Процессы экстракции в пищевой промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Экстрагирование и экстракция. Общие сведения

Экстрагирование -- разделение неоднородной системы типа Т--Г(твердое тело -- газ) путем извлечения из сложного по составу вещества одною или нескольких компонентов с помощью растворителя (экстрагента), обладающего избирательным действием. Этот процесс осуществляется в экстракторах. В случае если смесь веществ, из которой извлекается один или несколько компонентов, является жидкой, разделяемая система становится однородной и термин «экстрагирование» заменяется термином «экстракция».

В ходе экстрагирования последовательно протекают четыре простых процесса: проникновение растворителя в поры частиц сырья; растворение извлекаемого компонента; перенос его внутри частицы к ее поверхности; перенос от поверхности вещества в объем экстрагента. В конкретных случаях отдельные процессы могут отсутствовать или не играть существенной роли.

В частности, две первые стадии процесса могут протекать быстро по сравнению с двумя вторыми и потому их можно не учитывать при анализе динамики процесса.

В технологии мяса, рыбы и других неоднородных систем с твердой фазой применяют так называемую обратную экстракцию. Она заключается в насыщении системы одним или несколькими компонентами путем ввода их в неё в растворенном виде диффузией из окружающей среды. Примерами таких процессов могут служить посол, маринование, копчение и др. В них солевой или другой водный раствор, или сложный по составу газ проникает вглубь твердого пористого продукта, смешивается сводными растворами, заполняющими их поры, и передает им часть своих растворенных веществ. Экстрагирование и обратная экстракция -- процессы, описываемые однотипными математическими выражениями. Поэтому их специального рассмотрения не требуется.

Однако технологическая реализация экстрагирования и обратной экстракции может существенно различаться. В частности, вариантами реализации обратной экстракции можно считать процессы инжетирования растворов и массирования посола.

Инжетировоние заключается во введении в исходный пористый материал (мясо, рыба) посолочного раствора через шприц. Введенный раствор диффундирует наружу сквозь пористый материал, и таким образом обеспечиваются условия для его ускоренного посола или маринования.

Массирование заключается в перемешивании дисперсионной среды вокруг дисперсных кусочков мяса или рыбы в закрытых емкостях путем их встряхивания. Перемешивание выравнивает концентрацию экстрагируемого вещества в дисперсионной среде, что увеличивает градиент концентрации экстрагируемого вещества вблизи твердой поверхности продукта и этим интенсифицирует процесс в целом. Встряхивание обычно сопровождается частичным периодическим сжатием твердых продуктов под действием инерционных сил. экстрагирование экстракция экстрактор

Правильный выбор растворителя (экстрагента) -- важнейший фактор, определяющий эффективность всего процесса экстрагирования. Он должен обладать избирательной растворимостью, обеспечивать высокую скорость растворения, иметь низкую температуру кипения (легко отгоняться), быть чистым и однородным, чтобы не портить получаемого продукта, не оставлять запаха и не давать вредных соединений с экстрагируемым веществом, не вызывать коррозии оборудования, быть пожаро- и взрывобезопасным, дешевым. В качестве экстрагентов применяют волу, спирт, водоспиртовую смесь, бензин, бензол, дихлорэтан, сжиженные газы и др.

Среди экстрагентов особое место занимают сжиженные газы: диоксид углерода, этан, пропан, ацетилен, азот, оксиды азота, фреоны (R 12,'13,-22,-23) и др. В сжиженном состоянии они характеризуются хорошей растворяющей способностью, высокой селективностью, химической индифферентностью к экстрагируемым веществам, эффективно отгоняются от экстрагированных веществ при относительно низких температурах, а также обеспечивают стерильность экстрактов, блокируя жизнедеятельность микроорганизмов. Они безвредны для людей и относительно дешевы. Среди них на первом месте по технологическим возможностям стоит диоксид углерода.

Расчет процесса экстрагирования вещества жидкостью из твердой фазы заключается в определении необходимой длительности процесса (длины аппарата при заданной скорости движения по нему) для получения нужной степени экстрагирования. Возможен и обратный расчет -- определение степени экстрагирования вещества при заданном времени процесса.

2. Диффузионный перенос массы в твердой пластине

Рассмотрим, например, процесс экстрагирования сахара из пластины сахарной свеклы. Этот процесс протекает в две стадии -- диффузия водного раствора сахара внутри пластины к ее поверхности и перенос сахара от поверхности соприкосновения жидкой и твердой фаз в глубину экстрагента. Стадия проникновения растворителя в поры пластины протекает быстро и не лимитирует процесс, а стадия растворения сахара в данном процессе отсутствует, так как он изначально находится в водном растворе.

Этот процесс можно описать уравнением диффузии сока внутри пластины сахарной свеклы с граничными условиями, отражающими вторую стадию процесса -- перенос вещества в объеме экстрагента. В декартовых координатах нестационарное уравнение диффузии в твердой фазе записывается в виде

где С-- концентрация экстрагируемого компонента в пластине(массовая доля, %); D -- коэффициент диффузии, м²/с.

