07.04.2005

Wykład 6

Procesy zachodzące ma półkach kolumny rektyfikacyjnej → kontakt cieczy z wyższej półki (np. 9) z parą niższej (np. 6) → wymiana ciepła i masy i rozdział na parę bogatszą w lotniejszy składnik (np. 8) i ciecz uboższą w niego (np. 7) itd.

Parowanie w kolumnie odbywa się kosztem ciepła skraplania. W praktyce często zdarza się, że strumienie masy pary idącej w kolumnie i cieczy ściekającej w dół są równe.

(KSERO str.12)

Półki kolumny rektyfikacyjnej

• należy osiągnąć odpowiednią powierzchnię styku pary i cieczy → właściwa wymiana ciepła i masy

• w przem. spożywczym → półki kołpakowe i sitowe

• półki kołpakowe →∅ kołpaków 80 - 100 mm, odstęp między nimi ok. ½ ∅

• odstęp między półkami → 30 - 60 mm =f (strumienia cieczy i pary oraz skłonności do pienienia)

• wysokość cieczy na półce → regulowana wysokością przelewu

• półki sitowe → płyty z nawierconymi otworami o ∅ ~ 3 mm

• warstwa cieczy na półce utrzymywana dzięki ciśnieniu pary, która nie pozwala na spłynięcie cieczy przez otwory

Ukł. rektyfikacji okresowej i ciągłej (wprowadzenie na półkę zasilania)

(KSERO 12,13)

Ekstrakcja

• operacja dyfuzyjna wydobywana z mieszaniny stałej lub płynnej (surówki) określonego składnika lub ich grupy za pomocą odpowiedniego rozpuszczalnika (ekstrahenta) wydzielanie wyekstrahowanego skł. z ekstraktu → np. destylacja, krystalizacja

Ługowanie → ekstrakcja wodą z ciał stałych

Gdy materiał ługowany ma budowę komórkową → półprzepuszczalność → zamiast dyfuzji jest osmoza (przenikanie wody do wnętrza komórek, dla wyrównania ciśnienia osmotycznego (π)) →kom. pęcznieje, ale nie uwalania się z niej subst., którą chcemy wyługować. Rada →zniszczenie białkowej subst. protoplazmy wchodzącej w skład błon komórkowych. (T↑, T↓ mrożenie), mechaniczne, hydroliza, fermentacja →osmoza ustępuje miejsca dyfuzji → łatwe ługowanie

Schemat ekstrakcji: aparat do ekstrakcji → ekstraktor

Surówka - materiał poddawany ekstrakcji

Extrahent - rozpuszczalnik (selektywna rozpuszczalność w stosunku do subst. ekstrahowanej i ograniczona rozpuszczalność w materiale ekstrahowanym)

(KSERO 16)

Ekstrakt - skł. ekstrahowany + rozpuszczalnik

Rafinat - pozostałość poekstrakcyjna

Rozdzielenie ekstraktu i rafinatu →łatwe bo 2 ≠ fazy

Rozdzielenie ekstraktu na subst. ekstrahowaną i ekstrahent → krystalizacja, destylacja

Cel ekstrakcji → jak największe wzbogacenie ekstraktu i jak największe zubożenie rafinatu

W TŻ → najczęściej ekstrakcja z rozdrobnionej fazy stałej o budowie kom. (przem. cukrowniczy, olejarstwo, ekstrakcja kawy, herbaty, przem. owocowo-warzywny (soki), produkcja wina, piwa, olejki eteryczne, ekstrakcja barwników, witamin, enzymów (z pleśni)).

Ekstrakcja ze środowiska ciekłego (→gł. przemysł chemiczny) →podział skł. ekstraktu pomiędzy dwie nie mieszające się ze sobą ciecze → prawo podziału Nernsta
T= const ⇒ K= const

Etapy ekstrakcji w układzie ciecz - ciało stałe

• wnikanie ekstrahenta w pory nośnika sust. ekstrahującej

• rozpuszczanie określonego składnika

• (*) ruch subst. ekstrahującej w porach nośnika do powierzchni rozdziału faz

• ruch subst. ekstrahującej od powierzchni rozdziału faz do głównej masy rozpuszczalnika

Zwykle etap (*) jest najwolniejszy:

małe pory → mechanizm dyfuzji molekularnej

duże pory →przenoszenie konwekcyjne

Jako że dyfuzja molekularna ↑ gdy T↑ - często stosuje się ekstrakcje w wyższej T, ale T ograniczona jest T_wrz rozpuszczalnika, ważna też duża powierzchnia międzyfazowa → duży strumień masy ekstrahowanej subst. → odpowiednie rozdrobnienie, ale nie za duże bo wtedy gorsze warunki przepływu ekstrahenta przez złoże.

Najkorzystniejsza ekstrakcja → przeciwprąd ciała stałego i ekstrahenta

Ekstrakcja w cukrownictwie → dyfuzja cukrownicza subst. rozpuszczalnej z krajanki buraczanej wodą (75 - 80 ⁰C) →likwidacja półprzepuszczalności, denaturacja białek protoplazmatycznych.

