Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 1

OPREMA ZA USITNJAVANJE u BIOTEHNOLOGIJI podela 1: MAŠINE i / ili APARATI

podela 2: prema metodi koja se koristi da bi se postiglo usitnjavanje čestica

U većini mašina i aparata za usitnjavanje javljaju se kombinovani efekti, s tim da je jedan od njih dominantan.

Oprema za usitnjavanje granulata, biljaka i drugih čvrstih oblika u BIB se obično sastoji od: - dela u kome se vrši punjenje materijalom - HRANILICA

- dela u kome se vrši mlevenje

- dela koji prihvata usitnjeni materijal – PRIJEMNIK

Veoma često potrebni su i dodatni elementi opreme, npr.

klasifikatori čestica, duplikator zbog hladjenja hladnom vodom,

zaštita od prašenja ! ! !

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 2

Prema veličini komada koji se posle usitnjavanja želi postići, razlikuje se:

- grubo drobljenje

- srednje drobljenje

- sitno drobljenje

- mlevenje

- fino mlevenje

- koloidno mlevenje

bitna veličina je stepen sitnjenja: n = D / d

1. OPREMA za usitnjavanje koja radi na principu SEČENJA MLIN za sečenje – mlin SEKAČ je sastavljen od niza noževa koji su postavljeni najčešće na horizontalnom rotoru koji se okreće unutar kućišta koje na svojoj unutrašnjoj strani nosi nepokretne noževe. regulacija usitnjavanja se postiže promenom rastojanja između pokretnih i nepokretnih noževa (najčešće ne manje od 2 mm) Izmedju dela u kome se vrši mlevenje – usitnjavanje i prijemnika samlevenog materijala postavlja se SITO.

PRIMENA: za grubo usitnjavanje materijala: suvi granulati i vlaknaste sirove (korenje bilja)

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 3

2. OPREMA za usitnjavanje koja radi na principu PRITISKA (KOMPRESIJE)

- MLIN / DROBILICE sa valjcima: dva horizontalna valjka koji se obrću oko paralelenih horiz. osa

često: POGON obrtanja na DVA ili jednom VALJKU

Tokom MLEVENJA PRITISAK u radijalnom pravcu

PRIMER: USITNJAVANJE SLADA

Usitnjavanjem (drobljenjem) slada ostvaruju se preduslovi za procese

rastvaranja prilikom komljenja.

Za usitnjavanje slada koriste se

DROBILICE / MLINOVI (MAŠINE, UREĐAJI)

Razlikuju se MAŠINE sa 2, sa 4, i sa 6 valjaka,

kao i MAŠINE za SUVO usitnjavanje, i mašine koje koriste MOKRI postupak

pri usitnjavanju.

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 4

MAŠINE koje se koriste za SUVO drobljenje i mlevenje su, po pravilu,

drobilice/mlinovi sa 6 valjaka, kod kojih PRVI PAR VALJAKA gnječi

pojedinačna zrna slada samo toliko, da plevica napukne tako, da se to jedva

može primetiti golim okom.

Ovi se valjci, stoga, nazivaju valjcima za prethodno gnječenje. Oni se

postavljaju na odstojanju od 1,3 do 1,5 mm.

Nakon DRUGOG PARA VALJAKA, koji se postavljaju na odstojanju od 0,7

do 0,9 mm, otpada plevica. Saglasno tome, ovi se valjci nazivaju plevičnim

valjcima.

Na TREĆEM PARU VALJAKA, koji se postavljaju na odstojanju od 0,25 do

0,4 mm, preostala gruba krupica usitnjava se do fine krupice, pa se ovi valjci

nazivaju krupičnim valjcima.

U ovim mašinama, gornji par valjaka je obično glatke površine, dok

su donji parovi NAZUBLJENI.

Nazubljenje se obično obavlja putem narezivanja

Po pravilu, nazubljenja imaju jednu dužu i jednu kraću ivicu, koje se često

nazivaju zub i leđa. Na obimu valjaka ima 600-900 zubaca.

Njihova periferna brzina je oko 2,5 m/s kod gornjeg (srednjeg) para, a oko 4 m/s kod

donjeg para valjaka.

Prilikom ugradnje (MONTAŽE MLINA) treba posebno obratiti pažnju da

POGONSKI valjak bude postavljen tako, da zub bude u smeru kretanja valjka

(SLIKA !). Obrnuto važi za gonjeni (drugi u paru) valjak.

