Особенности процессов отделение продукта

ТЕМА

Физико-химические основы переработки растительного сырья

План

Особенности процессов

- экстракции,

- выпаривания,

- осаждения,

- центрифугирования и сепарирования,

- фильтрования (микрофильтрация, диализ, ультрафильтрация, обратный осмос) при переработке растительного сырья

▲Экстракция

Экстракция относится к массообменным процессам.

Массообменные процессы – такие технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую конвективной и молекулярной диффузией. Движущая сила массообменных процессов – разность концентраций распределяемого вещества во взаимодействующих фазах.

Массообменные процессы классифицируют по трем основным признакам:

- агрегатному состоянию вещества,

- способу контакта фаз,

- характеру их взаимодействия.

По агрегатному состоянию вещества можно представить основные фазы: «газ – жидкость» (Г-Ж), «газ – твердое тело» (Г–Тв.т), «жидкость – жидкость» (Ж–Ж), «жидкость – твердое тело» (Ж – Тв.т) и др.

В зависимости от сочетания фаз имеются способы их разделения. Так, при сочетании Г–Ж разделение возможно дистилляцией, ректификацией, абсорбцией и десорбцией, сушкой и увлажнением;

Г – Тв.т – сублимационной сушкой, адсорбцией, ионным обменом, фракционной адсорбцией;

Ж – Ж–жидкостной экстракцией;

Ж–Тв.т – фракционной кристаллизацией, экстрагированием, адсорбцией, ионным обменом.

Перенос распределяемого вещества происходит всегда из фазы, в которой его содержание выше равновесного, в фазу, в которой концентрация этого вещества ниже равновесной.

По способу контакта фаз массообменные процессы разделяют на процессы

- с непосредственным контактом фаз,

- контактом через мембраны и

- без видимой (четкой) границы фаз.

По характеру взаимодействия массообменные процессы и аппараты разделяют на периодические и непрерывные. В непрерывных процессах возможна организация прямоточного, противоточного, перекрестного и комбинированного движения компонентов.

Экстракция в системе «жидкость – жидкость» – процесс извлечения растворенного вещества или веществ из жидкости с помощью специальной другой жидкости, не растворяющейся или почти не растворяющейся в первой, но растворяющей экстрагируемые компоненты.

Жидкость, используемая для извлечения компонентов, называется экстрагентом. Массообмен между фазами протекает при их непосредственном контакте. Полученная в результате экстракции жидкая смесь поступает в разделитель, в котором разделяется на экстракт – раствор экстрагированных веществ в экстрагенте и рафинат – остаточный раствор, из которого экстрагированы извлекаемые компоненты. Процесс экстракции проводится в аппаратах различной конструкции – экстракторах.

При экстракции в системе «жидкость – жидкость» экстракт и рафинат разделяют отстаиванием, затем из экстракта выделяют растворенное вещество отстаиванием, выпариванием или другими методами.

В промышленности используют периодическую или непрерывную экстракцию по следующим схемам:

- одноступенчатой,

- многоступенчатой противоточной и

- многоступенчатой с перекрестным током экстрагента.

Одноступенчатая экстракция применяется тогда, когда высок коэффициент разделения. Она заключается в перемешивании исходного раствора и растворителя, а после установления равновесия фаз – в разделении смеси на экстракт и рафинат. Для разделения эмульсий используют отстойники, для трудноразделимых эмульсий – сепараторы.

Многоступенчатая экстракция проводится в многосекционных экстракторах или экстракционных установках. Она может проводиться с противотоком экстрагента или комбинированным способом при наличии нескольких экстрагентов. Многоступенчатая противоточная экстракция более эффективна, чем экстракция в перекрестном токе. При противоточной экстракции достигается более высокая средняя движущая сила процесса и происходит более полное извлечение компонента из раствора.

Экстракцию широко применяют для извлечения ценных продуктов из разбавленных растворов, а также для получения концентрированных растворов..

Преимущество экстракции заключается в том, что она проводится при низкой рабочей температуре процесса. Это позволяет разделять жидкие смеси веществ, которые при повышенных температурах разлагаются (например, эфирные масла, ферменты, антибиотики).

Экстракция твердых тел – выщелачивание.

Экстракция из твердых тел (выщелачивание, экстрагирование) – извлечение из твердого тела одного или нескольких веществ с помощью растворителя, обладающего избирательной способностью.

Выщелачивание представляет собой сложный многостадийный процесс, заключающийся в диффузии растворителя в поры твердого тела, растворении извлекаемых веществ, диффузии экстрагируемых веществ в капиллярах твердого тела к поверхности раздела фаз и массопередачи экстрагируемых веществ в ядро потока экстрагента.

В пищевой промышленности выщелачиванием обрабатывают капиллярно-пористые тела растительного или животного происхождения. Примерами таких процессов могут служить посол, маринование, копчение и др. В них солевой или водный раствор либо сложный по составу газ проникает в глубь твердого пористого продукта, смешивается с водными растворами, заполняющими их поры, и передает им часть своих растворенных веществ.

В качестве растворителей используют

- воду (для экстрагирования сахара из свеклы, кофе, цикория, чая),

- спирт и водно-спиртовую смесь (для получения настоев в ликероводочном и пивобезалкогольном производствах),

- бензин, трихлорэтилен, дихлорэтан (в маслоэкстракционном и эфиромасличном производствах) и др.

Выщелачивание является основным процессом в свеклосахарном производстве. Используется в ликероводочном производстве при получении спиртованных морсов и настоев, при производстве соков и экстрактов, в маслоэкстракционной промышленности (с помощью бензина извлекается растительное масло из семян подсолнечника).

