Основные факторы, влияющие на полноту и скорость экстрагирования

Гидродинамические условия. Коэффициент массопередачи К определяется из уравнения (1.7), включает коэффициенты всех видов диффузии и может изменяться в зависимости от гидродинамических условий процесса. Так, при отсутствии конвекции, т.е. без перемешивания коэффициент конвективной диффузии β равен нулю, а толщина диффузионного слоя d становится равной толщине всего слоя экстрагента. Следовательно, третья стадия экстрагирования отпадает, а коэффициент массопередачи определяется только внутренней диффузией в сырье D_вн и свободной молекулярной диффузией в неподвижной жидкости, и имеет вид:

(1.8)

Такое явление наблюдается при мацерации (настаивании) без перемешивания. Этот способ экстрагирования самый продолжительный.

В том случае, когда экстрагент перемещается хотя бы с незначительной скоростью, коэффициент массопередачи определяется количественными характеристиками всех трех стадий процесса и имеет вид уравнения (1.7). Скорость этого способа экстракции выше, т.к. уменьшается слой неподвижной жидкости, появляются конвекционные токи, способствующие переносу вещества. Такой режим экстрагирования характерен для мацерации с перемешиванием, перколяции, быстротекущей реперколяции, непрерывной противоточной экстракции и др.

И, наконец, при очень интенсивном перемешивании могут отсутствовать вторая и третья стадии диффузионного пути. В этом случае коэффициент конвективной диффузии возрастает до бесконечности, т.е. конвективный массоперенос осуществляется мгновенно и, следовательно, третье слагаемое в знаменателе уравнения (1.7) отпадает. Вместе с тем становится равной нулю и толщина пограничного диффузионного слоя d, поэтому второе слагаемое в знаменателе уравнения также будет отсутствовать. Коэффициент массопередачи в таких случаях определяется только коэффициентом диффузии в порах растительного материала и имеет вид:

(1.9)

Такой вид зависимости для коэффициента массопередачи справедлив для вихревой экстракции и экстрагировании с применением роторно-пульсационного аппарата.

Второе и третье слагаемые могут отсутствовать, но наличие первого неотделимо от самого существа процесса экстракции из сырья с клеточной структурой.

В последнее время предложено экстрагирование с применением ультразвука, с помощью электрических зарядов с использованием электроплазмолиза и электродиализа. В этих случаях появляется возможность влиять на коэффициент внутренней диффузии D_вн, что позволяет значительно ускорить процесс экстрагирования на самой его медленной стадии.

Поверхность раздела фаз (F), «твердое лекарственное сырье – жидкость» зависит от степени измельчения сырья и будет тем больше, чем меньше его частички. Однако на практике известно, что при чрезмерно тонком измельчении сырье может слеживаться, а при содержании слизистых веществ – ослизняться, в результате чего через такие массы экстрагент будет проходить очень плохо. При слишком тонком измельчении резко увеличивается количество разорванных клеток, что приводит к вымыванию сопутствующих веществ, загрязняющих вытяжку (белки, слизи, пектины и др. высокомолекулярные соединения). Кроме того, в экстрагент переходит большое количество взвешенных частиц. В результате вытяжки получаются мутные, трудноосветляемые и плохо фильтруемые. Отсюда следует, что крупное сырье следует измельчать до оптимальных размеров: листья, цветы, травы до 3-5 мм; стебли, корни, кору до 1-3 мм, плоды и семена до 0, 3-0, 5 мм. При этом в исходном материале будет сохраняться клеточная структура, будут преобладать диффузионные процессы, экстрагирование замедлится, но полученная вытяжка будет содержать меньше механических примесей и будет легче очищаться.

Разность концентраций в сырье С₁ и экстрагенте С₄ является движущей силой процесса экстракции. Во время экстракции необходимо стремиться к максимальному перепаду концентраций, что достигается более частой сменой экстрагента (ремацерация вместо мацерации), проведением противоточного процесса и др.

Время (продолжительность) экстрагирования. Из основного уравнения массопередачи следует, что количество вещества, пpодиффундиpовавшего через некоторый слой, прямо пропорционально времени экстракции. Однако нужно стремиться к максимальной полноте извлечения в кратчайший срок, максимально использовав все прочие факторы, ведущие к интенсификации процесса.

Чрезмерная продолжительность извлечения приводит к загрязнению вытяжек сопутствующими высокомолекулярными соединениями, скорость диффузии которых значительно меньше, чем у биологически активных веществ. При длительном экстрагировании могут протекать нежелательные процессы под влиянием ферментов. Общая продолжительность экстракции зачастую определяется экономическими соображениями. При этом бывает целесообразно прекратить процесс в какой-то момент, учитывая, что дополнительно извлеченные количества веществ не окупят избыточных расходов и увеличивающихся при этом потерь ценных экстрагентов (спирт, эфир).

Вязкость экстрагента. По закону Фика, количество растворенного вещества, пpодиффундиpовавшего через некоторый слой экстрагента, обратно пропорционально вязкости этого экстрагента при данной температуре. Следовательно, менее вязкие растворы обладают большей диффузионной способностью. Для уменьшения вязкости при экстрагировании растительными маслами используют подогрев.

Перспективными в этом отношении являются используемые в последнее время сжиженные газы – углерода диоксид (СО₂), пропан, бутан, жидкий аммиак и др. Наиболее часто используют сжиженный углерода диоксид, который химически индифферентен к большому числу действующих веществ. Его вязкость в 14 раз меньше вязкости воды и в 5 раз меньше вязкости этанола. Сжиженный углерода диоксид хорошо извлекает эфирные масла и другие гидрофобные вещества. Гидрофильные вещества хорошо экстрагируются сжиженными газами с высокой диэлектрической проницаемостью (аммиак, метил хлористый, метиленоксид и др.).

Температура. Как видно из фоpмулы (1.1), повышение температуры ускоряет процесс экстрагирования, но в условиях фитохимических производств подогрев используют только для водных извлечений. Спиртовая и тем более эфирная экстракция проводится при комнатной (или более низкой) температуре, поскольку с ее повышением увеличиваются потери экстрагентов, а следовательно, вредность и опасность работы с ними.