Wielostopniowa dyfuzja sposobem bateryjnym (8 - 16 szt.) w przeciwprądzie → (materiał w ostatnim dyfuzorze ługowany często H₂O; materiał w 1 dyfuzorze ługowany jako ostatni) → w każdym dyfuzorze zapewniona stała różnica stężeń cukru między krajanką, a roztworem ługującym (→ siła napędowa ≈ const)

Każdy pojedynczy dyfuzor pracuje w sposób okresowy ale bateria jako całość pracuje w sposób ciągły.

Dyfuzor → walcowy pojemnik ścięty obustronnie stożkowo. Załadunek krajanki od góry, wyładunek wysłodków dołem. Ekstrahent wpływa górą, a ekstrakt wypływa dołem przez kaloryzator do następnego dyfuzora; efekt → sok dyfuzyjny

14-18 ⁰ Bx

(KSERO 15) - EGZAMIN

ZALETY DYFUZJI BATERYJNEJ

• ługowana krajanka pozostaje przez cały czas w tym samym dyfuzorze, a w miarę wyługowania zmienia się tylko przewody → brak uszkodzeń krajanki → dobre warunki hydrodynamiczne

• w przybliżeniu siła napędowa (ΔC) = const

• zawartość cukru w ekstrakcji końcowej (soku dyfuzyjnego) ≈ w krajance

• przepływ ekstraktu między dyfuzorami → łatwa kontrola temp. Procesu

Ekstrakcja rozpuszczalnikiem selektywnym → olejarstwo

• wydobywanie tłuszczu z nasion roślin oleistych (ześrutowany rzepak, słonecznik, soja) najczęściej benzyną

• I etap → wstępne odolejanie śruty poprzez tłoczenie (ok. 50 % oleju)

• II etap → ponowne śrutowanie i ekstrakcja benzyną lekką (C₆H₁₄, C₇H₁₆ )→ miscela (benzyna + 20-25 % oleju)

COFFEE PROCESING

Mieszanie ziaren kawy

Prażenie - rozwój charakterystyczny flavour ((N₂) powietrza do 260⁰C, ziarno do 200⁰C (5 min))

Grinding (mielenie) ≠ gradacja

Brewing (wysoka temp. - wodna ekstrakcja materiałów roślinnych)

• ważne osiągnięcie odp. mocy i flavour - odp. Stosunek kawy do wody, wielkość cząstek kawy mielonej, temp. H₂O, szybkość mieszania, czas → to wszystko wpływa na ilość i rodzaj subst. wyekstrahowanej. Istnieje optimum stopnia ekstrakcji dla najlepszych flavour, nadmierna ekstrakcja → gorzkość i wady smakowe.

(KSERO 15)

Kawa bezkofeinowa

Parzona kawa → ok. 75 - 150 mg kofeiny /150 ml (cup)

Tea → ok. 30 - 45 mg kofeiny /150 ml (cup)

Cola → ok. 30 - 65 mg kofeiny /360 ml (can)

Czekolada mleczna → 6 mg /28 g (1 oz)

Kawa bezkofeinowa → ok. 3 mg kofeiny /150 ml (cup)

Decoffeination → parowanie zielonej herbaty, a następnie ekstrakcja wodna kofeiny, a dopiero później prażenie kawy pozbawionej już kofeiny

→ czasami ekstrakcja rozp. organicznym (ważne ich późniejsze usuwanie z ziarnem przed prażeniem)

→ ost. czasy - nadkrytyczna ekstrakcja CO₂ (supercritical CO₂ extraction) → CO₂ pod wysokim ciśnieniem i w odpowiedniej temp. ma taką zdolność rozpuszczania jak ciecz przy jednoczesnej zdolności penetracji jak gaz → bdb warunki ekstrakcji - umiarkowana T i brak pozostałości ekstrahenta

Kawa instant → suszony ekstrakt kawy

Ekstrakcja - 6 - 8 dyfuzorów połączonych w baterię

Dyfuzory pracują pod zmienną T, warunki tak dobrane, aby uzyskać max ekstrakcji ale bez gorzkich składników

Profil temp. 150 - 70⁰C

Ekstrakt jest następnie szybko chłodzony i suszony, gdyż przechowywany nawet w + 4⁰C przez 6 godz. → strata aromatu

Dalej → suszenie (rozpyłowe, liofilizacja)

(KSERO 16)

Procesy sorpcyjne

- procesy związane z pochłanianiem przez dowolne ciało gazów, par lub subst. rozpuszcz. Cecha charakterystyczna → selektywność sorbentów. Ponieważ absorpcja jest procesem egzotermicznym → to zgodnie z regułą przekory gdy

↓ T i ↑ p - korzystne dla sorpcji; ↑ T i ↓ p - korzystne dla desorpcji

Absorpcja → pochłanianie subst. całą obj. cieczy pochłaniającej (np. pochłanianie SO₂ przez wino, soki)

