ZATĘŻANIE, SUSZENIE, KRYSTALIZACJA, SUBLIMACJA, LIOFILIZACJA

Prezentacja na temat: "ZATĘŻANIE, SUSZENIE, KRYSTALIZACJA, SUBLIMACJA, LIOFILIZACJA"— Zapis prezentacji:

1 ZATĘŻANIE, SUSZENIE, KRYSTALIZACJA, SUBLIMACJA, LIOFILIZACJA
ZESTAW NR 7 ZATĘŻANIE, SUSZENIE, KRYSTALIZACJA, SUBLIMACJA, LIOFILIZACJA ZATĘŻANIE Proces polega na zagęszczeniu roztworów nielotnych cieczy lub ciał stałych przez odparowanie rozpuszczalnika. Celem może być całkowite usunięcie rozpuszczalnika, który jest wypuszczany do atmosfery (woda) lub skraplany w kondensatorach. Odparowanie można prowadzić: - do osiągnięcia stanu nasycenia roztworu (w aparatach wyparnych), - do wydzielenia osadu substancji rozpuszczonej (w warnikach). Cząsteczki rozpuszczalnika, przechodząc w stan pary, muszą pokonać siły przyciągania międzycząsteczkowego i opór ciśnienia zewnętrznego. W tym celu należy dostarczyć do układu energię. Zwykle ogrzewa się roztwory do temperatury wrzenia, czasem przeprowadza się zatężanie w niższych temperaturach (związki termolabilne).

2 Natężenie odparowywania mierzy się ilością odparowanego rozpuszczalnika na jednostkę powierzchni i czasu, a więc jednostką będzie np. kg/m2·godz. Natężenie odparowywania jest proporcjonalne do tzw. użytecznej różnicy temperatur, mierzonej między czynnikiem grzewczym a temperaturą wrzącego roztworu. Ponadto, na efektywność procesu ma wpływ szybkość krążenia roztworu odparowywanego. Czym większa szybkość, tym lepsza konwekcja i większa powierzchnia wymiany ciepła. Istotna jest też lepkość roztworu - czym mniejsza, tym efektywniejszy proces. Lepkość zmniejsza się z temperaturą, więc nie należy stosować zbyt silnie obniżonych ciśnień, bo wtedy obniżeniu ulega temperatura wrzenia. Zwykle stosuje się mmHg. Istnieje zjawisko tzw. depresji temperaturowej. Wrzący roztwór wodny ma temp. wyższą niż 100ºC, ale wydziela parę o temp. 100°C. Para ta ulega miejscowemu przegrzaniu, ale jej temp. szybko spada do 100°C. Tą parą można ogrzewać następną wyparkę, działającą pod zmniejszonym ciśnieniem i pracującą w temp. np. 90°C.

3 Jak wiadomo, roztwory wobec czystych rozpuszczalników wykazują podwyższenie temperatury wrzenia i obniżenie temperatury krzepnięcia.

4 APARATY WYPARNE APARATY OTWARTE – PANWIE
Zwykle używane do zatężania roztworów soli nieorganicznych. Osad opada na dno zagłębień, chronionych przed wysoką temperaturą przez obmurowania (zabezpieczenie przed przegrzaniem). Opary wydostają się do atmosfery. Działanie okresowe. Temperatura wrzenia wzrasta w miarę zatężania roztworu - ogólna cecha wyparek o działaniu okresowym. Aparaty o działaniu ciągłym utrzymują stałą temperaturę (bo ustala się stan równowagi).

5

6

7

8 Panew z płaszczem parowym.
Stosuje się do odparowywania w temperaturze niższej niż temperatura wrzenia. Ma zastosowanie do substancji termolabilnych.

9 WYPARKA RUROWA O DZIAŁANIU CIĄGŁYM
Roztwór w obracającym się bębnie układa się pierścieniowo (większa powierzchnia). Powietrze przepływa w przeciwprądzie i usuwa pary. Ogrzewanie zewnętrzne spalinami.

10 WYPARKA DZIAŁAJĄCA POD ZMNIEJSZONYM CIŚNIENIEM
Stosowana zwykle do zatężania związków termolabilnych (witaminy, hormony, enzymy). Dobra wydajność, niski pobór energii, mniejsze straty energii promieniowania (niższa temperatura procesu). Wady: znaczny koszt instalacji, duża objętość aparatury (większa objętość par przy niższym ciśnieniu), pienienie roztworów (stosuje się blachy zaporowe, mieszadła, środki przeciwpieniące).