Как было указано выше, при экстрагировании растительными маслами используют подогрев. Но для термолабильных веществ применение горячего экстрагента допустимо лишь в течение коротких отрезков времени. Повышение температуры экстрагента нежелательно для эфиромасличного сырья, поскольку при нагревании эфирные масла в значительной степени теряются. Необходимо учитывать, что при использовании горячей воды происходит клейстеризация крахмала, пептизация веществ; вытяжки в этом случае становятся слизистыми и дальнейшая работа с ними значительно затрудняется. Повышение температуры целесообразно при экстрагировании из корней, корневищ, коры и кожистых листьев. Горячая вода в этом случае способствует лучшему отделению тканей и разрыву клеточных стенок, ускоряя тем самым течение диффузионного процесса.

Добавка поверхностно-активных веществ (ПАВ). Экспериментально установлено, что добавление небольших количеств ПАВ (0, 01-0, 1%) улучшает процесс экстрагирования. При этом увеличивается количество экстрагируемых веществ – алкалоидов, гликозидов, эфирных масел и др., а в некоторых случаях полнота извлечения достигается при меньшем объеме экстрагента. Добавки ПАВ снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз, улучшая смачиваемость содержимого клетки и облегчая проникновение экстрагента. Кроме того, существенную роль играет солюбилизирующая способность ПАВ.

Выбор экстрагента. Для обеспечения полноты извлечения действующих веществ и максимальной скорости экстрагирования к экстрагенту предъявляют следующие требования: селективность (избирательная растворимость); химическая и фармацевтическая индифферентность; малая токсичность; невысокая стоимость и др.

Выбор экстрагента определяется степенью гидрофильности извлекаемых веществ. Для экстрагирования полярных веществ с высоким значением диэлектрической постоянной используют полярные растворители: воду, метанол, глицерин; для неполярных – кислоту уксусную, хлороформ, эфир этиловый и другие органические растворители. Наиболее часто в качестве экстрагента применяют этанол – малополярный растворитель, который при смешивании с водой дает растворы разной степени полярности, что позволяет использовать его для избирательного экстрагирования различных биологически активных веществ. Кроме этанола из малополярных растворителей применяют ацетон, пропанол, бутанол.

Пористость и порозность сырья. Пористость сырья - это величина пустот внутри растительной ткани. Чем она выше, тем больше образуется внутреннего сока при набухании. Порозность - это величина пустот между кусочками измельченного материала. От величины пористости и порозности зависит скорость смачивания и набухания материала. Скорость набухания возрастает при предварительном вакуумировании сырья, а так же при повышении давления и температуры.

Пористость и порозность сырья обусловливают его поглощающую способность, которая характеризуется коэффициентом поглощения сырья К_п:

(1.10)

где Р₁ и Р₂ - соответственно масса сырья до и после набухания.

Поглощающая способность сырья, находится в прямой зависимости от степени его измельчения.

Коэффициент вымывания. Он характеризует степень разрушенных клеток в измельченном сырье. Если он низкий, это значит, что в сырье мало разрушенных клеток, экстрагирование идет медленно и определяется в основном скоростью молекулярной диффузии. За величину коэффициента вымывания принимают количество веществ в вытяжке, полученное из определенной навески сырья, при определенном соотношении (сырье - экстрагент) при экстрагировании сырья в течение одного часа при определенной скорости перемешивания.

Воздействие вибраций, пульсаций, измельчения и деформации сырья в среде экстрагента. Использование методов экстрагирования, в которых имеют место вибрации, пульсации, измельчения и деформация в среде экстрагента позволяет значительно увеличить скорость и полноту экстрагирования из сырья. Объясняется это тем, что:

1). При интенсивном воздействии на твердые частицы появляются сильные турбулентные течения, гидродинамические микропотоки, способствующие переносу масс, растворению веществ. Такое явление отмечается как снаружи твердых частиц, так и внутри них. В результате достигается интенсивное перемешивание даже внутри отдельных клеток.

2). При интенсивном колебании частиц сырья в местах трения происходит локальное повышение температуры, уменьшение вязкости экстрагента, а следовательно, увеличение коэффициента внутренней диффузии.

3). В результате увеличения турбулентности, нарушения структуры прилегающих слоев, пограничный диффузионный слой, истощается или же будет иметь предельно малую толщину.

4). Следствием интенсивных колебаний является чередование зон сжатия и растяжения. При этом в момент растяжения в экстрагенте образуются полости разрыва жидкости (кавитационные зоны), которые захлопываются с силой в несколько сот атмосфер. Положительным качеством этого процесса является диспергирование частиц, приводящее к увеличению межфазной поверхности.

В результате появления турбулентного перемешивания как внутри, так и снаружи клеток молекулярно-кинетическое движение заменяется конвективным, что позволяет поддерживать разность концентраций в зоне соприкосновения фаз на высоком уровне.

Воздействие электроимпульсных разрядов. При экстрагировании с помощью электрических разрядов ускоряется процесс извлечения БАВ потому, что из-за искрового разряда в сырье происходит микровзрыв, разрывающий клеточные структуры материала. Процесс извлечения протекает быстрее за счет вымывания экстрактивных веществ и пульсации, увеличивающих скорость движения экстрагента. Возникающие в жидкости колебания сокращают время экстрагирования и повышают выход биологически активных веществ.

Общие методы интенсификации процесса массопередачи. Роль и значение гидродинамики процесса.

Основными методами интенсификации процессов массопередачи являются: 1) максимальное развитие поверхности контакта фаз; 2) турбулизация и интенсивное перемешивание для увеличения коэффициента массопередачи.

Снижение диффузионного сопротивления на границе фаз и, соответственно, увеличение коэффициента массопередачи достигаются энергичным перемешиванием.

