ponttal és R n pont - S ponttal) Ide jutnak be az R i-1 és E i pontokat összekötő egyenesek (egymással szemben haladó áramok)

17 A fokozatszerkesztés menete o konódát húzunk az E 1 ponton keresztül, ezen van az R 1 pont. Ezt összekötjük a P pólusponttal, kimetszi a vele ellenáramban haladó E 2 áram pontját. o Újabb konóda adja R 2 pontot, stb... Addig folytatjuk, míg el nem érjük R N pontot (x RN koncentrációt). N adja a fokozatszámot

18 5. Folyadék-folyadék extrakciós berendezések csoportosítása (példa minden csoportból). Folyadék-folyadék extraktorok A folyadék folyadék extraktorokat szerkezetük és működésük alapján négy főcsoportba lehet osztani 1. Extrakciós oszlopok A legelterjetebbek és a legtöbb típusba és altípusba sorolhatók. o Gravitációs oszlopok Külső mechanikai energia hozzávezetése nélküli oszlopok Permetező extraktorok Töltelékes oszlopok Terelőlapátos oszlopok Szitatányéros oszlopok o Forgóelemes (keverőszerkezetes) oszlopok RDC-oszlop Scheibel-oszlop Mixco-oszlop Kühni-oszlop EC-oszlop RZE-oszlop SHE-oszlop ARD-oszlop BTC-oszlop o Alternáló mozgású elemekkel ellátott lengetett vagy köpülő oszlopok Szitatányéros Karr kolonna o Pulzációs vagy folyadéklüktetéses oszlopok 2. Centrifugális extraktorok o Podbielniak-extraktor o Pulsex-extraktor 3. Graesser-extraktor 4. Keverő-ülepítő alegységekből felépített mixer-settler készülékek o Extrakciós Lurgi-torony

19 6. Szilárd-folyadék extrakció: alapfogalmak, élelmiszeripari alkalmazás A szilárd-folyadék extrakció olyan művelet, melynek során szilárd anyagból szelektíven oldanak ki egy vagy több komponenst. A folyamat során fontos szerepet játszik a diffúzió: az extraháló oldószer az anyagba diffundál a szilárd anyagból az oldat szintén diffúzió útján távozik. A szilárd-folyadék extrakciót magasabb hőmérsékleten ajánlott végezni, mert: nagyobb a diffúziós állandó csökken az oldószer viszkozitása nő a kioldandó komponens oldhatósága az oldószerben Szilárd kiindulási anyag (hordozó + értékes komponens) Extraháló oldószer (S) Aprítás Előmelegítés Foly.-foly. extrakció Fázis-szétválasztás (szűrés, centrifugálás) Raffinátum fázis (hordozó + értékes komponens-maradék + extraháló oldószer-nyomok) (A + B * + kevés S) Extraktum fázis (extraháló oldószer + értékes komponens) (S + B) Oldószer-visszanyerés (rektifikálás, bepárlás, kristályosítás) S (A) + B

20 Szilárd-folyadék extrakció alkalmazása cukoriparban: cukor kioldása meleg vízzel növényolaj ipar: a sajtolás után a szemekben maradt olaj kivonása magvakból gyógyszeripar: hatóanyagok kinyerése gyógynövényekből. A szilárd-folyadék extrakció ábrázolása A szilárd-folyadék extrakciós anyagátadásban három komponens vesz részt, az ilyen terner rendszereket célszerűen háromszög-diagramban ábrázolni, mely a folyadékfolyadék extrakció műveletéhez hasonlóan általában vagy egyenlő oldalú szabályos háromszög, vagy egyenlő szárú derékszögű háromszög. A háromszög csúcsaiban a három tiszta komponens állapotpontja található, ahol a másik két-két komponens koncentrációja nulla. A háromszög oldalait kétkomponensű elegyek állapotpontjai alkotják, melyek két komponense az oldalon található két csúcsban lévő komponensek. A háromszög belsejében található o retenciós görbe, melynek pontjait a szétválás eredményeképpen keletkező raffinátum fázis állapotpontjai alkotják. A retenciós görbe általában jól közelíthető egyenesként. o az egyensúlyi húrok (konódák) az A csúcsba futnak. Az adott raffinátummal egyensúlyban lévő extraktum fázis pontja a háromszög BS oldalán található

