Екстрагування

Екстрагуванням називається витягнення із складної твердої або рідкої речовини одного або декількох його компонентів за допомогою розчинника, який має вибіркову розчинність.

Апарат для екстрагування називають екстрактором. В залежності від агрегатного стану розрізняють такі види екстрагування : тверда речовина – рідина та рідина – рідина.

В ряді харчових виробництв екстрагування є головним процесом. Це такі виробництва як виробництво цукру, рослинних олій, ефірних олій. Важливу роль відіграє процес екстрагування у виробництві вина, пива, крохмалю, розчинних кави та чаю.

Для системи рідина – рідина прийнятий термін екстракція. Екстракція також часто використовується при виробництві спирту, вина, рослинних олій, молочної кислоти, антибіотиків тощо. При екстракції рідини не повинні розчинятися одна в одній і після екстракції повинні легко відділятися декантацією або перегонкою.

Ми зупинимося на технологічному процесі екстрагування в системі тверда речовина – рідина.

Швидкість екстрагування, як і будь-якого процесу харчових технологій, прямо пропорційна рухомій силі процесу і зворотно пропорційна дифузійному опору. Для збільшення рухомої сили процесу екстрагування необхідно використовувати протитечій ний спосіб руху фази, вести процес при оптимальних значеннях відношення маси твердої сировини і розчинника; температури і ступеню подрібнення матеріалу. Ці фактори є основою при проектуванні апаратів для екстрагування і виборі технологічних умов проведення процесу.

Апаратура для проведення безперервного процесу екстрагування з твердих речовин

В харчовій промисловості використовують різні типи екстракторів. Їх можна класифікувати за різними ознаками. Найбільш загальна класифікація базується на конструктивних ознаках: колонні, шнекові, стрічкові, ротаційні. Екстракція в цих апаратах може виконуватись двома основними способами: шляхом занурення матеріалу, що екстрагується, в розчинник, який рухається в умовах протитечії, або багатотоступеневого зрошення розчинником в умовах відносної протитечії, коли рухається розчинник, а матеріал, що екстрагується, залишається у стані спокою на стрічці, яка рухається, в ковші, в секції ротору. Інші способи екстракції застосовуються рідше.

Роздивимося основні типи екстракторів безперервної дії, які використовуються в двох багатотоннажних харчових виробництвах: виробництво цукру та рослинної олії.

На цукрових заводах екстрактори мають назву – дифузійні апарати. Основні типи цих апаратів – колонний дифузійний апарат та нахилений шнековий дифузійний апарат; рідше використовують інші конструкції.

Колонний дифузійний апарат зображений на рисунку 15.1.

Рисунок 15.1 – Екстракційний апарат колонного типу з лопатним транспортером

Суміш цукробурякової стружки і соку з температурою 75⁰С (готується в підігрівачі) подається насосом в нижню частину колони і переміщується назустріч воді за допомогою валу з гвинтоподібно розміщеними лопатями. Нерухомі лопаті закріплені всередині корпусу між рухомими і перешкоджають обертанню маси частинок разом з валом. Знецукрена стружка (жом) вивантажується з апарату та зневоднюється на шнекових жомовідділювачах. Підігріта до 72⁰С свіжа і жомопресова вода подається в верхню частину апарату. Дифузійний сік відбираються з нижньої частини апарату.

Колонні дифузійні апарати мають такі недоліки: високий відбір соку (125-130% від маси буряку), використання додаткових теплообмінників і насосів для підігрівання і відкачування продукту, висока чутливість до якості стружки.

Двохшнековий нахилений екстрактор зображений на рисунку 15.2.

Рисунок 15.2 – Двохшнековий нахилений екстрактор

Апарати такого типу – це нахилені корпуси, встановлені під кутом 11%, з сорочкою на зовнішній поверхні для обігрівання апаратів парою. Всередині корпусу розміщені шнеки, що обертаються назустріч один одному. Витки шнеків частково заходять один за одного, що запобігає обертанню частинок разом зі шнеками. Перед нижньою торцевою стінкою знаходиться сито. Апарат умовно поділяється на 6 секцій. Суміш соку та бурякової стружки поступає в нижню частину апарата і переміщується шнеками до верхньої частини. Тут подається і свіжа вода. Для видалення твердих частинок (жому) з апарату є колесо з черпаками. Необхідна температура (70⁰) забезпечується за рахунок парових камер. Час знаходження стружки в екстракторі – близько 60 хвилин.

