Élelmiszertechnológia alapjai Fizikai Transzformációk

Az előadások a következő témára: "Élelmiszertechnológia alapjai Fizikai Transzformációk"— Előadás másolata:

1 Élelmiszertechnológia alapjai Fizikai Transzformációk
OLDÓSZERES EXTRAKCIÓ Élelmiszertechnológia alapjai Fizikai Transzformációk

2 A gyakorlatilag tökéletes olajnyerés legelterjedtebb módszere jelenleg az oldószeres extrakció
Míg a préseléssel az olajos magvakból legfeljebb 5 % visszamaradó olajtartalomig lehet kinyerni a zsiradékot, addig az extrakcióval 1%, vagy annál kisebb visszamaradó olajtartalom érhető el

3 Az extrakció sémája Lapka Miszcella Oldószer Dara EXTRAKTOR

4 Az extrakciós olajnyerés technológiájában három fő feladatot kell megoldani.
Egyrészt a magvakból az olajat minél nagyobb hatékonysággal ki kell nyerni, másrészt a miszcellából az oldószert és az olajat el kell különíteni, és végül a darát is mentesíteni kell az oldószertől.

5 Az extrakció mechanizmusa
Tiszta diffúziót eltételezve, a műveletre jellemző összefüggés a Fick-törvény :a diffúzió sebessége : koncentrációkülönbség q : felület D : diffúziós állandó

6 A művelet hajtóereje A művelet hajtóereje a koncentrációkülönbség:
Ez a koncentrációkülönbség a diffúziós út mentén mérhető. Értéke a diffúzió során változik, a koncentrációkiegyenlítődéssel arányosan csökken

7 A darában visszamaradó olaj mennyisége
E: a visszamaradó olaj mennyisége D a diffúziós állandó t az extrakció időtartama R a lapkavastagság fele

8 Diffúziós állandó A diffúziós állandó értékét az anyag és az oldószer viszkozitása együttesen befolyásolja az alábbi összefüggés szerint. D= (μ0 μs)-0,46 A képletben: μ0 az olaj μs az oldószer viszkozitása

9 Az extrakció nem tiszta diffúziós modellje
dc/dt a koncentrációkülönbség időbeli változása t az extrakció időtartama c az anyag aktuális koncentrációja c’ az egyensúlyi koncentráció

10 Az extrakció paraméterei (1)
Az extrakció közbeni esetleges hőmérsékletemelkedés nem csupán az extrakció sebességére, hanem az előállított olaj összetételére is hat. A különféle zsírszerű anyagok oldhatósága a hőmérséklettel változik. Tapasztalati tény, hogy az extrakciós idő a hőmérséklet négyzetével fordítottan arányos.

11 Az extrakció paraméterei (2)
Amennyiben a nedvességtartalom növekszik, a diffúziós állandó értéke csökken. A 10-12%-os nedvességtartalom-tartományban nedvességszázalékonként 0,4 cm2/s mértékben.

12 Az extrakció paraméterei(3)
A nedvességtartalom és a diffúziós állandó között az alábbi összefüggést állapították meg Dw= 0,628 W0,727 e-0,031W A képletben DW : a molekuláris diffúziós együttható a részecskén belül W : az anyag nedvességtartalma %-ban

13 Az extrakció paraméterei(4)
Az extrakció kinetikája a lapkák nedvességtartalmától és az extrakció hőmérsékletétől is függ. Általános tapasztalat az, hogy a 4%-nál kisebb nedvességtartalmú anyagok gyorsabban extrahálhatók. Kísérleti mérésekben úgy tapasztalták, hogy amennyiben a magvak nedvességtartalmát 0,5 %-ról 10 %-ra növelik, az olaj el nem szappanosítható anyagtartalma mintegy 50 %-kal növekszik. A foszfortartalom ezzel párhuzamosan a háromszorosára nő, és az olaj sötétül.

14 Az extrakció paraméterei (5)
Az extrakciót befolyásoló tényezők között a lapka vastagsága is jelentős lehet. Erre az alábbi összefüggést állapították meg. F: a lapka vastagsága C: a visszamaradó olaj mennyisége

15 Az extrakciós oldószer
Az oldószerrel szemben támasztott legfontosabb szempont az, hogy az oldószer legyen szelektív, azaz az értékes anyagot jól-, a kevésbé értékeset gyengén, vagy egyáltalán ne oldja. A gyakorlatban „extrakciós benzin”-. ről, illetve „hexán”-ról beszélnek. Mindkét elnevezés gyűjtőnév és nem jelöl kémiailag egységes anyagot.

