TEHNOLOŠKE OPERACIJE

Predavanje 14

Destilacija je tehnološka operacija razdvajanja tečnih supstanci naosnovu razlike u tački ključanja

Najranija primena destilacije je povezana sa proizvodnjom alkoholnihpića i etarskih ulja iz prirodnih preparata

Prilikom zagrevanja smeše tečnosti A i B, nastaje gasovita faza koja jeu ravnoteži sa tečnom fazom

Gasovita faza je bogatija isparljivijom komponentom, a tečna fazamanje isparljivom

Na ovaj način ne dolazi do potpunog razdvajanja. Da bi se razdvajanjepoboljšalo, potrebno je obogaćenu gasovitu fazu kondenzovati, a zatimtaj kondenzat ponovo destilovati

Svakim ponavljanjem se dobija gasovita faza koja je više obogaćenaisparljivijom komponentom. Ovakav postupak se naziva frakcionadestilacija

Osnovni prateći efekti hidrodestilacije su:

hidrodifuzija (difuzija supstancija i vruće vode kroz membrane biljnihćelija)

hidroliza nekih supstancija

termička destrukcija nekih supstancija

Da bi se dobili veći prinosi i visok kvalitet proizvoda, potrebno je poštovatisledeća pravila:

što je moguće niža temperatura hidrodestilacije

u slučaju vodeno-parne destilacije potrebno je prisustvo dovoljnekoličine vode u sistemu, da bi se ubrzala difuzija

izbegavati ekstremno usitnjavanje biljne sirovine, što u slučajudestilacije vodenom parom rezultuje stvaranjem kanala kroz masubiljnog materijala, pri čemu se smanjuje efikasnost destilacije zbognjegovog lošeg kontakta sa vodenom parom

Raoult-ov zakon:parcijalni pritisak pare bilo koje komponente ppa jednak jeproizvodu napona pare čiste komponente pa i molskog udelakomponente Xa u tečnoj smeši

aapa xpp

Dalton-ov zakon:ukupan pritisak smeše gasova jednak je zbiru njihovih parcijalnihpritisaka

...)1(... abaapnpbpa xpxppppp

Kinetika destilacije vodom etarskog ulja izherbe baštenske žalfije (Salvia officinalis)

Rektifikacija je tehnološka operacija kojom se tečna smeša višeputa delimično isparava, a dobijene pare kondenzuju

Vrši se u rektifikacionoj koloni višekratnim kontaktom pare i tečnesmeše

Pri svakom kontaktu kondenzuje deo uglavnom teže isparljivekomponente iz pare, a iz tečne smeše isparava uglavnom deo lakšeisparljive komponente

Tako se povećava molski udeo lako isparljive komponente u pari inakon dovoljnog broja kontakata pare i tečne smeše dobije setraženi udeo lakše isparljive komponente (ili komponenti) u pari kojase na vrhu kolone odvodi u deflegmator

Deo kondenzata se vraća iz deflegmatora kao flegma –refluks L u kolonu za škropljenje (kontakt sa parom) a drugi deo se odvodi kao rektifikant – destilat D

Ostatak u rektifikacionom kotlu W – uglavnom teže isparljive komponente (ili komponenta)

Kontinualno i diskontinualno

Svaki pod kolone vrši ulogu destilacionog kotla i kondenzatora

Podovi sa otvorima na podu – para u obliku malih mehurića prolazikroz otvore na podu i sloj flegme na podu

Pritisak pare je dovoljno veliki da sprečava prolaz flegme kroz otvorena podu tako da se i kod ovih kolona flegma preliva kroz prelivnecevčice ugrađene u podu

Radi pojednostavljenja

regulacije kolone

deflegmator se postavlja

bliže dnu kolone a flegma

se pumpom vraća u kolonu

Rektifikacioni kotao može

biti ispod ili pored kolone

Idealni pod je pojam koji upućuje da se para, koja saprethodnog poda ulazi u flegmu na narednom podu, do te merepromeša sa flegmom da se sa poda izdvaja para koja imaravnotežni sastav sa flegmom koja napušta pod