Двохшнекові нахилені апарати широко використовуються в промисловості. Вони мають меншу металоємність, займають менший об’єм приміщення, мають меншу вартість у порівнянні з іншими екстракторами. Найбільший недолік – нерівномірне прогрівання стружки у поперечному перерізі апарата.

Екстракцію рослинних олій ведуть способами занурення матеріалу в розчинник, який рухається навпроти його, та зрошення матеріалу розчинником.

За способом занурення працює вертикальний шнековий екстрактор (рисунок 15.3).

Рисунок 15.3 – Схема колонного екстрактора зі шнековим транспортером

В такому апараті процес відбувається протитечійним методом і безперервно, вся маса частинок постійно знаходиться в рідкій фазі. Весь внутрішній простір апарата використовується корисно. Апарат складається із завантажувальної колони, горизонтального шнеку та екстракційної колони. Всередині апарата встановлені перфоровані робочі шнеки, які приводяться у обертання через редуктор.

Переваги екстракції шляхом занурення – висока швидкість екстракції, невелика тривалість процесу, простота конструкції, високий коефіцієнт використання геометричного об’єму (до 95%). Це виключає можливість створення в екстракторі вибухонебезпечної суміші повітря та пари. До недоліків можна віднести низьку концентрацію кінцевої місцели (15–20%), високий вміст домішок в місцелі, великі габарити за висотою.

За способом ступінчастого зрошення працює горизонтальний стрічковий екстрактор (рисунок 15.4).

Рисунок 15.4 – Стрічковий екстрактор

Він являє собою прямокутну коробку 1 з листової сталі, всередині якої розміщений пластинчастий стрічковий транспортер 4. Зверху пластини обтягнуті сітками з комірками розміром 0,8 мм. Вихідна сировина поступає на транспортер через завантажувальний бункер 3. Верхня робоча частина стрічки транспортера умовно поділена на 8 зон зрошення. Під верхньою частиною стрічки встановлені збірники для рециркуляційної місцели. Нижня частина стрічки – неробоча. Ця частина сітки стрічки очищується від часинок матеріалу, що екстрагується і промивається місцелою. Подача місцели на рециркуляцію здійснюється двома блок-насосами 5. Спочатку матеріал, що екстрагується, зрошується місцелою, концентрація якої зменшується, а потім чистим розчинником, який подається через форсунки. Місцела або розчинник при проходженні через шар матеріалу екстрагують з нього олію та стікають в збірник, який розміщений під цією зоною. Місцела і матеріал рухаються назустріч. Місцела просувається до виходу з екстрактора, зрошуючи при цьому в останній зоні олійний матеріал, який подається на екстракцію, і у вигляді міцної місцели відправляється на подальшу переробку.

Конструкція апарата складна, металомістка, не забезпечує доброго використання об’єму апарата. Процес екстракції досить тривалий, можливо утворення вибухонебезпечної суміші розчинника і повітря всередині апарата.

За принципом зрошення працюють ковшові екстрактори (рисунок 15.5).

Рисунок 15.5 – Вертикальний ковшовий екстрактор

За конструкцією ковшові екстрактори поділяються на вертикальні і горизонтальні. У екстракторів цього типу є ковші з перфорованим днищем, які закріплені на стрічці, що безперервно рухається. Матеріал завантажується через завантажувальний пристрій 3, в верхній ківш ряду, який опускається, і зрошується розчинником, який частково збагачений речовиною, що екстрагується, після проходження через ряд ковшів, що підіймаються. Після проходження через частинки в ковші розчинник (або місцела) поступає в наступний ківш. Таким чином, в ряді ковшів, що опускаються, відбувається прямоточний процес. З останнього ковша цього ряду відбирається готовий екстракт.

Верхній ківш ряду, що піднімається, зрошується зверху чистим розчинником, таким чином в цьому ряду процес протитечійний. Рідина, яка пройшла через останній ківш цього ряду, спрямовується в верхній ківш ряду, що опускається.

Горизонтальні ковшові екстрактори працюють за тим же принципом, що і стрічкові: групи ковшів зрошуються рідиною, яка збирається в збірник під ковшами і спрямовується на наступне зрошення за протитечійною схемою.