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 5

Nazubljeni valjci za usitnjavanje slada

POSTUPAK MOKROG DROBLJENJA

Još 1886. godine, pivarski majstor Lipps iz Drezdena dobio je patent za rešenje

da se slad moči pre drobljenja. Ovim PLEVICA POSTAJE ELASTIČNIJA

pa se prilikom drobljenja manje razara; zahvaljujući tome, olakšava se protok

sladovine i vode.

Bleisch: prilikom prerade slabo razgrađenog slada mokro drobljenje nema

nikakvih prednosti, nego je čak i negativno.

U savremenoj pivarskoj industriji se, medutim, koristi veliki broj

drobilica/mlinova za postupak mokrog drobljenja.

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 6

Pri izboru postupka usitnjavanja SLADA , potrebno je imati u vidu sledeće:

Troškovi nabavke

Potrošnja energije

Ujednačenost močenja

Kontrola rada mašina za suvo ili mokro usitnjavanje slada

Rastojanje između valjaka

Transport komine

Kvalitet usitnjavanja

Suvo drobljenje omogućava brižljivo usitnjavanje, pri čemu dolazi istovremeno

do manjeg ili većeg razbijanja plevice.

Kod mokrog drobljenja prethodno navlažena i, zahvaljujući tome, elastičnija

plevica održava se bolje, ali ne postoji mogućnost zasebne obrade pojedinih

delova endosperma.

Korišćenje prednosti oba ova postupka

obezbeduje tzv. kondicioniranje slada.

Nanošenjem samo male količine vlage na površinu zrna slada plevica

postaje elastična i odvaja se kao kod postupka mokrog drobljenja gotovo

bez razaranja , tako da stvara filtracioni sloj.

Voda, međutim, ne treba da istovremeno prodre u unutrašnjost

endosperma jer bi u tom slučaju i on postao elastičan, pa bi se takode

slabije usitnjavao !

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 7

3. OPREMA za usitnjavanje koja radi na principu UDARA

MLIN čekićar

horizontalno postavljeni rotor unutar nepoktretnog kućišta na rotoru su pričvršćene čelične (najčešće) ploče koje imaju ulogu

udarača – ČEKIĆA

osim ravnih ploča koriste se i ploče u obliku slova T

ploče – čekići mogu biti fiksirani u odnosu na rotor – kreću se zajedno sa rotorom ili poktretne u odnosu na rotor, tako da kada rotor miruje one vise, a tokom obrtanja zauzimaju radijalan položaj brzine obrtanja rotora velike (> 1000 o/min)

Sito je izloženo velikom pritisku tokom rada izbegava se pletena žica koriste se metalna perforirana sita

Ovi mlinovi se mogu koristiti za skoro sve tipove usitnjavanja sa različitim stepenim sitnjenja: n = D / d

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 8

- moguće je postizanje precizne kontrole veličine čestica dobijenog

praška

- primena za mlevenje voma različitog materijala

- primena za mlevenje krupnijih čestica, sitnijih čestica i vrlo sitnih čestica

(20-40µm)

- moguća primena i za operacije vlažne granulacije

(čekići su tada u obiku oštrih noževa)

- postoje i konstrukcijska rešenja sa komorom – duplikatorom u kome

struji hladna voda (pogodno za usitnjavanje termolabilnih materijala, jer se

neutrališe toplota koja se razvija tokom usitnjavanja)

- za aseptično usitnjavanje mogu se koristiti lako sklopiva/rasklopiva

rešenja mlinova gde se pojedini delovi mogu sterilisati

- lako se instaliraju, puštaju u rad, jednostavno se čiste

- zbog velikih brzina obrtanja, oslobadja se velika količina toplote,

što može negativno da deluje na usitnjeni proizvod

- pri ustnjavanju veoma abrazivnih materijala, može doći do oštećenja delova mlina – sito !

