XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

В современном мире существует множество способов разделения смесей. Все они имеют разную степень сложности. Одним из таких методов является экстракция. Экстрагирование сейчас широко распространена в производстве. Но этот процесс имеет свои преимущества и недостатки. К достоинствам относятся: высокая скорость технологического процесса, возможность сочетания с другими экологическими процессами, простота конструктивных решений устройств и безопасность их эксплуатации. Недостатками являются: низкая концентрация конечных примесей и высокое содержание примесей.

Экстракция -это процесс разделения, заключающийся в отделении вещества от матрицы. Общие примеры включают жидкостно-жидкостную экстракцию и твердофазную экстракцию. Распределение растворенного вещества между двумя фазами является равновесным состоянием, описываемым теорией разделения. Это основано на том, как именно определяемое соединение перемещается из исходного растворителя в экстрагирующий растворитель. Термин промывка может также использоваться для обозначения экстракции, при которой примеси извлекаются из растворителя, содержащего желаемое соединение.

В процессе экстракции один за другим протекают четыре простых процесса: проникновение растворителя в поры частиц сырья; растворение экстрагируемого вещества; перенос его внутрь частицы на ее поверхность; перенос с поверхности компонента в объем экстрагента. В конкретных случаях отдельные процессы могут отсутствовать или играть существенную роль.

В частности, первые две стадии процесса могут протекать быстрее по сравнению со вторыми двумя и поэтому их нельзя учитывать при анализе динамики процесса.

В технологии производства мяса, рыбы и других гетерогенных систем с твердой фазой используется так называемая обратная экстракция. Его смысл заключается в том, что система насыщается одним или несколькими компонентами путем введения их в нее в растворенном виде путем диффузии из окружающей среды. Примерами таких процессов могут служить приготовление пищи, маринование, копчение и др. в них соль или другой водный раствор, или сложный газ проникает глубоко в твердый пористый продукт, смешивается с консолидированными растворами, заполняющими их поры, и передает им часть своих растворенных веществ.

Однако технологическая реализация экстракции и обратного извлечения может существенно отличаться. В частности, процессы закачки растворов и массирования посола можно рассматривать как варианты осуществления обратной экстракции.

Инжектирование заключается во введении исходного пористого материала (мясо, рыба) в солевой раствор через шприц. Введенный раствор диффундирует наружу через пористый материал, и таким образом создаются условия для его ускоренного засоления или маринования.

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

Правильный выбор растворителя (экстрагента) является главным фактором, определяющим эффективность всего процесса экстракции. Он должен обладать селективной растворимостью, обеспечивать высокую скорость растворения, иметь низкую температуру кипения (легко перегоняется), быть чистым и гомогенным, чтобы не портить продукт, не оставлять запаха и не давать токсичных соединений с выделяемым веществом, не вызывать коррозии оборудования, быть пожаро - и взрывобезопасным, дешевым. В качестве экстрагентов используют спирт, фреон, Бутан, водно-спиртовую смесь, бензин, бензол, этилендихлорид, сжиженные газы и др.

Среди экстрагентов особую роль играют сжиженные газы: углекислый газ, 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 экстрагируемых веществ при относительно низких температурах, а также обеспечивают стерильность экстрактов, блокируя жизнедеятельность микроорганизмов. Они безопасны для человека и сравнительно недороги. Среди них углекислый газ занимает первое место по технологическим возможностям.

Управление процессом экстракции

Оптимизация хода экстракции ориентирована на увеличение его производительности. Для этого подбираются такие значения действующих факторов, которые ликвидируют воздействие разных негативных влияний. Этими факторами являются:

1.Температура.

С увеличением температуры коэффициент диффузии в твердых частицах возрастает. После превышения конкретной температурной степени физические характеристики частиц, оцениваемые согласно изменению их упругих свойств, меняются, или высокая температура негативно влияет на диффузию из частиц.

2. Размер частиц.

Их снижение существенно стимулирует извлечение. Но при небольших размерах частиц они имеют шансы "слипания" и в итоге эффективная поверхность контакта с экстрагентом способна уменьшиться до 20 ... 25 % или менее от общей площади внешней поверхности частиц. Перемешивание элементов разными методами, в том числе низкочастотными механическими колебаниями, организацией процесса в псевдоожиженном слое, ультразвуковыми колебаниями, электроимпульсными воздействиями, периодическим прессованием изделия, способствует в значительной степени предотвращению неблагоприятных эффектов "слипания".

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

Экстракция в жидкостно-жидкостных системах

В таких системах исходный раствор и растворитель, который растворяет высвобожденный компонент, вступают в контакт. Эти жидкости полностью или частично нерастворимы друг в друге и образуют две жидкие фазы. Экстракция подчиняется законам массопереноса, растворимости и межфазного равновесия.