16 Tipikus extrakciós oldószerek

17 Az extrakciós oldószer sajátosságai
Általában a 65-85ºC forrásintervallumú benzint használják. A forrási intervallum szűkítése általában előnyös, mert ezáltal a benzinveszteség csökkenthető. A kisebb forráspontú vegyületek nehezebben kondenzálhatók, a nagyobb forráspontúakat pedig a darából nehezebb eltávolítani.

18 Alternatívák Az extrakciós benzin élelmiszeridegen anyag, és humán veszélyforrás is. A kutatások újabban arra irányulnak, hogy szerves oldószer nélküli extrakciót valósítsanak meg Legígéretesebbnek az un. szuperkritikus extrakció jön számításba, ami széndioxidot használna benzin helyett. Az eljárásnak gátat szab a CO2 rossz olajfelvevő képessége

19 Az extrakció technológiája
Az oldószeres extrakció elméletileg két módon valósítható meg, az un immerziós, és az un perkolációs elven. Az immerzió esetén az anyag egy oldószerrel teli kádba merül, ahol az oldószer teljesen ellepi. Az extrakciónak ez a módja szakaszos kivitelezést tesz csak lehetővé és paraméterei az időben változnak

20 Perkoláció A perkolációs olajnyerési technológia szerint az anyagon az oldószer átfolyik és az extrakció az áramlás közben megy végbe. Az áramoltatást ellenáramban és részben keresztáramban végzik. Ez a megoldás ugyancsak a folyamat hajtóerejének, a koncentrációkülönbségnek fenntartásához kell.

21 Immerziós berendezések
Az immerziós berendezések két fő típusa a forgódobos és a fazekas extraktor. Tipikus berendezés a Hildebrandt extraktor. Ennek teljesítménye t/nap, amely a csiga fordulatszámának változtatásával állítható be.

22 Hildebrand extraktor 1 töltőgarat 2 szűrőlemez 3 miszcella-elfolyó
vezeték 4 légtelenítő vezeték 5 oldószer-bevezető 6 daraürítő-vezeték

23 Ugyancsak immerziós elven működik az un. Olier-típusú extraktor
Ugyancsak immerziós elven működik az un. Olier-típusú extraktor. A berendezés fő része egy függőleges henger, amihez ferdén kapcsolódik egy serleges felvonó. A torony belsejében terelőlapok biztosítják az anyag haladását. A torony alján levő függőleges csiga a serleges felvonóhoz szállítja az anyagot. A serleges felvonó függőlegesen felfelé szállítja az anyagot, miközben az oldószer vele ellenáramban lefelé áramlik és kiextrahálja az olajat a magvakból.

24 Perkolációs berendezések (1)
A perkolációs elvet megvalósító berendezések egyik legegyszerűbb változata az un. Bollmann extraktor. Ebben berendezésben az anyag egy végtelenített láncra szerelt serlegekben helyezkedik el, és függőleges irányban páternoszter-szerűen halad. Az oldószert felülről áramoltatják át az anyagon, amely lefelé haladva dúsul. Az átfolyás érdekében a serlegek alja perforált, illetve szórófejjel van ellátva.

25 A lánc egyik oldalán lefolyó oldószer félmiszcella töménységű és ez jut a lánc másik oldalán haladó serlegekre. A félmiszcella itt a serlegekkel azonos irányban mozog, de áramlási sebessége a serlegekénél nagyobb, és berendezésből kilépve %.ra feldúsul.

26 A felfelé menő ág legfelső részén a felesleges oldószer a serlegekből kifolyik, majd a serleget egy billenőszerkezet kifordítja és a benzines dara a kihordócsigára jut. A serleg a kiürítés után visszabillen, és friss anyaggal töltik meg. Ezután a folyamat kezdődik elölről. A kihullott dara még mintegy 30% oldószert tartalmaz, amit az extraktorhoz kapcsolt daraszárítóban távolítanak el.