DEZINTEGRATOR (MLIN sa PALICAMA)

princip rada: udar + trenje (dominantan udar) dva čelična diska: stator i rotor imaju na sebi udarne elemente – palice stator i rotor koncentrično postavljeni

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 9

udarno opterećenje usled obrtanja + trenje čestica + dug put čestica

VEOMA SITAN PRAH

teškoća: prašenje pri odvodu usitnjenog proizvoda

a) odvod u obliku levka zahteva da ceo mlin bude u oklopu

b) rešetka + ventilator zahtevaju hermetičko vezivanje za mlin

4. OPREMA za usitnjavanje koja radi na principu kombinacije UDARA i TRENJA

MLIN sa kuglama

Usitnjavanje koje objedinjuje metod udara i trenja čestica

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 10

horizontalno postavljen doboš - cilindar koji se obrće prečnik cilindra i preko 3 m (u laborat. uslovima i farmaceutskoj ind. manji prečnici) zapremina koju zauzimaju kugle: 30 – 50 % ukupne zapremine doboša materijal kugli: metal – čelik najčešće ili keramički materijali

ČESTO: kugle različitog prečnika VAŽNO: ne dostići kritični broj obrtaja (kritičnu ugaonu brzinu) (v. tehn. operacije !) - moguće je dobiti izuzezno fine čestice posle mlevenja - pogodan je za usitnjavanje veoma tvrdog i abrazivnog materijala

- mlevenje traje dugo - čišćenje opreme je složeno

KONIČNI MLIN sa kuglama

na mestu manjeg prečnika je pražnjenje

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 11

prednost korišćenja kugla različitog prečnika : prilikom obrtanja one

se razdvajaju po veličini, što omogućava progresivno finije usitnjavanje

Skraćenje VREMENA SITNJENJA: VIBRACIONI mlin

do 80% zapremine je popunjeno kuglama tokom mlevenja MLIN vibrira i NE obrće se na dnu mlina sito

- moguće je postići veoma finu usitnjenost praha, red veličine 5 µµµµm - efikasnost ovog mlina je veća u odnosu na obrtni mlin sa kuglama

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 12

OPREMA (APARATI) za usitnjavanje koja koristi

ENERGIJU FLUIDA

princip sitnjenja: UDAR + TRENJE STRUJNI MLIN (džet mlin, mikronizer)

koristi se energija fluida pod pritiskom (vazduh, inertan gas), brzina kretanja fluida i do 300 m/s PRINCIP RADA:

čestice koje se sitne udaraju o zidove mlina (1) i jedna o drugu (2) usled

velike kinetičke energije koju dobijaju od fluida (gasa) pod pritiskom

HRANILICA mlina: levak + injektor (ubrizgava čestice)

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 13

- nema pokretnih delova opreme

- fluid pod pritiskom se pri ulasku u strujni mlin hladi zbog

naglog širenja, što je povoljno pri usitnjavanju čvrstih formi

osetljivih na povišene temperature

- brzo sitnjenje do reda veličine i do 10 µµµµm

STRUJNI mlin sa ciklonskim SEPARATOROM

PRINCIP RADA: u ciklonskom separatoru se stvara vrtlog

veće čestice na dno separatora, manje čestice ostaju u struji vazduha sa

kojom zajedno izlaze i zadržavaju se na filtrima

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 14

5. OPREMA za usitnjavanje koja radi na principu TRENJA izazvanih velikim vrednostima smicajnih napona

KOLOIDNI MLIN je posebna vrsta mlina – homogenizatora

za dispergovanje čvrstih supstanci u tečnostima suspenzije emulzije

Propuštanjem viskoznih emulzija ili suspenzija kroz koloidni mlin dobijaju se veoma fine, sitne, ujednačene čestice. Princip rada stvaranje veoma velikih vrednosti smicajnih napona U fluidima (posebno viskoznim), napon smicanja ττττ u laminarnim slojevima je proporcionalan gradijentu brzine v po poprečnom preseku visine h

da bi se postigli laminarni uslovi strujanja, potrebno je da suspenzija (emulzija) prolazi kroz veoma male preseke !!

