Procese Biochimice [PDF]

Zitiervorschau

FACULTATEA DE INGINERIE SPECIALIZAREA INGINERIE BIOCHIMICĂ

Îndrumător : Conf. univ. dr. ing. RUSU LĂCRĂMIOARA

Autori :

Dăscălaşu Diana Bortă Andreea-Mădălina Covaci Cătălina

2011

Cuprins: 1

Tema Proiectului : Să se proiecteze un reactor pentru hidrogenarea uleiurilor vegetale. Capacitatea de producţie a utilajului este de 1 tonă margarină/zi. Cerinţe: 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Caracterizarea produsului finit. Schema de flux tehnologic. Descrierea schemei de flux tehnologic. Caracterizarea materiilor prime si auxiliare. Bilanţul de materiale. Calculul de dimensionare al reactorului.

2

Cap.1. Caracterizarea produsului finit. 1. 1. Definiţie Margarina este un produs alimentar care conţine minimum 80 % grăsime si maximum 16 % apă, în stare plastică sau fluidă este o emulsie de tipul A/U fabricată, in mare parte din grasimi si uleiuri comestibile, fiind permis şi adaosul de aditivi, emulgatori, vitamine, aromatizanţi, coloranţi si conservanţi. 1.2. Istoric Margarina a fost fabricată în anul 1869 de chimistul Mège Mouriès prin baterea seului de vita cu lapte, obţinând astfel un înlocuitor al untului. Procesul tehnologic a fost brevetat în 1873. În 1878, Unilover a început producţia în Europa, iar în 1960 a apărut prima margarină la tub în America. Pentru a-i formula compoziţia, Mège Mouriès a folosit acidul margaric ,un acid gras, pe care l-a denumit margarină. Până în 1920, materiile prime folosite erau de origine animală, iar din 1920 s-a început folosirea grăsimilor vegetale ca uleiul de floarea soarelui, soia etc. 1.3. Proprietaţi organoleptice A. Aspectul Margarina se prezintă sub forma unei mase omogene, lucioase, fără picaturi de apă in secţiunea acesteia. B. Culoarea margarinei este alb-gălbuie, iar luciul este determinat de compactizarea emulsiei, respectiv de fermitatea reţelei cristaline. C. Miros şi gust Margarina are un gust plăcut, aromat, fără miros sau gust străin (amar, rânced, etc.). 1.4. Proprietaţile chimice ale margarinei se regăsesc în tabelul următor Caracteristici Punct de topire, ºC Grăsime, % Apă, % Aciditate, grade maxime, produse fără lapte Vitamina A, UI / kg Indice de peroxid Amidon

31-35 Min 80 16 1,3 25000 10 Prezent Tab.1 3

1.5. Indicatori de calitate a produsului A. Tartinabilitatea Reprezintă capacitatea margarinei, ca la presiune uşoară să fie modelată. Plasicitatea la temperatura de refrigerare este influenţată de valorile conţinutului de trigliceride solide (TGS) la temperaturi de 2°-10°C, iar la 35°C determină palatabilitatea. B. Onctuozitatea Această proprietate presupune o textură uniformă şi e determinată de mărimea cristalelor de grăsime, limitată la max. 22 µg, peste această valoare se instalează “grişarea”, fiind considerat un defect de structură. C. Timpul optim de topire Timpul de topire este de 20-24 secunde la 4°C. D. Stabilitatea Este importantă pentru fixarea perioadei de conservabilitate optimă, cuprinsă între 6-12 luni în condiţii de refrigerare, valabilă în funcţie de tipul margarinei şi de modul de păstrare în timpul distrubuţiei, depozitări şi vânzări. E.

Topirea in gură a margarinei, este o caracteristică fizică insoţită de eliberarea completă a aromei şi perceperea senzaţiei de rece.

