DIFUZI DIF UZIONE ONE OPE OPERAC RACIJE IJE Veliki broj tehnoloških operacija zasnovan je na fizi čkoj pojavi pojavi prostiranja (kretanja) materije (odnosno mase). U takvim slučajevima uvek postoje bar dve komponente koje koje su pomešane. Ako se ostvare potrebni fizi čki uslovi može do ći do kretanja samo jedne komponente u željenom pravcu, što će se kasnije videti na primerima ovih operacija. Binarni sistemi Binarni sistemi su raznovrsne smeše dve komponnte. Komponente mogu biti čvrste, tečne i gasovite. Zbog raznovrsnosti materija koje čine ove smeše, a zbog prakti čnih primena postoje dva osnovna na čina izražavanja izražavanja udela pojednih pojednih komponenti u njoj. njoj. To su maseni i zapreminski zapreminski udeli komponeneti. komponeneti. Umesto termina udeo komponente češće se u praksi kaže koncentracija komponete. c 1 – maseni udeo komponente komponente 1 Maseni udeo – masena koncentracija: M 1
c1
c1
c 2 – maseni udeo komponente komponente 2
+ M 2 = M s
M 1
=
;
M s
=
M 1
c2
100%
M s
=
M 2
(kg/kg) c 1 + c 2 = 1
M s
; c2
=
M 2
100%
M s
(%mas) c 1 + c 2 = 100%
M 1 – masa komponente 1 M 2 – masa komponente 2 M s – masa smeše
Zapreminski udeo – zapreminska koncentracija:
c v1 – zapreminski udeo komponente komponente 1
V 1
c v2 – zapreminski udeo komponente 2
+ V 2 =
cv1 cv1
=
=
V 1 V s
V 1
V s
;
cv 2
100%
V s
=
V 2
(m3/m3) c v1 + c v2 = 1
V s
V 2
; cv 2 = V
s
100%
(%vol) c v1 + c v2 = 100%
V 1 – zapremina komponente komponente 1 V 2 – zapremina komponente 2 V s – zapreminamasa smeše
DIFUZI DIF UZIONE ONE OPE OPERAC RACIJE IJE Bilansi mase (materije) Jedno od osnovnih na čela klasične (njutnovske) fizike se iskazuje zakonom o održanju mase, koji kaže da se masa (materija) ne može dobiti ni izgubiti. Uzimaju ći u obzir Ajnštajnove zakone relativnosti i činjenice defekta mase prilikom fisije i fuzije prethodna tvrdnja nije egzaktna (potpuno ta čna). Ali, posmatraju ći tehnološke operacije operacije koje je ljudska cilvilzacija cilvilzacija do sada usvojila u tehnologijama može se re ći da se klasični zakon o održanju mase može primenjivati u prehrambenim tehnologijama, jer na ovom podru č ju, za sada, nema slučajeva kada se masa pretvara u energiju ili obrnuto. Ako se prethodno razmatranje razmatranje primeni u tehnološkim tehnološkim operacijama može može se tvrditi da koli čine materija koje ulaze u neku tehnološku operaciju moraju biti jednake koli činama materija koje izlaze iz tehnologije. Koli čina materije može se iskazivati masom ili molarno (u molovima). Ovo, naravno, važi u situacijama kada su procesi stacionarni (ustaljeni), odnosno kada nema nakupljanja ili smanjivanja smanjivanja mase koja se trenutno nalazi u aparatu tokom t okom vremena. Sve u svemu, ako se posmatra neki ustaljen proces može se pisati jedna čina bilansa mase za opšti slučaj: SM ul = SM izl
gde je SM ul –
zbir svih masa koje ulaze u proces i SM izl – zbir svih masa koje izlaze iz procesa.
