Ekstrakcja – wiadomości wstępne

Ekstrakcja - pojęcie Ekstrakcja – metoda wyodrębniania określonych składników z ich mieszaniny za pomocą selektywnych rozpuszczalników jedna z najbardziej wydajnych i selektywnych metod separacji stosowanych w biotechnologii po ekstrakcji należy oddzielić rozpuszczalnik poprzez: destylację krystalizację adsorpcję

Rozpuszczalniki stosowane w ekstrakcji - dobór Selekcja rozpuszczalników pod względem ich powinowactwa do ekstrahowanego materiału wykorzystuje głównie oddziaływania hydrofilowo- hydrofobowe

Rozpuszczalniki stosowane w ekstrakcji - przykłady Rozpuszczalniki silnie polarne woda bufory roztwory soli Rozpuszczalniki polarne metanol etanol aceton

Rozpuszczalniki stosowane w ekstrakcji - przykłady Rozpuszczalniki niepolarne Estry organiczne i wyższe alkohole octan etylu octan amylu octan butylu alkohol butylowy Węglowodory i etery eter naftowy benzyna ekstrakcyjna eter etylowy

Właściwości ekstrakcyjne substancji Zdolność do rozpuszczania maleje ze wzrostem masy cząsteczkowej rozpuszczalnika rozpuszczalność substancji o masie cząsteczkowej powyżej 500 jest bardzo ograniczona

Właściwości ekstrakcyjne substancji Wzrost zdolności rozpuszczania jest negatywnie skorelowany z selektywnością ekstrakcji

Kryteria doboru rozpuszczalników Dyfuzyjność Selektywność Parametry krytyczne Łatwość sprężania Mała lepkość Neutralność w stosunku do surowca Nietoksyczność Bezpieczeństwo

Podział procesów ekstrakcji Ekstrakcja ciecz - ciało stałe bardzo popularna w tradycyjnej technologii żywności: cukrownictwo olejarstwo produkcja ekstraktów kawy i herbaty istotna metoda izolacji metabolitów z materiału roślinnego Ekstrakcja ciecz – ciecz

Ekstrakcja ciecz-ciecz Warunkiem prawidłowego przebiegu ekstrakcji w układzie ciecz – ciecz jest występowanie dwóch faz, które po zakończeniu procesu można łatwo mechanicznie rozdzielić łatwo mechanicznie

Równowaga ekstrakcyjna w układzie ciecz-ciecz Współczynnik podziału k k = c1/ c2 c1 – stężenie składnika ekstrahowanego w fazie pierwszej c2 – stężenie składnika ekstrahowanego w fazie drugiej

Ekstrakcja ciecz – ciało stałe Proces ekstrakcji w układzie ciecz – ciało stałe polega na selektywnym wymywaniu jednego lub kilku składników z wieloskładnikowego ciała stałego Ciała stałe w biotechnologii są zazwyczaj substancjami kapilarno porowatymi, często są to komórki

Dyfuzja – prawo Ficka J = -DAB*dcA/dcB J – strumień molowy składnika A w kierunku osi y [kmol/m2s] DAB* - współczynnik dyfuzji (dyfuzyjność) składnika A względem B [m2s] cA - stężenie składnika A [kmol/m3] cB - stężenie składnika A [kmol/m3]

Dyfuzyjność cieczy gazów i ciał stałych Gazy CO2 w układzie CO2 - O2 Para wodna w układzie woda - powietrze Ciecze Kwas octowy w układzie kwas octowy – woda Ciała stałe Glin w układzie glin - miedź Dyfuzyjność [m2s] 0,9* 10-4 0,22* 10-4 1,24* 10-9 1,3* 10-34

Szybkość dyfuzji w cieczach i gazach Uwaga! Wartości dyfuzyjności w cieczach są o 4 – 5 rzędów wielkości niższe niż w gazach. Nie oznacza to jednak, że szybkość dyfuzji w cieczach musi być dużo mniejsza gdyż jest rekompensowana bardzo dużymi wartościami gradientu stężenia

Dyfuzyjność a temperatura wzrasta ze wzrostem temperatury w biotechnologii mamy do czynienia z nieodpornymi termicznie materiałami takimi jak surowce roślinne, biomasy mikroorganizmów - ich ściany komórkowe wyściełane są membranami fosfolipidowymi , które w temperaturze 70-80°C ulegają denaturacji w biotechnologii temperatura ekstrakcji nie przekracza 70°C jest praktycznie niezależna od ciśnienia

Charakterystyka ciała stałego Powierzchnia właściwa – wpływa na procesy adsorpcji stopień rozdrobnienia materiału Porowatość – wpływa na procesy dyfuzyjne ciała o budowie tkankowej – mała prędkość dyfuzji zalecana dezintegracja ścian komórkowych

Sposoby prowadzenia procesu ekstrakcji okresowo w sposób ciągły współprądowo przeciwprądowo

Ekstrakcja okresowa

Bateria ekstraktorów

Ekstraktory bateryjne Baterie ekstraktorów są standardem stosowanym w przemyśle cukrowniczym Stosowany jest tam proces ekstrakcji przy pomocy wody proces ekstrakcji przy pomocy wody jest zwyczajowo nazywany ługowaniem

Porównanie procesów ekstrakcji współprądowej i przeciwprądowej

Ekstraktory przeciwprądowe

Ekstraktory przeciwprądowe c.d.

Zastosowanie ekstrakcji ciecz - ciało stałe w biotechnologii Izolacja antyoksydantów z materiałów roślinnych (np. ziół i przypraw) Otrzymywanie aromatów naturalnych z olejów roślinnych Izolacja barwników z materiałów roślinnych

Ograniczenia ekstrakcji ciecz – ciało stałe Konieczność dokładnego usuwania rozpuszczalników (niekiedy toksycznych) Nietrwałość (głównie termiczna) izolowanego materiału w warunkach przetwórstwa

Ekstrakcja parą Para łatwiej penetruje ekstrahowany materiał dzięki niższej lepkości Dyfuzja par do materiału roślinnego przebiega efektywniej niż dyfuzja cieczy Destylacja olejów z para wodną przebiega efektywniej dla cząsteczek zawierających tlen dzięki mieszalności z wodą

Ekstrakcja parą

Zastosowanie ekstrakcji parą Produkcja kawy instant zmiana parametrów ekstrakcji wpływa na: efektywność ekstrakcji obecność substancji zapachowych produkcja kawy instant w procesie wielostopniowym Usuwanie zanieczyszczeń organicznych z produktów mleczarskich

Ograniczenia ekstrakcji parą Tworzenie mocno zanieczyszczonych ścieków Ograniczona efektywność ekstrakcji