Хоча ковшові екстрактори мають більшу продуктивність, ніж стрічкові, але вони мають ті ж недоліки: порушення протитечії, великі габарити погане використання об’єму апарата, вибухонебезпечність.

Найбільш досконалим типом екстрактора у наш час є роторний карусельний екстрактор. Це камерний протитоковий апарат, який працює за принципом багатоступінчастого зрошення матеріалу, що екстрагується, в режимі затопленого слою. Існують екстрактори в одно- та двохярусному варіанті.

Одноярусний екстрактор (рисунок 15.6) складається з циліндричного непроникного для газів корпусу 4, ротору 9, перфорованого (щілинного) днища 5, місцелозбірників 14, завантажувального і розвантажувального пристроїв, насосів, що перекачують місцелу 1–3.

Рисунок 15.6 – Одноярусний ротаційний карусельний екстрактор

Ротор складається із зовнішньої 6 та внутрішньої 8 обичайок, які створюють кільцевий простір, розділений радіальними перегородками 7 на секції або камери. Днище екстрактора нерухоме, воно складається з щілинних елементів, які розміщені концентрично; зроблені ці елементи з дроту трапецієвидного перерізу і створюють щілини шириною 0,8 мм зверху і 1,5 мм знизу. Днище 5 має секторний виріз, через який знежирений матеріал (шрот) виводиться з екстрактора. Після вивантаження шроту сектор заповнюється новою партією матеріалу, що екстрагується. Зрошення свіжого матеріалу проводиться концентрованою місцелою, яка після зрошення виводиться з апарату на подальшу переробку.

Нижня частина екстрактора (під щілинним днищем) розділена вертикальними радіальними перегородками, створюючи збірники (рисунок 15.7).

Рисунок 15.7 – Схема руху місцели в роторному карусельному екстракторі

З місцелозбірників місцела насосами подається на зрошення матеріалу, що рухається протитоком. Чистий розчинник поступає в останню за рухом матеріалу секцію і вимиває залишки олії перед вивантажуванням шроту.

Матеріал, що екстрагується розміщується у вигляді шару висотою 1–1,8 м. Під час повільного обертання ротору (одне обертання 35–208 хвилин) матеріал зрошується місцелою, концентрація якої зростає за сім ступенів зрошення. Робота насосів відрегульована таким чином, що над матеріалом, що екстрагується завжди знаходиться невеликий шар місцели або розчинника. Режим роботи екстрактора дискретний – спочатку зрошення матеріалу, потім стікання місцели.

Екстрактори періодичної дії використовуються в тих галузях харчової, м’ясної і молочної промисловості, де виробляються невеликі партії продуктів різного асортименту.

До основних типів екстракторів періодичної дії відносяться реактори з механічним або пневматичним перемішуванням, перколятори (дифузори) з нерухомим шаром твердих частинок, апарати з киплячим шаром.

Реактор – це посудина циліндричної форми з плоским або конічним днищем. В нього засипається матеріал, що екстрагується, заливається розчинник і, при перемішуванні, відбувається екстрагування на протязі певного часу.

Перколятор (дифузор) – циліндричний апарат з конусними верхньою і нижньою частинами. Знизу встановлена решітка, яка підтримує шар твердого матеріалу, який завантажується через верхній люк. Екстракція проводиться розчинником, що циркулює через шар частинок за допомогою насоса. Такі перколятори в разі необхідності об’єднуються в групи. Для створення визначеного температурного режиму екстракції застосовуються теплообмінники. Використовувати одиничні перколятори доцільно в тому разі, якщо процес відбувається на протязі тривалого часу, а також при отриманні екстрактивних речовин в невеликих кількостях, але багатьох найменувань.

Найбільш ефективними серед діючих екстракторів є апарати з киплячим шаром. Для забезпечення низьких температур екстрагування (30–60⁰С) кипіння в них здійснюють під вакуумом. Пара, що утворилася, конденсується в холодильнику і знов повертається в екстрактор. Завдяки кипінню покращується масообмін біля поверхні розділу фаз.

За конструкцією апарат з киплячим шаром має багато спільного з вертикальним апаратом для випарювання періодичної дії. Для нагрівання є парова сорочка; крім того апарат має люки для завантажування і вивантажування твердого матеріалу, а також в склад установки входить конденсатор (холодильник) і вакуум-насос.