DIFUZIONE OPERACIJE Bilansi mase (materije) Bilans mase važi za ukupne količine materija, ali i za svaku pojedinu komponentu koja se pojavljuje u procesu. 1. Primer bilansa mase: U proces proizvodnje sira ušlo je 100 kg mleka. Mleko je sadržavalo 3,8% mas mlečne masnoće, 8%mas ostale suve materije (proteini, še ćer, soli), a ostatak je bila voda. Proizvedeno je 16 kg punomasnog polutvrdog sira koji ima 50%mas suve materije. U suvoj materiji nalazi se 45%mas mlečne masti. Izračunati koliko ima surutke (ostatak u proizvodnji sira) i kakav je njen sastav ako je bilo 4 kg isparene vode tokom procesa. Zanemariti ostale izlazne mase. Rešenje: U 100 kg mleka nalazi se 3,8 kg mle čne masti i 8 kg ostale suve materije. Pored toga, u mleku ima 88,2 kg vode. U siru se udeo mle čne masti može izračunati na sledeći način: cms = 0,45 · 0,50 = 0,225 kg/kg (22,5%mas) Ukupni bilans materije je: Mml = Ms + Msur + Mgv gde je: Mml – masa mleka pre procesa, Ms – masa proizvedenog sira, Msur – masa surutke i Mgv – gubitak vode. Iz prethodne jedna čine izračunava se masa surutke: Msur = Mml - Ms – Mgv = 100 – 16 – 4 = 80 kg
DIFUZIONE OPERACIJE Sastav surutke se odre đuje iz bilansa pojedinih komponenti. Bilans mle čne masti je: cmm· Mml = cms · Ms + cmsur · Msur gde je: cmm = 0,038 kg/kg - udeo mlečne masti u svežem mleku, c ms = 0,225 kg/kg – udeo mlečne masti u siru i c msur – udeo mlečne masti u surutki (nepoznato). cmsur · = (cmm· Mml - cms · Ms) / Msur = (0,038 · 100 – 0,225 · 16) /80 = 0,0025 kg/kg (0,25%mas). Bilans vode je: wmm· Mml = wms · Ms + wmsur · Msur + Mgv gde je: wmm = 0,882 kg/kg – udeo vode u svežem mleku, wms = 0,50 kg/kg (50%mas) – vlažnost (udeo vlage) sira i w msur – udeo vode u surutki (nepoznato). wmsur = (wmm· Mml - wms · Ms - Mgv) / Msur = (0,882 · 100 – 0,50 · 16 – 4) / 80 = 0,9525 kg/kg ili wmsur = 95,25%mas kako zbir svih udela u nekoj materiji mora biti jednak 1, to se može izračunati i udeo ostale suve materije u surutki: csmsur = 1 – wmsur – cmsur = 1 – 0,9525 – 0,0025 = 0,045 kg/kg (4,5%mas). Ovaj rezultat mora da se dobije i bilansiranjem mase ostale suve materije. Taj bilans je: csmm· Mml = csms · Ms + csmsur · Msur gde je: csmm = 0,080 kg/kg - udeo ostale suve materije u svežem mleku, csms = 1 – 0,50 – 0,225 = 0,275 kg/kg – udeo ostale suve materije u siru i cmsur – udeo ostale suve materije u surutki (nepoznato). Sledi: csmsur = (csmm· Mml - csms · Ms)/ Msur = (0,08 · 100 – 0,275 · 16) / 80 = 0,045 kg/kg (4,5%mas). što je već dobijeno prethodno. Ovan naknadni prora čun služi kao kontrola.
DIFUZIONE OPERACIJE
GRAFIČKI PRIKAZ PRORAČUNA BILANSA MASE PRI PROIZVODNJI SIRA - PRIMER
KRETANJE MATERIJE - DIFUZIJA Posmatramo višekomponentni sistem u kome je bar jedna komponenta fluid. Prirodna težnja komponenti u takvim sistema je da se ravnomerno raspodele po celom prostoru u kome se nalazi ta smeša. Ova težnja je posledica zakona po kome se materija uvek kre će sa mesta više na mesto niže koncentracije. Fizički i matematički opis ove pojave naziva se Fikov zakon. Ovaj zakon je matemati čki veoma složen. To je komplikovana diferencijana jednačina, koja se može rešiti za odre đen broj jednostavnijih slu čajeva. U komplikovanijim slu čajevima se ona kombinuje sa eksperimentima i na taj na čin dopunjava empirijskim matemati čkim izrazima. Važno je shvatiti da od veli čina razlike koncentracije neke komponente u dve ta čke višekomponenetnog sistema zavisi kojim intenzitetom će se materija (posmatrana komponenta) premeštati sa mesta više na mesto niže koncentracije. Ovakvo kretanje mase naziva se DIFUZIJA.