1) При интенсивном воздействии на твердые частицы появляются сильные турбулентные течения, гидродинамические микропотоки, способствующие переносу масс, растворению веществ. Такое явление отмечается как снаружи твердых частиц, так и внутри них. В результате достигается интенсивное перемешивание даже внутри отдельных клеток.

2) При интенсивном колебании частиц сырья в местах трения происходит локальное повышение температуры, уменьшение вязкости экстрагента, а следовательно, увеличение коэффициента внутренней диффузии.

3) В результате увеличения турбулентности, нарушения структуры прилегающих слоев, пограничный диффузионный слой истощается или же будет иметь предельно малую толщину.

4) Следствием интенсивных колебаний является чередование зон сжатия и растяжения. При этом в момент растяжения в экстрагенте образуются полости разрыва жидкости (кавитационные зоны), которые захлопываются с силой в несколько сот атмосфер. Положительное качество этого процесса — диспергирование частиц, приводящее к увеличению межфазной поверхности.

В результате появления турбулентного перемешивания как внутри, так и снаружи клеток молекулярно-кинетическое движение заменяется конвективным, что позволяет поддерживать разность концентраций в зоне соприкосновения фаз на высоком уровне.

Разность концентраций в сырье и экстрагенте является движущей силой процесса экстракции. Во время экстракции необходимо стремиться к максимальному перепаду концентраций, что достигается более частой сменой экстрагента, проведением противоточного процесса и др.

Из основного уравнения массопередачи следует, что количество вещества, продиффундировавшего через некоторый слой, прямо пропорционально времени экстракции. Однако нужно стремиться к максимальной полноте извлечения в кратчайший срок, максимально использовав все прочие факторы, ведущие к интенсификации процесса.

Основные вопросы алкоголометрии. Получение спирта. Устройство и принцип работы ректификационных колонн. Рекуперация спирта из отработанного сырья. Аппаратура.

Этиловый спирт как растворитель и экстрагент

Общие свойства. Этиловый спирт —    бесцветная, прозрачная, легко-

подвижная, летучая с характерным спиртовым запахом, жидкость; она 

легко воспламеняется. Предельно допустимая концентрация (ПДК) 

этилового спирта в воздушной среде рабочей зоны производственных 

помещений составляет по санитарным нормам 0, 1 мг/л.

Пределы взрывчатости паров этилового спирта в смеси     с воздухом 

составляют от 3, 3 до 19 объемных процентов, тогда как в насыщенном 

парами спирта воздухе уже при 20°С содержится 5, 9% спирта по объему.

В фармацевтических производствах его применяют довольно часто, так 

как спирт (после воды) является наиболее дешевым растворителем  и 

экстрагентом; к тому же спиртовые растворы более стойки, чем водные, и в 

спирте растворимы многие лекарственные вещества, не растворимые в воде.

На производство поступает 96, 2-96, 7% этиловый спирт, который 

разводят водой до требуемой концентрации. Официнальными являются 95%,  

90%, 70%, 40% растворы этилового спирта (ГФ Х1 ст. 631, 632). 

Спирт этиловый смешивается с водой во всех отношениях. При их 

смешении происходит выделение тепла и уменьшение общего объема смеси 

(контракция — сжатие). Так, например, если к 50 л безводного спирта 

прибавить 53, 65 л воды (при 20° С), то получается 100 л водно-спиртовой 

смеси. Наблюдаемое при этом сокращение объема составляет 3, 65 л. В 

указанных 100 л смеси содержится 50 л абсолютного спирта, что составляет 

50% по объему. В то же время 50 л абсолютного спирта (при 20° С) весят 

39, 46 кг, а 53, 65 л воды при той же температуре весят 53, 555 кг. Отсюда, 100 

л смеси весят 93, 01 кг. Следовательно, в смеси имеется 42, 42 весовых 

процентов чистого спирта.

Коэффициенты  объемного расширения спирта этилового и воды 

различны. Изменения объема, происходящие при смешении спирта с водой,  

изменения температуры и состава водно-спиртовой смеси не поддаются 

теоретическому определению. Поэтому при определении количества 

безводного спирта в водно-спиртовой смеси пользуются различными 

справочными таблицами, впервые составленными Д. И. Менделеевым.

Производство этилового спирта и сырье для его получения

Спирт получают из пищевого сырья, отходов деревоперерабатывающей 

промышленности, муниципальных отходов (гидролизный или технический 

спирт), путем химического синтеза:

Пищевое сахаросодержащее сырье > Спиртовое брожение >  

> С Н О > 2С Н ОН + 2СО

      6 12 6   2 5       2

 

Пищевое крахмалосодержащее сырье       > ферментативный гидролиз 

крахмала с использованием ферментов или солода> Спиртовое брожение >   

С Н О > 2С Н ОН + 2СО

6 12 6   2 5      2

 

3. Химический синтез > С Н   + Н > С Н; С Н +Н О> С Н ОН

                                2 2 2 2 6 2 6 2  2 5

 

4.Отходы деревоперерабатывающей промышленности, муниципальные 

отходы > ферментативный     гидролиз целлюлозы  с использованием 

микроорганизмов> Спиртовое брожение > С Н           О 6 >   

                                                   6 12 6

 

> 2С Н ОН + 2СО

       2 5      2

 

Для производства  медицинского   спирта используют  любое 

крахмалсодержащее сырье (все виды зерновых культур, картофель), а также 

сахаросодержащее    сырье (свеклосахарную,    тростниковую,   сырцовую 

мелассу, сахар-сырец, в редких случаях сахарную свеклу, плоды, ягоды,  

продукты их переработки). Крахмалсодержащее     сырье подвергают 

длительной многоступенчатой подготовке для перевода крахмала в сбра-

живаемые углеводы — моно- и дисахариды.

Для перевода крахмала в сбраживаемые   углеводы проводят 

ферментативный гидролиз с помощью ферментных препаратов или солода. 

