Etrakció 9. Etrakció z etrakció szétválasztó anyagátviteli művelet. kiinduló anyag (elegy, keverék) egy adott komponensét nyerjük ki szelektíven, oldószer segítségével. kiinduló anyagtól és az oldószertől függően az etrakciós műveletek lehetnek: - olyadék-folyadék etrakció (szolvens etrakció): mind a kiindulási anyag, mind az oldószer folyadékfázisú, - zilárd-folyadék etrakció (diffúziós etrakció): a kiinduló anyag összetett szilárd anyag, az etrahálószer folyadék, - zuperkritikus etrakció (destrakció): a kiinduló anyag szilárd vagy folyadékelegy az oldószer nagynyomású gáz. z etrakciót úgy az iparban, mint laboratóriumban gyakran használják. őbb ipari alkalmazásai: - kőolajipar (például az aromás komponensek kivonása folyékony kéndioiddal ) - szerves vegyipar - élelmiszer-, növényolaj-, gyógyszeripar - környezetvédelem, stb. 9.. olyadék-folyadék etrakció (- etrakció) z elválasztás lényege: a folyadékelegy adott komponensét nyerjük ki úgy, hogy a folyadékot olyan korlátozottan elegyedő oldószerrel érintkeztetjük, amely oldószer szelektíven oldja a folyadékelegy etrahálandó komponensét. z - etrakciót akkor alkalmazzuk: - ha a folyadékelegy magas forráspontú, kis koncentrációjú komponense az értékes, hisz ilyenkor az etrakció gazdaságosabb a desztillációnál, - ha a szétválasztandó folyadékelegy komponenseinek kicsi a forráspontkülönbsége, - ha a desztilláció, rektifikáció során azeotrop képződik, ennek további szétválasztására más, gazdaságosabb megoldás nincs, - ha a kinyerendő komponens hőre érzékeny, magas hőmérsékleten bomlik. z oldószerrel szemben támasztott követelmények: - legyen szelektív, jó oldóképességű, - legyen olcsó, vissza-vezethető, - 200 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban - ne oldódjék jól az elválasztandó folyadékelegyben, - ne legyen korrozív, tűz- és robbanásveszélyes, - ne legyen mérgező. 9... olyadék-folyadék etrakció egyensúlyi viszonyai Különböző folyadékokat adott hőmérsékleten és nyomáson összekeverve az tapasztalható, hogy azok, vagy tökéletesen-, vagy korlátozottan elegyednek egymással. z elegyedési viszonyok, melyeket a hőmérséklet jelentősen befolyásol, jól szemléltethetők az elegyedési diagramokon, melyek lehetnek terner (három) és többkomponensűek. Mivel a - etrakció egy elegyet és a megfelelő szolvenst feltételezi, a komponensek száma minimum 3, tehát az egyensúlyi helyzetet a háromkomponensű diagramok segítségével tudjuk követni. Legyen a kiinduló elegy és komponenseket tartalmazó folyadék és (szolvens) az oldószer / etrahálószer. Mivel a rendszer folyékony halmazállapotú a nyomáshatástól eltekinthetünk, így az egyensúlyt Gibbs törvénye szerint 3 paraméter határozza meg ( L C 3 3). Ezek a ma - 20 - min hőmérséklet és a rendszer két komponensének a koncentrációja. Izoterm rendszer esetén, az egyensúlyi állapotot két paraméter határozza meg, ami azt jelenti, hogy az egyensúlyi állapotot egy síkben ábrázolhatjuk. Mivel ebben a síkban mindhárom komponenst fel kell tüntetni a megfelelő geometriai modell az egyenlőszárú háromszög. Ha az összetételt az egyenlőszárú háromszögben ábrázolhatjuk, akkor a háromváltozós diagram nem más, mint egy háromszögalapú prizma. E prizmának tehát három változója van, kettő a háromszög síkjában és egy erre merőleges irányban. Épp ezért ezt a diagramot T- - 2 diagramnak is nevezzük, ahol az - az egyik komponens, az 2 a másik komponens oldhatósága az eredeti oldószerben. z és 2 mértékegysége ugyanaz, lehet móltört, tömegtört vagy százalékos összetétel. z -- rendszerben, az és a tömegtörtjeit a következő összefüggésekkel írjuk le: m m, (9. a,b) m m m m m m könnyebb írás miatt sokszor a következő módon fejezzük ki a törtek értékét:, (9.2 a, b) C amikor meg kell nevezni, hogy az, és értékeit tömegben vagy mólban fejezzük ki.
Etrakció mikor a három komponens korlátlanul elegyedik egymással, akkor nincs határfelületnek megfelelő egyensúlyi görbe. Ilyenkor nem is lehetséges az etrakció. z etrakció megköveteli, hogy az oldószer szelektíven oldja a kiinduló anyag komponenseit. Ideális volna, ha egyikkel nem, a másikkal pedig korlátlanul keveredne. Mivel ez minden rendszernél nem fordulhat elő, elfogadjuk az komponens korlátozott elegyedését a szolvenssel. Ez azt jelenti, hogy az - rendszerben kapunk két különböző tulajdonságú oldatot, éspedig egy - oldatot (a 9.. ábrán a -el jelölve), mely gazdagabb az -ban (tehát az oldószer) és egy ban szegényebb kompozíciójú - oldatot (a 2 -vel jelölve), itt az az oldószer). Ha az és a korlátlanul keveredik, úgyszintén a és az is, akkor az. ábrának megfelelő diagramot kapjuk. Mint látható, egy bizonyos hőmérséklet intervallumban korlátolt keveredési tartomány az a a 2 P P 2 P 3 pontokat tartalmazó testnek felel meg. Ennek a T, T 2 és T 3 síkokkal való metszése meghatározza az un. izotermákat. Tehát az ábrán feltüntetett politerma, nem más, mint az izotermák egymásra helyezése. Jól látható hogy legfelsőbb izoterma felett (T=T ) a három komponens korlátlanul keveredik. E hőmérséklet alatt korlátolt keveredésről beszélünk. testen kívüli térben mindhárom komponens korlátlanul keveredik, míg a test nem más, mint a heterogén keverék, ami a fázisok keveredési tartománya. 9.. ábra. z -- térdiagram izoterma síkokkal. 9.2. ábra. Izoterma a háromszögdiagramban. - 202 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban Elemezzünk egy T hőmérsékletű sík által kapott izotermát (lásd a 9.2. ábrát), mely állandó nyomás mellett állandó hőmérsékletű is. z és illetve és korlátlanul elegyedik, az és pedig korlátoltan, két különböző töménységű oldatokat alkotva, az -tól az a pontig az -ban gazdag - oldatot, és az a 2 -től az -ig az ben gazdag - oldatot. E két pont között találjuk a kétfázisú rendszert. Például, ha az figurális pontú - elegybe adagoljuk az etraháló oldatot, akkor az adagolási aránytól függően kapunk egy M keveréket (mitúrát), mely a két fázist összekötő RE egyenesen van. z R fázis a raffinátum, az E fázis az etraktum. z a P görbeszakasz a raffinátum görbe, a Pa 2 pedig az etraktum görbe. Mivel ezek e görbék két végpontot kötnek össze az a -P-a 2 görbét binódának nevezzük. z összekötő egyeneseket pedig konódának nevezzük. Minden M mitúra ponthoz tartozik egy-egy ilyen konóda. konódákat gyakorlatilag kell meghatározni és minden izoterma esetén a görbe mellett szükség van a konódák megadására is. ok esetben a konódákat ki lehet mérni, vagyis ismert konódák esetén, az ismeretlen be lehet illeszteni. Ilyen szerkesztési módszert mutat be a 9.3. ábra. Először is az ismert konódák segítségével megszerkesztjük az I-II-III-IV görbét. Ezért a konódák i (i=...4) pontjaiból párhuzamost húzunk a oldallal, míg az, 2, 3 és 4 pontjaiból párhuzamost húzunk az oldallal. 9.3. ábra. konódák szerkesztése interpoláció módszerrel. párhuzamosok metszéspontjait (I, II, III, IV) összekötjük, megszerkesztve a korrelációs görbét. z ismeretlen konódát pedig úgy interpoláljuk, hogy először a binódán felveszünk egy pontot, például a b pont. b pontból húzunk egy párhuzamost az átellenben lévő oldallal. párhuzamos és az I-IV korrelációs görbe metszéspontjából pedig húzunk egy másik párhuzamost, de most a oldallal, megkapva a b nek megfelelő b pontot. két pontot összekötve, megkapjuk a megfelelő interpolált konódát. - 203 -
