Физическая сущность процесса экстракции

Категория: Полуфабрикаты лекарственных трав в производстве кондитерских изделий

Процесс экстракции является диффузионным процессом и подчиняется общим законам массопередачи.

В общем виде процесс экстракции состоит из четырех стадий:

•  проникновение растворителя в поры частиц растительного сырья;

• растворение целевого компонента (компонентов);

•  перенос экстрагируемого вещества изнутри частицы растительного сырья к поверхности раздела фаз (молекулярная диффузия);

•  перенос экстрагируемого вещества от поверхности раздела фаз и распределение его по всей массе экстрагента (конвективная диффузия).

При экстрагировании растворимых веществ из ткани растительного сырья обычно не все четыре стадии процесса имеют место, либо не все играют существенную роль.

Количество извлеченного посредством молекулярной диффузии вещества S, кг определяется уравнением:

Под молекулярной диффузией понимается перенос вещества в виде отдельных его молекул.

Сразу после соприкосновения растворителя и экстрагируемого вещества они начинают смешиваться: молекулы экстрагируемого вещества в процессе его беспорядочного теплового движения будут переходить в растворитель и, наоборот, молекулы растворителя будут переходить в среду экстрагируемого вещества (например, в растительную клетку) и растворять его.

Чем больше разность концентраций экстрагируемого вещества в клетке и растворителе, тем интенсивнее происходит диффузия. Кроме того, чем больше поверхность соприкосновения экстрагируемого вещества с растворителем и длительность соприкосновения, тем большее количество вещества будет диффундировать в единицу времени в данной системе.

Таким образом, становится понятным основное уравнение диффузии; количество вещества ds, диффундирующего из концентрированного раствора через данное сечение, пропорционально размеру данного сечения F, пропорционально градиенту (падению) концентрации dc/dx в направлении, перпендикулярном к этому сечению (разность концентрации на единицу длины пути), и пропорционально времени dT:

Формула (2) представляет собой математическое выражение закона Шукарева-Фика.

Это уравнение верно для стационарного процесса диффузии, т.е. процесса диффузии при постоянном градиенте концентрации. Практически процесс диффузии в ходе экстракции является нестационарным (градиент концентрации изменяется), поэтому приведенное уравнение верно лишь для каждого данного момента экстракции.

Коэффициент диффузии представляет собой количество вещества, переносимое в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации равном единице. Он представляет физическую характеристику, определяющую способность этого вещества проникать в ту или иную среду. Зависимость коэффициента диффузии в растворе от температуры, вязкости растворителя и размера частиц может быть представлена формулой Эйнштейна:

Под конвективной диффузией понимается перенос вещества в виде отдельных небольших объемов его раствора. Чем больше по величине эти объемы, переносимые конвекцией, чем больше количество этих объемов в единицу времени на единицу поверхности, через которую проходит диффузия, тем интенсивнее перенос вещества в ходе конвективной диффузии. Для конвективной диффузии, так же как и для молекулярной, важна разность концентраций: чем больше разность концентраций, тем более эффективным будет перенос отдельных объемов из более концентрированной в менее концентрированную область в отношении уравнивания концентраций в обеих областях.

Количество вещества, извлеченного посредством конвективной диффузии S, кг, определяется уравнением:

Значения т, F, С2 те же, что и в уравнении (1). Величину у учитывают из соотношения: Dн/y=В,

где В-коэффициент массоотдачи, м/с.

Сам процесс экстракции в своей основе состоит из диффузионных процессов - молекулярной и конвективной диффузии, поэтому почленное сложение этих двух величин дало общее уравнение диффузии при экстракции:

I

При оценке влияния факторов молекулярной и конвективной диффузии исходят из соотношения:

Для выяснения преобладания молекулярной или конвективной диффузии при экстрагировании исходят из следующих положений:

1 .Когда критерий Био близок к нулю, преобладает конвективная диффузия и количество экстрагированного вещества определяется по уравнению (4). Это происходит при экстрагировании из твердых тел перколяцией, частично реперколяцией, при воздействии высокочастотных вибраций.

2.Если критерий Био более 50, то основное значение приобретает молекулярная диффузия. Это условие соответствует

экстрагированию твердых тел мацерацией, а также соответствует мацерации (настаиванию) при перколяции и реперколяции.