Adsorpcja → pochłanianie powierzchnią ciała stałego określonego skł. fazy ciekłej lub gazowej. Adsorbent powinien mieć rozwiniętą powierzchnię np. (węgiel aktywny, żele krzemionkowe Al₂O₃) (np. oczyszczanie roztworów EtOH, odbarwianie melasy i r-ru cukru)

Chemisorpcja → pochłanianie gazu w czasie, którego zachodzi reakcja chem. Między pochłaniaczem a gazem (w cukiernictwie)

Desorpcja → usuwanie subst. pochłoniętej przez ciecz i ciało stałe (stosowane do regeneracji sorbentów)

ABSORPCJA

Prawo Henry`ego C = ψ ⋅ p<sub>a</sub> ψ - współczynnik Henry`ego

Teoria dwóch warstw granicznych:

1. przenikanie gazu ze strumienia przez warstwę graniczną gazu do powierzchni międzyfazowej

2. przenikanie gazu do powierzchni międzyfazowej przez warstwę graniczną cieczy do głębszych warstw cieczy

G_a = K_sc F ( C_gaz - C_ciecz) τ ⇒ ilość zaabsorbowanego gazu z powierzchni F_w

Czasie τ K_sc → współczynnik absorpcji C_gaz , C_ciecz → stężenie danej subst. w fazie gazowej i ciekłej

Zastosowanie absorpcji w przemyśle spożywczym:

• siarkowanie (sulfitacja) win → spakowanie siarki w zakrytej przestrzeni nad winem

• sulfitacja owoców przed suszeniem (zapobieganie EB)

• konserwowanie moszczów owocowych CO₂ pod ciśnieniem do 0,8 Mpa

• produkcja win musujących i napojów gazowanych (CO₂) pod zwykłym ciśnieniem ⇒ efekt konserwujący (ester dwuetylowy kw. pirowęglowego)

O C₂H₅

O C

O + H₂O ⇔ 2 C₂H₅OH + 2CO₂

O C

O C₂H₅

(działa konserwująco)- oryginalne wino szampańskie → wysycane przez fermentację (0,4 - 0,5 Mpa). Wytrawne wino (odpowiedniej jakości)

+ likier (roztwór cukrowy) → π fermentacja w butelkach → powstaje jeszcze EtOH i CO₂ p ↑ (butelki odwrócone), zamrożenie, osad na korku, usunięcie i natychmiastowe zamknięcie (degorżowanie)

• saturacja w cukrownictwie (chemisorpcja)

→ wysycenie CO₂ na gorąco zdeformowanego wapnem palonym soku i dyfuzji w celu usunięcia Ca ²⁺ (CaCO₃ ↓)

ADSORPCJA

• jest efektem działania sił van der Waalsa (bardzo złożony proces)

• szczególnie istotna rozbudowana powierzchnia adsorbenta (1 g C aktywnego → 600 - 1700 m²)

• inne adsorbenty: silikażel, węgiel kostny, masa celulozowa, ziemia okrzemkowa, glinki kopalne (ziemia Fullera, ziemia hiszpańska, ziemia bieląca), bentonity. Kolumna adsorpcyjna do odbarwiania syropów.

DESORPCJA

→ zjawisko odwrotne od absorpcji i adsorpcji (zwykle przeprowadzana w wyższej T i pod zmniejszonym p)

• usuwanie CO₂ po konserwacji moszczów owocowych

• desulfitacja przecierów, miazg lub soków utrwalanych uprzednio SO₂

• regeneracja adsorbentów (węgiel aktywny → T ≈ 200⁰C)

Procesy i operacje fizykochemiczne:

Tworzenie emulsji (KSERO 7)

Emulsja → trwały i makroskopowo jednolity układ dyspersyjny dwóch nie mieszających się ze sobą cieczy

Faza zdyspergowana (rozproszona) + faza dyspergująca (ciągła)

W TŻ → bardzo często emulsja O/W także emulsja W/O

E. rozcieńczona → ponad 50 % f. zdyspergowanej

E. sprężone → ponad 50% f. zdyspergowanej

E. drobne → Ø do 1 μm

Grube → Ø 5-10 μm

Tworzenie emulsji → obszaru międzyfazowego

Ø kropelek ↓ ⇒ S (pow.) ↑ exponencjalne

Przykład: zdyspergowany 1 ml oleju w H₂O do Ø = 1μm ⇒ 1,9 x 10¹² kuleczek S= 6m²

V fazy zdyspergowanej może być bardzo mała (2-3 % - mleko) aż do dużej 65-80 % (majonez) i bardzo dużej 99 % → emulsje eksperymentalne

Substancja zdyspergowana w f. kuleczek może zajmować 75 % obj. max, jeśli jest jej więcej ⇒ deformacja kulek

Praca W wymagana do zwiększenia powierzchni międzyfazowej o Δ A

W = α·ΔA

A - wytworzona powierzchnia

α - napięcie powierzchniowe

27

---