KRETANJE MATERIJE - DIFUZIJA Ako postoji povezanost različitih smeša na bilo koji direktan fizički način i tada dolazi do transporta materije (kretanja materije) ili samo neke komponente. Primer za ovo je prolazak molekula vode kroz polupropustljive membrane biljnih i životinjskih ćelijia. U ovom slučaju je reč o takozvanom osmotskom pritisku, koji je tako đe posledica generalnog stava (Fikov zakon) da se materija kreće sa mesta više na mesto niže koncentracije. Sličan primer je konvektivno sušenje pri kome deo vlage kao komponente napušta čvrsti skelet materijala koji se suši i prelazi u okolni vazduh, opet zahvalju ći većoj koncentarciji u materijalu koji se suši nego u okolnom vazduhu. Postoji još veliki broj primera pri kojima se dešava pojava prelaska neke komponente iz jednog u drugi sistem. U zavisnosti od faznih stanja, višekomponenetnih sistema i ciljeva tehnološke operacije postoje razli čite tehnološke operacije. Kod ovih operacija uo čavaju se aktivna materija i radna materija. Aktivna materija je ona komponenta koja se posmatra, a radne materije su nosioci kroz koje se kre će aktivna materija.
DIFUZIONE OPERACIJE SISTEMI GAS - TEČNOST 1. Apsorpcija je tehnološka operacija pri kojoj aktivna materija prelazi iz gasa u tečnost. Ova operacija se koristi kada se želi izdvojiti neka komponenta iz smeše gasova. To može biti slučaj izdvajanja korisne (potrebne) komponente, ali i slučaj kada se izdvaja štetna komponeta u cilju pre čišćavanja gasa. Kada je u pitanju korisna komponeta ona se u slede ćoj operaciji mora izdvojiti iz te čne radne materije nekom tehnološkom operacijom. Primer za ovu operaciju je prelazak arome (mirisa) iz gasa u tečnost. Apsorpcija se, na primer, dešava u vlažnim prečistačima gasa. U ovom slučaju iz gasa se uklanjaju štetne primese tako što prelaze u vodu apsorpcijom. 2. Desorpcija je tehnološka operacija pri kojoj aktivna materija prelazi iz tečnosti u gas. Primer za ovu operaciju je prelazak vlage iz nekog tečnog rastvora u vazduh. S druge strane desorpcija je često druga operacija nakon apsorpcije. To je u slu čaju kada se iz tečnosti, u kojoj se nalazi aktivna materija nakon apsorpcije, desorpcijom ona ponovo prevodi u gas (na primer, vazduh). Intenzitet i efikasnost ovih tehnoloških operacija veoma zavisi od osobina materije, kao i od konstrukcionog rešenja ure đaja. Osobine materije u pogledu apsorpcije i desorpcije se obično prikazuju funkcijama (grafi čki – krive linije) koje se nazivaju krive apsorpsije i desorpcije. Kod uređaja presudnu ulogu igra ostvarena površina razmene materije.