Солод готовят на спиртовых заводах из различных злаков, чаще из ячменя и 

проса. Ферментные  препараты (амилолитические  ферменты-? -амилаза,  

глюкоамилаза) получают из культуры плесневых грибов родов Aspergillus,  

Rhisopus, Endomicopsis или бактерий рода Bacillus.В результате получается 

жидкий сахаристый субстрат — сусло, содержащий помимо сахара и другие 

питательные вещества для дрожжей.

До появления работ Луи Пастера (конец XIX века) о сути происходящих 

при брожении процессов и их механизмах было известно очень мало. Пастер 

показал, что спиртовое брожение осуществляется без доступа воздуха 

живыми клетками дрожжей, при этом сахар превращается в спирт и угле-

кислый газ.

Наряду с главными продуктами брожения (этиловый спирт и СО ) в 

                                                                                2

 

небольшом количестве образуются побочные продукты: глицерин (1-3 %),

уксусный альдегид, уксусная и янтарная кислоты, сивушные масла — смесь 

высших спиртов (изоамилового, изобутилового, амилового и др.) и 

некоторые другие вещества. Образование дрожжами высших спиртов связано 

с азотным и углеводным обменом дрожжевых клеток. 

Этиловый спирт, накапливающийся в процессе брожения, угнетает 

жизнедеятельность дрожжей уже при концентрации 2-5 % (в зависимости от 

вида и расы дрожжей). Штаммы дрожжей, используемые в спиртовой 

промышленности, сохраняют жизнеспособность вплоть до концентрации  

этанола 12-15 % (по объему). Некоторые расы дрожжей более 

спиртоустойчивы и образуют 16-18 % спирта. 

Технология   этилового   спирта   состоит  из следующих 

последовательных    стадий: подготовка  крахмалсодержащего     сырья,  

 

                                                                                 113

разваривание крахмалсодержащего сырья, осахаривание разваренной массы,  

приготовление дрожжей, сбраживание осахаренного сусла, выделение спирта 

из бражки и его ректификация (Ректификацией (очистка от примесей) 

называется процесс многократной дистилляции, осуществляемый 

непрерывно в специально устроенных для этого аппаратах).

Бражка представляет собой многокомпонентную смесь, включающую 

летучие и нелетучие соединения, с объемной долей спирта 8-8, 5 %.

Количество летучих примесей составляет в среднем не более 0, 5 % от объема 

спирта, однако число их достигает 70. Состав и количество примесей зависит 

от параметров брожения, вида сырья, расы дрожжей и других факторов. Так,  

при использовании дефектного сырья накапливаются формальдегид,  

пропионовый, масляный альдегиды, акролеин, диацетил, придающие спирту 

жгучий, горький вкус. 

Если бражку представить как двухкомпонентную смесь легколетучей 

фракции (спирт с летучими примесями) и труднолетучей фракции (вода с 

нелетучими компонентами), то разделение этой смеси будет подчиняться 

законам перегонки. При нагревании летучая фракция переходит в паровую 

фазу и после конденсации отводится в виде жидкости. Труднолетучая 

фракция остается в перегонном кубе.

В   процессе разделения бражки получают спирт-сырец, содержащий 

основную массу примесей, и барду. Спирт-сырец имеет концентрацию 

спирта 88 %, высокую концентрацию примесей. Он не является 

самостоятельным   продуктом, а используется для получения 

ректификованного спирта на ректификационных аппаратах спиртовых или 

ликеро-водочных заводов. В настоящее время спирт-ректификат получают 

непосредственно из бражки  на брагоректификационных    установках 

непрерывного действия, не выделяя спирт-сырец.

По химическим свойствам летучие примеси спирта делят на высшие 

спирты с числом углеродных атомов в молекуле больше двух (сивушные 

масла), альдегиды, эфиры, кислоты. По степени летучести различают четыре 

группы примесей: головные, хвостовые, промежуточные и концевые. 

Головные примеси имеют температуру кипения ниже температуры кипения 

спирта и испаряются в первую очередь. К ним относят уксусный и масляный 

альдегиды, акролеин, диэтиловый, уксуснометиловый, уксусноэтиловый 

эфиры и др. Хвостовые примеси (уксусная кислота, фурфурол) всегда менее 

летучи, чем спирт.

Промежуточные и концевые примеси имеют характер головных или 

хвостовых в зависимости от концентрации в смеси. Промежуточные 

примеси— более летучи при низких концентрациях спирта. Основными их 

представителями являются этиловый спирт, высшие спирты (изоамиловый,  

изобутиловый,   пропиловый),   изовалериано-изоамиловый,     уксусно-

изоамиловый эфиры. Концевые примеси имеют большую летучесть при 

высоких концентрациях спирта. Типичный их представитель — метиловый 

спирт.

Выделение спирта из бражки и его очистка (ректификация) 

проводится на брагоректификационной установке (рис. 1). В бражной 

колонне пары спирта с примесями  отделяют от предварительно 

освобожденной от углекислого газа и подогретой барды. 

В холодильнике водно-спиртовые пары конденсируются и поступают в 

виде бражного дистиллята крепостью 20-25 % в эпюрационную колонну, где 

дистиллят освобождается от головных и части промежуточных примесей. 

Вместе с частью этилового спирта эти примеси конденсируются  в 

холодильнике и отводятся как побочный продукт брагоректификации,  

называемый головной фракцией.

Спирт-эпюрат  направляется в ректификационную    колонну. Здесь 

происходит отгонка, укрепление спирта и его отбор в верхней части 

колонны, а также отделение хвостовых, промежуточных   примесей 

(сивушного масла) и дополнительная очистка от головных и концевых 

примесей. Побочные продукты ректификации (головная фракция, сивушное 

масло) содержат большое количество этилового спирта, который иногда 

выделяют с помощью дополнительных колонн.

Спирт-ректификат поступает в разгонную колонну для очистки от 

примеси метанола.

Ректификационная колонна (рис. 2) установки состоит из двух частей:  

верхней (укрепляющей) 2 и нижней (исчерпывающей) 1. В состав установки 

входят: теплообменник 3, дефлегматор 4, змеевиковый холодильник     5,

смотровой фонарь 6, сборник готового продукта 7, трубы 8, 9, 10, 11, 12. 