21 7. Szilárd-folyadék extrakciós megoldások: egyfokozatú és többfokozatú keresztáramú extrakció Egyfokozatú szilárd-folyadék extrakció Anyagmérleg: F + S R + E M Komponensmérleg az extrahálandó komponensre nézve F x F + S y S R x R + E y E M x M Tiszta extraháló oldószerrel végezve a műveletet (y S 0), a munkapontban (az instabil tartományban található pont, szétválás előtti állapot) a következő a B komponens koncentrációja: x M F x M F F x F F + S Ábrázolás fázisdiagramban

22 Többfokozatú egyenáramú (keresztáramú) szilárd-folyadék extrakció Valójában az egyfokozatú művelet többszöri ismétlése, ahol az előző fokozat raffinátum fázisát friss oldószerrel érintkeztetik. Anyagmérleg az első fokozatra F + S 1 R 1 + E 1 M 1 Komponensmérleg az első fokozatra F x F + S 1 y S R 1 x R1 + E 1 y E1 M 1 x M1 x M1 F x M 1 F F x F + S F 1 Komponensmérleg a második fokozatra R 1 x R1 + S 2 y S R 2 x R2 + E 2 y E2 M 2 x M2 x M 2 R 1 x M 2 R1 R R 1 1 x R1 + S 2 Ábrázolás fázisdiagramban

23 8. Szilárd-folyadék extrakciós megoldások: többfokozatú ellenáramú extrakció Többfokozatú ellenáramú szilárd-folyadék extrakció Anyagmérleg a teljes berendezésre F + S R N + E 1 M Anyagmérleg az első fokozatra F + E 2 R 1 + E 1 Anyagmérleg az i-edik fokozatra F + E i+1 R i + E i Komponensmérleg F x F + S y S R N x RN + E 1 y E1 M x M F x F F x F x M M F + S i fokozatszám meghatározása háromszög diagramban F, E 1, P egy egyenesen vannak R N, S, P egy egyenesen vannak R i, E i+1, P egy egyenesen vannak Ezek az összefüggések adják az alapot az elméleti fokozatszám meghatározásához

24 Shanks-rendszer Valójában szakaszos extraktorok telepe (min. 5 darab), de mivel megfelelő számú áll rendelkezésre, úgy működik, mint a többfokozatú ellenáramú szilárd-folyadék extrakciós berendezés. Az extraktorok közül azt, amelyikben legrégebben van az anyag, ürítik és töltik. Friss oldószert mindig a második legrégebben a berendezésben lévő anyagra vezetünk. Az extraktumot a legfrissebb anyagról vezetjük el a rendszerből

25 9. Szilárd-folyadék extrakciós megoldások: szakaszos és félfolytonos megvalósítások Szilárd-folyadék extraktorok A szilárd-folyadék extrakciós berendezések lehetnek egyen- vagy ellenáramúak, illetve vegyes áramúak. Szakaszos üzemű o Diffúzőr A cukoripar legjellegzetesebb kilúgozó készüléke volt. A könnyű töltés és az ürítés végett az edény fedelei egyszerűen oldhatók. A felső fedél teljesen leemelhető, az alsó lebillenthető. A betöltött szilárd anyagot a perforált lemezből készült kúppaláston helyezkedik el és megtölti a hengeres diffuzőrtestet. Az oldószer felül lép be, keresztül szivárog az anyagon és átfolyik a kúppalást perforációin, majd az alsó csonkon távozik

26 o Keverős-ülepítő extraktor Keverős extraktort használnak olyan esetben, amikor a kilúgozandó anyag apró szemcsés, ilyenkor a szilárd anyagot az extraháló oldószerrel együtt adagolják a készülékbe. A szemcsék leülepedésének megakadályozására keverést alkalmaznak, Az extrakció befejeztével a keverés megszüntetése után, a szemcsék leülepednek az edényben lévő szűrőfelületre. A folyadékot az oldatvezető csonkon keresztül vezetik el. o Soxhlet extraktor (labor méretű)

27 Folyamatos üzemű o Vízszintes tengelyű Rotocell-extraktor Kennedy extraktor Serleges extraktor o Függőleges tengelyű Bollman extraktor Fluidágyas extraktor o Hildebrandt-extraktor o U-extraktor