DIFUZIONE OPERACIJE SISTEMI GAS – ČVRSTO TELO 3. Adsorpcija je tehnološka operacija pri kojoj aktivna materija prelazi iz gasovite radne materije u čvrstu radnu materiju. Primer je vlaženje čvrstih materijala pomoću vlažnog vazduha, dimljenje mesa i sl. 4. Desorpcija je tehnološka operacija prelaska aktivne materije iz čvrste radne materije u gasovitu radnu materiju. Primer je sušenje na okolnom vazduhu. I u slučaju ovih operacija svojstva radne i aktivne materije su od najve će važnosti. za projektovanje tehnološke operacije potrebno je znanje i krivama adsorpcije (sorpcije) i desorpcije za aktivni i radnu amteriju. Efikasnost je zavisna i od stanja materije (temperatura i pritisak). Za efikasnost tehnoloških operacija adsorpcije i desorpcije veoma je važno da čvrsto telo ima poroznu strukturu. Na taj na čin povećava se površina razmene materije.
DIFUZIONE OPERACIJE SISTEMI TEČNOST – TEČNOST 5. Ekstrakcija je tehnološka operacija pri kojoj aktivna materija prelazi iz jedne u drugu tečnost. Ova ekstrakcija se ponekad naziva ekstrakcija te čno-tečno ili tečna ekstrakcija. Primer za ovu tehnološku operaciju je ekstrakcija aroma iz organskih rastvora. Ova tehnološka operacija se koristi u proizvodnji ekstrakata iz lekovitih biljaka ili proizvodnji parfema. Pri tome se moraju koristiti te čnosti koje su međusobno nerastvorive. One se mehani čki mešaju tokom procesa, a potom se razdvajaju.
SISTEMI TEČNOST – ČVRSTA TELA 6. Ispiranje ili ekstrakcija čvrsto tečno je tehnološka operacija pri kojoj aktivna materija prelazi iz čvstog tela u tečnost. Ponekad se za ovu operaciju nailazi na naziv luženje ili čvrsta ekstrakcija. Ovo je vrlo česta tehnološka operaciju u prehrambenim tehnologijama. Primeri su u proizvodnji še ćera, ulja, ekstrakata lekovitog i aromati čnog bilja i dr. 7. Rastvaranje je tehnološka operacija u kojoj se aktivna materija dodovi u tečnost. U ovom slučaju se dobija rastvor . Aktivna materija je rastvorak, a tečnost u koju se ona dovodi je rastvarač.
TERMODIFUZIONE OPERACIJE Efikasnost prethodnih difuzionih operacija zavisna je od stanja aktivne i radnih materija. Zbog toga se pribegava toplotnim operacijama (zagrevanje ili hla đenje), a i cilju intenziviranja ili usporavanja učinaka ovih operacija. Ali, naj češće se procesi, ipak, odigravaju izotermski i izobarski (pri istoj temperaturi i istom pritisku). Međutim, postoje difuzione operacije kod kojih dolazi do promena temperature i pritiska tokom vremena. Pri tome se dovodi ili odvodi odre đena količina toplote. Ove vrste tehnoloških operacija nazivaju se termodifuzione. Pri ovim operacijama vrlo često dolazi do promene faze neke komponete ili komponenti. Zagrevanje ili hla đenje višekomponentnih rastvora dešava se po klasičnim principima termodinamike. Potrebna koli čina toplote za ove procese zavisi od svojstava smeša. Specifičnost višekomponentnih sistema naro čito dolazi do izražaja u slu čaju kada oni menjaju fazu (agregatno stanje). Poznato je da jednokomponentni sistemi u ovim slu čajevima imaju “zastoj” temperature. To znači da se promena faze ostavruje pri konstantnoj (jednakoj) temperaturi. Na primer, isparavanje vode odigrava se na 100 oC, pri normalnom pritisku (približno atmosferski pritisak). Sve dok sva vode ne ispari njena temperatura se ne menja iako dovodimo toplotu.
