Ayırma Prosesleri – Ekstraksiyon

ayirma-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;

  1. Operasyon ölçeğinin belirlenmesi
  2. 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.

ayirma-prosesleri-ekstraksiyon-1

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.

ayirma-prosesleri-ekstraksiyon-2

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

  1. Kimya mühendisliğine giriş 1. Basım – Ayırma süreçleri prosesleri

 

Yazar : Anıl Yasin AKDOĞAN

Üniversite : Balıkesir Üniversitesi

Bölüm : Kimya Teknikeri

Dergi : Sayı 18– Sayfa 19

Okumanızı Öneriyoruz

Slime

Slime aslında Newton tipi olmayan bir akışkan olarak tanımlanabilir. Bu terim kulağınıza biraz teknik gelebilir …