DIFUZIONE OPERACIJE

Veliki broj tehnoloških operacija zasnovan je na fizičkoj pojavi prostiranja (kretanja) materije (odnosno mase). U takvim slučajevima uvek postoje bar dve komponente koje koje su pomešane. Ako se ostvare potrebni fizički uslovi može doći do kretanja samo jedne komponente u željenom pravcu, što će se kasnije videti na primerima ovih operacija.Binarni sistemiBinarni sistemi su raznovrsne smeše dve komponnte. Komponente mogu biti čvrste, tečne i gasovite. Zbog raznovrsnosti materija koje čine ove smeše, a zbog praktičnih primena postoje dva osnovna načina izražavanja udela pojednih komponenti u njoj. To su maseni i zapreminski udeli komponeneti. Umesto termina udeo komponente češće se u praksi kaže koncentracija komponete. Maseni udeo – masena koncentracija:

; (kg/kg) c1 + c2 = 1

; (%mas) c1 + c2 = 100%

Zapreminski udeo – zapreminska koncentracija:

; (m3/m3) cv1 + cv2 = 1

; (%vol) cv1 + cv2 = 100%

sMMM =+ 21

sM

Mc 11 =

sM

Mc 2

2 =

%10011

sM

Mc = %1002

2sM

Mc =

c1 – maseni udeo komponente 1

c2 – maseni udeo komponente 2

M1 – masa komponente 1

M2 – masa komponente 2

Ms – masa smeše

sVVV =+ 21

sv V

Vc 1

1 =s

v V

Vc 2

2 =

%10011

sv V

Vc = %1002

2s

v V

Vc =

cv1 – zapreminski udeo komponente 1

cv2 – zapreminski udeo komponente 2

V1 – zapremina komponente 1

V2 – zapremina komponente 2

Vs – zapreminamasa smeše

DIFUZIONE OPERACIJE

Bilansi mase (materije)

Jedno od osnovnih načela klasične (njutnovske) fizike se iskazuje zakonom o održanju mase, koji kaže da se masa (materija) ne može dobiti ni izgubiti. Uzimajući u obzir Ajnštajnove zakone relativnosti i činjenice defekta mase prilikom fisije i fuzije prethodna tvrdnja nije egzaktna (potpuno tačna). Ali, posmatrajući tehnološke operacije koje je ljudska cilvilzacija do sada usvojila u tehnologijama može se reći da se klasični zakon o održanju mase može primenjivati u prehrambenim tehnologijama, jer na ovom području, za sada, nema slučajeva kada se masa pretvara u energiju ili obrnuto.Ako se prethodno razmatranje primeni u tehnološkim operacijama može se tvrditi da količine materija koje ulaze u neku tehnološku operaciju moraju biti jednake količinama materija koje izlaze iz tehnologije. Količina 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 mase koja se trenutno nalazi u aparatu tokom vremena. Sve u svemu, ako se posmatra neki ustaljen proces može se pisati jednačina bilansa mase za opšti slučaj:

SMul = SMizl

gde je SMul – zbir svih masa koje ulaze u proces iSMizl – zbir svih masa koje izlaze iz procesa.

DIFUZIONE OPERACIJE

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, šećer, 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 mlečne masti i 8 kg ostale suve materije. Pored toga, u mleku ima 88,2 kg vode. U siru se udeo mlečne 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 + Mgvgde je: Mml – masa mleka pre procesa, Ms – masa proizvedenog sira, Msur – masa surutke i Mgv – gubitak vode.Iz prethodne jednačine izračunava se masa surutke:Msur = Mml - Ms – Mgv = 100 – 16 – 4 = 80 kg

Bilansi mase (materije)

Bilans mase važi za ukupne količine materija, ali i za svaku pojedinu komponentu koja se pojavljuje u procesu.