Etrakció Mint ahogy a 9.. ábrán látható volt a hőmérséklet változásával a binódák is változnak. Általában ahogy nő a hőmérséklet a heterogén fázisokból álló rendszer felülete csökken. Egy valós rendszer két izotermáját mutatja be a 9.4. ábra. Jól látható, hogy a hőmérséklet növekedésével a heterogén rendszer felülete csökken. Ugyancsak látható, hogy míg 38 K a klasszikus folytonos binódális görbét kapjuk, 298 K hőmérsékleten két külön görbe van, amely két különálló homogén rendszert tartalmaz. E két homogén oldatot választja el a heterogén kétfázisú mező. z ábrán jól látható hogy a konódák elhelyezése is hőmérsékletfüggő, akárcsak a binódális görbék. 9.4. ábra. Hean-anilin-metil-ciklopentán háromkompozíciós rendszer két izotermája. 9..2. z etrakció mutatói 9.2 ábrán látható, hogy ha a kiinduló keverékbe beadagoljuk a szolvenst, akkor az adagolási aránytól függően kapunk egy miturát, amely két külön fázist alkot. Ez a két homogén rendszer nem csak összetételükben különböznek egymástól, hanem a fizikai tulajdonságaik is különbözőek. elhasználva ezeket a különbségeket, mint például a sűrűséget, a két fázist elválaszthatjuk egymástól. hogy a R és az E pontok is mutatják, úgy a maradék raffinátum, mint a keletkezett etraktum nem tiszták, mindkettő tartalmazza a szolvenst és a kiinduló és komponenst. Épp ezért az etraktumot és a raffinátumot oldószermentes tiszta etraktumra és tiszta raffinátumra kell szétválasztani, vagyis az R-ből az R megfelelő raffinátumot és az E-ből az E -nek megfelelőt (lásd a 9.2. ábrát). szétválasztás lehetséges desztillációval vagy egy újabb etrakcióval is megvalósítani. Egy ilyen etrakciós rendszer kapcsolási vázlatát mutatja be a 9.5. ábra. Ez szerint, miután jól összekevertük a kiinduló anyagot, ()-et és a szolvenst ()-t, aztán megvalósítottuk a kivonást, következik a raffinátum (R) és etraktum (E) szétválasztása. két fázist azután újra elválasztásnak vetjük alá, visszanyerve a szolvenst, melyet egy következő lépésben újra hasznosíthatunk. z etrakciót megvalósíthatjuk egy lépésben, de az, mint az egyensúlyi diagramokról is látható, nem képes a tömény etraktum előállítására. Épp azért, - 204 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban többszőri etrahálást alkalmazunk, mely lehet szakaszos üzemű, de lehetséges folyamatos üzemben is elvégezni. többszöri etrakció esetében több technológiai megoldást alkalmazhatunk, kezdve a keresztáramú etrakciótól, egész az ellenáramú etrakcióig. Ezen etrakció típusoknak van egy közös jellemzőjük, éspedig az hogy többfokozatúak, tehát több hasonló egységből tevődnek össze. z egységek számának meghatározására alkalmazzuk az egyensúlyi diagramokat. 9.5. ábra. Egyszeri etrakciós berendezés vázlata. hhoz, hogy egységesen tudjuk tárgyalni a különböző rendszereket, néhány jellemző bevezetésére szorítkozunk. Éspedig: - Nernst féle megoszlási hányados, - zelektivitás, - olyadékarány, - Etrakciós faktor. Ezen jellemző mutatók bevezetésére vegyük figyelembe az 9.2. ábrán feltüntetett etrakciós folyamatot, ahol az kiinduló elegyhez hozzáadtuk az szolvenst és kaptunk egy M mitúrát, melyben R a raffinátum és E az etraktum. Mivel a a céltermék, vagyis az, amelynek kivonását követjük, írjuk fel a tartamát a két termékben: y (9.3a) (9.3b) etr. raff. - 205 -
Etrakció z egyenlőszárú háromszögben a raffinátum komponenstartalma megfelel az R pont magasságának, és az etraktum komponenstartalma megfelel az E pont magasságának (lásd a 9.6. ábrát). z komponensre érvényes 9.6. ábra. raffinátum és az etraktum komponens eloszlása. - 206 - összetételek pedig az R magassága az oldalhoz ( ), illetve az E magassága az oldalhoz (y ). z y és az aránya, illetve az y és az arányát megoszlási hányadosnak nevezzük. Ez kifejezi, hogy mennyivel nagyobb az etraktum céltermékének a koncentrációja, mint a raffinátumé. y y b illetve b (9.4) két Nernst féle megoszlási hányados aránya az un. szelektivitás: y b y (9.5) b y y szelektivitás nem más, mint a szétválasztás jellemzője, minél nagyobb az értéke annál könnyebb a szétválasztás. Ilyen értelmezéssel a szelektivitás megfelel e desztillációban megnevezett illékonysággal. z etrakció egy fontos üzemtani jellemzője az un. folyadékarány, vagyis az etraktum és a raffinátum aránya: E f (9.6) R ahol az E illetve az R a két fázis mennyisége, kg, kg/s, mol, mol/s. Egy másik jellemző mutató az etrakciós faktor, amely nem más, mint a megoszlási hányados és a folyadékarány szorzata: y E E y m K b f (9.7) R R m E R
ahol: E Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban m, m - a komponens tömege / tömegárama / molárama az R etraktumba, illetve a raffinátumban. 9..3. olyadék-folyadék etrakciós berendezések fokozatszámának meghatározása fokozat számításoknál három esetet vehetünk figyelembe, éspedig: a) f és b állandók- analitikus módszer, b) f állandó és b változó- megközelítő grafikus módszer, c) f változó és b változó grafikus módszer. míg az első két módszer egyszerűsítő feltételt alkalmaz, addig a harmadik módszer minden esetben alkalmazható. 9.7. ábra. Egyszerű egyszeri etrakció sémája (a koncentrációk a komponensre viszonyítottak). 9..3.. Egyszerű egyszeri etrakció a) f=konst, b=konst. Írjuk fel az anyagmérleget a 9.7. ábrán feltüntetett vázlat szerint: M (9.8) M E R (9.9) Írjuk fel a célkomponens mérlegét: y0 M (9.0) M M M E y R (9.) Ha az oldószert tisztán tápláljuk be, akkor, mivel y 0 =0, fel lehet írni: - 207 -
Etrakció - 208 - M M (9.2) Innen kiszámítható a szolvens szükséglet: M M (9.3) bban az esetben, amikor az nem oldódik a szolvensbe, akkor kompozíciót könnyebb tömegarányba kifejezni, vagyis: m m, illetve y y m m y (9.4) igyelembe véve megoszlási hányadost és a folyadékarányt, az-az y=b, f=e/r, felírható: Ey R y (9.5) Mivel a raffinátum kevés tartalmaz, felírható R. Ugyanazt mondhatjuk az etraktumtól is, tehát: E. Tehát fel lehet írni: R és y Ey. ehelyettesítve a (9.5)-ös összefüggésbe, következik: y y y y (9.6) Ha az oldószer nem tartalmazza a célterméket és figyelembe vesszük a megoszlási hányadost, akkor felírható a raffinátum céltermék tartalma: p K f b R E b b b b y (9.7) Ismerve a raffinátum célkomponens tartalmát, kiszámítható az etrakció maradéka (vesztesége): 0 px p K K R R m R (9.8) z etrakció nyeredéke, pedig:
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban - 209 - q X K K K b f R b f R y E m E 0 (9.9) Összeadva, felírható: 0 0 0 0 0 ) ( X K K K X q p X qx px Y X m m E R (9.20) b) f= állandó, b= változó Ha a Nernst megoszlási hányados változó, akkor a raffinátum és etraktum fázisok egyensúlya a következő képen irható: ) ( vagy ) ( y y (9.2) Ha az komponens nem vegyül a szolvenssel, akkor felírható R. Írjuk fel a komponens mérleget arra az esetre, mikor a szolvens nem tartalmaz a célkomponensből: y E R 0 (9.22) f f f E R E y ) ( (9.23) Ha ábrázoljuk a (9.23)-as összefüggést az y- diagramban (lásd a 9.8. ábrát) az egyszeri etrakció a dőlésszögű egyenesnek felel meg. c) mikor úgy az f, mint a b változó, akkor a háromszögdiagramot alkalmazzuk. hhoz, hogy a számításokat elvégezhessük, először felírjuk a teljes anyagmérleget, majd a komponensek mérlegét. E R M M illetve (9.24a és b) M M M M 0 0 0 (9.25a) E E E R R R M M M y y y E R M (9.25b) 9.8. ábra. z egyszerű etrakció ábrázolása az y- diagramban.