27 Anderson extraktor A perkolációs berendezések másik közismert típusa az Anderson-extraktor. Ebben két, egymással párhuzamosan elhelyezett vágányon egy-egy kocsisor mozog ellentétes irányban. A sor végén a legutolsó kocsit egy hidraulikus szerkezet tolja át a másik vágányra. Ugyanez történik, a másik sor ellenkező végén, ezáltal a kocsik előrehaladnak.

28 Az oldószert felülről permetezik az anyagra úgy, hogy a magvakat az oldószer teljesen ellepje. Az átfolyó oldószer különbözőképpen dúsul fel, ezért a berendezés alján több miszcellagyűjtő edény van, ami felfogja a különböző koncentrációjú olajoldatot. A miszcellát többnyire visszavezetik a kocsisor fölé és újból átengedik az anyagon. Ezt mindaddig végzik, amíg a kellő koncentrációt el nem érik.

29 Karusszel rendszerű extraktor
A ma leginkább elterjedt extraktor a rotációs elven működő Rotocell típusú berendezés. Ez immerziós és perkolációs is egyszerre. Kosarai köralakban vannak felerősítve egy központi tengelyre, majd lassan körbeforognak. Az anyagot a tömény miszcellával való keverés közben töltik. A miszcellát a készülék oldalán levő szivattyúk szállítják a cellák feletti szórófejekhez.

30 Rotocell A végmiszcellát a második cella alól viszik el. Az első cella miszcelláját rávezetik a második cellában levő anyagra, amely már nyugalmi állapotban van és ezért az oldatot tisztára szűri. A tiszta oldószer ráfolyás utáni kicsöpögő szakasza elég hosszú, így a távozó dara benzintartalma nem túl nagy. Amikor az anyag az ürítőszakaszba jut, a cella alját kinyitják és a dara egy kihordócsigára hullik.

31 Rotocell ábra

32 Perkolációs extraktorok
Ugyancsak perkolációs extraktor a Wurster és Sanger cég Filtrex elnevezésű berendezése. A Filtrex szintén rotációs típusú azzal a kiegészítő megoldással, hogy a végső extrakció vákumszűrőben zajlik le. Ezáltal a dara oldószertartalma csökkenthető. A technológiába egy enyhe hőkezelést is beillesztettek, amelynek következtében könnyen szűrhető részek keletkeznek az anyagban.

33 További perkolációs berendezések
Az átfolyásos (perkolációs) berendezések másik elterjedt típusa a szalagextraktorok csoportja. A legismertebbek közöttük a DeSmet-féle és a Lurgi- féle extraktorok. A DeSmet szalagos, a Lurgi fekvőserleges kivitelű

34 DeSmet extraktor A DeSmet- féle extraktor egy vízszintes helyzetű végtelenített szalag. Az anyag egy szintszabályozón keresztül jut a szalagra, és felülről ellenáramban miszcellát áramoltatnak rajta keresztül. A tiszta oldószert a szalag végén juttatják az anyagra, amivel a közel azonos szintű koncentráció-különbség biztosítható.

35 Az átfolyt miszcella a szalag alatti tartályokba jut, ahonnan egy közös tengelyre szerelt szivattyúrendszer juttatja a szalag fölötti permetező-berendezéshez. A szalag rozsdamentes anyagú keretekből készül, és finomszövésű drótháló fedi. A keretek oldala zárt lemez, ami az oldalirányú kifolyást akadályozza meg. A szalag végén, miután a felesleges oldószer kicsöpögött, az extrahált anyag a gyűjtőtölcsérbe hullik.

36 A szalag első részén a drótszövethez tapadt és az azt eltömítő szilárd részecskéket a tömény miszcellával lemossák. Ezt a frakciót szivattyúval újra visszaviszik az első lépcsőbe. A berendezés teljesítménye az anyagréteg vastagságától, és a szalag sebességétől függ. Mindkét jellemzőt fokozat nélkül lehet beállítani.

37 DeSmet extraktor vázlat

38 Lurgi extraktor A Lurgi-típusú extraktor fekvőserleges kialakítású, ami azt jelenti, hogy a szállítószalag egy acélháló, amin oldalról zárt kosarak vannak elhelyezve. Az anyagot ezekbe töltik, majd a szalag mozgása közben fentről oldószerrel , illetve miszcellával permetezik.