Экстрагирование в пищевом производстве может быть выполнено различными способами:

• погружением экстрагируемого материала;

• ступенчатым орошением растворителем;

• смешанным способом, при котором материал проходит стадию замачивания, затем стадию орошения.

При погружении экстрагируемого материала процесс происходит в условиях противотока, когда растворитель и экстрагируемый материал непрерывно передвигаются навстречу друг другу.

Преимущество экстрагирования погружением – высокая скорость, простота конструкции экстракционного аппарата. Недостатки – значительные габариты экстракторов по высоте, высокое содержание примесей в конечном продукте, низкая концентрация конечного продукта.

При экстрагировании ступенчатым орошением непрерывно перемещается только растворитель, а экстрагируемый материал остается в покое в одной и той же перемещающейся емкости (ковше, камере и т.п.) или на движущейся ленте.

Конечный продукт (например, мисцелл) получается повышенной концентрации и чистоты благодаря самофильтрации через слой экстрагируемого материала. Недостатки – повышенная длительность экстракции, невысокий коэффициент использования геометрического объема.

При экстрагировании смешанным способом процесс протекает в две стадии. На первой стадии осуществляется тщательное замачивание и перемешивание (стадия экстракции погружением) экстрагируемого материала в прямоточно движущемся растворителе. На второй стадии методом ступенчатого орошения достигается окончательное экстрагирование и промывка материала чистым растворителем.

Совмещение экстрагирования погружением и ступенчатым орошением в одной установке позволяет использовать преимущества способов экстрагирования и избежать их основных недостатков.

▲Выпаривание

Выпаривание – тепловой процесс, это концентрирование (сгущение) растворов, суспензий и эмульсий (чаще твердых веществ в воде) при кипении. В процессе выпаривания парообразование (кипение) происходит в объеме выпариваемой жидкости за счет подвода тепловой энергии.

В пищевой, химической и других отраслях промышленности выпариванию подвергают главным образом водные растворы.

Выпаривание применяют для концентрирования водных растворов щелочей (едкий натр, едкий калий), солей (NaCl, Na₂S0₄, NH₄NO₃ и др.) и некоторых высококипящих жидкостей, для получения растворителя в чистом виде (например, для опреснения морской воды, используя аппараты-опреснители), перенасыщенных растворов, в которых проводят кристаллизацию (растворы сахарозы, фруктозы, молочного сахара). Данный процесс используется в сахарном, консервном, кондитерском, молочном и других производствах. Выпаривают также водные растворы разных веществ (получают концентрированные соки), эмульсии (молоко), суспензии (барду) и пр.

Механизм выпаривания

При выпаривании вода из раствора удаляется в виде пара, а растворенное вещество или дисперсная фаза эмульсий и суспензий остается в неизменном количестве.

Тепло для выпаривания подводится различными теплоносителями. Основной теплоноситель – глухой водяной пар, называемый греющим или первичным или острым. Пар, образующийся при выпаривании кипящих растворов, называется вторичным или экстра-паром.

Способы выпаривания.

Выпаривание проводят под давлением

- атмосферным,

- повышенным,

- под вакуумом.

При выпаривании под атмосферным давлением вторичный пар, как правило, не используется и выбрасывается в атмосферу.

При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как нагревающий элемент в подогревателях, для отопления, технологических нужд.

«+, –» Выпаривание под давлением связано с повышением температуры кипения раствора. Поэтому применение данного способа ограничено свойством раствора и температурой нагревающего агента. Например, при таких условиях ухудшается качество многих пищевых продуктов (молока, сахарных и томатных соков и др.). Кроме того, повышается стоимость установки.

При выпаривании под вакуумом можно проводить процесс при более низких температурах, что важно для растворов, склонных к разложению. При использовании греющего пара тех же параметров, что и при выпаривании под атмосферным давлением, увеличивается движущая сила процесса (полезная разность температур). Это позволяет уменьшить поверхность нагрева в аппарате или сокращает время проведения процесса.

«+, –» Выпаривание под вакуумом требует установки дополнительного оборудования (конденсатора, вакуум-насоса и др.) и большего расхода тепла на испарение. Однако этот способ широко используется для концентрирования высококипящих и легкоразлагающихся растворов.

Выпарные установки.

Классифицируют по рабочему давлению (см. выше), количеству корпусов (аппаратов).

Выпаривание под атмосферным давлением, а иногда под вакуумом производят в одиночных выпарных однокорпусных аппаратах.

Большим распространением пользуются многокорпусные выпарные установки, которые включают несколько соединенных друг с другом аппаратов (корпусов), работающих под давлением, понижающимся по направлению от первого корпуса к последнему. В таких установках можно применять вторичный пар, образующийся в каждом предыдущем корпусе, для обогрева последующего корпуса. При этом свежим паром обогревается только первый корпус. Это позволяет сэкономить значительное количество потребляемого свежего пара.

По методу ведения процесса различают периодическое и непрерывное выпаривание.

При периодическом выпаривании исходный раствор выгружают, а аппарат загружают новой порцией исходного раствора. Используют лишь в производствах малого масштаба или для упаривания растворов до высоких конечных концентраций.

При непрерывном выпаривании непрерывно подводят греющий пар и начальный раствор, а непрерывно отводят сгущенный раствор, вторичный пар и конденсат греющего пара. Применяют при выпаривании крупнотоннажных продуктов.

Особенности процессов отделение продукта