Дифузія, масопередача з клітин, коефіціент масопередачі.

Процес екстрагування відноситься до масообмінних процесів і протікає за рахунок дифузії із зони з високою концентрацією. Це, як правило, клітини рослинного або тваринного матеріалу, що містять БАР. Екстрагування основане на дифузіії БАР із внутрішніх структур частинок матеріалу в екстрагент і закінчується при досягненні рівноважних концентрацій. В рівноважному стані з матеріалу в екстрагент переходить така ж кількість молекул, як із екстрагента в матеріал., тобто концентрація залишається сталою. Як правило, в матеріалі концентрація вища ніж в екстрагенті.

Дифузія буває молекулярна і конвективна. Молекулярна дифузія – це процес переносу БАР (в даному випадку) за рахунок хаотичного руху самих молекул в нерухомому середовищі. Характеризується коефіцієнтом молекулярної дифузії D, який визначається за рівнянням Енштейна:

 

D = RT/Na6πr η = KT/6πr η (1)

 

lе: D - універсальна газова стала 8,32 Дж/(град моль);

Na - число Авогадро (6,02 10²³),

Т – абсолютна температура, К;

η - в’язкість розчину, Н/с м²;

r -радіус частинок, м;

K - стала Больцмана.

Коеф. молек. дифузії характеризує здатність даної речовини проникати внаслідок дифузії в нерухоме середовище і зростає із збільшенням температури і зменшується з ростом в’язкості середовища і розміром частинок, що дифундують. Так, розчини білків, слизу, пектинів мають низькі коеф. дифузії, а речовини з малими молекулами (БАР) дифундують значно швидше.

Процес екстрагування з рослинної сировини має свої особливості: 1) наявність пористої перегородки, міжклітинного простору і клітинних ходів знижує швидкісь дифуії. 2) через пори перегородки можуть пройти тільки ті речовини, частинки яких не перевищують розмірів пор. 3)Явище десорбції (так як речовини всередині клітини зв’язані силами тяжіння, то необхідна сила, щоб зруйнувати ці адсорбційні сили). Процес дифузійних явищ всередині рослинного матеріалу називають внутрішньою дифузією. Для вираження коеф. дифузії в порах рослинного м-лу в рівняння Енштейна вводять поправочний коеф. В.

 

D_вн = BRT/Na6πr η (2)

 

Для більшості природних сполук D_вн становить 10^-4 -10^{-5 м2} /с, для тих же сполук в порах матеріалів з клітинною структурою на 2-3 порядки менше -10^-6 -10^-8 м ²/с. Це пов’язано з тим, що на шляху до речовин, які знаходяться в клітині, є клітинна стінка, фізіологічний стан якої може бути різним. Жива рослинна клітина має пристінний шар протоплазми певної товщини, яка грає роль перегородки, що відділяє розчин всередині клітини (клітинний сік) від рідини поза клітиною. В живій клітині клітинна стінка є напівпроникною перегородкою, яка не пропускає назовні речовини, розчинені в клітковому соку. В цьому випадку можливе лише проникнення екстрагента всередину клітини..

По-іншому відбувається з мертвою клітиною – стінка втрачає характер напівпроникної перегородки і через неї можуть проходити БАР, розмір яких не перевищує розмірів пор.

Більшість екстракційних препаратів отримують з висушеної росл. сировини (шляхом теплової сушки). У випадку отримання препаратів із свіжих рослин, клітини умертвляють етиловим спиртом (він ії зневоджує). Умертвлення клітин тваринної сировини проводять сушкою або зневодненням спиртом чи ацетоном.

Масопередача з сировини з клітинною структурою – складний процес, в якому можна виділити три стадії.:1) внутрішня дифузія –явище переносу речовин всередині рослинного матеріалу, 2) перенос речовини в межах дифузійного пограничного слою, 3) перенос речовини екстрагентом, що рухається (конвективна дифузія). Перша стадія – проникнення екстрагента в матеріал, змочування речовин, які знаходяться всередині клітини, розчинення їх і десорбція. Далі іде молекулярний перенос розчинених речовин спочатку в екстрагент в міжклітинному просторі, потім в екстрагент що заповнює мікро і макротріщини і на поверхню матеріалу.

 

 

Схема частинки матеріалу, що знаходиться в екстрагенті.

С1- середня концентрація речовин в середині частинки,

С2-на її поверхні,

Тоді кількість матеріалу, що продифундував із внутр. структур частинки на її поверхню

(перша стадія):

 

S = D_внF (C₁-C₂) t/l (3)

 

- D_{вн -} коеф. внутр. дифузії, м² /с,

^- F - поверхня розділу фаз, м^2,

l - товщина частинки матеріалу,через як дифундують речовини,м;

t - час дифузії, с;

С₁, С₂ – концентрації речовин, кг/м³;

На другій стадії іде дифузія речовин від поверхності частинки (конц.С2) до зовнішньої поверхні дифузійного пограничного слоя (конц. С3) Товщина цього слоя залежить від гідродинаміки процесу (швидкості перемішування екстргента). В межах дифузійного пограничного слою перенос речовин здійснюється за законом вільної дифузії і описується першим законм Фіка.

S = DF (C₂-C₃) t/d (4)

де d - товщина дифузійного пограничного слоя, м;

На третій стадії процесу екстрагування перенос здійснюється за рахунок руху екстрагента (конвективна диф.). Якщо С4 – середня конц. екстрагента в об’ємі, що омиває частинку, то к-ть речовини, перенесеної в екстрагент конвективною дифузією виражаєть-ся рівнянням:

S = βF (C₃-C₄) t/d (5)

де β -коеф. конвект. диф. (м/с), прямо пропорційний перемішуванню. Як правило, цей коеф. значно більший за коеф. D.

Сумарний перенос речовини з частинки в екстрагент виражається основним р-ням масопередачі:

S = KF (C₁-C₄) t (6)

Де К – коеф. масопередачі сумарний, який враховує всі три стадії.

 

К=1/(1/D_вн + d/D + 1/β) (7)

 

Аналіз рівнянь (1 – 7) показує, що процес екстрагування залежить від багатьох факторів:

Гідродинамічні умови: за відсутності конвекції β =0, товщина дифузійного слою дорівнює товщині слою екстрагента і 3-тя стадія відпадає. Таке явище можливе при мацерації (настоюванні) без перемішування (найдовший спосіб).

При незначному перемішуванні рівняння має загальний вигляд (наявні всі три стадії процесу). Швидкість такого способу екстракції вища, так як зменшується шар нерухомої рідини, з’являються ковекційні потоки, які перемішують рідину і сприяють переносу речовини. Це властиво для мацерації з перемішуванням, перколяції та швидкоплинної реперколяції., безперервної протиточної екстракції.

При дуже інтенсивному перемішуванні можуть бути відсутні друга і третя складові і рівняння має вигляд:

K = 1/(1/D_вн) (8)

 

Коеф. масопередачі в цьому випадку визначається лише коеф. диф. в порах рослинного матеріалу. Це справедливо для вихревої екстракції та з застосуванням роторно-пульсаційного апарату. Друга та третя складові в рівнянні можуть бути відсутні, але перша невід’ємна від самої суті екстракції.

Поверхня розподілу – процес залежить від ступеню подрібненя, але при надмірному подрібненні можливе злежування, і при збільшенні кількості розірваних клітин вимиваються супутні р-ни, що забруднюють витяжку.

Різниця концентрацій С1 і С4 –рушійна сила процесу. Максимальний перепад концентрацій досягається частою зміною ектрагенту.