При решении этого уравнения должны быть приняты во внимание условия однозначности, которые отражают конкретную инженерную проблему. Эти условия включают:

I) геометрические характеристики объекта, определяющие форму и размеры твердых частиц;

2) физические характеристики, отражающие физические и диффузионные свойства сред, участвующих в процессе.

3)начальные условия, определяющие распределение концентраций в твердой частице в начальный момент процесса.

4)граничные условия для системы твердое тело--жидкость --это обычно граничные условия третьего рода.

3. Практические расчеты экстрагирования

Сырье растительного происхождения, характерное для перерабатывающей промышленности агропромышленного комплекса, впроцессе экстрагирования существенно меняет свои механические, теплофизические и диффузионные свойства. Поэтому длярасчета экстрагирования целесообразно использовать интервальные методы расчета, позволяющие учитывать влияние перечисленных факторов на процесс экстрагирования.

4. Оборудование для экстрагирования

Но режиму работы различают экстракторы периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. По направлению движения продуктов экстракторы делят на протипоточные и прямоточные. По виду циркуляции экстракторы могут быть с одно-кратным прохождением экстрагента, с рециркуляцией экстрагента и оросительные. По давлению их классифицируют на атмосферные, вакуумные и работающие под давлением. По свойствам твердых частиц различают экстракторы для крупнозернистых, мелко-зернистых, тонкодисперсных, пастообразных, волокнистых и других материалов. По конструкции корпуса аппараты делят на колонные, барабанные и камерные; по виду транспортного органа -- на шнековые, лопастные, цепные, ковшовые, ротационные, ленточные; по расположению корпуса -- на горизонтальные, вертикальные и наклонные. Но гидродинамическому характеру процесса аппараты бывают с неподвижным слоем твердых частиц, с движущимся слоем, с кипящим слоем.

По конструкции различают экстракторы колонные, ротационные, шнековые, оросительные, экстракторы с кипящим слоем, камерные, батарейные и др.

Колонные экстракторы (рис. 4.1) реализуют противоточный непрерывный процесс.

Колонные экстракторы занимают малые площади, имеют небольшую металлоемкость. Недостатки колонных конструкций: частичная неконтролируемая рециркуляция жидкости в них; дробление твердых частиц при транспортировке, особенно при переходах между ступенями аппарата; возможное закручивание массывместе со шнеком; необходимость нагнетании смеси снизу в вертикальные колонны; затруднения с подводом теплоты по высоте(если этот подвод необходим).

Цепной экстрактор изображен на рисунке 4.2.

В нем твердые частицы лежат слоями на сетках. Это создает благоприятные условия для противоточной схемы движения; удобно подводить теплоту на различных участках аппарата. Недостаток -- большая площадь производственных помещений, неудобства в эксплуатации, возможные нарушения укладки слоев твердых частиц при переходах между ветвями транспортера.

Барабанный экстрактор схематично показан на рисунке 4.3

В нем корпус вращается на опорных роликах; на внутренней части барабана имеются перфорированная перегородка и винтовые поверхности. При вращении барабана экстрагент перемещается от входа к выходу, а твердые частицы увлекаются перфорированной перегородкой, отделяются на ней от жидкости и по наклонным лоткам сползают в полость между соседними витками, перемещаясь таким образом по аппарату.

В каждом промежутке между витками процесс близок к прямоточному, а при переходе в пространство между смежными витками -- к противоточному, т. е.процесс комбинированный. Недостаток аппарата -- громоздкость и трудность поддержания теплового режима по длине, малое использование внутреннего объема (на ]/3 и менее). Преимущество -- малое деформирование стружки.

Ленточный экстрактор показан на рисунке 4.4.

Исходный продукт перемещается вместе с лентой, а экстрагент собирается в сборниках под определенными участками транспортера и направляется насосами на орошение соседних участков ленты. Процесс в аппарате протекает по сложной схеме -- поперечный ток на каждом участке и противоток между участками.

Вертикальный ковшовый экстрактор (рис. 4.5)-- разновидность ленточного.

В этом аппарате твердая фаза перемещается перфорированными ковшами на подвижной ленте. Материал загружается сверху и орошается растворителем по представленной схеме.

В опускающейся ветви ковшей реализуется прямоток. Верхний ковш поднимающегося ряда орошается чистым растворителем, и в этом ряду ковшей имеет место противоток. Недостатки таких аппаратов: нарушение противотока, большие габариты, плохое использование внутреннего объема. Эти же недостатки свойственны и другим ленточным аппаратам.

Экстракторы периодического и полупериодического действия применяют в тех производствах, где вырабатывают небольшие партии продуктов разнообразного ассортимента.

К ним относят хамерные аппараты (реакторы) с механическим, пневматическим и пневмомеханическим перемешиванием; настойные чаны с неподвижным слоем твердой фазы, с циркуляцией (перколяторы) и без циркуляции экстрагента.