F. Valoarea nutritivă Margarina este un produs cu valoare energetica ridicată, motiv pentru care nu se recomandă consumului frecvent şi în cantităţi mari. Valoare energetică: 925 kj/225 kcal Pentru 100g produs: Lipide 25 g Proteine 0.9 g Glucide 0.4 g Vitamine 2 g Calciu 20 mg Tab.2 4

Cap.2 Schema de principiu a fluxului tehnologic de obţinere a margarinei Ulei

Cat. Ni-

Raney Ulei de floarea-soarelui Preparare suspensie Ni-Raneyulei

H2

Hidrogenare t= 1800C p=20 atm

Suspensie cat-ulei

Răcire t=800C

kiselgur Filtrare

Deşeu ( catalizator şi kiselgur ) Apă

Ulei hidrogenat

Acid sorbic

Emulsionare T= 300C Pasteurizare T=850C Solidificare T=120C Margarină 5

Sare 0,5 %

Preparare fază apoasă

Fig.1

Cap.3. DESCRIEREA SCHEMEI DE FLUX TEHNOLOGIC

6

Cap.4. CARACTERIZAREA MATERIILOR PRIME ŞI AUXILIARE 3.1 Uleiul de floarea-soarelui Uleiul din floarea soarelui este un amestec de: 95% trigliceride şi 5% acizi graşi liberi. Este un ulei semisicativ caracterizat printr-un indice de iod de 132 si o aciditate de 0,05, nu conţine poluanţi periculoşi cum sunt: benzenul, plumbul sau metalele grele. Tab.3 Caracteristicile fizice ale uleiului de floarea-soarelui Densitatea la 20 ºC Vâscozitatea Punctul de fuziune umiditate ulei proteine Substanţe extractive neazotate Celuloză Cenuşa

0,92 kg/m3 55-61 16 9-11% 44-48% 18-20% 10-15% 14-18% 2-3%

Uleiul din floarea soarelui conţine între 10-15% oxigen, ceea ce duce la ameliorarea combustiei şi la diminuarea nivelului poluării.

3.2 Sorbat de potasiu(E 202) Se foloseşte în alimentaţie are o solubilitate în apă de 1380g/l. Prezintă un spectru microbian larg: drojdii (tipul Bisochlaemys, Candida, Saccharomyces, Zigosaccharomyces), mucegaiuri( Asergillius, Fusarium, Penicillium, Geotrichium), fungi. Este considerat unul dintre cei mai puţini toxici, coservanţi. Nu interacţionează cu conservanţi produsului alimentar, nu afectează culoarea, nu distruge enzimele, nu formează combinţi complexe cu metalele. 3.3 Catalizatorii utilizaţi

 Catalizatorii de hidrogenare sunt furnizaţi de metalele din grupa a VIII-a a tabelului lui Mendeleev, în special de Ni, Pd, Pt.

7

În cadrul operaţiei de hidrogenare se utilizează catalizatorul de Ni-Raney. Acesta se prepară dintr-un aliaj de nichel-aluminiu care conţine 33% Ni şi 67 % Al, tratat cu o soluţie de NaOH, în condiţii controlate. Toate manipularile acestui catalizator se fac numai sub apă distilată deoarece produsul este piroforic. Catalizatorul de Ni-Raney este foarte activ, dar neselectiv de aceea acesta se foloseste la hidrogenarea uleiurilor pentru scopuri tehnice. Pentru hidrogenare se foloseşte un amestec de catalizator proaspăt cu catalizator uzat. În cazul hidrogenării uleiurilor vegetale pentru obţinerea margarinei se introduce o cantitate mai mare de cataliyator uzat.  Catalizatorul de Ni pe suport de Kiselgur este un catalizator folosit in etapa de filtrare pe filtru presă. Acesta se compune dintr-un amestec de cca 20% Ni metalic, cca 25% Kiselgur şi cca 50 % ulei solidificat. Pe suportul de kiselgur, Ni este precipitat in stare fin dispersată, ceea ce măreşte cu mult activitatea catalitică a acestuia. Catalizatorul se prezintă sub formă de bulgări mici, unsuroşi, de culoare neagră. 3.4 Hidrogenul Hidrogenul utilizat pentru hidrogenarea uleiului vegetal de floarea-soarelui poate fi obţinut prin următoaele metode: 1. Electroliza apei. Se produce sub acţiunea câmpului electric, se adaugă la apa distilată o soluţie apoasă de KOH pentru a mări conductivitatea soluţiei. Tensiunea electrică aplicată pentru separarea hidrogenului la catod şi a oxigenului la anod este de 2,2 V pe celulă. 2. Cracarea amestecului de metanol si apă demineralizată, sau gay natural şi abur supraîncălzit la temperatură ridicată în prezenţă de catalizator. Se formează un amestec de hidrogen, CO, CO 2, vapori de apă si metan care este trecut printr-o instalaţie de reţinere a CO şi prin site moleculare, pentru separarea hidrogenului.