11 WYPARKI Z PŁASZCZEM GRZEJNYM
Wada: słaba cyrkulacja roztworu. Zaleta: można stosować ogrzewanie sekcyjne.

12 WYPARKI Z WYMIENNIKAMI CIEPŁA
APARATURA Z WĘŻOWNICĄ Aby poprawić bilans wymiany ciepła i zwiększyć intensywność krążenia cieczy, stosuje się aparaturę zaopatrzoną w rurkowe wymienniki ciepła. Aparat z wężownicą i ogrzewaniem płaszczowym. Przy odparowywaniu roztworów korodujących, np. kwaśnych, stosuje się wężownice i rurki wykonane z tworzywa kwasoodpornego, a kocioł wykłada odpowiednim materiałem (emalią, ołowiem).

13 APARAT Z RURKAMI POZIOMYMI
Para przepływa przez rurki, a roztwór przemieszcza się na zewnątrz. Odpływ zagęszczonego roztworu dołem. APARAT Z RURKAMI PIONOWYMI (typu Roberta, Kestnera). Roztwór przepływa przez rurki, a para wokół rurek, ogrzewając je z zewnątrz. Między zespołami rurek znajdują się rury cyrkulacyjne, które ułatwiają krążenie roztworu. Roztwór wraz z parą unosi się w rurkach, oddaje opary, a potem spływa rurą cyrkulacyjną. Burzliwy przepływ podczas wrzenia, więc potrzebne są przegrody zmieniające kierunek przepływu oparów i poziome łapacze kropel.

14 ŁAPACZ KROPEL

15 APARAT Z ZEWNĘTRZNĄ KOMORĄ GRZEJNĄ
Następuje silna cyrkulacja cieczy, bo komora grzejna jest wydłużona, a rura cyrkulacyjna nieogrzewana (termosyfon). Zainstalowanie pompy śmigłowej zwiększa intensywność cyrkulacji. Stosuje się do roztworów pieniących i wydzielających osady.

16 WARNIKI Za pomocą aparatów wyparnych tego typu odparowanie prowadzi się aż do etapu wydzielenia osadu, krystalicznego lub amorficznego, a więc jest to proces analogiczny do krystalizacji i przy obu procesach stosuje się podobną aparaturę. W warnikach elementy grzejne umieszcza się ponad stożkowato zwężonym dnem, gdzie gromadzi się osad. W przewodach grzejnych cyrkulacja jest intensywna, na dnie osad powinien pozostawać w bezruchu. Urządzenie może pracować w sposób ciągły, a odbieralniki osadu są sukcesywnie opróżniane.

17 GOSPODARKA CIEPLNA WYPARKI MECHANICZNE
W panwiach i wyparkach zawierających skraplacze oparów nie wyzyskuje się powtórnie ciepła, które jest tracone. Można jednak to ciepło wykorzystać - robi się tak w wyparkach mechanicznych i wielodziałowych. WYPARKI MECHANICZNE Opary zasysane są przez turbosprężarkę, ich temp. podnosi się, i używane są jako medium grzewcze w tym samym aparacie. Straty uzupełniane są przez dostarczenie świeżej pary. Zużycie pary grzejnej wynosi 0,25 kg na 1 kg odparowanej wody (w zwykłych wyparkach 1,1 kg), ponadto uzyskuje się oszczędność na wodzie chłodzącej kondensatory.

18 W WYPARKACH WIELODZIAŁOWYCH wykorzystuje się ciepło oparów do ogrzewania komór grzejnych kolejnych działów, gdzie wytwarza się coraz mniejsze ciśnienie, aby wrzenie roztworu miało miejsce. Parę grzejną doprowadza się do 1. działu, a potem do kolejnych przechodzą ogrzane opary z działów poprzednich. Do ostatniego działu podłączona jest pompa próżniowa, utrzymująca gradient obniżonego ciśnienia. Wrzenie we wszystkich działach utrzymuje się z powodu coraz mniejszych ciśnień. Roztwór kierowany jest kolejno do działów współprądowo do medium grzewczego, a zagęszczony spuszczany jest z ostatniego zbiornika. Można też zasilać układ przeciwprądowo lub równolegle. W wyparce trójdziałowej teoretycznie zużywa się na odparowanie 1 kg wody 0,33 kg pary, praktycznie 0,4 kg.

19 KRYSTALIZACJA Proces służy do wydzielania ciał stałych z roztworów w celu: - oczyszczenia - rozdziału (krystalizacja frakcyjna) Kryształy wydzielają się z roztworów przesyconych. Takie roztwory można otrzymać w wyniku: - oziębienia roztworu (zwykle wtedy zmniejsza się rozpuszczalność; ale są wyjątki: CaSO4·2H2O) - odparowania części rozpuszczalnika Powolne oziębianie powoduje narastanie dużych kryształów, szybkie - niewielkich, gorzej wykształconych lub osadu amorficznego. Postać krystalograficzna musi być zgodna z wymogami farmakopealnymi.