Jednačina pravaca pojačavanja i iscrpljivanja

Molski protok sirovine S (mol/s) je:

gde je

D - molski protok polazne smeše

W - molski protok rektifikata

XS, XD, XW - molski udeli lakše isparljive komponente u polaznojsmeši, rektifikatu i ostatku u rektifikacionom kotlu (molA/mols)

(mol/s) WDS

)( mol/sXWXDXS WDS

Jednačina pravca pojačavanja (molski udeo lakšeisparljive komponente u pari koja se podiže sa (n+1)-og poda kolone):

Obično se prikazuje u drugom obliku:

Odnos molnog protoka flegme L i rektifikata D naziva seflegmovni broj:

Deljenjem sa D dobija se:

dn

nn

nn X

V

DX

V

LY

1

1

dn

nn

nn X

DL

DX

DL

LY

1

D

LR '

)( 1'

1

1'

'1 sAdnn /molmolX

RX

R

RY

Jednačina pravca iscrpljivanja (molski udeo lakšeisparljive komponente u pari koja se podiže sa m-togpoda kolone iscrpljivanja):

Wm

mm

mm X

WL

WX

WL

LY

11

1

1

U praksi se koriste tri tehnike hidrodestilacije za dobijanje etarskih ulja:

destilacija vodom

destilacija vodom i vodenom parom

destilacija vodenom parom

Ekstrakcija je tehnološka operacija potpunog ili delimičnograzdvajanja komponenata smeše koje imaju različitu rastvorljivost urazličitim rastvaračima

Ekstrakcija se obavlja u ekstraktorima

Supstanca koja se ekstrakcijom izdvaja iz smeše, prelazi u rastvor

Za izdvajanje te supstance u čistom obliku, dobijeni rastvor trebaupariti ili izvršiti kristalizaciju

Uspešnost ekstrakcije tečno-tečno zavisi od performansi ekstrakcionoguređaja, ali i od performansi dopunskih uređaja kojima se vrširegeneracija rastvarača, transport produkata, mešanje struja,obezbeđivanje energije za sve operacije. Pri proceni ukupnih troškovaekstrakcije uzimaju se u obzir troškovi rada svih ovih uređaja.

Metod razdvajanja za vreme ekstrakcije čvrsto-tečno zavisi od sadržajarastvorene komponente, njene raspodele unutar čvrste faze, prirodečvrste faze, veličine čestica čvrste faze.

Ima primenu u prehrambenoj, farmaceutskoj i hemijskoj industriji:ekstrakcija šećera iz repinih rezanaca, dobijanje ulja iz uljarica,ekstrakcija aktivnih sastojaka iz lekovitog bilja, dobijanje organskihboja ...

Ekstrakcija rastvaračima zasniva se na upotrebi rastvarača različitepolarnosti. Od polarnih se koristi voda, glicerol i metanol, od manjepolarnih etanol, propanol, butanol i aceton, a od nepolarnih hloroform,benzen, dietiletar, ugljentetrahlorid, petroletar i drugi.

Maceracija (jednostepena ekstrakcija) izvodi se u uređajima koji imajuperforirano dno ispod kojeg je smešten barboter za direktno uvođenjepare za uklanjanje rastvarača koji zaostaje u drogi, odvod za parerastvarača, ispusni otvor za rastvarač i otvor za punjenje drogom ipražnjenje.

Osim ovog postupka, koriste se i remaceracija (dvostruka maceracija),digestija (maceracija pri temperaturi od 50 °C) i perkolacija (rastvaračprotiče kroz stub droge odozgo naniže).

Prema najjednostavnijem mehanizamu, proces ekstrakcije ekstraktivnihmaterija iz biljne sirovine odigrava se kroz dve faze:

ispiranje (brza ekstrakcija), kada neposredno po potapanju biljnogmaterijala u rastvarač dolazi do brzog spiranja i rastvaranja ekstraktivnihmaterija iz biljnih ćelija koje se nalaze na površini čestica biljnogmaterijala i čija brzina zavisi uglavnom od njihove rastvorljivosti urastvaraču i hidrodinamičkih uslova u suspenziji

unutrašnja difuzija (spora ekstrakcija), kada dolazi do prenosa maseekstraktivnih materija iz nerazorenih ćelija u unutrašnjost čestica biljnogmaterijala prema rastvoru; ovaj prenos mase kroz čestice biljnogmaterijala, natopljenog rastvorom, i graničnog sloja rastvora oko čvrstihčestica vrši se difuzijom

Faktori koji utiču na brzinu ekstrakcije:

Veličina čestica:

Smanjenjem veličine čestica povećava se njihova aktivna površina, tj.međufazna površina čvrsto-tečno.