3.5 Apa Potabilă: să nu conţină Cu, Fe, maxim 0,5mg/l; duritatea permanentă < 14. 3.6 Sarea 0,2-0,7 %; maxim1,5%; Cu,Fe maxim 0,5mg/Kg; potenţează aroma, actionează ca agent inhibitor microbian.

8

Cap.4 INSTAŢIA DE HIDROGENARE 4.1. Exemple de instalaţii de hidrogenare:

Fig.3. Instalaţie de hidrogenare de laborator hidrogenare industrială

9

Fig.4 Instalaţie de

4.2. Descrierea instalaţiei de hidrogenare in atmosferă de hidrogen: a. Utilajul Instalaţia este compusă dintr-un preîncălzitor, autoclavă si filtru presă. Autoclava este compusă dintr-un cilindru cu terminaţie tronconică 1, un cilindru difuzor 2, cu diametrul de 370-450 mm, a cărui parte inferioară este construită din bronz sau aluminiu. În interiorul difuzorului se află un agitator sub formă de elice 3, cuplat direct cu motorul electric 4, de tip antiexploziv. Axul elicei trece prin presetupa 5, prevăzută cu dispozitiv de răcire cu apă. În partea superioară a utoclavei, deasupra elicei agitatorului este montată o rozetă 6. Autoclava este prevazută cu serpentina 7, conducta de intrare a hidrogenului este un distribuitor 8, conducta pentru evacuarea uleiului 9, ştuţ de golire 10, ventil de aerisire 11, precum si cu aparate de măsură şi control. Hidrogenul este introdus prin barbotare la partea inferioara a autoclavei in masa de ulei. Autoclavele moderne au instalatii de uscare a uleiului sub vid la 20 mmHg înainte de hidrogenare. Umiditatea uleiului care este mentinuta sub 0,01%, are o deosebita importanta in calitatea hidrogenarii si mai ales la eliminarea urmelor de Ni din ulei.

10

Cap.5. BILANTUL DE MATERIALE 5.1 Hidrogenarea Suspensie catalizator

H2

HIDROGENARE T=180 ºC

ulei de floarea-soarelui

ulei hidrogenat catalizator p1

Gm H2 + Gm ulei + Gm cat. = Gm u.h + p1 În funcţie de puctul de topire al uleiului hidrogenat, consumul de hidrogen este :

pentru 34 ºC este : 1m3 H ..........................................89,9g H 0,046 m3 .......................................x 2

2

x = 0, 004135 kg H2 0,1

( Gm H2 + Gm ulei + Gm cat.) + Gm u h = Gm H2 + + Gm ulei + Gm cat

p1 = 100

Gm ulei = Gm uh – Gm H – Gm cat 2

Gm ulei = 35,0882 – 0,004135 - 0,0693 – 0,999 Gm ulei = 35,014 kg/h

11

Nr.crt. Materiale intrate 1. H2 2. Ulei 3. Suspensie catalizator

UM

Cantitate

Materiale Ieşite

Cantitate

UM

Kg/h Kg/h Kg/h

0,004135 35,014 0,0693

Ulei hidrogenat Catalizator Pierderi

35,0882 0,0692 0,07

Kg/h Kg/h Kg/h

Total: 35,0874

Total : 35,1574

5.2 Preparare suspensie catalizator Ni-Raney ulei catalizator Ni-Raney

Preparare suspensie catalizator Ni-Raney

suspensie catalizator P2

Gm ulei + Gm cat = Gm suspensie catalizator. Suspensia de catalizator conţine:

22 % Ni-Raney 25 % Kiselgur 53 % ulei solidificat

Suspensia de catalizator reprezintă 0, 2 % din cantitatea de ulei hidrogenat . 22% cat Ni-Raney Gm suspensie catalizator = 0,0693 kg/h din care :

53% Ulei

22  0,0693 = 0,0152 kg/h Ni-Raney 100 53

 0,0693 = 0,0367kg/ ulei.

100 12

Restul de 25 % reprezintă Kiselgur = 0,0173 Kg/h Nr crt 1 2 3

Materiale intrate

U.M

Cantitate

Ulei Cat. Ni-Raney Kiselgur

Kg/h 0,0367 Kg/h 0,0152 Kg/h 0,0173 Total : 0,0694

Materiale ieşite

U.M

Cantitate

Suspensie cat. P2

Kg/h Kg/h

0,0693 0,0001

Total : 0,0693

5.3 Răcirea

Ulei hidrogenat

Ulei hidrogenat răcit RĂCIRE T= 30 ºC

P3 = 0,01 %

(B.M) Gm uh = Gm u.h.r. + P 3 0,01 Gm u.h.r =35,0847 + 100 X=

*

X

35,0882 0,01

P5=

* 35,882 100

P5= 0,003508 Kg / h Nr.crt. Materiale 1 Ulei hidrogenat 2 Ulei hidrogenat răcit TOTAL

Intrate 35,0882 35,0882

P = 0,0035 ( 0,01 %)

13

Ieşite 35,0847 35,0847

P

U.M Kh/h Kh/h

5.4 Filtrarea x se face pe strat filtrant de Kiselgur Kiselgur

ulei hidrogenat filtrat FILTRARE

ulei hidrogenat răcit

Deşeu (Kiselgur + catalizator)

(B.M) Gm Kisekgur +Gm u * h *1 = Gm u * h *f + Gm deşeu Catalizatorul produs pentru hidrogenare reprezintă 0,2% din cantitatea de ulei hidrogenat ( din literatură) 0,2 100

x 34,669

= 0,0693 kg/h catalizator

Catalizatorul conţine 25 100

x

20 % Ni-Raney 25 % Kiselgur 50 % ulei solidificat

0,0173 Kg/h Kiselgur 0,0172 Kg/h Kiselgur

Deşeul conţine

099,99% din cantitatea de catalizator Ni-Raney 1 % din uleiul hidrogenat

0,0172 Kg/h Kiselgur Deşeul

Gm deşeu =0,43309 Kg/h

0,0692 Kg/h catalizator 0,34669

Gm Kiselgur + Gm u * h * 1= Gm u * h * f + Gm deşeu . 14

Gm u * h * 1 = 35,0847 kg/h. Nr. Crt. 1 2 3 4

Materiale

Intrate

Ieşite

U.M

Kiselgur Ulei hidrogenat r Ulei hidrogenat f Deseu TOTAL

0,0173 35,0847 35,102

34,669 0,43309 35,102

Kg/h Kg/h Kg/h Kg/h

Emulsionare + Preparare fază apoasă ulei hidrogenat

apă

EMULSIONARE

FAZĂ APOASĂ

sare 0,3 % Acid sorbic

P3= 0,01% P4= 0,01% margarină emulsionată Preparare fază apoasă (B.M)

Gm apă + Gm sare + gm acid sorbic = Gm f * a + P3

Faza apoasă reprezintă 17% din emulsie ( conform literaturii) 17 Gm f * a =

*

Gm margarină emulsionată

*

41,666

100 17 Gm f * a = 100 Gm f*a = 7,083 Kg / h f * a În 100 g margarină există 18,500 g apă ( conform literaturii ) 100 g margarină………….18,500 g apă 1000 g margarină…………x 15

x= 185 g apă / Kg margarină = 0, 185 kg apă Dacă pentru 1 Kg margarină …………..0,185 Kg apă pentru 41,666 Kg margarinaă ………………y y= 7,708 Kg apă Gm apă = 7,708 Kg / h apă. Cantitatea de sare din margarină este de 0,3% din cantitatea de emulsie ( conform literaturii). Gm sare = 0,124 Kg sare / h Acidul sorbic este folosit drept conservant şi se găseşte în cantitatea de 150 mg / Kg margarină . Dacă în 1 Kg margarină ...........0,00015 Kg acid sorbic în 41 Kg margarină ………….z z = 0,006249 acid sorbic Gm acid sorbic = 0,006249 Kg / h Gm sare + Gm apă + Gm acid sorbic = Gm f *a + P3. 0,124 + 7,708 + 0,006249 = 7,083 + P3 7,8382 = 7,083 +P3 P3 = 0,7552 Kg / h Nr.crt 1. 2. 3. 4.

Materiale Apă Sare Acid sorbic Fază apoasă TOTAL

Intrate 7,708 0,124 0,006249 7,8382

Iesite 7,083 7,083, P= 0,7552

U.M Kg /h Kg /h Kg /h Kg /h

Emulsionarea margarină emulsionată ulei hidrogenat

FI41,711LTRARE Dese

faza apoasa

Gm ulei + Gm f*a =Gm margarină emulsionată + P4 0,1 x + 7,083 = 41, 711+

( x + 7,083) 100

X= 34, 669 Gm ulei hidrogenat = 34,669 Kg / h ulei P4= 0,041752 Kg / h pierdri

16

P4=0,1 %

Nr.crt 1. 2. 3.

Materiale Ulei hidrogenat Fază apoasă Margarină TOTAL

Intrate 34,669

Iesite -

U.M Kg /h

7,083 41,752

41,711 41,711 P= 0,041Kg,/h P= 0,01%

Kg /h Kg /h

Pasteurizarea margarină emulsionată

PASTEURIZARE T= 85 ºC

margarină pasteurizată P2= 0,01 %

(B.M) Gm margarină emulsionată = Gm margareină pasteurizată + P2 0,01 X = 41, 707 +

* X 100

X= 41,711 Kg /h Gm margarină emulsionată = 41, 711Kg/h P2=0,00417 Kg/h Nr.crt 1. 2.

Materiale Margarină emulsionată Margarină pasteurizată TOTAL

Intrate 41,711 41,711

Ieşite U.M. Kg / h 41,707 Kg / h 41,707 P=0,00417 Kg / h

Racirea ( solidificare). margarină pasteurizata

RACIRE

margarină răcită P1= 0,01 %

(B.M) Gm margarină pasteurizată = Gm margarină răcită + P1 0,1 X=41,666+ *X 100 X = 41,707 Kg / h margarină pasteurizată Gm margarină răcită = 41 ,707 Kg / h 17

P= 0,0417 Kg / h . Nr.crt Materiale 1. Margarină pasteurizată 2. Margarină răcită TOTAL

Intrări 41,707

Ieşiri -

U.M Kg / h

-

41,666

Kg / h

41,707

41,666 P=0,0417 Kg / h

Nr.crt

Materiale intrate

U.M.

Cantitatea

1. 2. 3.

ulei de floarea -soarelui hidrogen ulei pentru preparare suspensie catalizator catalizator Ni-Raney Kiselgur apă sare acid sorbic

K g /h K g /h K g /h

35,014 0,004135 0,0367

K g /h K g /h K g /h K g /h K g /h K g /h

0,0153 0,0173 7,708 0,124 0,006249

4. 5. 6. 7. 8. 9.

Dimensionare reactor: Vi V=

‫ז‬ M1 Vi =

în care: V= volumul reactorului

ρm

‫ = ז‬coeficient de umplere (0,7) M1= masa reactanţilor

M1 = M ulei + M suspensie catalizator + M H2 M1 = 35, 0140 + 0,0693 + 0,0041 M1 =35,0874 Kg / h

ρm

=

ρu+ρu hidrogenat +ρH2 18

Materiale ieşite P1 P2 P3

U.M.

Cantitatea

K g /h K g /h K g /h

0,07 0,0001 0,0035

Deseu P4 P5 Margarină P6 P7

K g /h K g /h K g /h K g /h K g /h K g /h

0,43309 0,041 0,7552 41,666 0,0417 0,00417

3

ρu= 2,67 Kg /m3 ρu.h .=2,12 Kg /m3 ρH2( 20 atm ) = 1,798 Kg / m3 ρm = 2,1960 Kg / m3 Vi = 15, 9779 m3 V= 22,8255 m3

19