20 APARATY DO KRYSTALIZACJI
Urządzenia są podobne do wyparek (panwie i warniki).

21

22

23 SUSZENIE Proces, w wyniku którego woda lub inna ciecz zostaje oddzielona od ciała stałego, innej cieczy lub gazu, zwykle za pomocą energii cieplnej i/lub zjawiska konwekcji (np. przepływ gazu). Ponieważ proces suszenia wymaga dużych nakładów energii, poprzedzamy go usunięciem jak największej ilości rozpuszczalnika innymi metodami, jak filtracja, prasowanie, wirowanie (procesy mechaniczne, tańsze) lub zatężanie. Proces suszenia można prowadzić dopóty, dopóki prężność pary w suszonym materiale jest większa od prężności pary w otaczającym środowisku. Ciecz (najczęściej woda, dalej będziemy mówić o wodzie) znajduje się częściowo na powierzchni suszonych ciał, gdzie tworzy zewnętrzną warstwę (film cieczy), przez którą odbywa się proces suszenia. Część cieczy jest związana wewnątrz ciała suszonego siłami adhezji lub jako addukty, skąd w trakcie procesu dyfunduje na powierzchnię.

24 Proces suszenia dzielimy na trzy okresy:
1. Ciało suszone oddaje wilgoć z całej powierzchni. Szybkość suszenia jest stała. 2. Woda paruje tylko z części powierzchni (reszta już jest pozbawiona wilgoci). Szybkość procesu maleje proporcjonalnie do zawartości wilgoci. 3. Nie ma warstwy zewnętrznej, a odparowywane jest wilgoć wewnętrzna. Na szybkość suszenia ma wpływ głównie szybkość dyfuzji. Szybkość procesu zmienna.

25 Szybkość suszenia zależy od szeregu czynników.
- Temperatury - Powierzchni substancji suszonej - Szybkości przepływu gazów suszących (zmniejszenie warstwy powierzchniowej) - Zawartości wilgoci w gazach suszących (wilg. względna i bezwzgl.) - ciśnienia (suszarki próżniowe) - właściwości substancji suszonej i konstrukcji suszarki Wilgotność względna gdzie p1 - cząstkowa prężność pary w danej temperaturze pn - prężność pary nasyconej w danej temperaturze Wilgotność bezwzględna - liczba kg pary w 1m3 powietrza

26 SUSZENIE WSPÓŁPRĄDOWE
Na wejściu mamy wilgotny surowiec i suchy gaz suszący o wysokiej temperaturze – na wyjściu wysuszony surowiec i schłodzony gaz suszący z pewną zawartością wilgoci. Stosujemy, gdy mamy wilgotny surowiec niewrażliwy na wysokie temperatury suchy surowiec wrażliwy na wysokie temperatury nie chcemy „przesuszyć” surowca, ma w nim pozostać określony % wilgoci  SUSZENIE PRZECIWPRĄDOWE Jest bardziej wydajne, można lepiej wysuszyć surowiec. Proces suszenia wolniejszy. Na wejściu mamy wilgotny surowiec i wilgotny gaz suszący o niskiej temperaturze – na wyjściu wysuszony surowiec napotyka suchy gaz o wysokiej temperaturze. Stosujemy gdy trzeba bardzo wydajnie usunąć wilgoć suchy surowiec jest niewrażliwy na wysokie temperatury (występują na wyjściu) wilgotny surowiec jest wrażliwy na wysokie temperatury Suszenie przeciwprądowe stosujemy do suszenia surowców roślinnych (zioła, owoce, warzywa). Są one w stanie w wilgotnym stanie bardziej wrażliwe na wysokie temp., a przy zbyt szybkim suszeniu tworzą warstwę zewnętrzną, utrudniającą suszenie głębszych warstw.

27 SUSZENIE PRÓŻNIOWE stosujemy przy substancjach termolabilnych lub wrażliwych na wpływ powietrza (tlenu). Zaleta: małe straty energii cieplnej. Wada: wysoki koszt urządzeń. SUSZARKI O PRACY OKRESOWEJ I CIĄGŁEJ – PORÓWNANIE OKRESOWE: - większe straty energii - mniejsza wydajność - gorsza równomierność suszenia konieczność ręcznej obsługi (ładowanie, rozładowanie) ale - tańsza i prostsza aparatura - mniejsze straty surowca (mniejsze pylenie)

28 KONSTRUKCJE SUSZAREK SUSZARKI KOMOROWE PÓŁKOWE
Powietrze, przechodząc nad wilgotnym materiałem nasyca się wilgocią i staje się lżejsze, ale równocześnie ochładza się, przez co staje się cięższe. W pierwszym przypadku powinno opuszczać aparat górą, w drugim - dołem (zgodnie z naturalnym obiegiem, w przeciwnym przypadku cyrkulacja jest zaburzona, a suszenie nie przebiega równomiernie). Ustalenie warunków doświadczalne.