Etrakció komponensek koncentrációjának meghatározására az etrakciót a háromszögdiagramon ábrázoljuk, felrajzolva az és figuratív pontokat, meghúzva az egyenest és ábrázolva rajta a miturának megfelelő M-pontot (a koordináta meghatározására az emelőszabályt alkalmazzuk, vagyis: M M lásd a 9.9. ábrát). Majd interpolációt alkalmazva meghúzzuk az M ponton átmenő konódát, melynek segítségével leolvassuk az R és az E pontok koordinátáit. könnyebb szerkesztés és olvasásért a Gibbs háromszög helyette javasolt a derékszögű háromszög alkalmazása. 9.9. ábra. Egyszeri egyszerű etrakció ábrázolása a háromszögdiagramban. 9..3.2. Többfokozatú etrakció Mint láttuk, az egyszeri etrakcióval kapott etraktum nem tartalmazza az egész célkomponenst. Épp ezért a keletkezett raffinátumot újra etrahálják. ttól függően, hogy hogyan oldjuk meg a kivonatást, beszélhetünk: - egyszeri, többször megismételt etrakcióról, amikor is az első lépés raffinátumát újra etrahálják tiszta szolvens alkalmazva, vagy - többfokozatú ellenáramú etrakcióról, mikor a tiszta szolvenst a legkevesebb célkomponenst tartalmazó raffinátummal kezelik és a leggazdagabb, belépő oldatot pedig már feltöltődött etraktummal. 9..3.2.. Egyszerű többször megismételt etrakció E módszer főleg kis mennyiségű céltermék kinyerésére alkalmazzák. Ha szakaszosan működik, akkor egyszerű többszöri etrakcióról beszélünk, mikor is a - 20 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban raffinátumot vonatjuk újra és újra. mikor folytonos üzemű, akkor egymás után kapcsolt berendezésekben a raffinátumot vetjük kivonatás alá. Ezért is nevezik keresztáramú etrakciónak. z etrakció folyamatábráját a 9.0. ábra mutatja be. Mint látható az egyes fokozatba betáplált oldat és szolvens az E -es etraktumot és az R -es raffinátumot eredményezi. keletkezett R raffinátumot a második fokozatba újra kivonatjuk tiszta szolvenssel, megkapva az E 2 etraktumot és az R 2 raffinátumot. raffinátumot újra, meg újra kivonatjuk, és a kapott etraktumokat egyesítjük. Összegezve a folyamatba bevisszük az oldatot, és az oldószert, és keletkezik az Rn raffinátum és az összes etraktum. a) mikor úgy f, mint b állandók, akkor felírhatjuk az első 9.0. ábra. keresztáramú etrakció sémája. fokozat maradékát: m R X 0 p X 0 (9.26) K m R második fokozat esetén: 2 2 X p X (9.27) K Mivel f =f 2 =f-el, K =K 2 =K és p =p 2 =p, fel lehet írni: 2 m R X 2 X 0 X 2 0 p X 0 (9.28) K K K K Ha az etrakciót n lépésben végezzük el, akkor fel lehet írni: R n X X p n 2 n n E i i m n 0 0 (9.29) i (9.30) E (9.3) K i b) mikor csak f állandó és b változó, akkor a használt oldószer mennyiségek állandók, vagyis felírható:... 2 n (9.32) alkalmazva az y () egyensúlyi görbe y- ábrázolását és tudva, hogy a (9.23.) egyenletnek megfelelő munkavonal hajlásszöge állandó, az 0 kiinduló és - 2 -
Etrakció f végső koncentrációk közötti egységek számát a 9..ábrának megfelelően kapjuk meg. 9.. ábra. z egységek számának meghatározása az y- diagramon 9.2. ábra. Többfokozatú keresztáramú etrakció háromszögdiagramban. c) Ha az oldószer mennyiségek se azonosak (harmadik eset f és b változók), akkor mindenegyes etrakciós munkavonalnak a hajlásszöge változó, ami arra vezet, hogy az általános háromszögdiagramot alkalmazzuk. Mint a 9.2. ábrán is látható, az oldathoz adagolt oldószer mennyiség az M mitúrát hozza létre. E mitúra összetevői az R raffinátum és az E etraktum. Miután szétválasztottuk az etraktumot és a raffinátumot, az R raffinátumhoz most egy újabb mennyiségű oldószert adagolunk, megkapva az M 2 mitúrát. z elválasztás után kapott R 2 raffinátumhoz, most újból szolvenst adagolunk, M 3 mitúrát kapva. Ezt szétválasztva megkapjuk az R 3 raffinátumot és az E 3 etraktumot. raffinátumot újból etraháljuk és az M 4 mitúrát kapjuk. z R 4 raffinátumból eltávolítva a szolvenst az R összetételű maradékot kapjuk. négy etraktum összekeverésével keletkezett E oldatból eltávolítva a szolvenst az E etraktumot kapjuk. 9..3.2.2.Többfokozatú ellenáramú etrakció többfokozatú ellenáramú etrakció esetén több egységet (keverő + elválasztó) kapcsolunk sorba és ellenáramban betápláljuk a célkomponenst tartalmazó oldatot () és a szolvenst (), mint ahogy a 9.3. ábrán látható. - 22 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban a). bban az esetben amikor úgy az f, mint a b állandó, fel lehet írni a fokozatok maradékát illetve veszteségét, vagyis: K Maradék: X n X 0 (9.33) n K n K Nyeredék: y X 0K (9.34) n K Ismerve a K értékét a (32) összefüggésből kiszámítható az n értéke is, azaz: K n X X 0 n 9.3. ábra. Többfokozatú ellenáramú etrakció sémája. X ln X K n mikor ismert az etrakció maradéka (X n ) és a fokozatszám (n), akkor grafikusan meghatározzuk a X 0 /Xn arányt, s utána kiszámítjuk a szükséges oldószer mennyiséget. b) bban az esetben amikor az f állandó és a b változó, akkor a megközelítő y- diagramot használjuk az elméleti egységek meghatározására. Először is megszerkesztjük az y- egyensúlyi görbét, majd a 0 n K ln K (9.35) 9.4. ábra. Többfokozatú ellenáramú etrakció egységeinek meghatározása y- diagramban. meghúzzuk a munkavonalat. Ismerve a belépő oldat célkomponens tartamát ( = 0 ) - 23 -
