Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej. Ekstrakcja i ługowanie

Transkrypt

1 kstrakcja i ługowanie Proces ekstrakcji polega na przechodzeniu jednego lub więcej składników z roztworu (lub ciała stałego) do drugiej fazy ciekłej, czyli rozpuszczalnika. W zależności od stanu skupienia substancji biorących udział w procesie rozróżnia się ekstrakcję w układzie ciecz - ciecz, gdy obie fazy są cieczami oraz w układzie ciało stałe - ciecz, gdy jedną z faz stanowi ciało stałe. W technologii żywności najczęściej mamy do czynienia z ekstrakcją w układzie ciało stałe - ciecz. kstrakcją w układzie ciało stałe - ciecz nazywamy selektywne wymywanie jednego lub kilku składników z wieloskładnikowego ciała stałego. Jako rozpuszczalnik stosuje się ciecz - ekstrahent, w której dobrze rozpuszcza się składnik wymywany, a źle pozostałe składniki ciała stałego. kstrakcję w układzie ciało stałe - ciecz z zastosowaniem wody jako rozpuszczalnika nazywamy ługowaniem. ubstancja ekstrahowana z porowatego ciała stałego może znajdować się w nim w postaci roztworu wypełniającego pory ziaren lub przestrzenie międzyziarnowe, albo w postaci rozpuszczalnego ciała stałego. W pierwszym przypadku przechodzenie substancji związane jest z dyfuzją rozpuszczonej substancji z porowatej przestrzeni szkieletu inertnego do rozpuszczalnika. W drugim przypadku dyfuzja musi być poprzedzona rozpuszczeniem substancji wymywanej. Tak więc rozpuszczanie może być jednym z etapów procesu ekstrakcji. posoby wzajemnego oddziaływania faz Przebieg procesu ekstrakcji uzależniony jest od różnicy stężeń między stężeniem roztworu w porach i stężeniem w głównej masie cieczy. Z punktu widzenia kinetyki procesu najkorzystniejsza sytuacja występuje wtedy, gdy stężenie w głównej masie cieczy jest równe zeru, ale ze względów technologicznych taka sytuacja jest jednak nieuzasadniona, gdyż celem procesów przemysłowych jest otrzymanie roztworu o jak największym stężeniu. Zwykle ekstrahent w wyniku kontaktu z ciałem stałym zwiększa swoje stężenie w sposób ciągły, a w związku z tym również stężenie na powierzchni ciała porowatego ulega ciągłym zmianom. posób realizacji procesu zależy od wzajemnego oddziaływania faz. Warunki równowagi W wyniku zmieszania rozpuszczalnika z odpowiednio rozdrobnionym ciałem stałym następuje przechodzenie substancji wymywanej z fazy stałej do ciekłej. Proces trwa aż do ustalenia się równowagi między fazami. Po osiągnięciu równowagi otrzymuje się dwuskładnikowy ekstrakt, czyli roztwór wymytego składnika w rozpuszczalniku oraz pozostałość - tzn. rafinat. W przypadku, gdy aktualne jest prawo podziału równowagę ekstrakcyjną ilustruje na wykresie y-x linia prosta - rys.. Wykres sporządza się w układzie współrzędnych prostokątnych odkładając na osi rzędnych stężenia substancji w ekstrakcie (y), a na osi odciętych - stężenia w rafinacie (x). L. Zander /

2 y tężenie rozdzielanego składnika w ekstrakcie t = const y = k x tężenie rozdzielanego składnika w rafinacie x ys. Wykres równowagi ekstrakcyjnej w układzie współrzędnych x-y W odniesieniu do ekstrakcji ciało stałe-ciecz wykres przedstawiony na rys.. rzadko może być stosowany. W takich przypadkach wygodniej jest posługiwać się wykresami trójkątnymi (patrz eguły wykresu trójkątnego ). W procesie ekstrakcji typu ciało stałe-ciecz uczestniczą trzy substancje: - substancja obojętna tzw. inert (A), stanowiąca szkielet ciała stałego i będąca nośnikiem substancji ekstrahowanej (B); - substancja aktywna (B substancja ekrahowana), przechodząca z fazy stałej do cieczy; - rozpuszczalnik (rozpuszczalnik wtórny - (). ównowaga między ekstraktem i rafinatem w procesie ekstrakcji typu ciało stałe-ciecz charakteryzuje się tym, że roztwór odbierany jako ekstrakt ma takie samo stężenie, jak faza ciekła pozostała w rafinacie. Warunki równowagi występujące w tej sytuacji ilustruje rys.. a. UBT. KTAHOWANA B b. UBT. KTAHOWANA B F A INT D OZPUZZALNIK A INT D OZPUZZALNIK ys.. ównowaga w procesie ekstrakcji typu ciało stałe-ciecz: a. ługowanie substancji ciekłej, b. wymywanie ciała stałego o ograniczonej rozpuszczalności w cieczy L. Zander /