5. Управление процессом экстрагирования

Оптимизация процесса экстрагирования направлена на повышение его эффективности. Для этого выбирают такие значения действующих факторов, которые исключают влияние различных неблагоприятных воздействий. Укажем эти воздействия для основных факторов.

1. Температура. С повышением температуры коэффициент диффузии в твердых частицах увеличивается. После превышения некоторого уровня температур изменяются физические характеристики частиц, оцениваемые по изменению их упругих свойств, либо повышенная температура неблагоприятно сказывается на диффузии из частиц.

2. Размеры частиц. Их уменьшение существенно ускоряет экстрагирование. Однако при малых размерах частиц возможно их «слипание» и в результате эффективная поверхность соприкосновении с экстрагентом может уменьшиться до 20…25 % и менее от полной внешней площади поверхности частиц. В значительной мере предотвращению неблагоприятного воздействия «слипания» способствует перемешивание частиц различными способами, включая низкочастотные механические колебании, организацию процесса в кипящем слое, ультразвуковые колебания, электроимпульсные воздействия, периодический отжим продукта.

3. Перемешивание растворителя (дисперсионной среды) вокруг твердых частиц, из которых экстрагируется продукт.

6. Экстракция в системах жидкость-жидкость

В таких системах в контакт вступают исходный раствор и растворитель, хорошо растворяющий выделяемый компонент. Эти жидкости полностью или частично нерастворимы одна в другой и образуют две жидкие фазы. Экстракция подчиняется законам массопередачи, растворимости и межфазового равновесия.

Первая стадия процесса извлечения полезного компонента --собственно экстракция. В ходе собственно экстракции должны обеспечиваться тесный контакт фаз и условия для наиболее полного и быстрого протекания процесса. Плотность растворителя должна отличаться от плотности исходного раствора. Кроме того, требуется, чтобы растворитель почти не растворялся в исходном растворе и хорошо распределялся в нем, имел и характеризовался высокой избирательностью растворения экстрагируемого продукта. При достижении равновесия ь системе образуются две жидкости -- экстракт, обогащенный выделяемым продуктом, и рафинат, обедненный им. Состояние равновесия характеризуется зависимостью концентраций экстрагируемого компонента в экстракте и рафинате. Эта зависимость строится по экспериментальным данным и обычно нелинейна.

Вторая стадия процесса экстракции -- разделение экстракта и рафината и выделение экстрагируемого вещества (регенерация растворителя). Для разделения фаз используют испарение экстрагента, гравитационное отстаивание или центрифугирование, а для регенерации растворителя--дистилляцию или другие массообменные процессы.

7. Экстракционные установки

Установки жидкостной экстракции применяют для очистки разделения жидких смесей, а также для получения растворов. Наиболее распространены экстракционные установки с регенерацией экстрагента (для регенерации можно использовать любые массообменные процессы, применимые для разделения жидких растворов, а также выпаривание и другие процессы).Широко распространены установки, включающие двеэкстракционные стадии - экстракцию и реэкстракцию.

Реэкстракция обеспечивает не только регенерацию экстрагента для стадии экстракции, но и более глубокую очистку извлекаемых веществ от примесей. В последние годы значительное внимание привлекает применение в качестве экстрагентов в условиях, близких к критическим, или в сверхкритических, веществ, являющихся в обычных условиях газами (диоксид углерода, низшие углеводороды). Такого рода экстрагенты, обладающие уникальными растворяющими и селективными свойствами,отличаются простотой регенерацией.

Экстракционные процессы могут быть и одностадийными. Такие установки, состоящие из одного основного аппарата -экстрактора, применяют в тех случаях, когда раствор в экстрагенте является готовым товарным продуктом.

8. Методы экстракции

Экстракцию можно выполнять ступенчато или непрерывно. В ступенчатом процессе смешивание и разделение компонентов выполняют в разных аппаратах -- в мешалках и отстойниках. Каждая пара «мешалка-отстойник» образует ступень экстрагирования. Непрерывные процессы экстракции выполняют в единых аппаратах -- колоннах.

Одноступенчатая экстракция (рис. 8.1) заключается в перемешиваний исходного раствора и растворителя и после установления равновесия фаз -- в разделении смеси на экстракт и рафинат в сепараторе или отстойнике.

Многоступенчатая экстракция осуществляется путем соединения одноступенчатых аппаратов в многоступенчатый. Схема многоступенчатой экстракции с движением компонентов противотоком показана на рисунке 4.2. Исходный раствор поступает в первую ступень экстракции, а растворитель -- в последнюю.

Список литературы

1. Плаксин Ю. М., Малахов Н. Н., Ларин В. А. «Процессы и аппараты пищевых производств» -- 2-е изд., перераб. и доп. -- М.: КолосС, 2007.-- 760 с.: ил. -- (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).

2. «Массообменные процессы». Учебное пособие. Под ред. Г. И. Николаева. -Улан-Удэ: Изд-во ВСТТУ. 2005. - 238 с.

Размещено на Allbest.ru