Etrakció és az etraktum tartamát (y ) na meg a raffinátum megengedett célkomponens tartamát ( n ) és a szolvens célkomponens tartamát (y n+ =0) lépcsőzéssel megrajzolható az egységek száma (lásd a 9.4 ábrát). munkavonal egyenletét a következő képen kapjuk: elírjuk az anyagmérleget a célkomponensre: E y E y R (9.36) n n n n Mivel f konst, R R R, (9.37) 0 i n R E E2... Ei... En E (9.38) el lehet írni: R yn n y y n 0 E E f f (9.39) c). Végül abban az esetben, amikor úgy az f mint a b változó, a háromszögdiagram grafikus módszerét alkalmazzuk. Mint, ahogy a 9.3. ábrán is látható az első egységbe adagoljuk a célkomponenst tartalmazó oldatot () és a második egység etraktumát (E 2 ). z egyes fokozatból kilépő raffinátumot (R ) tovább etraháljuk a 2. lépcsőben, míg az E etraktum, mely a leggazdagabb a célkomponensbe az a végtermék. következő fokozatba az R lép be és a kivonatást az E 3 végzi. Kilép innen az R 2 és az E 2. z utolsó egységbe belép az R n- raffinátum és a tiszta szolvens, és kilép az Rn raffinátum meg az En etraktum. technológiai folyamatban általában adott a feldolgozandó oldat (, ), a raffinátum céltermék tartalma ( n ) és a használt szolvens (y n+ =0). Meghatározandó a szükséges szolvens mennyiség és a fokozatok száma. Kiindulva a teljes anyagmérlegből fel lehet írni: M (9.40a és b) M R n E E két egyenletnek a diagramon két egyenes fele meg, az és RnE egyenesek. két egyenes metszéspontja az un. mitúra pont. Ha a szolvens nem tartalmaz célkomponenst, akkor az M pont koordinátáját a következő összefüggés írja le: 0 M M M (9.4) M - 24 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban Jól látható, hogy az M pont célkomponens koncentrációja ( M ) kisebb, mint a betáplált oldat koncentrációja ( ). z M pont a végső raffinátumot is összeköti a végső etraktummal. hhoz, hogy az M pontot meghatározzuk, szükség van az E pont koordinátájára. Ez a pont, nem csak a végtermék, hanem az első fokozat etraktuma is. Tehát meghatározása úgy lehetséges, ha megszerkesztjük az összes etrakció egységeket. Ezért figyelembe vesszük a folyamat azon tulajdonságát, hogy a keresztáramok különbsége bármely egységre ugyanaz, tehát állandó: E R E2... Rn konst. (9.42) Ez a különbségpont az un. szerkesztési pólus ahova összefút az összes munkavonal. Ez a pont nem vehető fel tetszőlegesen, azt meg kell szerkeszteni. szerkesztésre az ismert izotermát használjuk, amelyen nem csak a binóda van feltüntetve, hanem az összes ismert konóda is meg van rajzolva. póluspont szerkesztésére a következőképpen járunk el: - megrajzoljuk a háromszögdiagramban az izotermát, - ábrázoljuk a szolvensnek megfelelő pontot és a megengedett raffinátum összetételnek megfelelő R n pontot, - húzunk egy egyenest az -ből a R n -en keresztül, - meghosszabbítunk minden konódát addig, amíg metszi az R n egyenes 9.5. ábra. póluspont szerkesztése a háromszögdiagramban. meghosszabbítását, legkülső metszésponttól balra vesszük fel a póluspontot (lásd a 9.5. ábrát). Miután megkaptuk a póluspontot rátérhetünk az egységek grafikus meghatározására (kövesd a 9.6. ábrát). - 25 -
Etrakció z pontot összekötjük a pólusponttal és meghosszabbítjuk, míg metszi a binódát, meghatározva az E etraktum figuratív pontját. z E ponthoz tartozó konóda meghatározza az R raffinátum figuratív pontját. Most összekötjük az R 9.6. ábra. olytonos ellenáramú többfokozatú etrakció egységeinek meghatározása grafikus módszerrel. pontot a pólussal és meghosszabbítjuk, míg megkapjuk az E 2 pontot. z ennek megfelelő konódán megkapjuk az R 2 pontot, melyet összekötünk a pólussal. ddig folytatjuk a szerkesztést, míg el nem érjük, vagy túl nem haladjuk, az Rn pontot. Ismerve az E pontot, most összekötjük az E és Rn pontokat és az egyenesen, megkapjuk az M pontot. Leolvassuk az M pont célkomponens tartamát és ismerve a betáplált oldat tömegáramát és koncentrációját, kiszámítjuk a szükséges szolvens áramot: M (9.43) M 9..4. Etrakciós berendezések folyadék folyadék etrakció megvalósítására, mint láttuk, szükséges a jó keverés mellett a minél jobb szétválasztás. míg a két nem oldódó fázis keverésére több megoldást alkalmazunk, a szétválasztás általában a két fluidum sűrűségkülönbségére alapszik. Ha ez nem kielégítő, akkor a gravitációs szétválasztás helyett centrifugális szétválasztást alkalmazunk. gravitációs, sűrűség különbségen alapuló szétválasztás esetében a leginkább alkalmazott berendezés az ellenáramú oszlop. z oszlop alján a kisebb sűrűségű, a tetején a nagyobb sűrűségű folyadékot vezetik be. z oszlop tetején vezetik el a - 26 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban könnyebb fázist, és az aljáról csapolják le a nehezebb fázist. két folyadék közül az egyik a folytonos, oszlopot kitöltő folyadék, míg a másik a dizpergált, cseppek alakjában van szétoszolva. cseppek mérete és alakja nagyban befolyásolja az etrakciót. Ideális etrakciónál, az első lépésben, az emulzióképzésben, amikor a komponens kivonása történik, minél kisebb méretű és ezzel nagyobb felületű cseppek volnának a jók, a fázisok szétválasztásánál pedig, a nagyobb cseppek biztosítják az emulzió gyorsabb szétülepedését az un. koaleszcenciát. cseppek ülepedési sebességét a tokes összefüggéssel tudjuk megközelíteni: d c 2 2 us gdcs gdcs (9.44) 8 8 ahol C d c C, - a diszpergált illetve a folytonos folyadék sűrűsége,kg/m 3, C - a folytonos folyadék viszkozitása, Pas, d - a csepp átmérője, m. cseppek mozgásának a meghatározására Rybczinsky-Hadamard összefüggés használata ajánlott: 3 d 3 c u RH u, m/s 2 2 (9.45) d c Mivel a kiinduló oldat (+) tulajdonságai adottak a hatékonyabb kiválasztás fő feltétele az oldószer megfelelő kiválasztása. z oldószer kiválasztásában több szempontot is figyelembe kell venni, éspedig: - forráspont, - sűrűség, - a viszkozitás, - a felületi feszültség, - termikus stabilitás (hőállóság), - hozzáférhetőség és nem utolsó sorban - az ár. Olyan oldószert kel venni, amely a -t igen és az -t egyáltalán vagy csak nagyon kismértékben oldja. jó szétválasztás megköveteli a minél nagyobb sűrűségkülönbséget, kis viszkozitást és felületi feszültséget. z etraktum feldolgozása pedig minél kisebb forrpontot igényel. nagy felületi feszültség megkönnyítheti az emulziók szétválasztását, ellenben nehezíti a diszperzió elérését. Ugyanakkor, a nagy felületi feszültségű oldószer alkalmazásával nagyon megnövekedik az egységek száma, ami nagy befektetés és üzemköltséget eredményez (például a 20-szor nagyobb felületű feszültségű rendszerben az oszlop növekedése 2 szeres is lehet). - 27 -