3 Proces polega na ekstrahowaniu rozpuszczalnikiem składnika B zawartego wraz z inertnym składnikiem A w fazie stałej. Otrzymany ekstrakt jest roztworem dwuskładnikowym substancji B w rozpuszczalniku. kłady ekstraktów przedstawiają punkty leżące na boku B trójkąta. Drugą fazę otrzymywaną po procesie ekstrakcji stanowi trójskładnikowy rafinat będący porowatym układem nośnika (inertu) A zawierającego w porach roztwór B w o tym samym składzie, co ekstrakt. kład fazy rafinatowej przedstawia linia D. Promienie wychodzące z punktu A pełnią rolę cięciw równowagi. Pod pojęciem cięciwy równowagi rozumie się linię prostą łączącą punkty reprezentujące składy rafinatu i ekstraktu pozostające w stanie równowagi. W przypadku, gdy substancja ekstrahowana B jest ciałem stałym występuje granica rozpuszczalności substancji B w cieczy. Wówczas roboczy obszar wykresu określa położenie linii AF - rys. b. Punkt F oznacza skład roztworu nasyconego substancji B w rozpuszczalniku. Przebieg krzywej równowagi D zależy od porowatości inertu A i wyznacza się go doświadczalnie. W praktyce bardzo często udział inertu A w rafinacie jest w przybliżeniu stały i linia D przebiega równolegle do boku B. kstrakcja jednostopniowa Prosty proces ekstrakcji jednostopniowej polega na zmieszaniu surówki z rozpuszczalnikiem. Po osiągnięciu równowagi następuje rozdzielenie mieszaniny na ekstrakt i rafinat. chemat procesu pokazano na rys. 3. ys. 3. chemat prostego, jednostopniowego procesu ekstrakcyjnego: surowiec, rozpuszczalnik, ekstrakt, - rafinat Ogólny bilans masowy procesu przedstawia równanie + = + () gdzie: masa surówki, masa rozpuszczalnika, masa ekstraktu, masa rafinatu. Jednocześnie równanie bilansu materiałowego składnika ekstrahowanego (B) można zapisać w postaci: L. Zander 3/

4 x + y0 = y + x () gdzie: x stężenie składnika B w surówce, ułamek mas., y 0 stężenie składnika B w rozpuszczalniku, ułamek mas., y stężenie składnika B w rozpuszczalniku, ułamek mas., x stężenie składnika B w rozpuszczalniku, ułamek mas. Jeżeli stosujemy czysty rozpuszczalnik (niezawierający składnika B), wówczas y 0 = 0. Przebieg procesu prostego ługowania jednostopniowego, prowadzony z wykorzystaniem czystego rozpuszczalnika można interpretować za pomocą wykresu trójkątnego rys. 4. B UBT. KTAHOWANA M A INT OZPUZZALNIK ys. 4. Bilans masowy ługowania jednostopniowego na wykresie trójkątnym Zakładając, że surówka ekstrakcyjna zawiera dwa składniki tzn. substancję obojętną (nośnik, inert) A oraz substancję ekstrahowaną B na boku trójkąta AB znajdujemy punkt, odpowiadający składowi surówki. Jeżeli surówka jest trójskładnikowa, to punkt leży wewnątrz trójkąta. Po zmieszaniu surówki z rozpuszczalnikiem powstaje mieszanina, której skład charakteryzowany jest punktem M leżącym na prostej. Położenie punktu M znajduje się korzystając z reguły dźwigni: M = M (3) W dalszym etapie procesu mieszanina M ulega rozdzieleniu na ekstrakt i rafinat pozostające w stanie równowagi fizykochemicznej, a wobec tego ich składy będą charakteryzowane punktami leżącymi na przeciwległych końcach cięciwy równowagi. Zgodnie z regułą linii prostej, punkty M,, leżą na jednej prostej wychodzącej z wierzchołka A. Masy ekstraktu i rafinatu wynikają z bilansu masy (równ..) i jednocześnie mogą być określone z wykorzystaniem reguł linii prostej i dźwigni: M = M (4) L. Zander 4/

