Таълим вазирлиги тошкент кимё-технология институти й.Қ. ҚОдиров, Д. А. Равшанов, А. РЎзибоев

6-§. Ўсимлик мойини экстракциялаш жараёнининг
назарий асослари

Ўсимлик мойларини қаттиқ жисмдан яъни экстракцияга тайёрланган материалдан экстракциялаб олиш типик диффузия жараёнига хос деб қаралади. Мойни қаттиқ жисмдан ҳаракатланаётган суюқлиқ, эритувчи ёки мисцелла, оқимига ўтиши икки хил молекуляр ва конвектив диффузия йўли билан амалга ошади.

Алоҳида заррача ёки заррачалар тўплами ҳолида мойни экстракциялаб олганда бу икки турдаги диффузияни якка тартибда ва биргаликда қараб чиқиш мумкин.
Экстракция – бу диффузион жараён бўлиб, икки турдан иборат.
Молекуляр диффузия – модданинг молекуляр даражада ўзаро алмаши-нишига айтилади. Маълумки, молекулаларнинг кинетик энергияси уларда бўлаётган иссиқлик таъсирига боғлиқдир, яъни модданинг ҳарорати қанча юқори бўлса, модда молекулаларининг кинетик энергияси шунча юқори бўлади.
Маълумки, икки турдаги суюқлик бир-бирида яхши аралашиши ёки эришнинг асосий сабаби, улар орасидаги молекуляр тортишиш кучларининг яқинлигидир. Шу туфайли икки турдаги суюқлик эритувчи ва мой молекулаларини бир-биридан ажратувчи фаза деярли йўқолади ва молекулалар бир-бирларини, ўринларини алмашишади, яъни молекуляр диффузия содир бўлади. Диффузияланувчи модда молекуласининг тартибсиз ҳаракатига қарамай, у системани термодинамик мувозанатига интилиши туфайли кўп концентрацияли қисмдан кам концентрацияли қисмга ўтиб туради ва бу жараён то мувозанат қарор топгунча давом этади. Бу нарса молекуляр диффузия моҳиятини ташкил этади. Бу турдаги диффузия Фикнинг 1-қонунига бўйсуниб қуйидаги тенглама билан ифодаланади:

dm = - DdF · d ( dc/dx )

ёки интеграл шаклда:

М = - DFτ ( dc/dx )

бу ерда: M- молекуляр диффузия остида алмашинаётган модда миқдори;

F – молекуляр диффузия содир бўлаётган юза,
 - молекуляр диффузия жараёнининг вақти,
dc/dx - концентрация градиенти бўлиб, бу қиймат бир бирлик масофа оралиғида модда концентрациясининг ўзгаришини кўрсатади;
dc – диффузияга учраётган модда концентрациясини фарқи.
dx – диффузия йўли;
D – пропорционаллик коэффициенти бўлиб, молекуляр диффузия коэффициенти дейилади.
(-) – диффузия давомида диффузияланадиган маҳсулотнинг концентрацияни камайиб бориши томонга ҳаркатини кўрсатади.
Агарда бир бирлик юзадан бир бирлик вақт ичида диффузияга учраётган модда миқдори бир бирлик миқдорига тенг бўлса ва диффузия содир бўлаётган “Х” оралиқда модданинг концентрацияси бир бирликка камайса, молекуляр диффузия “D” бирга тенг. D=1 ва бундай ҳол идеал жиҳатдан жуда катта тезликда молекуляр диффузия ўтишини кўрсатади, аслида эса молекуляр диффузия коэффициенти “D” бирдан D<1 анчагина кичик ва унинг қиймати барча тенгламани ташкил этувчиларнинг қийматлари юқоридагидек бўлганда, фақатгина жараённинг олиб борилаётган ҳароратига боғлиқ бўлади. Жараённинг гидродинамик шароити (эритувчи миқдори, тезлиги, босими) молекуляр диффузия коэффициентига амалий жиҳатдан ҳеч қандай таъсир кўрсатмайди. Фақатгина бу коэффициент молекуляр диффузия ҳароратининг қийматидан ташқари диффузияга учраётган молекулалар ўлчамларига ҳам тескари пропорционал равишда боғлиқ бўлади, яъни диффузияланаётган молекулаларнинг ўлчам бирликлари қанча катта бўлса, диффузия коэффициенти шунча кичик бўлади. Маълумки, диффузияга учраётган триглицеридларнинг молекуляр ўлчамлари эритувчи молекулалари ўлчамларига нисбатан бир неча марта катта ва бу ҳол “D” коэффициентининг қиймати анчагина камайишига сабаб бўлади.
Буни қуйидаги А. Энштейн формуласидан ҳам кўриш мумкин D=(RT/N)[1/(6πηr)].
бу ерда R – газ доимийси, T – абсолют ҳарорат, N – Авогадро сони, η – эритувчининг абсолют қовушқоқлиги ва r – диффузияланаётган шар шаклидаги молекула радиуси. (агар баргсимон материал бўлса ўртача диаметр ўрнига барг қалинлиги олинади).
2. Конвектив диффузия бу турдаги диффузия модданинг аниқ бир ҳажмла-рида алмашинишига айтилади ва конвектив диффузия Фикнинг иккинчи қонунига бўйсиниб қуйидаги тенглама билан ифодаланади.