39 A pálya úgy van kialakítva, hogy a fenékszalag előbb ér véget, mint a serlegek szállítószalagja, ami azt eredményezi, hogy az anyag át tud hullani az alsó pályára. Ilyen módon a szalag mindkét ága ki van használva. Az alsó szalag másik végén, ahol az alsó fenékszalag szűnikmeg, a dara egy gyűjtőgaratba hullik, ahonnan elszállítják. Az oldószer haladási iránya ellenáramú, három fő szakaszra bontható. Az első a

40 Az első a kimosási szakasz, amelyben először híg miszcellával, majd tiszta oldószerrel mossák az anyagot. Az extrakciós szakaszban zárt rendszerben miszcellával történik az olajnyerés. A harmadik szakasz lényegében szűrés, a tömény miszcellát a nyugalomban levő anyagon áramoltatják át.

41 Lurgi extraktor vázlat

42 Az extrakció kapcsolódó műveletei

43 A dara oldószermentesítése
Az oldószeres extrakció során a folyamat egyik végterméke a dara, ami csekély mennyiségű olajat és a technológiától függően több-kevesebb oldószert tartalmaz .Az oldószer mennyisége a 30%-t is elérheti, sőt az immerziós berendezések esetén akár 50% is lehet.

44 Az oldószer eltávolítása egyrészt azért fontos, mert a nagymértékű gyúlás-és robbanásveszély a dara további feldolgozását is nehezíti, továbbá a főleg takarmányozásra szánt dara állategészségügyi okokból nem tartalmazhat mérgező anyagokat

45 Az oldószer eltávolítása lényegében lepárlással történik, ami a megvalósítás technológiájától függően különbözőképpen lehetséges. A dara melegítése lehet közvetett fűtésű, közvetlen gőzbefúvású és történhet forró benzingázzal való hőátadással.

46 A szakaszos és félfolytonos extraktorokban a darát közvetlenül az extraktorban benzintelenítik. Állandó keverés mellett gőzt fújnak át a darán. A vízgőz a darából elpárologtatja a benzint, de a kondenzáció következtében a dara nedvességtartalma is megnő. A megnövekedett nedvességet ezután szárítással távolítják el. A szárítást 9-10 % víztartalom eléréséig végzik. Lehetséges olyan megoldás is, amelyben az oldószer eltávolítása nem vízzel, hanem túlhevített benzingőz befúvásával történik

47 A megnövekedett nedvességet ezután szárítással távolítják el
A megnövekedett nedvességet ezután szárítással távolítják el. A szárítást 9-10 % víztartalom eléréséig végzik. Lehetséges olyan megoldás is, amelyben az oldószer eltávolítása nem vízzel, hanem túlhevített benzingőz befúvásával történik

48 A folytonos üzemű extraktor darájának szárítása is folytonos
A folytonos üzemű extraktor darájának szárítása is folytonos. A műveletre közvetlenül az extrahálás után kerül sor. A dara benzinmentesítésére két berendezés alkalmazása terjedt el, a csigás szárítóé és a toszteré.

49 Csigás benzintelenítés
A csigás benzintelenítés sorbakapcsolt, kettősfalú hengerekben történik. A csigaelemek nem csupán az anyag szállítását végzik, hanem keverik is azt, ami a hőátadás hatékonyságát növeli. Általában 4-7 csigát kapcsolnak egymáshoz. A hengerek átmérője mm. A hőátadás a henger köpenyében áramló gőz és az anyag között jön létre úgy, hogy a benzinnyomok eltávolítása a legutolsó hengerben zajlik le

50 Tószter A dara oldószermentesítésének elterjedtebb módszere az un tószterezés (a „toaster” angol szóból, ami pörkölőt jelent). Ez nedves hőkezelés, amelynek lényege az, hogy az oldószer elpárologtatása után a darát 20-25%-ig nedvesítik és megfőzik.

51 A főtt darát ezután kb. 10%-ig szárítják
A főtt darát ezután kb. 10%-ig szárítják. Az eljárás a darát lényegesen nagyobb hatásfokkal képes benzinmentesíteni, valamint javítja a dara takarmányértékét. A tószterezést a szója darájának feldolgozására fejlesztették ki, az előnyök is ennél a terméknél szembetűnőek.

52 A szója antinutritív anyagai, így elsősorban a tripszin-inhibítor inaktiválódnak a hőkezelés hatására. Hasonlóan károsodik a szójaszapogenol nevű anyag, ami állatkísérletek tanusága szerint golyvásodást okoz. A tószterezés inaktiválja a minőségromlást okozó lipoxidáz enzimet is.