5 W procesie ługowania proces wymywania składnika B może trwać tylko do momentu ustalenia stanu równowagi. W tym stanie skład roztworu zawartego między ziarnami ciała stałego jest identyczny ze składem roztworu odbieranego jako ekstrakt. Dlatego równowagowe składy ekstraktu i rafinatu zawsze znajdujemy na promieniach wybiegających z wierzchołka A. kstrakt jest dwuskładnikowy i jego stężenie znajdujemy na boku trójkąta B, zaś pozostałość poekstrakcyjna (rafinat) oprócz roztworu B + zawiera składnik interny A. kład rafinatu określa punkt leżący na przecięciu promienia A z linią równowagi. kstrakcja wielostopniowa w prądzie skrzyżowanym (tzw. współprądowa) Prosta ekstrakcja jednostopniowa daje zazwyczaj stosunkowo niski stopień wyługowania. Jeżeli celem jest jak najlepsze wymycie składnika B z surówki, proces można wielokrotnie powtórzyć. Otrzymany rafinat miesza się z nową porcją rozpuszczalnika, otrzymując ekstrakt oraz drugi rafinat. Powtarzając te czynności wielokrotnie można otrzymać dowolnie czysty rafinat oraz szereg coraz słabszych ekstraktów. Proces ten, zwany procesem ekstrakcji wielostopniowej schematycznie, przedstawiono na rys ys. 5. Zasada procesu ekstrakcji trójstopniowej w prądzie skrzyżowanym Ilustrację procesu dwustopniowego z wyraźnym wyodrębnieniem etapów zmieszania i rozdzielania faz przedstawia rys. 6. ys. 6. chemat procesu ekstrakcji dwustopniowej tzw. współprądowej Z analizy procesu wynika, że najkorzystniejsze wyniki daje ekstrakcja prowadzona z użyciem tej samej ilości rozpuszczalnika we wszystkich stopniach. Przebieg zmian stężenia ekstraktu i rafinatu w poszczególnych stopniach można zilustrować na wykresie trójkątnym - rys. 7. Oznaczenia na wykresie (rys. 7) odpowiadają schematowi procesu pokazanego na rys. 6. L. Zander 5/

6 UBT. KTAHOWANA B M M I A NT OZPUZZALNIK ys. 7. Ługowanie dwustopniowe na wykresie trójkątnym Obliczenia procesów ekstrakcji współprądowej (ługowania wielostopniowego) na wykresie trójkątnym prowadzi się analogicznie, jak w przypadku ekstrakcji prostej. Polegają one na wielokrotnym powtarzaniu konstrukcji omówionej wyżej. Zmieszanie surówki z rozpuszczalnikiem daje mieszaninę M. Położenie punktu M znajduje się zgodnie z regułami dźwigni i linii prostej. ięciwa równowagi przechodząca przez ten punkt pozwala określić składy ekstraktu i rafinatu. eguła dźwigni pozwala obliczyć ilości tych produktów. Następnie mieszając znaną ilość rafinatu z nową, taką samą porcją rozpuszczalnika wyznacza się punkt zmieszania M, a następnie znajduje składy ekstraktu i rafinatu itd. aż do osiągnięcia rafinatu n o żądanej czystości. Metoda ta pozwala wyznaczyć liczbę n stopni ekstrakcyjnych w procesie współprądowym przy zadanym stopniu wyługowania rafinatu. Należy zwrócić uwagę, że w przedstawionym procesie otrzymuje się coraz słabsze ekstrakty punkty, itd. leżą coraz bliżej wierzchołka A. Jednocześnie rafinaty z kolejnych stopni odznaczają się coraz niższą zawartością składnika wymywanego B - punkty, itd. leżą coraz bliżej boku A. kstrakcja wielostopniowa przeciwprądowa kstrakcja wielostopniowa współprądowa daje wysoki stopień wyługowania rafinatu, ale stężenie wymywanych składników w kolejnych partiach ekstraktu jest coraz niższe. tanowi to poważne utrudnienie w przypadku, gdy pożądane jest jak najlepsze wyekstrahowanie substancji przy możliwie niskim zużyciu rozpuszczalnika. Niedogodności tych można uniknąć przez zastosowanie procesu przeciwprądowego, w którym czysty rozpuszczalnik kontaktuje się z maksymalnie wyrugowanym rafinatem w ostatnim stopniu. We wszystkich stopniach poprzedzających ostatni rafinat kontaktuje się z roztworem zawierającym substancję wymywaną B. urówka podawana jest do pierwszego stopnia. L. Zander 6/