TERMODIFUZIONE OPERACIJE Ali, kada su u pitanju smeše sastavljene od dve ili više komponenata tada je stvar drugačija. U tom slučaju postoje razli čiti slučajevi međusobne rastvorljivosti što bitno uti če na karakter promena temeperature tokom promene faze (isparavanja, zamrzavanja i sl). U svim slučajevima, ipak, karakteristično je to da pored “zastoja” temperature, koji se nekad pojavljuju, a nekada ne, postoji promena temperature tokom promene faze. To znači da se tokom promene faze menja temperatura rastvora. Na primer, ako isparava smeša vode i alkohola ispravanje će početi na nižoj temperaturi, a završi će se na višoj. U početnim trenucima isparavanja, čija temperatura zavisi od udela (koncentracije) će para biti druga čijeg sastava od tečnosti. U datom primeru prva para koja nastane tokom isparavanja biće bogata alkoholom (parom alkohola), a tokom vremena će u pari koja nastaje biti sve vi ći udeo vodene pare. Temperatura rastvora će rasti tokom operacije. Slična situacija je i sa drugim slu čajevima promene faze (otopljavanje, zamrzavanje, kondenzacija i sublimacija). Postoji veći broj termodifuzionih operacija koje se javljaju u tehnologiji prerade hrane. Ovde se navode i ukratko objašnjavaju najvažnije operacije: 1. Ukuvavavnje ili uparavanje, 2. Kristalizacija, 3. Jednostepena destilacija 4. Frakciona destilacija 5. Rektifikacija i 6. Sušenje
UKUVAVANJE ILI UPARAVANJE Ova tehnološka operacija primenjuje se kada je potrebno koncentrovanje (uguš ćivanje) rastvora koji se sastoji od tečnosti i čvrste faze. Čvrsta faza je rastvorena u najsitnijim česticama (joni, koloidne čestice i sl). Zagrevanjem i dovo đenjem u stanje promene faze isparavanjem tečna faza isparava, a čvrsta ne. U tom slučaju ostatak rastvora tokom operacije postaje koncentrovaniji, odnosno u njemu je tokom vremena sve ve ći udeo čvrste komponente. U najve ćem broju slučajeva isparljivi rastvarač je voda. Zadatak tehnološkog aparata je da se što efikasnije upotrebi toplotna energija. Kada je aktivna materija (ono što se proizvodi) čvrsti rastvorak, tada se koristi višestepeno upravanje. U tom slučaju para koja nastane u prvom stepenu ukuvavanja na najvišoj temperaturi odvodi u drugi stepen gde je ona grejni fluid. Para koja nastane u drugom stepenu je grejni fluid za tre ći stepen. Broj stepeni od 3 pa do 5 ili više. Predaja toplote sa pare na rastvor obavlja se u cevnim zagrejačima koji su sastavni deo aparata. U prvom stepenu je najviša temperatura rastvora, a u poslednjem najniža. I sto takvo stanje je i sa pritiscima .
Trostepeno uparavanje
d ) i r a b r i a v p r ( P
d i r ) b a i r g a p u r ( D
Razređen rastvor (retki sok)
Vodena para iz kotlovnice Ugušćen rastvor (gusti sok)
t a z n e d n o K
t a z n e d n o K
t a z n e d n o K
UKUVAVANJE ILI UPARAVANJE Ukuvavanje ili uparavanje je česta tehnološka operacija u preradi hrane. Najvažniji primeri su u proizvodnji še ćera, sokova, mlečnih proizvoda i dr. Prethodno objašnjeni postupak obavlja se na temperaturi promene faze (klju čanja) rastvarača. Ugušćivanje rastvora može se obaviti i na nižim temperaturama od temperature ključanja. To se može ostvariti korišćenjem zagrejanog vazduha kao radne materije koja u kontaktu na velikoj površini oduzima deo tečnosti, tako što na površini dolazi do prelaska vode u parno stanje i mešanja sa vazduhom. Voda prelazi u vazduh opet zahvaljujući razlici koncentracija vlage u vodi i vazduhu. Ovaj postupak uguš ćivanja rastvora zove se ishlapljivanje , tehnološki aparat ishlapljivač.