Rastvarač:

Mora biti selektivan i sa optimalnim viskozitetom da bi cirkulacija usistemu čvrsto-tečno bila zadovoljavajuća. U početnoj fazi ekstrakcijeobično se koristi čist rastvarač. Vremenom koncentracija rastvorka urastvaraču raste, pa se brzina ekstrakcije progresivno smanjuje.Viskozitet rastvora se povećava.

Temperatura:

Rastvorljivost rastvorka se povećava sa povećanjem temperature, tj.raste i brzina ekstrakcije.

Mešanje:

Koeficijent vrtložne difuzivnosti se povećava sa povećanjem intenzitetamešanja. Intenzivno mešanje sprečava sedimentaciju finih česticačvrste faze.

Postupak ekstrakcije:

Smeša se uvodi u ekstraktor uz dodatak čistog rastvarača

Dolazi do difuzije između faza (materija i rastvor do određenekoncentracije)

Rastvor se odvodi u destilator i izdvaja rastvarač

Pare rastvarača se odvode u kondenzator

Kondenzat se prihvata u spremnik odakle ulazi ponovo u ekstraktor

Uređaji za ekstrakciju:

Ekstraktori sa mešalicom

Ekstraktori difuzori

Ekstraktori sa korpama

Rotacioni ekstraktori

Nadkritična ekstrakcija

Ultrazvučna ekstrakcija

Mikrotalasna ekstrakcija

Šematski prikaz horizontalnog perforiranog ekstraktora

Šematski prikaz višestepenog protivstrujnog šarznog ekstraktora

Sematski prikaz centrifugalnog ekstraktora

Za matematičko opisivanje kinetike ekstrakcije preporučuju se sledećimodeli:

Model zasnovan na teoriji filma

gde je:

c - aktuelna koncentracija rastvora

cs - koncentracija zasićenog rastvora

b - koeficijent ispiranja

k - koeficijenta spore ekstrakcije

tkbc

c

s

)1ln(1ln

Prinos ekstraktivnih materija dunje (ci, g/dm3) u lozovoj rakiji u zavisnosti od vremena ekstrakcije (t, h)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

ci, g

/dm

3

Vreme t, h

broj

tačaka 3

r 1,000

a -0,571

EXP(a) 0,565

b 0,435

k, min-1 0,003

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

ln(1

-ci/cs),

1

Vreme t, h

koeficijent ispiranja (b)

koeficijent spore ekstrakcije (k)

Model zasnovan na nestacionarnoj difuziji u biljnoj sirovini

gde je:

q0 - sadržaj ekstraktivnih supstanci u biljnoj sirovini na početku

q - sadržaj ekstraktivnih supstanci u biljnoj sirovini nakon određenog vremena ekstakcije

b` - koeficijent ispiranja

k` - koeficijent spore ekstrakcije

tkbq

q ''

0

)1ln(ln

0 10 20 30 40 50 60 70 80

4

6

8

10

12

14

16

18

20

qi, g

/10

0 g

Vreme t, h

Sadržaj ekstraktivnih materija u dunji qi, (g/100 g) u zavisnosti od vremena ekstrakcije (t, h)

broj

tačaka 3

r 1,000

a -0,845

EXP(a) 0,429

b 0,571

k, h-1 0,006

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-1.4

-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

ln(q

i/q

0),

1

Vreme t, h

koeficijent ispiranja (b)

koeficijent spore ekstrakcije (k)