Разгоняемая смесь подается по трубе 8, нагревается в межтрубном 

пространстве теплообменника 3 и по трубе 9 поступает на верхнюю тарелку 

нижней части колонны 1.

Раствор, попавший на верхнюю тарелку исчерпывающей части колонны 

1, стекает сверху вниз и, освобожденный от легколетучего продукта,  

поступает по трубе 10 в трубки теплообменника 3,            пройдя 

Рис. 1. Аппаратурно-технологическая схема ректификационной установки:

 

1 - конденсатор сепаратора бражки; 2 — сепаратор бражки; 3 — водяная секция подогревателя бражки; 4 -

конденсатор бражной колонны; 5 — подогреватель бражки; 6 — дефлегматор эпюрационной колонны; 7 -

конденсатор эпюрационной колонны; 8 - ректификационная колонна; 9 — дефлегматоры ректификационной 

колонны; 10 — конденсатор ректификационной колонны; 11 - эпюрационная колонна; 12 - бардорегулятор; 13 —

бражная колонна; 14 - разгонная колонна; 15 - дефлегматор разгонной колонны; 16 - конденсатор разгонной 

колонны.

Рис. 2. Схема ректификационной колонны (объяснение в тексте).

 

которые выбрасывается. Таким образом, теплообменник 3 дает возможность 

рекуперировать часть тепла отбросной жидкости для нагревания смеси,  

поступающей в колонну. Обогрев куба колонны производится паром,  

подаваемым через патрубок.

Пары, образующиеся внизу исчерпывающей колонны 1, поднимаются 

кверху и обогащаются легколетучим продуктом, испаряя его из начального 

раствора. Дальнейшее обогащение паров легколетучим продуктом 

осуществляется в ректификационной колонне 2 посредством флегмы,  

подаваемой по трубе 12 на ее верхнюю тарелку. Дистиллят стекает через 

 

 змеевиковый холодильник 5 и смотровой фонарь 6 в сборник готового 

продукта 7.

Особенности производства спирта из мелассы.    Поскольку меласса 

(отходы, связанные с производством сахара из сахарной свеклы) содержит 

в достаточном количестве сбраживаемые сахара, в основном сахарозу,  

процесс производства спирта из нее значительно упрощается. Получение 

спирта из мелассы включает следующие основные стадии: приготовление 

мелассного сусла (рассиропка), культивирование дрожжей, сбраживание 

мелассного сусла, браго-ректификация.

Приготовление мелассного сусла заключается в его антисептировании и 

разбавлении водой (рассиропливании). При антисептировании в мелассу  

вносят соляную или серную кислоту для подкисления, хлорную известь как 

антимикробный агент. При сильном инфицировании исходной мелассы 

проводят тепловую стерилизацию. Высокая концентрация СВ (75-80 %) в 

мелассе не позволяет сбраживать ее в исходном виде, поэтому мелассу 

разбавляют водой.

Сбраживание мелассного сусла протекает при температуре 28-31 °С в 

течение 18-20 ч, так как среда содержит только сбраживаемые углеводы. В 

зрелой бражке накапливается объемная доля спирта 8-9 %.

Кроме спирта-сырца и ректификованного  спирта спиртовая 

промышленность вырабатывает небольшое количество абсолютного спирта. 

В абсолютном спирте допускается содержание воды до 0, 2 об%. Спирт 

можно абсолютировать негашеной известью, глицерином, ректификацией 

под вакуумом или в присутствии солей.

                      Определение крепости спирта

В настоящее время концентрацию спирта определяют согласно ГОСТ 

3629. По этому стандарту, крепостью водно-спиртового раствора называется 

процентное (по объему) содержание безводного спирта при температуре + 

20° С. Эту температуру принято называть нормальной. 

Иногда вместо термина «объемный процент» используют равнознач-

ный термин «градус». Например, водку, содержащую 40% по объему без-

водного спирта, называют 40-градусной. В настоящее время для 

определения количества безводного спирта в водных растворах у нас 

введена метрическая система, вследствие чего название «градус» отпало,  

единицей для количественного учета принят литр безводного спирта при 

температуре 20° С; оптовыми единицами служат 1 гл (гектолитр = 100 л) и 1 

дкл (декалитр = 10 л).

Крепость спирта можно определять:

 

1) по плотности спирто-водной смеси с помощью пикнометра;

 

2) с помощью ареометра;

 

3) с помощью спиртомера (стеклянного или металлического).

Определение  крепости водно-спиртовой  смеси стеклянным 

спир томером.   Для определения концентрации  спирта обычно 

применяют стеклянный спиртомер    (ГОСТ 3637). Это ареометр (рис. 3),  

внутри которого имеется шкала, разделенная на 100 делений; каждое деление 

шкалы указывает объемный процент содержания безводного спирта в смеси 

при нормальной температуре. Если спиртомер погружается до черты 0, то 

это значит, что взята чистая вода, а если до 100, то взят абсолютный спирт.

 

                  Для определения количества безводного спирта в 

                   смеси споласкивают цилиндр (стакан), стеклянный 

                   спиртомер и мешалку, которые затем вытирают

                  мягкой сухой тряпкой. В цилиндр наливают 

                   анализируемую смесь, тщательно ее перемешивая 

                  движением мешалки вверх и вниз. При этом, чтобы 

                  в раствор не попадал воздух, не сле -дует 

                  вынимать мешалку из раствора. Затем в жидкость 

                  медленно опускают спиртомер так, чтобы он не 

                  ударился о дно цилиндра и не разбился и чтобы 

                  шкала была возможно меньше смочена жидкостью 

                   (2—3 мм). Спиртомер должен плавать свободно,  

                  не касаясь стенок цилиндра. В таком положении 

                   спиртомер оставляют в жидкости на 3— 4 мин, чтобы 

                   он мог приобрести ее температуру. При установлении 

                  деления шкалы нужно смотреть на нее вдоль 

                  поверхности жидкости, не обращая внимания на 

                  мениск; для точности отсчета глаза наблюдателя 

                  должны располагаться    ниже уровня жидкости 

                  настолько, чтобы видеть основание мениска в 

                   форме эллипса; затем,   постепенно поднимая 

                  голову, замечают, как эллипс, сужаясь, обращается 

                  в прямую линию, ясно проектирующуюся    на 

                  шкалу спиртомера.  Такой способ отсчета 

                  называется «отсчетом по нижнему краю мениска». 