7 Ogólny schemat takiego procesu przedstawia rys. 8. Obliczenia liczby stopni i stężeń w poszczególnych stadiach procesu wykonuje się metodami graficznymi. [ięgnij po podręczniki wskazane na końcu tego opracowania.] 3 3 ys. 8. Zasada ekstrakcji wielostopniowej przeciwprądowej el ćwiczenia: przeprowadzenie procesów ługowania sacharozy z buraków cukrowych w procesie jedno- i dwustopniowym; sporządzenie bilansów masowych dla przeprowadzonych doświadczeń; poznanie reguł posługiwania się wykresami trójkątnymi; opanowanie techniki pracy z wykresami trójkątnymi przedstawienie wyników doświadczeń na wykresach trójkątnych. Przygotowanie materiału do doświadczeń Burak cukrowy należy oczyścić z resztek gleby, opłukać i osuszyć. Z oczyszczonego buraka cukrowego sporządzić na tarce krajankę (surówkę ekstrakcyjną). Z uzyskanej krajanki wycisnąć za pomocą ręcznej praski kilka kropel soku do naczyńka wagowego i oznaczyć refraktometrycznie zawartość substancji rozpuszczalnych w roztworze (y ). Ługowanie stopniowe Po dokładnym wymieszaniu odważyć do wytarowanego naczynia około 50 g krajanki. Wyniki tarowania i ważenia surówki G s należy podać z dokładnością ±0, g. Następnie surówkę w naczyniu zalać wodą destylowaną (rozpuszczalnikiem wtórnym ), podgrzaną do w ilości G 00 g i umieścić w łaźni wodnej z wytrząsarką. Wodę wprowadzoną do ekstraktora G należy zważyć z dokładnością ±0, g. Proces ługowania należy prowadzić w temperaturze przez czas podany przez prowadzącego, jednak nie krócej niż przez 30 min. Po zakończonym procesie za pomocą ręcznej praski należy oddzielić ekstrakt od rafinatu i zważyć rozdzielone fazy otrzymując masy G i G. We L. Zander 7/

8 wszystkich ważeniach należy zachować tą samą precyzję, tzn. ±0, g. Po zważeniu należy za pomocą refraktometru laboratoryjnego oznaczyć stężenie sacharozy w ekstrakcie (y ). Ługowanie stopniowe Odważyć do naczynia ekstraktora (lub zlewki) około 50g krajanki (G ). Następnie surówkę w naczyniu zalać podgrzaną wodą destylowaną (rozpuszczalnikiem wtórnym) w ilości równej połowie masy wody zastosowanej do ługowania jednostopniowego i umieścić w łaźni wodnej z wytrząsarką. Proces ekstrakcji prowadzić przez czas podany przez prowadzącego, jednak nie krócej niż przez 30 min. Po zakończonym procesie za pomocą ręcznej praski należy oddzielić ekstrakt od rafinatu i zważyć rozdzielone fazy otrzymując masy G i G. Po zważeniu należy za pomocą refraktometru laboratoryjnego oznaczyć stężenie sacharozy w ekstrakcie (y ). afinat otrzymany w wyniku pierwszego stopnia ekstrakcyjnego w ilości G należy ponownie zalać nową porcją wody w ilości ok. 00g (równej ilości wody użytej w poprzednim stopniu) i prowadzić proces przez następny okres czasu (ok. 30 min). Po zakończonym procesie za pomocą ręcznej praski należy ponownie oddzielić ekstrakt od rafinatu i zważyć rozdzielone fazy otrzymując masy G i G. Po zważeniu należy oznaczyć stężenie sacharozy w ekstrakcie (y ) za pomocą refraktometru laboratoryjnego. Wyniki ważenia i oznaczeń stężenia sacharozy należy umieścić w protokóle, sporządzonym wg wzoru. Uwaga: We wszystkich ważeniach należy zachować tą samą precyzję, tzn. ±0, g. Podczas doświadczeń należy kontrolować temperaturę wody w łaźni w podanym zakresie (60-65 ) odpowiednio włączając i wyłączając grzałkę elektryczną. Oznaczenia refraktometryczne należy wykonywać po ochłodzeniu ekstraktu do 0,0±0,5. Opracowanie wyników. Obliczyć skład krajanki buraka (x A, x B, x ) biorąc pod uwagę, że na podstawie założonej koncentracji inertu w surówce można obliczyć ilość tego składnika G A, jaką wprowadzono do procesu ługowania. Pozostałą masę surówki stanowi sok, składający się z wody i L. Zander 8/