Opasnost za zdravljeOpasnost od zapaljivanja

Nestabilnost - reaktivnost

Zabranjen dodir sa vodom

RadioaktivnoW

0-4 Stepeni opasnosti

Ostala upozorenja

Naziv hemijske

materije

Hemijska formula

Dijamant

opasnosti

Granice

eksplozivnosti

(vol%)

- donja

- gornja

Sredstvo za

gašenje

Etanol

C2H5OH 0 00

3

- 3,5

- 15,0

- Suve hemikalije

- CO2

- H2O

Metanol

CH3OH 1 00

3

- 7,3

- < 44,0

- Suve hemikalije

- CO2

- H2O

Aceton

CH3COCH3 1 00

3

- 2,6

- 13,0

- Suve hemikalije

- CO2

Etilacetat

CH3COOC2H5 1 0

3

- 2,1

- 11,5

- Suve hemikalije

- CO2

- HL

Sirćetna kiselina

CH3COOH 2 1

2

- 4,0

- 17,0

- Suve hemikalije

- CO2

- H2O

1,4-Dioksan

C4H8O2

2

3

1

- 1,7

- 25,2

- Suve hemikalije

- CO2

- H2O

VAŽNO !!!

Destilacija je tehnološka operacija razdvajanja tečnih supstanci naosnovu razlike u tački ključanja

Raoult-ov zakon:parcijalni pritisak pare bilo koje komponente ppa jednak jeproizvodu napona pare čiste komponente pa i molskog udelakomponente Xa u tečnoj smeši

aapa xpp

Dalton-ov zakon:ukupan pritisak smeše gasova jednak je zbiru njihovih parcijalnihpritisaka

...)1(... abaapnpbpa xpxppppp

Rektifikacija je tehnološka operacija kojom se tečna smeša višeputa delimično isparava, a dobijene pare kondenzuju

U praksi se koriste tri tehnike hidrodestilacije za dobijanje etarskih ulja:

destilacija vodom

destilacija vodom i vodenom parom

destilacija vodenom parom

Ekstrakcija rastvaračima zasniva se na upotrebi rastvarača različitepolarnosti. Od polarnih se koristi voda, glicerol i metanol, od manjepolarnih etanol, propanol, butanol i aceton, a od nepolarnih hloroform,benzen, dietiletar, ugljentetrahlorid, petroletar i drugi.

Maceracija (jednostepena ekstrakcija) izvodi se u uređajima koji imajuperforirano dno ispod kojeg je smešten barboter za direktno uvođenjepare za uklanjanje rastvarača koji zaostaje u drogi, odvod za parerastvarača, ispusni otvor za rastvarač i otvor za punjenje drogom ipražnjenje.

Osim ovog postupka, koriste se i remaceracija (dvostruka maceracija),digestija (maceracija pri temperaturi od 50 °C) i perkolacija (rastvaračprotiče kroz stub droge odozgo naniže).

Ekstrakcija je tehnološka operacija potpunog ili delimičnograzdvajanja komponenata smeše koje imaju različitu rastvorljivost urazličitim rastvaračima

Opasnost za zdravljeOpasnost od zapaljivanja

Nestabilnost - reaktivnost

Zabranjen dodir sa vodom

RadioaktivnoW

0-4 Stepeni opasnosti

Ostala upozorenja

Naziv hemijske

materije

Hemijska formula

Dijamant

opasnosti

Granice

eksplozivnosti

(vol%)

- donja

- gornja

Sredstvo za

gašenje

Etanol

C2H5OH 0 00

3

- 3,5

- 15,0

- Suve hemikalije

- CO2

- H2O

Metanol

CH3OH 1 00

3

- 7,3

- < 44,0

- Suve hemikalije

- CO2

- H2O

Aceton

CH3COCH3 1 00

3

- 2,6

- 13,0

- Suve hemikalije

- CO2

Etilacetat

CH3COOC2H5 1 0

3

- 2,1

- 11,5

- Suve hemikalije

- CO2

- HL

Sirćetna kiselina

CH3COOH 2 1

2

- 4,0

- 17,0

- Suve hemikalije

- CO2

- H2O

1,4-Dioksan

C4H8O2

2

3

1

- 1,7

- 25,2

- Suve hemikalije

- CO2

- H2O