Первым этапом процесса извлечения полезного компонента является собственно извлечение. Во время фактического извлечения необходимо обеспечить 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 был практически нерастворим в исходном растворе и хорошо распределялся в нем, обладал и характеризовался высокой селективностью растворения экстрагируемого продукта. При достижении равновесия в системе образуются две жидкости-экстракт, обогащенный выделяемым продуктом, и рафинат, обедненный им. Равновесное состояние характеризуется зависимостью концентраций экстрагируемого компонента в экстракте и рафинате. Эта зависимость основана на экспериментальных данных и обычно носит нелинейный характер.

Вторая стадия процесса экстракции заключается в разделении экстракта и рафината и экстракции экстрагированного вещества (регенерация растворителя). Для разделения фаз используют испарение экстрагента, гравитационное осаждение или центрифугирование, а для регенерации растворителя-дистилляцию или другие массообменные процессы.

Экстракционная установка

Установки жидкостной экстракции используются 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 испарительные и другие процессы). Широко распространенные установки, в том числе деструкционные стадии экстракции и зачистки.

Повторная экстракция обеспечивает не только регенерацию экстрагента на стадии экстракции, но и более глубокую очистку экстрагируемых веществ от примесей. В последние годы значительное внимание уделяется использованию в качестве экстрагентов в условиях, близких к критическим или сверхкритическим, веществ, которые обычно являются газами (углекислый газ, низшие углеводороды). Эти экстрагенты обладают уникальными растворяющими и селективными свойствами и легко регенерируются.

Процессы экстракции могут быть одностадийными. Такие установки, состоящие из одного основного аппарата-экстрактора, применяются в тех случаях, когда раствор в экстрагенте представляет собой готовый товарный продукт.

Методы экстракции

Дозированные одноступенчатые экстракции

Это обычно используется в небольших масштабах в химических лабораториях. Вполне нормально использовать разделительную воронку . Процессы включают DLLME и сразу органическое извлечение. После уравновешивания, фаза экстракта, содержащая желаемый раствор, отделяется для дальнейшей обработки.

Дисперсионная жидкостно-жидкостная микроэкстракция (DLLME)

Процесс, используемый для извлечения небольших количеств органических соединений из проб воды. Этот процесс осуществляется путем впрыскивания небольших количеств соответствующего экстракционного растворителя (C₂Cl₄) и растворителя-диспергатора (ацетона) в водный раствор. Полученный раствор затем центрифугируют для разделения органического и водного слоев. Этот процесс полезен при извлечении органических соединений, таких как хлорорганические и фосфорорганические пестициды, а также замещенных бензольных соединений из проб воды.

Прямая органическая экстракция

Смешивая частично органические растворимые образцы в органическом растворителе (толуол, бензол, ксилол), органические растворимые соединения растворяются в растворителе и могут быть отделены с помощью разделительной воронки . Этот процесс ценен в извлечении протеинов и специфически фосфопротеиновых и фосфопептидных фосфатаз.

Другим примером такого применения является извлечение аниса из смеси воды и 5% уксусной кислоты с помощью эфира, после чего анисоль войдет в органическую фазу. Затем эти две фазы будут разделены. Уксусная кислота затем может быть очищена (удалена) из органической фазы путем встряхивания органического экстракта с бикарбонатом натрия . Уксусная кислота реагирует с бикарбонатом натрия с образованием ацетата натрия , углекислого газа и воды.

Кофеин можно также извлечь от кофейных зерен и листьев чая используя сразу органическое извлечение. Фасоль или листья можно замачивать в этилацетате, который благоприятно растворяет кофеин, оставляя большую часть аромата кофе или чая, остающегося в исходном образце.

Многоступенчатые противоточные непрерывные процессы

Они обычно используются в промышленности для обработки металлов, таких как лантаноиды ; потому что факторы разделения между лантаноидами настолько малы, что требуется много стадий экстракции. В многостадийных процессах водный рафинат из одной экстракционной единицы подается в следующую единицу в качестве водного корма, в то время как органическая фаза перемещается в противоположном направлении. Следовательно, таким образом, даже если разделение между двумя металлами на каждой стадии невелико, общая система может иметь более высокий коэффициент дезактивации.

Для разделения лантаноидов были использованы многоступенчатые противоточные решетки. Для проектирования хорошего процесса коэффициент распределения должен быть не слишком высоким (>100) или слишком низким. Часто бывает так, что процесс будет иметь секцию для очистки нежелательных металлов от органической фазы и, наконец, секцию зачистки, чтобы получить металл обратно из органической фазы.

Экстракция самый распространенный метод разделения сырья, к которому относятся массирование, инжектирование. В настоящее время экстракция является самой безопасной и востребованной в пищевых технологиях.

Список использованной литературы:

Электронный учебно-методический комплекс дисциплины «Физическая и коллоидная химия: учебно-методический комплекс дисциплины». Боровская Л.В. Москва, 2010.

Электронный учебник физическая химия. Химическая термодинамика. Данилин В.Н., Шурай П.Е., Боровская Л.В. Краснодар, 2010.

Физколлоидная химия (электронный учебно-методический комплекс) Боровская Л.В.

Международный журнал экспериментального образования. 2009. № 4. С. 9-10.

Код для цитирования: Скопировать