29 SUSZARKA Z SZEREGIEM KALORYFERÓW
W tej suszarce grzanie jest intensywne, spadek temperatury suszącego powietrza niewielki, a wilgotność na wylocie duża, więc powietrze staje się lżejsze i jego odpływ odbywa się górą.

30 PRZEPONOWA SUSZARKA KOMOROWA Z MIESZADŁEM O DZIAŁANIU CIĄGŁYM
W płaszczu suszarki znajdują się otwory odprowadzające wilgotne powietrze na zewnątrz.

31 SUSZARKI PRÓŻNIOWE KOMOROWE
Są kosztowniejsze w budowie, lecz ekonomiczniejsze pod względem gospodarki cieplnej. Do suszenia substancji termolabilnych i wrażliwych na utlenianie, także higroskopijnych (dekstryny). Nie zanieczyszczają otoczenia. Zmniejsza się ryzyko zakażenia surowca drobnoustrojami. Można ogrzewać niskociśnieniową parą (80°C).

32 SUSZARKA PRÓŻNIOWA Z MIESZADŁEM
Wydajniejsze suszenie, lecz konieczne odpylacze.

33 SUSZARKA TAŚMOWA Pracuje w sposób ciągły. Powietrze przechodzi w przeciwprądzie. Podobna jest zasada działania suszarek grabkowych: ruchome grabie transportują surowiec na półkach z perforowanej blachy (suszenie waty i materiałów opatrunkowych). Zwykle stosuje się baterie kaloryferów.

34 SUSZARKI BĘBNOWE

35

36 SUSZARKI WALCOWE Krótki czas suszenia.
Do suszenia roztworów o dużej lepkości, nietrwałych substancji, zawiesin, także materiałów włóknistych (celuloza).

37

38 SUSZARKI WALCOWO-PRÓŻNIOWE
Stosuje się do surowców wrażliwych na wysoką temperaturę i utlenianie. Krótki czas suszenia.

39 SUSZARKI ROZPRYSKOWE Krótki czas suszenia, więc można stosować dla substancji termolabilnych: mleko, jaja, pektyny, żelatyna, krew, wyciąg z dzikiej róży, soki. 1 litr cieczy rozwija powierzchnię do 300 m2.

40

41 LIOFILIZACJA Jest to proces wykorzystujący zjawisko sublimacji (odparowanie z fazy stałej do gazowej, z pominięciem fazy ciekłej) przy silnie obniżonej temperaturze, czyli suszenia ze stanu zamrożenia roztworu. Roztwór zamraża się w temp. poniżej –40°C (do –70°C) i sublimuje przy obniżonym ciśnieniu, rzędu 0,1-0,001 mmHg, usuwając rozpuszczalnik (zwykle wodę) z pominięciem fazy ciekłej. Stosuje się do zagęszczania roztworów związków wrażliwych na utlenianie, termolabilnych, hydrolizujących (antybiotyki, surowice, osocze krwi, lipidy, olejki aromatyczne, enzymy, inne białka). Rozróżniamy dwa okresy procesu suszenia pod wysoką próżnią: 1. Sublimacji w obniżonej temp. poniżej punktu potrójnego (brak fazy ciekłej) 2. Usuwania wilgoci higroskopijnej w temp. podwyższonej, zwykle w zakresie od +40 do +50°C Problem: liofilizacja i hibernacja organizmów żywych

42 APARATURA DO LIOFILIZACJI

43

44 SUBLIMACJA Proces polega na przeprowadzeniu fazy stałej w gazową z pominięciem ciekłej (sublimacja, zachodzi po podgrzaniu), i na powtórnym zestaleniu fazy gazowej (resublimacja, zachodzi po oziębieniu). Stosuje się do oczyszczania, np. oddzielamy lotną substancję od nielotnych zanieczyszczeń, albo przez sublimację usuwamy lotne zanieczyszczenia. Sublimacji w warunkach ciśnienia i temperatury zbliżonych do normalnych ulegają takie substancje jak np. kwas salicylowy, kwas benzoesowy, pirogalol, kamfora, jod, siarka, chlorek rtęciowy (zwany sublimatem). Wiele innych związków sublimuje pod zmniejszonym ciśnieniem, jest to sposób ich oczyszczania często lepszy niż destylacja, albo gdy destylacja jest niemożliwa ze względu na wysoką temperaturę wrzenia.

45

46

47 Linki: Zasada działania wirówki samoczyszczącej: Odtłuszczanie mleka metodą wirowania i standaryzacja: Konstrukcja ultrawirówek (w: B. Jirgensons,M. E. Straumanis, A Short Textbook of Colloid Chemistry):