DIFUZIONE OPERACIJESastav surutke se određuje iz bilansa pojedinih komponenti. Bilans mlečne masti je:cmm· Mml = cms · Ms + cmsur · Msurgde je: cmm = 0,038 kg/kg - udeo mlečne masti u svežem mleku, cms = 0,225 kg/kg – udeo mlečne masti u siru i cmsur – 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 + Mgvgde je: wmm = 0,882 kg/kg – udeo vode u svežem mleku, wms = 0,50 kg/kg (50%mas) –vlažnost (udeo vlage) sira i wmsur – udeo vode u surutki (nepoznato).wmsur = (wmm· Mml - wms · Ms - Mgv) / Msur = (0,882 · 100 – 0,50 · 16 – 4) / 80 = 0,9525 kg/kg iliwmsur = 95,25%maskako 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 · Msurgde 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 proračun 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 kreće sa mesta više na mesto niže koncentracije. Fizički i matematički opis ove pojave naziva se Fikov zakon. Ovaj zakon je matematički veoma složen. To je komplikovana diferencijana jednačina, koja se može rešiti za određen broj jednostavnijih slučajeva. U komplikovanijim slučajevima se ona kombinuje sa eksperimentima i na taj način dopunjava empirijskim matematičkim izrazima. Važno je shvatiti da od veličina razlike koncentracije neke komponente u dve tačke 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 takođe 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 zahvaljući 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 različite tehnološke operacije. Kod ovih operacija uočavaju se aktivna materija i radna materija. Aktivna materija je ona komponenta koja se posmatra, a radne materije su nosioci kroz koje se kreće aktivna materija.

DIFUZIONE OPERACIJE

SISTEMI GAS - TEČNOST

1.1. ApsorpcijaApsorpcija 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 prečišćavanja gasa. Kada je u pitanju korisna komponeta ona se u sledećoj operaciji mora izdvojiti iz tečne 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.

2.2. DesorpcijaDesorpcija 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 slučaju 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 uređaja. Osobine materije u pogledu apsorpcije i desorpcije se obično prikazuju funkcijama (grafički – krive linije) koje se nazivaju krive apsorpsije i desorpcije. Kod uređaja presudnu ulogu igra ostvarena površina razmene materije.

DIFUZIONE OPERACIJE

SISTEMI GAS – ČVRSTO TELO

3.3. AdsorpcijaAdsorpcija 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. Desorpcija4. 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 najveće 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 način povećava se površina razmene materije.

SISTEMI TEČNOST – TEČNOST

5. Ekstrakcija 5. Ekstrakcija je tehnološka operacija pri kojoj aktivna materija prelazi iz jedne u drugu tečnost. Ova ekstrakcija se ponekad naziva ekstrakcija tečno-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 tečnosti koje su međusobno nerastvorive. One se mehanički mešaju tokom procesa, a potom se razdvajaju.

DIFUZIONE OPERACIJE

SISTEMI TEČNOST – ČVRSTA TELA

6. Ispiranje ili ekstrakcija čvrsto tečno6. 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 luženje ili čvrsta ekstrakcija. čvrsta ekstrakcija. Ovo je vrlo česta tehnološka operaciju u prehrambenim tehnologijama. Primeri su u proizvodnji šećera, ulja, ekstrakata lekovitog i aromatičnog bilja i dr.7. Rastvaranje7. 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 hlađenje), a i cilju intenziviranja ili usporavanja učinaka ovih operacija. Ali, najčešće 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 određena količina toplote. Ove vrste tehnoloških operacija nazivaju se termodifuzione. Pri ovim operacijama vrlo često dolazi do promene faze neke komponete ili komponenti.

Zagrevanje ili hlađenje višekomponentnih rastvora dešava se po klasičnim principimatermodinamike. Potrebna količina toplote za ove procese zavisi od svojstava smeša. Specifičnost višekomponentnih sistema naročito dolazi do izražaja u slučaju kada oni menjaju fazu (agregatno stanje). Poznato je da jednokomponentni sistemi u ovim slučajevima imaju “zastoj” temperature. To znači da se promena faze ostavruje pri konstantnoj (jednakoj) temperaturi. Na primer, isparavanje vode odigrava se na 100oC, pri normalnom pritisku (približno atmosferski pritisak). Sve dok sva vode ne ispari njena temperatura se ne menja iako dovodimo toplotu.

