食品百科

7.2.1 浸取原理

2023-02-14

7.2.1.1 浸取概念

当被萃取的物料为固体时,操作就成为固-液萃取,又称浸取。工业上还有浸沥、渗 出等术语。特别是当溶剂为水,而溶质为人们所不需要的组分时,又称为洗涤。浸取是食 品工业中常见的单元操作,其重要性远超过液-液萃取。

食品工业的原料,多为固体。为了提取其中的有用物质,或者除去不需要的物质,多 采用浸取操作。制糖工业和油脂工业是最典型的例子。

由于食品原料的多样性,其组织和成分极为复杂。而且原料质量又受品种、成熟度、 气候、产地及贮藏条件的影响,更是经常变化。此外,食品原料又多为生物体,其中的生物 活性物质更易变化。因此,浸取操作的原理就很难用基础理论来概括。许多问题的解决 主要还是依靠经验或半经验的方法。

为了提高浸取速率,常须对原料作预处理,预处理的目的主要有两个:一是减小物料 的几何尺寸,以减小扩散距离,增大物料的比表面积;二是将具有半透膜性质的、会阻碍组 分扩散的细胞壁膜破坏。机械破碎和加热处理是最常用的两种预处理方法。

与液-液萃取不同的是,在浸取操作中,两相的分离较为容易,因为固体与液体的分 离要比两个液相的分离容易得多,而两相间的接触面积主要取决于固体物料的几何尺寸。 当物料的几何尺寸较小时,固然可增加比表面积,减小扩散距离,但同时必须考虑到液体 在固体物料间隙内的流动,考虑到固体物料本身的机械强度。这些都是浸取设备设计和 操作中必须重视的因素。

7.2.1.2 浸取相平衡

浸取体系可简化为由溶质A、惰性固体B和溶剂(萃取剂)S组成的三元体系。与 液-液萃取相比,只是用惰性固体取代了稀释剂。溶质分布于固、液两相中,两相中溶质 浓度之间也存在平衡关系。可仿照液-液萃取体系,用直角三角形相图表示浸取体系的 组成。

浸取系统的平衡,按溶质A与溶剂S之间的溶解情况可分成三类(图7-30):

①A原来是固体,在S中有限溶解(饱和溶解度) 设该饱和溶解度即为图7-30 (1)中的G点,则BG线下方的区域为不饱和区,即A与S之比小于饱和溶解度。而BG 线上方的区域则为饱和区。很明显,只有在不饱和区才能进行浸取。

②A原来呈液态,与S能完全互溶 此时整个三角形均为不饱和区,如图中(2)。

③A原来呈液态,与S部分互溶 此时相图上将出现两个不饱和区和一个饱和区, 见图中(3)。这是一种较复杂的情形,在实践中应避免。

在实践中,可假定固体B与溶质A之间无物理和化学作用,且A的量对S的量未达 饱和溶解度之所要求的。这样,经长时间的接触以后,溶质可完全溶解,这相当于上述图 中(2)的情形,固体空隙中液体的浓度将等于固体周围液体的浓度,液体的组成将不再改 变,这就是达到了平衡。这样的接触级就是理论级。可见,在理论级中液体并未达到饱 和,参照图7-31。

(1)

(2)

(3)

图7-30 浸出体系的三角形相图

图7-31 浸出的模拟理论级

在浸取操作中,固液两相经过充分接触后,即进入分离器分离。得到的澄清液称为溢 流,剩余的残渣称为底流,为简化起见,假设溢流中不含固体,则溢流的组成点必位于AS 边上(E点)。而如果浸取器为一理论级,则底流所含的液体(即惰性固体持液)必然与溢 流液体有相同的组成,亦即底流组成点R必位于溢流组成点E与B点的连线上(见图7- 31)。根据杠杆法则,有:

          (7-35)

7.2.1.3 浸取过程在相图上的表示

单级浸取过程与单级萃取相似,惟一的区别在于浸取中平衡成为自B点出发的射 线。参见图7-31,进料组成F点位于AB边上,与溶剂混合后,组成点为M点,其位置 由杠杆法则确定。充分接触后,分为溢流和底流两部分:其组成点E和R均位于过M点 的平衡线上,也就是BM连线上。而R点的位置与固体的持液量有关。