Etrakció folyadék-folyadék etraktorok főbb típusai: - kolonna típusú etraktorok, - centrifugális etraktorok, - Graesser etraktorok - keverő-ülepítő etraktorok 9..4.. Etrakciós oszlopok z etrakcióban alkalmazott oszlopok több kivitelezési formája ismert, éspedig: - külső mechanikai energiát nem használó egyszerű oszlopok, - keverőszerkezetes oszlopok, - lengetett vagy köpülő oszlopok, - folyadéklüktetéses azaz pulzáló oszlopok. Külső energia bevezetés nélküli oszlopok konstrukció szempontjából elég egyszerűek, de ami a hatékonyságot illeti, azt mondhatjuk, hogy kevésbé hatékonyak. minél nagyobb felület elérésére a következő megoldásokat alkalmazzák: - permetezéses oszlop, - terelőlemezes oszlop, - szitatányéros oszlop, - töltelékes oszlop. permetező kolonna egy henger alakú, bevezető és kivezető csonkokkal ellátott oszlop, melynek egyik fő alkotórésze a cseppképző belső szerkezet, melynek segítségével a nehezebb folyadékot vagy a könnyebbet diszpergálják a folytonos közegbe. z oszlop nagy részét az emulzió tölti ki, az alsó és a felső részein található a két folyadék szétválasztására szolgáló tér. 9.7. ábrán az egyszerű permetező etraktorok két változatát láthatjuk. z egyikben (balfelőli) a könnyű fázis van diszpergálva a lefele haladó nehéz fázisban, a másikban a nehéz fázist permetezzük a felfele haladó könnyű fázisban. z első esetben a nehéz fázis sebességét úgy szabályozzuk, hogy ez ne tudja elragadni a könnyű fázis cseppjeit. két fázis közötti határvonalat (-vel jelölve az ábrákon) lehet szabályozni a C szelep nyitásával vagy zárásával. permetező kolonna egyszerűsége és olcsósága ellenére elég kis hatásfokkal dolgozik. Mivel a nagyátmérő esetén a folytonos fázis elég rosszul érintkezik a diszpergálttal, sokkal jobb hatásfokú a több párhuzamosan működő karcsú oszlop. - 28 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban 9.7. ábra. Permetező kolonna típusok folyadék áramlása: a- a könnyű folyadék a dizpergált fázis, b- a nehéz folyadék a dizpergált fázis. z üres kolonnákban fellépő bolyongó áramlás csökkentésére a kolonna belsejében terelőlemezeket lehet beszerelni. lemezek közötti távolság kb. 0,- 0,5 m. fázisok eloszlásának szabályozására az oszlopokba szitatányért is lehet beszerelni. Ezek működhetnek úgy túlfolyóval, mint túlfolyó nélkül. túlfolyós szitatányéros kolonnában a felfelé haladó könnyű folyadék újraosztása minden szitánál megtörténnek (lásd a 9.8. ábrát), így a felület újra felújul. Míg a túlfolyós szitatányér esetén a nehéz folyadék keresztáramlásban van a szitán, a túlfolyó nélküli tányérban a sziták között egy gomolygó áramlás alakul ki (9.8 b ábra). két folyadék felváltva áramlik át a lyukakon. kis felületi feszültségű elegyeknél a túlfolyó nélküli szitatányéros kolonnák sokkal hatékonyabbak, mint a túlfolyós szitatányérok. ok etrakciós folyamatnál jó eredményt nyújtanak a töltelékes oszlopok, főleg azok, amelyek strukturált tölteteket tartalmaznak. orgóelemes etrakciós oszlopoknál a keverés bevezetésével növeljük két fázis közötti érintkezés intenzitását, ami azt jelenti, hogy a folytonos fázis áramlási sebességének növelésével az anyagátadási tényezőt növeljük. legtöbb ilyen oszlop esetén a konstruktív megoldás egy központi oszlopra felszerelt keverők. - 29 -
Etrakció tengelyre, egymástól meghatározott távolságra korongok vagy más típusú keverők vannak beszerelve. keverők vagy a tányérok közötti térben vagy a merev statorlemezek által határolt un. kamrák közepén, fél távolságra helyezkednek el. legegyszerűbb forgólemezes készülék az RDC (rotating disc contactor), amelyben a forgótárcsák átmérője kisebb, mint a stator torló lemezeinek a szabad átmérője (lásd a 9.9. ábrát). folyadékáramlás szabályozására a kolonna alsó részén egy szintszabályzó van beállítva. 9.8. ábra. zitatányéros etrakciós kolonnák. 9.9. ábra. RDC oszlop. forgóelemes kolonnák nagyon sok változata ismert. Ilyen típusú például a 9.20. ábrán feltüntetett cheibel oszlop (b), Mico-oszlop (c), Kühni-oszlop (d), ED és RZE oszlopok. Ezen központi elhelyezkedésű keverők mellett találkozunk több oszloptípusnál az un. ecentrikus keverőkkel. Ilyenek például az RD típusú kolonnák, ahol a stator három részes, egy nagyobb és egy kisebb gallérszerű vízszintes sík lemez, melyek közül a kisebb gallér a forgótárcsával azonos síkban helyezkedik el. harmadik merev elem a kisebb ívű függőleges helyzetű lemez. forgóelemes kolonnák hátránya az, hogy a fluidum áramlása nem egyenletes, változik a tengelytől való távolsággal. Így nem egységes a keveredés és cseppek - 220 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban mozgása. Ennek kiküszöbölésére vezették be az aiális mozgást elősegítő lengető vagy a pulzációs mozgást. 9.2. ábra. Lengetett lemezes oszlop. 9.20. ábra. Rotációs etrakciós oszlopok. lengetett lemezes oszlopok egyik képviselője a Karr-féle kolonna (9.2 ábra), ahol függőleges rúdra szerelt azonos méretű perforált korongok (lyukátmérő 8-6 mm) az felső részen lévő ecentrikus hajtómű segítségével fel-le mozgást végeznek. z így keletkezett áramlás hatására a két fluidum keveredése intenzívebb és megoszlása is sokkal jobb, mint a korongos keverő esetében. Ugyan olyan hatást tudunk elérni a rögzített szitatányérral is ha az ellenáramban áramló fluidumokat le s fel mozgatjuk egy dugattyúval. Ezeket a típusú oszlopokat pulzált/lüktetéses oszlopoknak is nevezzük. z oszlop alján - 22 -
Etrakció lévő oldalszerelésű dugattyú lökettérfogata és mozgásának frekvenciája segítségével kialakított áramlás elősegíti a jobb keveredést. Természetesen, hogy a keveredés minőségében nagy szerepet játszik még a szitatányér is, hisz minden egységen újra meg újra osztódik a két folyadékfázis. pulzációs oszlopokat lehet töltettel is ellátni. Ilyen típusúak a strukturált töltettel felszerelt pulzációs oszlopok. Ezeknek a pulzált kolonnáknak egy hatékonyabb változata az un. PULEX etrakciós oszlop (lásd a 9.22. ábrát), amelynek tányérjai fűrészfogas merev és rezgőnyelves lemezekből vannak kialakítva. 9.22. ábra. PULEX etraktor: a) kapcsolási vázlat, b) fűrészfogas tányér, c) működési vázlat. - merev lemez,2- rezgőnyelv, 3- mozgást határoló pálca. - 222 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban z ellenáramban áramló folyadékok egyenletes áramlását megváltoztatják az oszlop aljára szerelt dugattyú segítségével. lemezek rezgése hatására a két fluidum közötti jobb keveredés intenzívebb anyagátadást biztosít. z ilyen típusú oszlopok hatékonysága megközelíti, sőt sokszor túlhaladja a centrifugális etraktorokat. 