Slična situacija je i sa drugim slučajevima 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 destilacija4. Frakciona destilacija5. Rektifikacija i6. Sušenje

TERMODIFUZIONE OPERACIJEAli, kada su u pitanju smeše sastavljene od dve ili više komponenata tada je stvar drugačija. U tom slučaju postoje različiti slučajevi međusobne rastvorljivosti što bitno utiče 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 završiće se na višoj. U početnim trenucima isparavanja, čija temperatura zavisi od udela (koncentracije) će para biti drugačijeg 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 vići udeo vodene pare. Temperatura rastvora će rasti tokom operacije.

UKUVAVANJE ILI UPARAVANJEUKUVAVANJE ILI UPARAVANJEOva tehnološka operacija primenjuje se kada je potrebno koncentrovanje (ugušćivanje) rastvora koji se sastoji od tečnosti i čvrste faze. Čvrsta faza je rastvorena u najsitnijim česticama (joni, koloidne čestice i sl). Zagrevanjem i dovođenjem 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 veći udeo čvrste komponente. U najvećem 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 treći 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. Isto takvo stanje je i sa pritiscima.

Trostepeno uparavanje

Vodena para iz kotlovnice

Ugušćen rastvor(gusti sok)

Kon

denz

at

Kon

denz

at

Kon

denz

atRazređen rastvor

(retki sok)

Prv

i brid

(p

ara)

Dru

gi b

rid

(par

a)

UKUVAVANJE ILI UPARAVANJEUKUVAVANJE ILI UPARAVANJE

Ukuvavanje ili uparavanje je česta tehnološka operacija u preradi hrane. Najvažniji primeri su u proizvodnji šećera, sokova, mlečnih proizvoda i dr.Prethodno objašnjeni postupak obavlja se na temperaturi promene faze (ključanja) 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 ugušćivanja rastvora zove se ishlapljivanje, tehnološki aparat ishlapljivač.

Ishlapljivač namenjen ugušćivanju rastvora šećera u tehnologiji osmotskog sušenja na Poljoprivrednom fakultetu u

Novom Sadu

KRISTALIZACIJA ILI OČVRŠĆAVANJEKRISTALIZACIJA ILI OČVRŠĆAVANJE

To je tehnološka operacija pri kojoj se iz tečnog rastvora izdvaja čvrsta faza. To se dešava zahvaljući sniženju temperature rastvora odvođenjem 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 način.

DESTILACIJADESTILACIJA

Destilacija se primenjuje kada se želi izdvojiti neka komponenta ili komponente iz tečnog rastvora. To se ostvaruje tako što se tečni 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 drugačiji od osnovnog. Primer je proizvodnja alkoholnih pića destilacijom ili proizvodnja destilata lekovitog i aromatičnog bilja. Destilacija može biti jednostepena i frakciona. Specijalni i najsloženiji oblik destilacije je rektifikacijarektifikacija. Jednostepena destilacija je u slučaju 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 reč o frakcionoj destilaciji. Postupnim kondezovanjem frakcija dobijaju se rastvori koji imaju različite sastave. Detaljnije o ovoj tehnološkoj operaciji biće reči prilikom opisa proizvodnje alkoholnih pića.Rektifikacija je proces pri kome se dešava stepenasta destilacija. Naime u specijalnom tehnološkom aparatu koji se zove rektifikaciona kolana po celoj visini postoje različite koncentracije rastvora, a isto tako na većem (potrebnom) broju mesta odvajaju se pojedine frakcije (derivati). Znači u ovom slučaju dobijaju se različiti derivati, koji se međusobno više razlikuju po sastavu nego ono dobijeni frakcionom destilacijom.

Jednostepena destilacija(“pečenje” rakije)

Rektifikaciona kolana

HEMIJSKE I MIKROBIOLOŠKE HEMIJSKE I MIKROBIOLOŠKE TEHNOLOŠKE OPERACIJETEHNOLOŠKE OPERACIJE

Hemijske tehološke operacije su one pri kojima se dešavaju hemijske reakcije. Ove operacije mogu biti kombinovane sa već objašnjenim operacijama. Pri razmatranju posebnih tehnologija biće 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 fizičke 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, voća, mesa i sl.

PitanjaŠta 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 tečnost 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 tečnost –čvrsta matarija.Šta su termodifuzione oepracije?Šta je to uparavanje?Šta je ishlapljivanje?Šta je jednostepena a šta frakciona destilacija?Šta je rektifikacija?