                  Если глаз расположен слишком высоко, то вместо 

                  прямой виден эллипс или не видно ни прямой, ни 

                  эллипса. Если уровень жидкости не совпадает    с 

                   определенным делением шкалы, то части деления 

                   определяют  на глаз. Если определение  

Рис. 3. Стеклянный производилось          при    помощи стеклянного 

спиртомер.         спиртомера, то при нормальной температуре его 

                  показания сразу дают искомую концентрацию 

                   спирта в объемных процентах.

  На практике температура жидкости обычно или выше, или ниже 20° 

С. В этом случае содержание спирта определяют по таблицам.

 

  Определение крепости водно-спиртовой  смеси металлическим 

спир томером. Содержание спирта определяется более точно с помощью 

металлического спиртомера (ГОСТ 3638), который меньше по размерам и 

более прочен, чем стеклянный. Металлический спиртомер представляет 

собой ареометр, показания которого основаны на физическом законе —

вес жидкости, вытесняемой плавающим в ней телом, равен весу этого тела. 

В силу этого закона спиртомер погружается тем глубже, чем меньше 

плотность спирто-водного раствора. Плотность спирто-водного раствора 

зависит от его крепости, т. е. процентного содержания в нем спирта, и от 

температуры. Чем больше содержание спирта в растворе и выше его 

температура, тем меньше его удельный вес и спиртомер глубже 

погружается в раствор. По степени погружения спиртомера в спирто-

водный раствор при определенной температуре определяют его крепость.

Металлический   спиртомер  (рис. 4) состоит из латунного 

позолоченного шарика, с припаянными  к нему вверху и внизу 

позолоченными стержнями. Нижний стержень утолщается книзу и в конце 

имеет груз, благодаря которому спиртомер плавает в жидкости в 

вертикальном положении. На верхнем стержне нанесены 10 делений,  

обозначенных цифрами от 0 до 10. Под нижней нулевой чертой 

выгравировано число 100. Каждое большое деление спиртомера разделено 

на пять малых делений. Каждое малое деление составляет одну пятую или 

две десятых большого деления. Отсчет делений производится снизу вверх. 

К спиртомеру придается девять-десять круглых позолоченных гирек,  

обозначенных числами 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, служащих для 

погружения его в спиртоводные растворы различной концентрации. Каждая  

гирька имеет специальную прорезь, что дает возможность навесить ее 

выпуклой стороной вниз, на нижний стержень спиртомера. Навешивание 

и снятие гирек со стержня проводится только через верхнюю тонкую часть 

его.

Каждый спиртомер и приданные к нему гирьки имеют свой определен-

ный номер. Гирьками с отличным от спиртомера номером пользоваться 

нельзя, так как это приведет к неправильному определению содержания 

спирта в спирто-водном растворе. При определении крепости спирто-водных 

растворов металлическим спиртомером температура испытуемого раствора 

определяется нормальным термометром с ценой деления 0, 5 или 0, 2°.

С помощью спиртомера и специальных таблиц определяется процентное 

содержание спирта в спирто-водных растворах с концентрацией от 0 до 

100% при температурах от 0 до +/-30° С и от 32 до 100% при температурах от 

0 до — 15° С.

                                        Содержание спирта в спирто-

                                 водных растворах определяется в спе-

                                 циальных  стеклянных цилиндрах. 

                                 Показания спиртомера отсчитываются 

                                 на шкале верхнего его стержня, по 

                                 уровню   мениска,   образуемого 

                                  спирто-водным            раствором. 

                                 Надлежащее погружение спиртомера 

                                 достигается  навешиванием   соот-

                                 ветствующей гирьки на его нижний 

                                  стержень. При определении крепости 

                                  спирто-водного     раствора    с 

                                 неизвестной концентрацией спирта 

                                 навешивание   гирек начинают с 

                                 наиболее   легкой  («90»)  и 

                                 последовательно доводят до гирьки,  

                                 при которой мениск, образующийся 

                                  около   стержня    спиртомера,  

                                 установится в пределах его шкалы. 

                                 Если же крепость спирто-водного раст-

                                 вора известна, навешивание начинают 

                                  с гирьки, отвечающей ожидаемой 

                                 крепости. Когда спиртомер  не 

                                 погружается до нижней (нулевой) 

                                 черты шкалы, на него навешивают 

                                  следующую, по весу более тяжелую 

                                 гирьку; если же уровень жидкости 

Рис. 4. Металлический      находится выше верхней черты шкалы 

                                 или когда спиртомер совершенно тонет,  

        спиртомер           — гирька заменяется более легкой.

 

Подобрав гирьку, при которой уровень жидкости находится между 

верхней и нижней чертами шкалы, определяют показания спиртомера, для 

чего отсчеты уровня жидкости по шкале верхнего стержня спиртомера 

добавляют к числу, обозначенному  на гирьке. При погружении 

спиртомера без гирьки к показаниям шкалы прибавляют число 100. Так,  

например, при нахождении уровня на линии, соответствующей пяти 

большим и четырем малым делениям, к числу, показанному на гирьке,  

добавляют 5, 4, а на линии, соответствующей девяти большим и трем малым 

делениям, добавляют 9, 3 и т. д. В случае, когда уровень жидкости находится 

между двумя малыми делениями шкалы, принимают деление, к которому 

уровень жидкости ближе.