53

54 Tószter felépítése

55 A miszcella feldolgozása
Az extrakció során nyert olajoldat mintegy 15-30% olajat tartalmaz. Mint az étolajgyártás főtermékét, ebből az oldatból az olajat ki kell nyerni, azaz az oldószert el kell távolítani. Az eltávolítás lényegében bepárlás, amit szűrés előz meg.

56 Szűrés A szűrőgyertyák igen hatékony eszközei a tisztításnak, mert csekély helyigénnyel viszonylag nagy szűrőfelületet biztosítanak. Egy-egy gyertya kb. 1 m hosszú és 30 mm átmérőjű, belülről üreges rúd, amelynek palástján finom beömlő nyílások vannak kiképezve. A szűrés kívülről befelé irányul. A szűrt miszcellát a gyertyák belső terének összekapcsolásával kialakított gyűjtővezetéken szállítják el a benzintelenítésre.

57 Benzintelenítés A benzintelenítés lényegét tekintve bepárlás.
Tekintve, hogy az oldószeres extrakció nagy mennyiségű anyag folyamatos feldolgozását jelenti, a bepárlást is folytonos működésű berendezéssel kell végezni. A folytonos üzeműek között a kúszófilm bepárlók, az ejtőáramú bepárlók és a kényszer-körforgalmú bepárlók az elterjedtek.

58 Kúszófilm bepárló Az ábra jelölései: 1 :fűtőcsövek 2 :páratér
3 :miszcella vezeték 4 :páravezeték

59 Kondenzálás A desztillálóból két termék távozik, a nyers , szűretlen olaj és a benzingőz. A benzingőzt az oldószer visszanyerése érdekében először kondenzálják. Általában felületi kondenzátorokat alkalmaznak, amelyeket úgy alakítanak ki, hogy csak halmazállapot-változás történjen és a hőmérséklet ne változzon.

60 Benzin víztelenítése A kondenzátorból távozó extrakciós benzint még vízteleníteni kell. Erre az un. Florentini-edényeket használják. Ezek nagy keresztmetszetű edények, amelyek méretüknél és alakjuknál fogva lehetővé teszik, hogy fajsúlykülönbség alapján a benzin és a víz szétváljon. A víz az edény alsó részén, a benzin a felső részén távozik. Az elfolyó víz még mindig tartalmaz valamennyi oldószert, ezért melegíteni kell. A forraláskor távozó benzingőzöket újra kondenzálják és visszavezetik a Florentini-edénybe.

61 Florentini edény Az ábra jelölései: 1 :víz-benzin keverék beömlőcsonk
2: tiszta víz elvezető- csonk 3 :tiszta benzin elvezető csonk 4 :ürítőcsonk

62 Regenerálás Az eljárás végén keletkező másik termék a tiszta oldószer, amelyet ez után a regenerálás után az extraktorba vissza lehet vezetni. A kondenzátorból kilépő másik komponens az olaj. Ezt vagy külön szűrik, vagy a benzintelenítés után összegyűlt olajhoz szivattyúzzák és ezután szűrik. A szűrés eredményeként az olajban még előforduló apróbb szilárd szennyeződések eltávolítódnak és nyers, szűrt olaj keletkezik, ami az extrakciós folyamat főterméke.

63 Levegőtisztítás Az extrakciós berendezések légterében mindig van több-kevesebb mennyiségű benzingőz. Ennek a légtérbe való közvetlen kiengedése részint környezetvédelmi szempontok miatt, részint a fokozott robbanásveszély miatt nem engedhető meg. Ezért az oldószeres levegőt közös vezetékbe kapcsolva benzintelenítő készülékbe juttatják.

64 Ezek általában hűtőberendezések, amelyekben a gázkeveréket -10ºC-os hűtőközeggel érintkeztetik ellenáramban egy falon át. A lehűlő levegőből az oldószer kicsapódik a berendezés falára és a készülék alján összegyűjthető és elvezethető, illetve visszacirkuláltatható az extrakciós folyamat elejére.

65 A ppt előadást kiegészítő tananyag megtalálható
Kiss,B.(2001): Olajos növények, növényolaj gyártás , Mezőgazda Budapest 4. fejezet