ds = - dF * d*dc

бу ерда: S – диффузияга ўчраётган модданинг ҳажми

 - конвектив диффузия коэффициенти
Конвектив диффузия коэффициенти молекуляр диффузия коэффициентидан фарқли бўлиб, гидродинамик омилларга боғлиқдир. Умумлаштириб айтганимизда, молекуляр диффузия асосан, молекулаларнинг кинетик энергиясига боғлиқ бўлса, конвектив диффузия эса муҳитнинг оқими тезлигига, унинг миқдорига ва босимига боғлиқ бўлади.
Бу икки хил диффузия коэффициентлари бир-биридан фарқ қилиб, коэффициент гидродинамик омиллар таъсирини (маълум ҳажмдаги моддаларни ўтиши) акс эттирса, D коэффициент фақат молекуланинг иссиқлик ҳаракати жадаллигини акс эттиради холос. Молекуляр диффузияда моддани ўтиши молекулани иссиқлик ҳаракатининг кинетик энергияси ҳисобига содир бўлади, конвектив диффузияда эса – ташқаридан киритиладиган энергия ҳисобидан содир бўлади. Ёғ экстракциялаш саноатида мисцеллага бериладиган бу ташқи куч турли йўллар билан, масалан, насослар ёрдамида ҳосил қилинадиган босим билан амалга оширилади.
Молекуляр диффузиядаги каби, конвектив диффузия тезлигига ҳам концентрациялар фарқи (dc) катта таъсир кўрсатади. Унинг қиймати қанчалик катта бўлса, маълум ҳажмдаги моддаларнинг ўтиши ҳам шунчалик жадал кечади. Бунда моддалар концентрацияси юқори томондан паст концентрацияли томонга ўтади ва жараён концентрациялар мувозанати юзага келгунча давом этади. Конвектив ўтишга ёғни ҳаракатланаётган суюқлик оқимига ўтадиган юза катталиги F ва диффузияланиш вақти d лар таъсир кўрсатади.
Экстракция жараёнининг алоҳида заррачада намоён бўлиши. Бу нарсани қуйидаги схемада (5.5-расм) ифодалаш мумкин.
Схемага кўра жараён қуйидаги босқичларда боради.
Экстракцияга учраган заррача энг аввало у билан тўқнаш келган тоза эритувчи таъсирида намланади ва эритувчи заррачанинг ички бўшлиқлари томон ҳаракатланади.
Эритувчи ўз йўлида заррача устидаги ҳамда ички қаватларидаги мойни эритиб, ўз йўлидаги бўшлиқлардан ҳаво пуфакчаларни сиқиб чиқаради.
Эритувчи ҳар томонлама заррачанинг энг олис ичкари ҳажмигача етиб бориб, мой молекулалари билан алмашинади ва бу молекуляр диффузия таъсири остида бирон бир қийматга эга бўлган “С” концентрацияли мисцеллани ҳосил қилади. Бу деган гап, ҳосил бўлган мисцелла концентрацияси заррачани ювиб турган эритувчининг концентрацияси “Со”дан катта бўлади С>Со бу хол, яъни концентрацияларнинг фарқи диффузия жараёнининг юргизувчи кучи хисобланиб, юқори концентрацияли мисцеллани заррача ичидан сиртига томон йўналтиради. Демак, заррача қалинлигига тенг бўлган l масофада (І-зона) асосан молекуляр диффузия содир бўлади.
Заррача сиртига етиб келган мисцелла заррача атрофида оқиб турган эритувчи ёки паст концентрациялик мисцелла билан аралашиб кетиши лозим эди, яъни конвектив диффузия содир бўлиши лозим эди, аслида заррача сиртида шундай бир кичик баъзан мономолекуляр ҳолатга тенг масофа бор эканки, бу оралиқда молекуляр диффузия давом этар экан. Бу оралиқни чегара зона деб аталади ва бу оралиқга ІІ-зона мос келиб оралиқ қиймати «» бўлади.
Ниҳоят чегара зонадан чиқиб олган мисцелла аниқ бир ҳажмлар билан атроф муҳитдаги эритувчи ёки паст концентрацияли мисцелла билан аралашиб кетади, яъни конвектив диффузия содир бўлади. Бу жараёнга схемадаги ІІІ-зона мос келади.Схемадан кўриниб турибдики заррачани юваётган эритувчи оқими қанчалик кўп ва тез бўлмасин, заррача ичидаги молекуляр диффузияга таъсир этаолмайди, яъни умуман экстракция жараёнининг интенсивлигини белгиловчи диффузия бу молекуляр диффузиядир. Экстракция жараёнининг юрутувчи кучи бу концентрациялар фарқидир.
Ҳар бир диффузия йўлининг босқичи ўзининг диффузия коэффициенти билан ҳарактерланади: қаттиқ заррача ичидаги ёғнинг молекуляр диффузияланиш коэффициенти D_B ; қалинликка эга бўлган чегара қатламидаги молекуляр диффузияланиш коэффициенти (суюқликни суюқликка диффузияланиши) – D ; конвектив диффузия коэффициенти – .
Экстракция жараёни учун умумий масса ўтказиш коэффициенти К киритилган. Масса ўтказиш коэффициенти концентрациялар фарқи бирга тенг бўлганда, бир бирлик вақт ичида, бир бирлик юза орқали ўтадиган ёғ миқдорини кўрсатади. Масса ўтказиш коэффициенти ва конвектив диффузия коэффициентлари бир хил, бироқ уларни физик маъноси турлича: масса ўтказиш коэффициенти экстракциялаш жараёнини яхлит ҳолда ҳарактерлайди, конвектив диффузия коэффициенти эса – диффузияланиш йўлининг учинчи босқичини ифодалайди.
Баргсимон маҳсулотни экстракциялаган ҳолларда масса ўтказиш коэффициенти қуйидаги боғлиқликда ифодаланади:

Маҳраждаги қўшилувчилар диффузия йўлининг I, II ва III босқичларидаги диффузия қаршиликларини ифодалайди.

Донадор маҳсулотни экстракциялаганда, заррачанинг шаклини шарсимон деб қабул қилиб, баргсимон маҳсулот қалинлиги l ўрнига заррачанинг ўртача диаметри қўйилади. Юқоридаги тенглама ҳисоблаш учун бўлмай, балки масса ўтказиш коэффициенти ёки экстракция самарадорлигига турли омилларнинг таъсирини таҳлил этиш учун хизмат қилади. Берилган экстракцияланадиган модда ва материал учун масса ўтказиш коэффициенти К тажриба маълумотлари бўйича экстракция эгри чизиғини тузиш орқали лаборатория шароитида топилади.
Заррача ичидаги ёғни диффузияланиши – диффузия йўлининг биринчи босқичи. Биринчи босқичдаги диффузия қаршилиги l/(5,88 D_B)га тенг бўлиб, бунда ички диффузия коэффициенти D_B орқали заррачанинг ички структурасини экстракция жараёнига таъсири ҳарактерланади. Баргсимон маҳсулот қалинлиги l ёки донадор маҳсулотнинг ўртача диаметри орқали эса – экстракцияланадиган материал ташқи структурасининг таъсири ҳарактерланади.
Заррача ичидаги ёғни диффузияланиш тезлиги dМ/ d асосан унинг ички структураси билан белгиланади. Ички диффузия коэффициенти Д_B нинг сон қиймати хужайранинг бузилиш даражаси, материал ғоваклиги ва ҳоказоларни ҳарактерлайди.
Идеал ички структура учун ички диффузия коэффициенти эркин молекуляр диффузия коэффициентига тенг бўлиши керак. Демак, D_B/D =1 нисбат мавжуд бўлиши лозим.
Кўп ҳолларда, идеал структурага хос барча талабларга юқори ғовакликка эга бўлган экспеллер кунжараси жавоб бера олади.
Пахта чигитидан олинган экспеллер кунжарасининг заррача диаметри d_ЭКВ=4,5 мм бўлганда, унинг ички диффузия коэффициенти D_B = 0,19 х 10 ^-5 см²/с ни ташкил этади, бироқ бунда пахта ёғи ва экстракцион бензин учун эркин молекуляр диффузия коэффициенти тахминан 3 марта кўп бўлади ва у D = 0,71х10 ^-5 см ²/с ни ташкил этади (5.2-жадвалга қаранг).