9 substancji rozpuszczalnej B. Na podstawie oznaczenia zawartości substancji rozpuszczalnej w soku buraka (y ) można obliczyć masy: substancji rozpuszczalnej G B i wody G w surowcu. W obliczeniach należy operować stężeniami wyrażonymi w ułamkach masowych (tzn. wyniki oznaczeń w procentach masowych przeliczyć na ułamki). Zawsze obowiązuje zasada, że x x + x =. A + B kład krajanki buraka obliczamy, korzystając z definicji ułamka masowego. Udział inertu A zgodnie z założeniem wynosi x A =0,05, zaś np. udział substancji wymywanej B wynosi: G B x B =. G Udział wody x trzeba obliczyć w sposób analogiczny.. porządzić bilans masowy dla poszczególnych stopni ekstrakcji Bilans ogólny pojedynczego procesu ługowania: Bilans składnika rozdzielanego G + G = G + G + G G x B = G Uwaga: skład rafinatu oblicza się tak samo, jak skład surówki (pkt..).dla uproszczenia przyjmujemy, że w przybliżeniu udział inertu A w rafinatach jest stały i wynosi 4,5-5,5% 3. Obliczyć stopień wyekstrahowania substancji rozpuszczalnych tzn. obliczyć, jaka część (%%) substancji pierwotnie zawartej w burakach przeszła do ekstraktu w każdym doświadczeniu. 4. Przeprowadzone procesy ekstrakcji (ługowania) należy przedstawić na wykresie trójkątnym i porównać dane odczytywane z wykresu z wynikami obliczeń. 5. formułować wnioski Ze względu na wysoki udział wody korzystnie jest wykreślić operacje na fragmencie wykresu, przyjmując odpowiednio dużą długość boku trójkąta, np. L = 500 mm lub nawet więcej. x B + G strat x B L. Zander 9/

10 Tabela. Wyniki doświadczeń (wzór) kstrakcja jednostopniowa / ługowanie jednostopniowe - masa surowca G [g] - zawartość substancji rozpuszczalnych w soku y' B [%] buraka y B [-] - przyjęta do obliczeń zawartość substancji nie rozpuszczalnych (inertu) w burakach (z zakresu 4,5-5,5%) x' A [%] x A [-] - masa wody (rozpuszczalnika ) G [g] - masa ekstraktu G [g] - masa rafinatu G [g] - stężenie substancji rozpuszczalnych w ekstrakcie x' B [%] x B [-] kstrakcja dwustopniowa / ługowanie dwustopniowe - masa surowca G [g] - zawartość substancji rozpuszczalnych w soku y' B [%] buraka y B [-] - przyjęta do obliczeń zawartość substancji nie rozpuszczalnych (inertu) w burakach (z zakresu 4,5-5,5%) x' A [%] x A [-] - masa wody (rozpuszczalnika ) w stopniu. G [g] - masa ekstraktu w. stopniu G [g] - masa rafinatu w. stopniu G [g] - stężenie substancji rozpuszczalnych w ekstrakcie x' B [%] w. stopniu x B [-] - masa wody (rozpuszczalnika ) w stopniu. G [g] - masa ekstraktu w. stopniu G [g] - masa rafinatu w. stopniu G [g] - stężenie substancji rozpuszczalnych w ekstrakcie x' B [%] x B [-] L. Zander 0/

11 Tabela. Wyniki obliczeń bilansu masowego (wzór) Bilans masy ogólny: Obliczenia bilansu masowego - masa surowca G [g] - masa wody (rozpuszczalnika ) G [g] - masa ekstraktu G [g] - masa rafinatu G [g] - straty masy substancji ogółem G strat [g] - procentowo [%] kład surowca: - masa inertu w surowcu G A [g] - masa substancji rozpuszczalnej w surowcu G B [g] - masa wody w surowcu G [g] - stężenie inertu w surowcu x A [-] - stężenie substancji rozpuszczalnej w surowcu x B [-] - stężenie wody w surowcu x [-] Bilans masy substancji rozpuszczalnej: - masa substancji rozpuszczalnej w ekstrakcie G B [g] - masa substancji rozpuszczalnej w rafinacie G B [g] - straty masy substancji rozpuszczalnej G stratb [g] - procentowo [%] kład rafinatu: - masa inertu w rafinacie G A [g] - masa substancji rozpuszczalnej w rafinacie G B [g] - masa wody w rafinacie G [g] - stężenie inertu w rafinacie x A [-] - stężenie substancji rozpuszczalnej w rafinacie x B [-] - stężenie wody w rafinacie x [-] Wielkości odczytane z wykresu trójkątnego: - masa ekstraktu G [g] - masa rafinatu G [g] - stężenie substancji rozpuszczalnej w ekstrakcie x B [-] - skład rafinatu: - stężenie inertu w rafinacie x A [-] - stężenie substancji rozpuszczalnej w rafinacie x B [-] - stężenie wody w rafinacie x [-] Doświadczenie nr 3 kstrakcja kstrakcja dwustopniowa prosta topień. topień. L. Zander /