9..4.2. Centrifugális etraktorok centrifugális etraktor lehet vízszintes tengelyű vagy függőleges tengelyű. Ilyen például az antibiotikumok szétválasztására szolgáló PODIELNIK etraktor. Itt, a vízszintes forgó tengelyen több helyen lyukasztott spirálisan tekercselt forgólemezek segítségével kialakított csigavonaljáratban, ellenáramban áramló közegek közt lép fel az anyagátadás. z újabb etrakciós készülékek esetében a spirálisan tekercselt lemezek helyett koncentrikus gyűrűket alkalmaznak. gyűrűpalástokon 80 o ként -3 mm átmérőjű furatok vannak. z egymásután következő gyűrűkön a nyílások 90 o -al vannak egymáshoz képest elforgatva. Úgy a nehéz, mint a könnyű folyadék tömszelencén keresztül tengelyközpontosan hatol be a készülékbe (lásd a 9.23. ábrát). 9.23. ábra. PODIELNIK centrifugális etraktor 9.24. ábra. LURGI típusú keverőülepítő etraktor. - 223 -
Etrakció míg a nehéz folyadék a tengelyhez közel lép be, addig a könnyű folyadék a forgó rész külső szélére van vezetve. centrifugális erő hatására a nehezebb folyadék radiálisan kifele halad, kiszorítva a könnyű folyadékot, mely kénytelen vele ellenáramba a tengely felé áramolni. folyadék egyik hengerből a másikba való áramlását a paláston lévő nyílások biztosítják. mint a nehéz folyadék átjut a nyíláson, a túlsó oldalon egy cseppet képez, amely az összefüggő könnyű réteggel egy diszpergált fázist képez. cseppek majd radiálisan haladnak mindaddig be nem olvadnak a következő gyűrűn fel nem torlódott folytonos nehéz fázisban. Innen ismét a nyílásokon áthaladva cseppeket alkotnak, majd emulziót és ismét összegyűlnek a feltorlódott nehéz folyadékban. Ugyanez a folyamat játszódik le az ellenkező irányban áramló könnyű folyadékkal is, mely a nyílásokon áthaladva cseppet, majd emulziót képez és, végül, a következő gyűrűn feltorlódik. z anyagátadási folyamat a csepp felületén játszódik le. 9..4.3. orgódobos etraktor forgódobos etraktor egy lassan forgó vízszintes tengelyre szerelt tárcsákat tartalmaz. tárcsák külső peremén pedig őket összekötő serlegek /kanalak /kupák vannak felszerelve. Ezek e kupák (lásd a 9.25. ábrát) az alsó résből felhordják a nehéz folyadékot és diszpergálják a könnyebb folyadékba. 9.25. ábra. orgódobos kupás etraktor keresztmetszete és vázlata. 9.2. zilárd-folyadék etrakció (- etrakció) szilárd-folyadék etrakció nagyon sok iparágban elterjedt művelet. Gondoljunk csak az élelmiszeriparra, ahol a cukorgyártásban vízzel vonatolyuk ki a répaszeletből a cukrot, az étolajgyártásra, amikor is különböző benzinnel vonjuk - 224 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban ki az olajat a napraforgó, szója vagy kukorica magból. Ugyancsak etrakcióval kapunk sok élelmiszeripari aromát, köztük a jól ismert feketét és a teát. Hasonló műveletet alkalmazunk a cserzőanyagok kivonásra is (gondoljunk csak a tanninok kivonására az őrölt fakérgekből) és a jól ismert erősitalok nemesítése is etrakción alapszik (gondoljunk csak a pálinka, a wisky hordóban történő öregbítésére és az aromás vodka előállítására). zilárd folyadék etrakción alapszik nagyon sok gyógyszeripari hatóanyag kinyerése és nem utolsó sorban néhány szennyező komponens eltávolítása környezetre veszélyes hulladékokból. hhoz, hogy minél nagyobb mennyiségű hasznos anyagot tudjunk kivonni a szilárd közegből, azt először előkészítjük őrléssel, szeleteléssel vagy aprítással. z előkészítés folyamatát úgy kell megválasztani, hogy e közben minél kevesebb hasznos anyagveszteséget idézzünk elő. Tehát, ha nővényi vagy állati eredetű alapanyagot dolgozunk fel, akkor az előkészítéskor ügyelünk arra, hogy a komponenst magába foglaló sejtek minél kevesebb sérülést szenvedjenek. kivonás hatásfokát nem csak a nagyfelület, hanem az oldószer minősége és annak hőmérséklete is befolyásolja. Épp azért az oldószer kiválasztásnak fontos szerepe van. kiválasztáskor figyelembe kell venni a következőket: - forráspontja ne legyen túl nagy, de túl kicsi se, - könnyen elpárologtató képességű legyen, - legyen minél kisebb gőznyomása a műveleti hőmérsékleten, - sűrűsége és viszkozitása ne legyen nagy, - jó behatoló képessége kell legyen, - az etraktumra ne hasson károsan, - minél jobb hőállósága legyen, - ne legyen korróziót okozó, - ne legyen veszélyes a környezetre és az egészségre, - ne legyen magas párolgáshője és fajhője, - minél kevesebb robbanás és gyulás veszélyt hordozzon magában, - legyen olcsó és, - ha lehet, biológiailag lebontható. Természetesen ideális s főleg univerzális oldószer nincs. Ellenben az elvárt tulajdonságokat sokszor elérhetjük vagy megközelizhetjük oldószer keverékekkel vagy szuperkritikus gázokkal. Iparilag nagyon sok oldószer van forgalomban. Ha kizárjuk a tiltott klór és fluor oldószereket, akkor is még egy égész könyvtárra való lista marad. leginkább alkalmazottak közül kiemelkedő szerepük van a víznek, acetonnak, benzolnak, etilalkoholnak, heánnak, heptánnak, széndiszulfidnak, etiléternek, toluolnak stb. - 225 -