При испытаниях спирто-водных растворов с температурой выше + 

30°С или ниже — 25° С необходимо произвести охлаждение или нагревание 

его до температуры около + 20° С, имея в виду, что чем больше приближение 

температуры к нормальной (+20° С), тем правильнее определение крепости.

 

Для правильного определения содержания спирта этилового

необходимо соблюдать следующие правила:

 

1.Цилиндр, в который наливается спирто-водный раствор, должен

быть чистым и сухим. Перед наливом испытуемого раствора цилиндр им 

ополаскивается.

2. Спирто-водный раствор перед наливом в цилиндр необходимо тща-

тельно перемешать. В случаях, когда после выливания в стакан в растворе 

появляются воздушные пузырьки, надо выждать прекращения их выделе-

ния и только после этого погружать спиртомер в раствор.

3. Погружать спиртомер надо осторожно и постепенно, при этом,

в первый момент свободного положения спиртомера в растворе, ему 

должно быть сообщено качание вверх и вниз, в пределах двух-трех малых 

делений.

4. Спиртомер должен быть совершенно чистым. Перед опусканием в

испытуемый  раствор его необходимо обтереть тонким мягким 

полотняным полотенцем, смоченным раствором, а затем вытереть насухо. 

При погружении спиртомера его следует держать только за верхний конец 

стержня тремя пальцами; притрагиваться руками к погруженным в 

раствор частям спиртомера недопустимо. После определения спиртомер 

вынимают, вытирают сухим чистым и мягким полотенцем и укладывают в 

футляр. Оставлять смоченный спиртомер на столе или в других местах 

категорически запрещается.

5. Сильного и продолжительного вытирания спиртомера полотенцем

следует избегать, чтобы не стереть позолоту.

6. Вытирать спиртомер и цилиндр грязными полотенцами недопустимо,  

так как это приводит к ошибкам в определении.

7. Загрязненность спиртомера проявляется в том, что он плохо 

смачивается спирто-водным раствором.

8. При загрязнении спиртомера его необходимо обмыть крепким спиртом 

и насухо вытереть, как указано выше.

9. Для удаления случайных пузырьков воздуха с поверхности спиртомера 

или около подвешенной на нем гирьки спиртомер слегка встряхивают в 

растворе, взяв его за верхний конец стержня. При погружении спиртомера 

в спирто-водный раствор и, особенно, при его встряхивании нельзя 

допускать, чтобы он ударялся о стенки цилиндра.

10. При погружении спиртомера в спирто-водный раствор верхняя

часть его над уровнем жидкости должна оставаться сухой. В случае ее 

смачивания спиртомер осторожно слегка поднимают и вытирают фильтро-

вальной бумагой верхнюю часть стержня; после этого его вновь 

погружают в спирто-водный раствор.

 

11. При погружении спиртомер должен плавать в спирто-водном растворе 

по центру цилиндра, не соприкасаясь с его стенками, термометром и 

мешалкой. Показания спиртомера следует отсчитывать по шкале,  

обращенной к свету, после того, как он установится совершенно не-

подвижно.

12. При определении уровня погружения спиртомера необходимо

смотреть на деление так, чтобы глаз находился несколько ниже уровня 

спирто-водного раствора. При таком положении глаза видна черта, на 

которой уровень спирто-водного раствора пересекает шкалу спиртомера. 

Определять погружение спиртомера в испытуемом растворе в случаях,  

когда глаз наблюдателя находится выше уровня раствора, нельзя, так как 

может быть сделана ошибка в отсчете.

13. Перемешивание раствора термометром недопустимо, так как он может 

разбиться, а ртуть, попавшая на поверхность спиртомера, сделает 

последний непригодным для дальнейших определений. Термометр должен 

быть опущен в раствор до погружения спиртомера и выниматься только 

после его извлечения.

14. Для определения температуры испытуемого      раствора должен

применяться только вполне исправный и точный термометр. Он должен 

находиться в растворе все время, пока в нем будет погружен спиртомер.

15. Определение температуры раствора и погружение в него спиртомера 

следует производить одновременно,    после выдержки спиртомера в рас-

творе в течение 3—5 мин и выравнивания показаний термометра.

16. В случаях, когда диаметр цилиндра не позволяет одновременное 

погружение  спиртомера и термометра,   измерение производят 

последовательно. Сначала опускают в раствор термометр и определяют 

температуру, затем вынимают термометр и опускают спиртомер.

17.После записи показания спиртомера вновь проверяют температуру 

раствора, которая должна остаться неизменной. В случаях, когда ртуть в 

термометре останавливается между двумя   делениями шкалы, — для 

отсчета принимается нижнее деление.

18. Температуры испытуемого раствора и помещения, в котором 

производится определение, должны быть одинаковыми. Необходимо 

обращать внимание на то, чтобы определение проводилось вдали от 

источников тепла или холода, в целях предупреждения  изменения 

температуры в растворе во время самого процесса определения, так как 

последняя является одной из основных причин ошибок.

17. Со спиртомером следует обращаться осторожно, не допуская каких-

либо ударов им или по нему, ибо это может привести к деформации или 

повреждению позолоты.

18. Спиртомер необходимо хранить в закрытом футляре и в сухом 

месте. 

19.При пользовании спиртомером и его хранении все летучие жидкости и 

вещества, а особенно кислоты — азотная, соляная, уксусная и

другие — должны быть удалены из помещения.

20. Применение металлического спиртомера для определения крепости 

сивушного масла недопустимо.

21. Определение крепости в спирте-сырце желательно производить 

отдельным, особо выделенным для этой цели спиртомером.

Определение крепости спирта металлическим спиртомером. Так,  

если спиртомер погружался до уровня мн (рис. 5) без гирьки, то показание 

спиртомера будет 109, 6, потому что к 9, 6 — числу делений в точке 

погружения — следует прибавить 100; при погружении спиртомера без 

гирьки до уровня оп показание его будет 105, 8, а до 

 

                                   уровня рс — 100, 4. При погружении 

                                   спиртомера с гирькой, обозначенной 

                                   числом 60, до уровня мн показание 

                                   его 69, 6; при погружении с той же 

                                   гирькой до уровня оп показание 

                                   будет 65, 8, а до уровня рс — 60, 4.