Ishlapljivač namenjen ugušćivanju rastvora šećera u tehnologiji osmotskog sušenja na Poljoprivrednom fakultetu u Novom Sadu
KRISTALIZACIJA ILI OČVRŠĆAVANJE To je tehnološka operacija pri kojoj se iz te čnog rastvora izdvaja čvrsta faza. To se dešava zahvaljući sniženju temperature rastvora odvo đenjem toplote. Na taj način stvaraju se uslovi da rastvorena čvrsta faza kristališe (prelazi iz jona u kristalnu strukturu). Na ovaj način izvaja se šećer iz gustog rastvora (sirupa). Većina kristalnih prehrambenih proizvoda proizvodi se na ovaj na čin.
DESTILACIJA Destilacija se primenjuje kada se želi izdvojiti neka komponenta ili komponente iz te čnog rastvora. To se ostvaruje tako što se te čni rastvor zagreva do temperature promene faze. U ovim slučajevima neće se dobiti čista lakše isparljiva komponenta. Pri isparavanju prvo se dobija para u kojoj najviše ima najlakše ispraljive komonente. Naknadnom kondenzacijom pare dobija se rastvor koji je druga čiji od osnovnog. Primer je proizvodnja alkoholnih pi ća destilacijom ili proizvodnja destilata lekovitog i aromati čnog bilja. Destilacija može biti jednostepena i frakciona. Specijalni i najsloženiji oblik destilacije je rektifikacija. Jednostepena destilacija je u slu čaju kada se dešava promena faze isparavanjem samo na jednom rastvoru i sav kondenzat je jedinstven. U ovom slučaju postoji samo jedan proizvod destilat. Ako se kondenzovanje isparene smeše razdvoji na više frakcija onda je re č o frakcionoj destilaciji. Postupnim kondezovanjem frakcija dobijaju se rastvori koji imaju razli čite sastave. Detaljnije o ovoj tehnološkoj operaciji bi će reči prilikom opisa proizvodnje alkoholnih pi ća. Rektifikacija je proces pri kome se dešava stepenasta destilacija. Naime u specijalnom tehnološkom aparatu koji se zove rektifikaciona kolana po celoj visini postoje razli čite koncentracije rastvora, a isto tako na ve ćem (potrebnom) broju mesta odvajaju se pojedine frakcije (derivati). Zna či u ovom slučaju dobijaju se razli čiti derivati, koji se međusobno više razlikuju po sastavu nego ono dobijeni frakcionom destilacijom.
Jednostepena destilacija (“pečenje” rakije)
Rektifikaciona kolana
HEMIJSKE I MIKROBIOLOŠKE TEHNOLOŠKE OPERACIJE Hemijske tehološke operacije su one pri kojima se dešavaju hemijske reakcije. Ove operacije mogu biti kombinovane sa ve ć objašnjenim operacijama. Pri razmatranju posebnih tehnologija bi će nevedeni slučajevi kada se koriste i hemijske tehnološke operacije. Mirkobiološke tehnološke operacije su one pri kojima se za željeni proces koristi životna aktivnost mikroorganizama. Tokom te aktivnosti namenski mikroorganizmi menjaju fizi čke i hemijske osobine aktivne materije. Ove operacije su veoma česte u tehnologijama prerade hrane, pa će o nima biti reči, takođe, pri razmatranju posebnih tehnologija kao što su prerada mleka, vo ća, mesa i sl. Pitanja Šta je binarni sistem? Kako se izražava masena a kako zapreminska koncentracija neke komponenete u smeši? Koji je osnovni zakon koji se koristi pri bilansiranju mase u tehnološkim procesima? Šta je difuzija? Šta su aktivna i radna materija pri difuzionim procesima? Definišite apsorpciju i desorpciju za sisteme te čnost gas. Opišite adsoprciju i desorpciju za sisteme gas – čvrsto telo. Šta je ekstrakcija tečno – tečno? Šta je ispiranje ili ekstrakcija čvrsto – tečno? Definišite nazive komponenti u rastvoru te čnost –čvrsta matarija. Šta su termodifuzione oepracije? Šta je to uparavanje? Šta je ishlapljivanje? Šta je jednostepena a šta frakciona destilacija? Šta je rektifikacija?