Etrakció 9.2.. z etrakciós egységek meghatározása z etrakció megtervezésére ugyanúgy, mint a folyadék-folyadék etrakció esetén itt is a háromkomponensű diagramokat alkalmazhatjuk. folyadékfolyadék diagramoktól annyiban különböznek, hogy itt nem beszélhetünk az igazi egyensúlyi görbéről, hisz a kioldás majdnem tökéletesen véghezvihető. Itt az egyensúly csak akkor áll be, amikor a kapillárisban lévő oldat koncentrációja ugyanakkora, mint a szabad oldaté. Mivel a szilárd anyag kapillárisaiban mindig találunk kioldatlan hasznos komponenst, így csak az un. visszatartási görbe határozható meg. szilárd folyadék etrakció esetében is a komponenst vonjuk ki az + közegből az szolvenssel. K elegyhez adagolt oldószer M pontnak megfelelő elegyet eredményez (lásd a 9.26. ábrát). Ezen elegy összetevői az E etraktum és az R raffinátum (retenciós fázis), melyek az - ból húzott E egyenesen vannak. z etraktum és a raffinátum koncentrációja a hőmérséklet függvényében változik. Általában a hőmérséklet emelkedésével az 9.26. ábra. zilárd-folyadék etrakció ábrázolása háromszögdiagramban. oldószer kioldó képessége nagyobb, épp ezért a szilárd folyadék etrakciónál a hőmérséklet emelés kedvező hatása van. Igaz, hogy a hőmérséklet felső határa a kioldandó anyag és az oldószer hőállóságától függ. minél hatékonyabb kivonás sokszor megköveteli a több fokozat bevezetését. Itt is, akárcsak a folyadék-folyadék etrakció esetés, a több fokozat bevezetése megoldható úgy keresztáramban, mint ellenáramban. keresztáramú etrakció esetén a kapott raffinátumot mindég friss oldószerrel kezeljük. z ellenáramú etrakció esetén a kioldandó anyagot tartalmazó a friss szilárd anyag mindég majdnem telitett oldószerrel van kezelve, míg a kimerült szilárd közeg mindég friss koncentrált szolvenssel érintkezik. többfokozatú egyenáramú rendszer esetén a kezdeti koncentrációjú K pontnak megfelelő anyagot az első etrakciós lépésben tiszta oldószerrel hozzák - 226 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban érintkezésbe (lásd a 9.27. ábrát). z M keverékpont, mely az K egyenesen van a két termék keveréke, éspedig az R raffinátumé és az E etraktumé. Miután szétválasztottuk a raffinátumot és az etraktumot, a raffinátumot újból friss oldószerrel kezeljük (a diagramon a R egyenes felel meg). z új M 2 keverék az R 2 raffinátumból és az E 2 etraktumból tevődik össze. szétválasztás után kapott R 2 raffinátumot újból kezeljük a tiszta szolvenssel (R 2 egyenes). keletkezett M 3 keverék az R 3 raffinátumot és az E 3 etraktumot eredményezi. z n-dik fokozat után ( a 9.27 ábrán a 3 fokozat) az R n nek megfelelő oldószermentes raffinátum komponens tartama megfelel 27. ábra. zilárd-folyadék keresztáramú etrakció ábrázolása. - 227 - ' az Rn pontnak. w végső koncentráció függvényében meg lehet határozni a szükséges lépések/lépcsök számát. többfokozatú ellenáramú eljárás alkalmazáskor az előkészített szilárd anyag először magas koncentrációjú oldószerrel kezeljük. zután áramlása közben mindinkább nagyobb oldószer koncentrációjú folyadékkal kerül szembe. szükséges egységek meghatározására először is megrajzoljuk a hármas diagramot, ábrázolva az, és az komponensek mellett a kiinduló keveréket (K), a végső oldószermentes raffinátumot ( R ) és természetesen a leggazdagabb terméket, az etraktumot (E ) ' n (lásd a 9.28. ábrát). Összekötjük a K és az E pontokat majd meghosszabbítjuk addig, amíg metszi ' az -ből kiinduló és az Rn áthaladó egyenest. Így megkapjuk a pólust. Most az E pontot összekötjük az -val, megkapva a visszatartási görbén az első raffinátum pontot (R ). pólusból az R ponton keresztül húzunk egy egyenest megkapva a második etraktumnak megfelelő pontot, az E 2 -t. z E 2 összekötjük az -val, megkapva az R 2 raffinátum pontot. szerkesztést mindaddig folytatjuk, míg el
Etrakció ' nem érjük, vagy túl nem haladjuk, az Rn pontot. pólusból húzott egyenesek száma meghatározza a oldalon az Ei etraktumokat és egyúttal a lépések/lépcsők számát. 9.28. ábra. z ellenáramú többfokozatú szilárd-folyadék etrakció elválasztó fokozatainak grafikus meghatározása [onyó-ábry]. z anyagmérleget és az energiamérleget ugyanúgy határozzuk meg, mint a folyadék- folyadék etrakció esetén. Tehát felírjuk a teljes mérlegegyenletet és azután a komponens mérleget. Ismerve a lépcsők kompozícióját meg lehet határozni az azoknak megfelelő anyagáramokat is. 9.2.2. zilárd-folyadék etrakciós készülékek és berendezések szilárd-folyadék etrakciónak sok laboratóriumi és ipari alkalmazása van. laboratóriumba a legismertebb a ohlet berendezés (lásd a 9.29. ábrát) mely többszőri szakaszos eljárás alkalmazása, ahol mindég a kivonatást tiszta oldattal / kondenzátummal végezzük. kivonandó komponenst tartalmazó szilárd zúzottvagdalt vagy őrölt terméket egy annak folyadékáteresztő képességű anyagból készített henger alakú gyűszűbe helyezzük. Miután lemértük, a ohlet etraktorba helyezzük, melynek főbb összetevői a túlfolyóval ellátott etrakciós üvegcső, a csiszolattal ellátott gömblombik és az ugyancsak csiszolattal ellátott hűtő. lombikba töltjük a szolvenst és az egész készüléket vagy egy vízfürdőbe, vagy ha a szolvens gőzök kevésbé gyúlékonyak, akkor villanymelegítésű fészekbe helyezzük. hűtővíz megengedése után bekapcsoljuk a fűtést és megkezdjük a melegítést. lombikba keletkezett gőzöket kondenzáljuk, ezek a kivonandó anyagra csepegve - 228 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban megkezdik az etrakciót. Miután az etraktorba összegyűlt annyi folyadék, hogy túllépi a szintkülönbséget, akkor ez automatikusan lefolyik a lombikba és megkezdődik a második kivonási fázis. Mivel csak a szolvens gőzei kerülnek a hűtőbe, a kivont komponens nem, minden egyes alkalomkor friss szolvenssel végezzük az etrakciót. kivont anyag mennyiségét meghatározhatjuk vagy a végső oldatban lévő szolvens teljes elpárologtatásával, vagy a szilárd anyagot megszárítjuk és bemérjük. 9.29. ábra. ohlet berendezés. 9.30. ábra. zakaszos etrakciós berendezés. [onyó-ábry]. 9.2.2.. zakaszos üzemű etrakciós berendezések Ipari alkalmazásban a legegyszerűbb etrakciós berendezés az un. szakaszos etraktor (9.30. ábra). Ez is, akár a ohlet laboratóriumi berendezés három fő edényt tartalmaz, éspedig az etraktort (), a lepárlóüstöt (2) és a hűtőkondenzátort (3). feldolgozandó anyagot (szeletelt, zúzott vagy őrölt szilárd anyag) behelyezik az etraktorba és lezárják a készüléket. Majd tiszta oldószert adnak a töltethez és - 229 -
Etrakció hagyják egy bizonyos ideig. zután leengedik az oldatot a lepárló üstbe és rákapcsolják a gőzt. Miután kipárolták a gőzt az üstbe, marad a kivont termék, míg a gőzök a kondenzáló edénybe kerülnek. Itt az edény alján összegyűl a tiszta oldat, melyet újból használhatunk csakúgy, mint a ohlet készülék esetén. tiszta oldószert annyiszor folytatjuk át az etraktor töltetén, amíg a megszabott, vagy előirt terméket ki nem vonunk. Miután elvégeztük a kivonatást, az etraktorba maradt szolvenst kihajtjuk forró gőzök segítségével (bezárjuk a 7 csapot és megnyitjuk a 6). szilárd maradék kiürítésével befejeződött egy etrakciós folyamat. z ilyen szakaszos módszer elég sok időt vesz igénybe, nagy a szolvens szükséglete és a berendezés térfogata is elég nagy, ami növeli az energiaigényt is. Épp ezért sokkal tanácsosabb a sorba kapcsolt telepek használata, amikor az egyszeri etraktor térfogata jóval kisebb lehet és a szolvens szükséglet is csökkenthető. 9.3. ábra. orba kapcsolt 4 testes etraktor két különböző üzemállapotban: a- IV testet ürítik, b- I testen a sor [onyó-ábry]. hhoz, hogy a több etraktort tartalmazó berendezés folytonosan termelje a terméket, az etraktorok száma nagyon nagy kell hogy legyen. Ez azonban nagyon költséges lenne, épp ezért a úgy dolgoznak hogy a kivonat anyagárama legyen konstans és a raffinátum szakaszos. Több etraktor sorba kapcsolásával, megoldható, hogy a friss oldószer mindég a legkisebb koncentrációjú szilárdanyagra legyen adagolva és a legtöményebb, pedig a friss töltetre. 9.3. ábrán, a sorba kapcsolt négytestes etraktor vázlata van feltüntetve. - 230 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban Mint látható, a balfelőli esetben az első három test működik, a negyediket ürítik, míg a jobb felőliben, az első van kirekesztve, és a 2-4 működik. friss oldószer az I, legrégibb behelyezett töltetere van rátöltve. Miután innen kivonta a hasznos komponenst, lefolyt szolvenst a II etraktorba engedik, majd innen a hármasba, míg végül a legtöményebbet a lepárlóedénybe. Innen a lepárlás után kapjuk a terméket és a gőzalakban visszavezetett szolvenst. Energiatakarékosságból (szivattyúk kiküszöbölése céljából) általában az etraktorok úgy vannak felszerelve, hogy a folyadék egyikből a másikba folyhasson. 9.2.2.2. olytonos üzemű szilárd folyadék etrakció folytonos üzemű etrakció esetében, mind a szilárd, mind a folyadék fázis folytonosan van adagolva és elvonva a berendezésből. Ez megköveteli, hogy a berendezésben úgy a folyadék, mint a szilárd fázis valamilyen módön áramoljon. Míg a folyadék áramlást nyomáskülönbséggel (gravitációval szivattyúval) meg lehet könnyen oldani, addig a szilárd anyag mozgatására többféle szállító berendezést alkalmazunk, kezdve a forgó korong, csiga-, szalag és egész a kupás szállítókig. z egyik ilyen körforgású olajipari etraktor a ROTOCELL típusú. Mint a 9.32. ábrán is látható az etrakció több cellában valósul meg, amelyet különböző töménységű oldattal permeteznek. 9.32. ábra. ROTOCELL folytonos szilárd folyadék etraktor [onyó-ábry]. - 23 -
Etrakció kör alakú forgórész szitalemezből készült billenő cellái tartalmazzák a kivonandó szilárd anyagot. cellák alatt vannak az álló tartályok. Innen permetezik a szivattyúk segítségével recirkulált szolvenssel a cellákban lévő anyagot. Majdnem egy teljes fordulat után lejátszódó etrahálás után a szabad nem öntözött zónában a cellák tartalmát kiürítik és elvégzik az újra töltést is. rendszer ellenáramú. z oldószerveszteség elkerülése céljából az egész rendszer zárt. z etrakciós berendezések egy másik változata az un. HILDERND U alakú olajipari etraktor (lásd a 9.33. ábrát). Itt a szilárad anyag szállítására csigaszállítót használnak. perforált lemezből készült szállító csigák segítségével mozgatott szilárd anyag balfelőli beadagolási helyétől a jobb szárban lévő csonkon hagyja el az etraktort. hhoz, hogy a etrahálás minél hatékonyabb legyen a vízszintes csőrészben nagyobb a tartózkodási idő, amit a különböző csigafordulatszámmal lehet elérni. z ellenáramban lévő szolvenst az U etraktor bal felén vonják ki a lemezes szűrő segítségével. Ennek réseinek tisztítását a szállító csiga végzi. 9.33. ábra. U alakú HILDERND etraktor [onyó-ábry]. Nagyon sok iparágban használják nagy sikerrel a szállítószalagos etraktort. Egy ilyet mutat be a 9.34. ábra. z előkészített anyagot a rekeszes adagoló (2) - 232 -
Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban 9.34. ábra. De-met szitaszalagos szállítós folytonos etraktor: - szilárd anyag áram bevezetése, 2- forgórekeszes adagoló, 3- tároló bunker, 4- zártház, 5- adagoló-szabályzó, 6- etrahálandó réteg, 7- szalagszállító, 8- kiadagoló, 9- raffinátum áram, 0- bevezetett friss oldószer,,2,8 permetező, 3 - gyűjtőteknő, 4, 7- szivattyú, 5-szelep, 6- szalagmosó permetezőrózsa, 9 etraktum [onyó-ábry]. segítségével vezetik be a tároló (3) felső részébe. Innen gravitáció hatására áramlik a szalagra. hhoz, hogy egyenletes rétegvastagságot érjenek el az anyagáramlását szabályozzák az (5) adagolószerkezet segítségével. szitaszállítón (7) haladó egyenletesen adagolt réteg (6) a kiadagoló szerkezeten hagyja el az etraktort. bevezetett friss oldószerrel permetezik a legkisebb koncentrációjú réteget. teknőkben (3) összegyűjtött oldatokat a (4) szivattyúk segítségével újra a (2) permetezőkön keresztül szilárdrétegre permetezik. z ellenáramból haladó folyadékot elvonják, mint etraktum. szalag mosását a 6 permetező rózsa segítségével végzik, míg az összegyűlt folyadékot a (7) szivattyúval újra a szilárdanyagra viszik. z elevátor szállító alkalmazását az olajipari OLLMN típusú etraktornál találjuk (lásd a 9.35. ábrát). Ez egy függőleges házban elhelyezett elevátor, melynek serlegei lyukasztott lemezből készültek. serlegek mindég vízszintes helyzetben vannak, eltekintve a felső billenő pillanattól (lásd a 9.36. ábrát.) - 233 -
Etrakció szállító egyik ágában (balfelőli lásd a 9.35. ábrát) a serlegek és a folyadék ellenáramban vannak, míg a másikban, egyenáramban van a kivonatás. 9.35. ábra. z olajipari OLLMN etraktor [onyó-ábry]. z ellenáramban keletkezett etraktumot adagolják a frissen betáplált szilárdanyagra. z egyenáramban keletkezett etraktum pedig a végtermék, amelyet elvezetnek az etraktorból. Más iparágakban, mint például a cukor vízzel való kivonása, több féle megoldással találkozunk. Ilyen etraktor típus az un. DD etraktor. Ez egy dőltkádas ikercsigás etraktor (lásd a 9.37. ábrát) ahol a két - 234 -