                                   Если уровень раствора будет 

                                    находиться между двумя штрихами 

                                   шкалы, то за точку погружения 

                                   следует принимать ближайшее 

                                   число делений. Например, когда 

                                   уровень раствора пересекает шкалу 

                                   по линии гд, которая находится 

                                   между                  штрихами,  

                                   соответствующими 3, 4 и 3, 6, то за   

                                   точку     погружения спиртомера 

                                   следует принять 3, 6, так как к этому 

                                   штриху уровень ближе, чем к 

                                   штриху 3, 4. Если концентрация 

                                   спирта установлена при нормальной 

                                   температуре   (при  которой 

                                   градуирован   спиртомер),   то 

                                   показания             спиртомера 

                                   непосредственно      показывают 

                                   истинную крепость. Если же 

                                   определение производилось при 

Рис. 5. Определение крепости    иной температуре, то по специаль-

  спирта металлическим        ным таблицам необходимо выявить 

                                   концентрацию спирта, отнесенную к 

       спиртомером

                                   нормальной температуре (таблицы 

Определение крепости водно-спиртовой смеси по плотности

 

На производстве для установления количества абсолютного спирта в водном 

растворе определяют плотность испытуемой жидкости при нормальной 

температуре, затем по специальным таблицам или справочникам находят 

концентрацию спирта в объемных или весовых процентах (см. Приложение 1

к занятию 2, таблица 1).

Определение концентрации спирта этим методом основано на том, что 

при + 20°С абсолютный спирт имеет удельный вес? = =1, 78927, а вода 

0, 99823 (округленно 1, 0). Удельный вес водно-спиртовой смеси в 

зависимости от соотношения воды и спирта находится между 0, 78927 и 

0, 99823.

Практически плотность водно-спиртовой жидкости можно определять 

при помощи пикнометра, весов Мора — Вестфаля или же стеклянным 

ареометром. На производстве, вследствие простоты обращения, почти всегда 

применяют ареометр.

Соотношение между процентным содержанием безводного спирта по 

объему при нормальной температуре и процентом по весу можно определить 

по таблицам ГОСТ 3639, Фармакопее XI издания и др.

При отсутствии таблиц объемные проценты можно пересчитать в 

проценты по массе и обратно по следующим уравнениям (1, 2):

 

Где %m - процент по массе,

     %V - объемный процент,

    ? – плотность спиртосодержащей жидкости при 20oС.

 

Удельный вес безводного спирта при + 20° С равен 0, 78927; удельный 

вес воды при + 20° С принят 0, 99823.

 

                           Разбавление спирта

 

На производстве часто требуется разбавить крепкий спирт или смешать 

два спирта разной крепости, чтобы получилась смесь определенной 

концентрации.

Ввиду того, что объем спирта меняется в зависимости от его 

температуры рекомендуется, все ингредиенты брать по массе, разбавление 

спирта производят также на основе процентов по массе.

   Для разбавления спирта водой или смешения спиртов разных 

концентраций между собой Фармакопея предлагает следующие уравнения.

Для получения смеси, содержащей определенные проценты по массе 

спирта и воды, пользуются уравнением (3)

 

Где X —масса разводимого спирта (наиболее концентрированного);

Р — желаемая масса разведенного спирта;

b —процент по массе спирта желаемого разведения;

а —процент по массе разводимого спирта.

2.  Для получения спирта средней крепости из имеющихся крепкого и 

более разведенного, пользуются уравнением (4)

 

Где X —масса разводимого спирта (наиболее концентрированного,  

крепкого);

Р — масса спирта желаемой крепости (средней концентрации);

b —процент  по массе спирта желаемого разведения (средней 

концентрации);

а — процент по массе разводимого, крепкого спирта;

с - процент по массе более разведенного спирта (наименьшая 

концентрация).

М е х а н и ч е с к и й м е т о д р а с ч е т а — « з в е з д о ч к а ». Вместо 

указанных формул для расчета необходимых количеств спирта и воды при их 

смешении можно применять метод, называемый «звездочкой»:

 

a               b- c

 

      b

 

c               a - b

 

                (b-c) + (a-b)

 

Где а —проценты по массе более крепкого спирта;

с — проценты по массе менее крепкого спирта, при разбавлении водой;  

b — проценты по массе получаемого спирта;

(b-c)- разность указывает, сколько частей крепкого спирта нужно взять 

для получения данной смеси;

(a - b)- разность указывает, сколько частей слабого спирта нужно взять 

для получения данной смеси;

(b-c) + (a-b) – cумма дает количество частей смеси получаемого 

разведения.

  Методика разведения спирта. Совершенно чистую и сухую склянку с 

притертой пробкой тарируют на технических весах. Затем в склянку 

наливают рассчитанное количество спирта, воду, взвешивают, смешивают,  

оставляют на некоторое время до приобретения температуры помещения и 

проверяют концентрацию разведенного спирта.

Определение количества спирта в жидкости, содержащей, кроме 

спирта и воды, другие вещества.

Если спиртовая жидкость содержит в растворе много 

посторонних примесей, оказывающих влияние на ее удельный вес,  

например, настойки, экстракты и т. д., то в таких случаях обычно 

берут некоторое количество данной жидкости и отгоняют из нее весь 

спирт. Полученный отгон доводят до первоначального объема или веса 

и определяют процентное содержание спирта объемными методами.

Кроме указанных методов, для определения концентрации 

спирта в различных растворах, применяют предложенные Г. Б. 

Поляковой э к с п р е с с - методы: по поверхностному натяжению и 

по преломлению света.

Рекуперация спирта из отработанного сырья Отработанное сырье (шрот)  переносят в вакуум-перегонный аппарат для отгонки спирта. Рекуперат собирают в сборник. После определения содержания спирта этот полезный отход используют для другой загрузки.

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться: