Ayırma Prosesleri – Ekstraksiyon
Zenginleştirme , kıvamlaştırma , saflaştırma , rafinasyon ve izolasyon gibi işlemleri içeren ayırma prosesleri tekniker , kimyager ve mühendisler için çok önemlidir. Karışımların bileşenlerine ayrılmasında ayırma süreçleri bir sanat gibi yüzyıllardır uygulanmaktadır. Eski medeniyetler de çeşitli cevherlerden metallerin ekstraksiyonu , bitkilerden boyaların ve yanmış bitki küllerinden potasın eldesi , deniz suyunun evaporasyonu ( buharlaşması ) ile tuz eldesi gibi ayırma süreçleri kullanılmıştır. Ayırma prosesleri momentum , kütle ve ısı transferi gibi temel prensip ve mekanizmalara dayanır.
Ayırma Ajanları
Ayırma ajanları kütle ve enerji esaslı olmak üzere ikiye ayrılır. Isı , enerji ve manyetizma enerji esaslı ayırma ajanı olarak kullanılır. Kütle esaslı ayırıcı maddeler ise katı , sıvı ve gaz fazında olabilir. Distilasyon ve evaporasyonda ısı enerjisi ile bileşenler farklı sıcaklıklarda ayrılırken ; ekstraksiyonda ayırma işlemini çözücü gerçekleştirmektedir.
Ayırma Süreçlerinin Sınıflandırılması
Ayırma temel süreçlerini; kullanılan ayırma metodu veya bileşenlerin faz durumu gibi farklı sınıflandırma yapılarak incelemek mümkündür.
| Süreç | Besleme | Ürün | Ayırma ajanı | Ayırma prensibi | Uygulama |
| absorbsiyon | gaz | sıvı + buhar | çözücü | tercihli çözünürlük | doğal gazdan CO2 ve H2S uzaklaştırılması |
| adsorbsiyon | gaz veya sıvı | sıvı + katı | adsorban | adsorban – adsorbat etkileşimi | gazların kurutulması |
| iyon değişimi | sıvı | sıvı + katı | iyon değiştirici | anyon / katyonların yer değişimi | su deminenalizasyonu
|
| kromotografi | sıvı | sıvı / katı | adsorban | çözünürlük farkı | protein enzimlerin ayrıştırılması |
| kristalizasyon | sıvı | sıvı + katı | soğutma / ısı | erime/donma
noktaları farkı |
içecek üretim |
| distilasyon | sıvı ve / veya buhar | sıvı + buhar | ısı | uçuculuk/buhar basınç farkı | hampetrolden benzin üretimi |
| kurutma | nemli katı | kuru katı + yaş buhar | ısı | suyun buharlaştırılması | seramik , plastik ve yiyeceklerin kurutulması |
| evaporasyon | sıvı | sıvı + buhar | ısı | uçuculuk farkı | şeker üretimi |
|
ekstraksiyon |
sıvı |
sıvı + sıvı |
çözücü |
sıvıların çözünürlük farkı | benzinden benzen /tolüen/ksilenin ayrıştırılması,kahveden kafeinin ayrılması |
|
membran süreçleri |
sıvı ve katı |
sıvı ve katı |
membran |
geçirgenlik farkı |
hidrokarbonlardan hidrojenin ayrıştırılması , meyve suyunun konsantre edilmesi,suyun demineralizasyonu |
Tablo 1: Temel ayırma süreçleri ve özelikleri
Herhangi bir karışımda ki bileşenin ayırma süreç seçimini etkileyen faktörler aşağıdaki gibidir;
- Operasyon ölçeğinin belirlenmesi
- Ayrılacak ürün özelliklerinin belirlenmesi
- Kimyasal özellikler
- Molekül boyutu
- Molekül ağırlığı
3. Ayırma prosesinin belirlenmesi
4. Ayırma ajanlarının belirlenmesi
5. Uygun sürecin belirlenmesi
6. Fizibilitenin hesaplanması
7. Operasyon koşullarının belirlenmesi
Ekstraksiyon ( Özütleme )
iki veya çok bileşenli karışımlardan bir maddeyi veya istenmeyen safsızlıkların çözücü yardımı ile ayırma işlemine ekstraksiyon denir. Ayrılması istenen karışım sıvı bileşenlerden oluşuyorsa ‘sıvı – sıvı ekstraksiyon ‘ ; katı bir malzemeden bir madde veya grup ayrılacaksa bu işleme ‘katı – sıvı ekstraksiyon ‘ denir.
Sıvı – Sıvı Ekstraksiyonu
Sıvı çözelti içinde çözünmüş bir maddeyi , çözeltiyle karışmayan başka bir sıvı ile temas ettirerek ayırma işlemine sıvı – sıvı ekstraksiyonu denir. Bu işlemin ilk uygulaması Romalılar tarafından sıvı haldeki bakır dan çözücü olarak kurşun kullanılarak altın ve gümüşün ekstrakte edilmesidir.
Basit bir ekstraksiyon işlemi çözünen , taşıyıcı ve çözücü olmak üzere üç temel bileşenden oluşur. Ekstraktörden ayrılan besleme sıvısı ile zengin faza rafinat ( sulu faz ) ve çözücü bakımından zengin faza ekstrak ( organik faz ) denir.
Şekil 1 : Ekstraksiyon işlemi
Sıvı – sıvı ekstraksiyon , karışımda ki bileşenlerin faz dağılımı ile ayrılmasına dayanan difüzyonel bir süreçtir. Ayrımı gerçekleştirilecek karışımın çözücü ile karştırılarak temas etmesi sağlanarak ekstrakt ve rafinat olarak iki sıvı faz oluşturulur. Şekil 2 de gösterilen endüstriyel ekstraksiyon sisteminde besleme akımı ekstraksiyon kolonunun orta kısmından girer ve alt akımından çıkan ekstrakt distilasyon kolonuna verilir. İşlemde yüksek kaynama noktasına sahip olan çözücü ağır faz ve düşük kaynama noktasına sahip olan ekstrakt hafif faz olarak adlandırılır. Eğer fazların kaynama noktaları yakın ise , kolon raf sayısı veya riflaks oranı arttırılır. Kolonun tepe ve dip ürünleri olan ekstrakt ve çözücü sisteme geri beslenir. Böylelikle , ayrılması istenen bileşen safsızlıklarından arındırılır ve sürecin verimi artar.
Şekil 2 : Endüstriyel ekstraksiyon işlemi
Genellikle ekstraksiyon işlemi;
- Çözeltide çözünmüş veya kompleks oluşturmuş inorganik maddeler varsa,
- Çok düşük derişimdeki bir bileşenin ayrılması istendiğinde,
- Kaynama veya erime noktaları çok yakın olan bileşenlerin ayrılmasında,
- Azeotrop oluşturan karışımların ayrılması gibi durumlarda distilasyona göre tercih edilir.
Örneğin, asetik asitten suyun uzaklaştırılması için distilasyon veya organik bir çözücü kullanılarak sıvı – sıvı ekstraksiyon işlemi uygulanabilir. Endüstride pek çok karışımların ayrılmasında sıvı – sıvı ekstraksiyonu kullanılır. Tablo 2 de inorganik kimya endüstrisinde; fosforik asit, borik asit ve sodyum hidroksit gibi yüksek kaynama noktasına sahip maddelerin ve formaldehit gibi hidrojen bağı içeren organiklerden su giderilmesinde ekstraksiyon işlemi uygalanır.
Çözünen Taşıyıcı Çözücü
Asetik asit Su Etil asetat
Aromatikler Parafin Dietil glikol
Benzoik asit Su Benzen
Formaldehit Su İzopropil eter
Naftan Petrol Nitrobenzen , fenol
Fenol Su Benzen , klorobenzen
Penisilin Et suyu Butil asetat
Sodyum klor Sulu sodyum hidroksit Amonyak
Vanilya Likör Tolüen
A vitamini Balık-karaciğer yağı Propan
E vitamini Bitkisel yağ Propan
Tablo 2 : Sıvı – sıvı ekstraksiyon işleminin endüstriyel uygulamaları
Katı – Sıvı Ekstraksiyonu
Katı madde içinde bulunan bir veya birden fazla bileşenin bit çözücü yardımı ile ayrılamsı işlemine katı – sıvı ekstraksiyonu denir. İşlem dört aşamada düşünülebilir;
- Çözünen maddenin faz değişimi ile solvent faza geçmesi
- Ekstrakt fazın mekaniksel ayrımı
- Çözünen maddenin ekstrakt fazdan ayrılması ve rafine edilmiş çözücünün sürece gönderilmesidir.
Katı – sıvı ekstraksiyonu, gıda endüstrisinde sıcak su kullanılarak şeker pancarından şekerin ayrılmasında; hekzan,aseton ve eter gibi organik çözücüler ile fıstık, soya, keten tohumu, fasulye, pamuk tohumu gibi bitkilerden yağların ekstrakte edilmesinde; çay yapraklarından su kullanılarak çayın; balıktan , balık yağının elde edilmesi işleminde kullanılmaktadır.
Ekstraksiyon Sürecinde Çözücü Seçimi
Etkin bir ekstraksiyon işleminde en önemli anahtar parametre uygun bir çözücünün seçimidir. ‘benzer benzeri çözer’ prensibinden faydalanılır. Genel olarak çözücü seçiminde dikkat edilcek hususlar şı şekildedir;
- Dağılma katsayısı
- Yoğunluk ve viskozite
- Çözünürlük
- Seçicilik
- Fazlar arasındaki yüzey gerilimi
- Tekrar kullanılabilirlik
Kaynaklar
- Kimya mühendisliğine giriş 1. Basım – Ayırma süreçleri prosesleri
Yazar : Anıl Yasin AKDOĞAN
Üniversite : Balıkesir Üniversitesi
Bölüm : Kimya Teknikeri
Dergi : Sayı 18– Sayfa 19