Geometrijski oblik prostora kroz koji struji fluid može biti različit,

dva osnovna elementa svakog koloidnog mlina su stator i rotor

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 15

Plauzonov koloidni mlin

periferna (obimna brzina diska 100 – 200 m/s)

štapovi na rotoru i statoru se mimoilaze na veoma malim rastojanjima

veliki naponi smicanja u tankim slojevima suspenzije (emulzije)

sitnjenje čvrste faze unutar fluida željena finoća mlevenja se postiže zatvorenim ciklusom

Koloidni mlin sa KONIČNIM ROTOROM

rastojanje izmedju zidova kućišta i rotora u obliku rotora može biti

i manje od 0.05 mm

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 16

oblik ovog mlina mu omogućava da se ponaša kao centrifugalna pumpa

kojom se usisava suspenzija

podešavanje zazora pomoću sistema sa mikrozavrtnjem

podiže se ili spušta vratilo koje na sebi nosi konični rotor uobičajeni brojevi obrtaja : 1000 – 3600 o/min snaga: 0.5 – 10 kW kapacitet: 400 – 6000 l/h

IZBOR OPREME za SITNJENJE

Pri izboru opreme (mašine / aparata) za operacije sitnjenja

potrebno je uzeti u obzir:

- osobine materijala koji se sitni: veličina čestica, oblik, vlažnost,

fizičke (mehaničke) i hemijske osobine

- kapacitet mlina

- nivo univerzalnosti mlina – da li je pogodan za vlažno i suvo

usitnjavanje, koja sita se mogu koristiti

- kontinualan rad ili rad sa prekidima

- kako se kontroliše (odvodi) prašina koja se stvara u radu (osim

kod koloidnog mlina)

- jednostavnost održavanja (čišćenje, zamena delova, opciono:

sterilizacija)

- dodatni uredjaji (delovi) koji se mogu koristiti na datom mlinu :

sistem za hladjenje, skupljači prašine, injektori bog punjenja

- ekonomski pokazatelji: cena opreme i održavanja, potročnja

energije, prostor koji oprema zahteva

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 17

RASPODELA KRUPNOĆA PROIZVODA SITNJENJA

Praškasti materijali dobijeni mehaničkim operacijama sitnjenja karakteriše

raspodela krupnoća koja u manjoj ili većoj meri odstupa u odnosu na normalnu Gausovu raspodelu definisanu zakonom:

Krive raspodele krupnoća proizvoda sitnjenja u realnom sistemu (mašini/aparatu) nemaju simetričnu formu (Gausovu), već su najčešće sa pozitivnim koeficijentom asimetrije.

odstupanje raspodela usitnjenog materijala od normalne raspodele

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 18

ENERGETSKI ASPEKT SITNJENJA

- DIREKTNI UTROŠAK ENERGIJE (TEHNIČKI KORISTAN)

- POSREDNI UTROŠAK ENERGIJE

Energetski aspekt procesa sitnjenja obuhvata:

- energiju koja se troši neposredno na odvijanje procesa usitnjavanja

materijala

- ukupnu energiju neophodnu za rad opreme (mašina/aparata) za

usitnjavanje

- odnos tehnički korisne i ukupno utrošene energije Mali deo ukupno utrošene energije se koristi za tehnički koristan rad – sitnjenje čvrstog materijala Gubici veliki : gubici u pogonskom sistemu tribomehanički sistem,

toplotni gubici, ! ! Količina energije potrebne za sitnjenje zavisi od:

1. osobina materijala koji se sitni: krupnoća, oblik, jednorodnost, tvrdoća, žilavost, čvrstoća, vlažnost . .

2. osobina mašina ili aparata koji se koriste za operacije sitnjenja: pogonska snaga, kapacitet, metoda stinjenja koja se koristi (dominantna), materijal i stanje površina radnih organa (noževi, čekići, palice)

3. parametara režima operacije sitnjenja

ANALITIČKE RELACIJE između energije i dimenzija polaznog i usitnjenog materijala predstavljaju tzv. energetske zakone sitnjenja.

teško uspostaviti češće: hipoteze sitnjenja Mlin sa kuglama, primer ekstremno nepovoljne raspodele ukupne energije (proračun)

Oprema u BIB – Prof. dr M. Rakin 19

Korišćena literatura:

M. Bobić, Mašine za mehaničke operacije, JDT, Kragujevac, 1994.

H. Petersen, Pivara i njena oprema, (prevod: S. Gaćeša), Jugoslovensko udruženje

pivara, Beograd, 1994.

R. Popović, M. Živojinović, Tehnološke mašine i uređaji - procesna proizvodnja,

ICIM, Kruševac, 1999.

M. Jovanović, Z. Đurić, Osnovi industrijske farmacije, Nijansa, Zemun, 2005.