TITRE
Studii i Cercetri tiinifice
Chimie i Inginerie Chimic, Biotehnologii, Industrie Alimentar2012, 12 (1), pp. xxx yyyISSN 1582-540X
Scientific Study & Research
Chemistry & Chemical Engineering, Biotechnology, Food Industry
ANDREEA BORTANDREEA BORT CAFFEINE EXTRACTION
CAFFEINE EXTRACTION Andreea M. Bort1*, Lucian Gavril2, Universitatea ,,Vasile Alecsandri din Bacu, Facultatea de Inginerie/COSAMIB, Calea Mreti, nr. 157, Bacu, Romnia
*Corresponding author: [email protected]: dd/mm/yyyy
Accepted after revision: dd/mm/yyyy
Abstract: Environmental concerns have led to a new perspective on chemistry, accused of producing a large number of toxic waste. Thus arose what is called the present "green chemistry". In the field of mining, where large amounts of organic solvents used should be reduced materials, and some even to be replaced. A clean alternative is considered applying supercritical fluid extraction. Critical point of a pure substance is defined as the highest temperature and pressure at which the substance is in the liquid-vapor equilibrium. At temperatures and pressures higher than this point forms a homogeneous fluid called fluid supercritical. These properties make mobility and solvation power to be unique. Therefore, supercritical fluids are very good candidates for extraction of active substances of plant original, and more. The most used is CO2 supercritical fluid state. Critical point of carbon dioxide is characterized by pressure of 73.8 bar and a temperature of 31.1 C. Water may be used, ethane, butane, pentane, nitrous oxide, ammonia, trifluoromethane, and oxygen. These liquids work better than water because they are maintained in this state, close to the transition from liquid to gas, so they have a high degree of diffusion of gas and high liquid densities.
Keywords: coffee beans, extractor, purity, pressure, process, supercritical fluid extraction, temperature.
INTRODUCERE Dioxidul de carbon supercritic este o stare fluid a dioxidului de carbon meninut peste temperatura critic (31,1C) i presiunea critic (72,9 atm). Dioxidul de carbon se comport de obicei ca un gaz n aer la temperatur i presiune standard sau ca o ghea numit i zpad carbonic cnd este solidificat la -77C. Atunci cnd temperatura i presiunea depesc punctele critice, dioxidul de carbon adopt proprieti ntre un gaz i un lichid [1].Mai exact peste punctele critice se comport ca un fluid supercritic, avnd vscozitatea unui gaz i densitate apropiat unui lichid, ceea determin creterea vitezei de difuzie. CO2 supercritic a devenit un solvent foarte important n industrie, fiind utilizat n extracii chimice datorit toxicitii sczute i impactului redus asupra mediului. Temperaturile relativ sczute ale procesului i stabilitatea CO2 permit de asemenea extracia mai multor compui mpiedicnd denaturarea lor. [2]Articolul ii propune detalierea procesului de extracie a cafeinei utilizand CO2 supercritic, a unui bilan masic, precum i formule de calcul pentru dimensionarea tehnologic a unui utilaj principal.Procesul principal n obinerea cafeinei este procesul de extracie, care dup cum se observ n Figura 2 const n urmtoarele dou etape:
extracia cafeinei cu solventul supercritic;
separarea cafeinei de solvent prin evaporare;
Prima etap presupune mai nti trecerea dioxidului de carbon n stare supercritic.
Pentru aceasta este necesar depirea unei temperaturi sub 31,1C i a unei presiuni de peste 80 bari. Temperatura, presiunea i debitul de curgere sunt parametrii urmrii continuu n punctele strategice ale instalaiei.
Cnd are loc procesul de extracie, boabele de cafea sunt alimentate n vasul de extracie, care este nti purjat cu CO2 pentru a scoate aerul din sistem. Soluia rezultat trece apoi n evaporator unde se elibereaz cafeina prin modificarea presiunii i temperaturii dioxidului de carbon [3].Produsul rezultat dup extracie este reprezentat de boabele de cafea decofeinizate care vor putea fi valorificate n diferite industrii. Trecnd amestecul de cafein i dioxid de carbon n a doua etap, separarea acestora se poate realiza fie prin modificarea proprietilor termodinamice ale fluidului supercritic fie prin adugarea unui agent extern. n cazul de fa separarea cafeinei de CO2 se realizeaz prin modificarea direct a proprietilor termodinamice ale dioxidului de carbon. n urma acestei modificri, CO2 este transformat din nou n gaz i evacuat din separator [1].
MATERII PRIME I AUXILIARE NECASARE PROCESULUI DE EXTRACIE [4-6].Procesul de obinere a cafeinei este influenat att de alegerea, ct i de alegerea solventului de extracie i a materiilor auxiliare. Pentru procesul de extracie a cafeinei s-au utilizat:
boabe de cafea verzi Robusta au coninut de 2,2% cafein;
ap acidulat ap acidulat:acid citric 1:1, favorizeaz extracia;
CO2 supercritic are randamentul de extractive este de 99,9%.
Ap acidulat Ap Boabe cafea Robusta CO2 subcritic(acid citric + ap)
Fig.1 Schema tehnologic de obinere a cafeineiUTILAJE NECESARE EXTRACIEI[7-9]. Extractor cu fluid supercriticExtractorul trebuie s fie din oel inoxidabil, iar sistemul s permit lucrul cu utilaje din oel.
Pompa centrifug
Pompa este alctuit dintr-un rotor cu palete fixat pe un arbore i amplasat excentric n caracasa, care are periferia prevzut prin turnare cu un canal melcat.
Lichidul este aspirat n pomp printr-un racord axial i este refulat printr-un racord tangenial. Evaporator Separarea este realizat ntr-un evaporator prin modificarea presiunii i temperaturii. Punerea n funciune a evaporatorului se realizeaz o dat cu ntreaga instalaie. n prima etap se pune n funciune compartimentul prin care circul agentul termic, apoi pe msur ce instalaia intr n regim, compartimentul prin care circul fluidul tehnologic. Elevator cu cupe Mecanismul de acionare, format din motor electric i transmisie mecanic, pune n micare lanurile transportorului prin intermediul roilor de lan montate pe un arbore comun. Transportorul cu cupe se compune dintr-o structur metalic cu poriuni orizontale i verticale pe care sunt fixate cile de ghidare, grupul de antrenare cu roata de lan de antrenare, roata de ntindere i roile de schimbare a direciei lanului. Usctor n strat fluidizatUtilajul este format dintr-o camer lung, de form paralipipedic, ce se termin la partea inferioar cu un jgheab conic nlinat cu 3-80 fa de planul orizontal. Camera de distribuie este compartimentat, ceea ce permite folosirea, pe zone, a agentului de uscare (aerul) cu temperaturi diferite, pentru a se evita degradarea termic i pentru a realiza rcirea cafeinei n faza final.
Amestector cu paletAmestectorul cu palet se poate folosi pentru transfer de cldur, omogenizri, reacii chimice. Se folosete fr icane.REZULTATE I DISCUIIn urma procesului de extracie, pornind de laaproximativ 4570 kg cafea boabe, se calculeaz cantitatea de cafein obinut. Rezultatele sunt obinute pe baza efecturii bilanului masic dup cum urmeaz:
Ecuaia de bilan general:
materiale intrate +materiale existente =materiale ieite +materiale rmaseI. Recepia cantitativ i calitativ a boabelor de cafeaBoabe cafea Robusta
P1= 0,2%
Boabe recepionateGmboabe cafea = Gmboabe recepionate + GmpierderiP1= 0,2% Gmboabe cafea pierderiP1= 9,14 kg;Gmboabe cafea debitul masic de boabe Robusta;
Gmboabe cafea= 4570,7 kg;
Gmboabe recepionate = Gmboabe cafea - Gmpierderi
Gmboabe recepionate debitul masic de boabe recepionate;
Gmboabe recepionate= 4561,55 kg.
II. Mrunirea boabelor de cafeaBoabe recepionate
P2 = 0,3%
Boabe mruniteGmboabe recepionate = Gmboabe mrunite + Gmpierderi
Gmboabe recepionate debitul masic de boabe recepionate;
Gmboabe recepionate = 4561,55 kg;
P2 = 0,3% Gmboabe recepionate
P2 perderi, 13,68 kg;
Gmboabe mrunite = Gmboabe recepionate - GmpierderiGmboabe mrunite debitul masic de boabe mrunite;
Gmboabe mrunite = 4547,87 kg.
III. Amestecarea boabelor de cafea
Boabe mrunite Ap acidulatP3 = 0,1%
Boabe umeziteGmboabe mrunite + Gmap acidulat = Gmboabe umezite + Gmpierderi
Gmboabe mrunite = Gmboabe umezite + Gmpierderi
Gmboabe mrunite - debitul masic de boabe mrunite;
Gmboabe mrunite = 4547,87 kg;Gmpierderi debitul masic de pierderi;
Gmpierderi= 5,10 kg;Gmap acidulat debitul masic de ap acidulat (se adaug n rapor de 1:5 fa de cantitatea de cafein); Gmap acidulat = 558,6 kg;
Gmboabe umezite = Gmboabe mrunite + Gmap acidulat - GmpierderiGmboabe umezite - debitul masic de boabe umezite;
Gmboabe umezite = 5101,36 kg.
IV. Extracia cafeineiBoabe umezite
CO2 boabe decafeinizate (conin 0,1% cafein)Soluie cafein
Gmboabe umezite + Gm CO2 = Gmboabe decafeinizate + Gmsoluie cafein +Gmpierderiprocesului de extracie este de 99,9% cantitatea de cafein extras este = 111,72 kg;
Gmboabe umezite = 5101,36 kg;GmCO2 debitul masic de CO2 (se adaug n cantitate dubl fa de cantitatea de boabe de cafea ce intr n extractor);
GmCO2 =10202,74 kg;Gmsoluie cafein debitul masic de soluie de cafein;
Gmsoluie cafein = 10314,46 kg;Gmboabe decafeinizate = Gmboabe umezite + Gm CO2 - Gmsoluie cafein
Gmboabe decafeinizate debitul masic de boabe decafeinizate;Gmboabe decafeinizate = 4989,64 kg.
V. Evaporarea CO2-uluiSoluie cafein
CO2
CafeinGmsoluie cafein = Gm CO2 + GmcafeinGm CO2 debitul masic de dioxid de carbon;
GmCO2 = 10202,74 kg;Gmcafein debitul masic de cafein;
Gmcafein =111,72 kg;Gmsoluie cafein debitul masic de soluie de cafein;
Gmsoluie cafein =10314,46 kg.VI. Uscarea cafeinei
Cafeina 10% u
Apa 9,9% Aer 900CAer umed 600C
P5 = 0,5%
Cafein 0,1% uPentru a realiza calculul de bilan pentru operaia de uscare se cunosc:
Caracteristicile materialului umed
Debitul de material la intrare
Gmcafein = 111,72 kg/arj
Umiditatea iniial a materialului
ui = 10%
Temperatura iniial a materialului
Ti = 18C
Caracteristicile aerului uscat
Temperatura iniial
t0 = 20C
Umiditatea relativ a aerului
= 20%Temperatura dup nclzire
t1 = 90C
Cu ajutorul diagramei Ramzin (vezi anexa 1)se determin:
Umiditatea aerului la intrare
x0 = 0,0005 kg ap/kg aerEntalpia iniial a aerului
io = 30103 J/kg aerDup nclzire la 90C, conform diagramei Ramzin se obin:
Umiditatea aerului
x1=x2 = 0,023 kg ap/kg aerEntalpia aerului dup nclzire
i1= 152103 J/kg aerUmiditatea relativ a aerului
= 5%Caracteristicile materialului uscat
Umiditatea final a mterialului
uf = 0,1%
Temperatura final a materialului
Tf = 50C
Caracteristicile aerului umed
Temperatura final a aerului
tf = 60C
Umiditatea relativ a aerului
= 30%Cu ajutorul diagramei Ramzin se determin
Umiditatea aerului la ieire
x2 = 0,04 kg ap/kg aer
Prin urmare parametri de stare ai aerului sunt reprezentai n tabelul urmtor:
. Parametri de stare ai aerului
PunctulParametri destare ai aerului
T (C) (%)x (kg/kg)H (J/kg)
020200,000530103
19050,023152103
260200,04152103
Ecuaia general de bilan
Gmcafein u = Gmcafein + Gm pierderi +WGmcafein u debitul de cafein umed; Gmcafein u= 111,72 kg/arj
Gmpierderi debitul de pierderi;
Gmpierderi= 0,55 kg/arj;
W debitul ap eliminat; W= 11,07 kg/arj;Gmcafein debitul de cafein uscat; Gmcafein = 100,1 kg/arj.
Ecuaia de bilan a umiditii din material
Gmcafein uu1 = Gmcafeinu2 + W
u1 umiditatea absolut a materialului la intrare, 0,1 kg ap/kg material umed;
u2 - umiditatea absolut a materialului la ieire, 0,001 kg ap/kg material uscat;
Ecuaia de bilan a materialului uscat
Gmcafein u (1-u1) = Gmcafein(1-u2) + W
Cantitatea de ap eliminat din material
W = Gmcafein uu1 -Gmcafeinu2
W = 11,07 kg ap/arj
Ecuaia de bilan a umiditii din usctor
Lx1+Gmcafeinuu1= Lx2 + Gmcafeinu2L(x2- x1) = Gmcafeinuu1- Gmcafeinu2 = W
Necesarul de aer
651,18 kg/ arj =81,4 kg/h
Consumul specific de aer
76,92 kg aer/ kg ap ndeprtatVII. Ambalarea cafeineiCafein 0,1% u
P6 = 0,1%
Cafein ambalatGm cafein = Gmcafein ambalat + GmpierderiGm cafein debitul masic de cafein 0,1% umiditate; Gm cafein= 100,1 kg;Gmpierderi = 0,1% Gm cafeinGmpierderi pierderi, 0,1 kg;
Gmcafein ambalat = Gm cafein - GmpierderiGmcafein ambalat debitul masic de cafein ambalat;
Gmcafein ambalat =100 kg.
CALCUL DE DIMENSIONARE [3,9] Unul dintre utilajele principale utilizate n procesul de extractive este usctorul n strat fluidizat. n urma calcului de dimensionare s-au obinut dimensiunile utilajului necesare pentru operaia de uscare.
Pentru calculul de dimensionare a usctorului se cunosc urmtoarele date de calcul:Productivitatea cafeinei (material uscat), arj
Umiditatea cafeieniIniial 10%Final 0,1%Diametrul mediu al particulelor de cafeind = 0,20 mm
Temperatur cafeinei, care intr la uscare
t
Cldura specific a cafeinei
c
Densitatea cafeinei
Pierderile de cldur sunt egale cu 10% din Q.
Factorii care influeneaz alegerea construciei materialului
1) Raportul dintre dimensiunea maxim i minim a particulelor
2) Sita se alege cu diametrul d;
3) nlimea stratului fluidizat n aparat se consider de 4 ori mai mare dect (nimea zonei de aciune a curentului).
4) Temperatura aerului intrat sub site
5) Temperatura aerului evacuat
6) Temperatura cafeinei descrcate
CALCUL DE DIMENSIONAREDebitul de material umed
Debitul de umiditate evaporat
Consumul de cldur
Consumul specific de cldur
Consumul de aer pentru uscare
Consumul specific de aer
Viteza aerului
Mai nti se calculeaz viteza critic de fluidizare pentru particulele de mrime medie, utiliznd graficul Li=f(Ar), (anexa 2)
(densitatea aerului umed).
Conform (Anexa 2), valoarea criteriului lui Liacenko .
Viteza critic de fluidizare va fi:
Viteza de lucru a criteriului se alege la o porozitate a stratului fluidizat
Coeficientul de fluiditatekw
Viteza aerului (raportat la ntreaga seciune a sitei)
Viteza aerului imediat lng sit este mai mare din cauza temperaturii mai ridicate:
Mrimea sitei
Spaiu de separare
nlimea total a aparatului (deasupra sitei) va fi
Se verific dac din aparat vor fi antrenate particululele de sare cele mai mici (cu diametrul ~ 0,1mm).
viteza de antrenare a particulelor
Viteza efectiv a aerului n spaiul de separare n aparatul cu perei verticali este:
Aparatul cu perei verticali nu asigur sedimentarea n spaiul de separare a particulelor de sare cu un diametru