اين روش به دليل تكنولوژي بالاي به كار رفته در آن در اختيار كشورهاي محدودي از جمله آمريكا ، فرانسه ، آلمان و اسپانيا مي باشد . كافئين به دست آمده در اين روش معمولاً در صنايع داروسازي ( داروهاي گران قيمت و خاص ) و همچنين فعاليت هاي دقيق آزمايشگاهي و به عنوان رفرنس مورد استفاده قرار مي گيرد .
ب) فرايند استخراج
روش هاي استخراج آلكالوئيدها از منابع آن كه عمدتاً گياهان مي باشند متفاوت بوده و بستگي به وضعيت ماده خام آن دارد . معمولاً دو روش عمده در استخراج وجود دارد كه به قرار ذيل است :
1) ماده گياهي پودر شده را با آب مرطوب و سپس با اكسيد كلسيم مخلوط مي كنند . اكسيد كلسيم با اسيدها و تاننها و تركيبات فنلي ديگر تركيب شده و آلكالوئيد را به صورت باز آزاد در مي آورد ( در صورتي كه در گياه به شكل ملح باشد ) و سپس عصاره گيري با حلال هاي آلي سبك انجام مي پذيرد . مايع آلي تغليظ شده را با محلول اسيد در آب مخلوط كرده و اجازه داده مي شود كه دو فاز جدا شوند . املاح كلوئيدي در فاز آبكي وارد شده ، ولي بسياري از ناخالصي ها در فاز آلي باقي مي ماند.
2) ماده گياهي پودر شده را با آب يا مخلوط آب و الكل كه حاوي اسيد رقيق است عصاره گيري مي نمايند . مواد رنگي و ديگر مواد نا خواسته را به وسيله انحلال در حلال هاي آلي جدا مي سازند . سپس بي كربنات سديم يا آمونياك به محلول آبي عصاره اضافه مي نمايند تا آلكالوئيدها به صورت باز آزاد رسوب كند . سپس با عصاره گيري با حلال ها يا فيلتراسيون آلكالوئيد ها را جدا مي نمايند .
در بحث انتخاب حلال ، در ابتدا مقدار حلاليت كافئين را در حلال هاي مختلف مقايسه مي نمايند جدول ذيل بيانگر اين موضوع است كه حلالهاي زيادي وجود دارند كه ميتوان براي عمل استخراج از آنها استفاده نمود ولي تمامي آنها با شرايط و پارامتر هاي لازم منطبق نيستند اهم اين پارامتر ها عبارتند از :
امتزاج ناپذيري با آب
حلاليت قابل ملاحظه كافئين در آن
پايداري ويژه
غير سمي بودن
اختصاصي بودن
در دسترس بودن
قيمت مناسب
انبارداري آسان
قابل بازيافت بودن
با عنايت به مطالب فوق دامنه اين رنج به سه حلال محدود خواهد بود :
حلالي كه در دهه 60 تا 70 از آن استفاده مي شد كلرفرم بود ولي در دهه 80 اين حلال جاي خود را به دي كلرومتان داد . اما به علت سميت بالا و احتمال سرطان زايي و همچنين خطرات عملياتي ، هر دوي اين مواد كنار گذاشته شد و در اواخر دهه 80 و اوايل دهه 90 حلالي جديد با ويژگي هاي خاص جهت عمل استخراج از محلول آبي معرفي گرديد كه 1- پروپانول نام دارد .
در اثر تجربه مشخص شد اين ماده يكي از بهترين حلالهاي موجود براي عمل استخراج است و راندماني بالغ بر 80 % دارد . علاوه بر آن در شرايط عادي نگهداري اين حلال به آساني امكان پذير است.
ضريب توزيع كافئين بين 1- پروپانول و فاز آبي 3.7 مرتبه كمتر از مقادير متناظر براي سيستم هاي كلرفرم – آب و دي كلرو متان – آب است . شايان ذكر است ضريب توزيع كافئين براي سيستم كلرفرم – آب 8.3 است .
روش عملي استخراج كافئين
علاوه بر حلال هاي متفاوت روشهاي متفاوتي نيز براي عمليات استخراج وجود دارد كه عموماً برپايه استخراج كلرفرم پي ريزي شده اند كه به اجمال به آن خواهيم پرداخت . اين روش ها در اغلب مناطقي از جهان مانند چين و هند كه با فرايند استخراج كافئين توليد مي نمايند مورد استفاده قرار مي گيرد .
متد استخراج General
در ابتدا چاي را در آب با دماي 95 درجه سانتي گراد غوطه ور نموده و به مدت 15 الي 30 دقيقه عمل اختلاط را انجام مي دهند . در اين مرحله كليه مواد آلي موجود در چاي وارد آب مي گردد . سپس مخلوط را فيلتر نموده و به فيلتريت با حفظ دما تركيبات بازي استات سرب ، سود ، آهك يا محلول آمونياك اضافه مي نمايند تا تانن موجود در محلول رسوب كند . سپس جهت خنثي سازي به محلول اسيد سولفوريك رقيق يا اسيد كلريد ريك رقيق اضافه نموده و مجدداً فيلتر مي نمايند تا تانن هاي رسوب كرده جداسازي شوند . به فيلتريت كربن اكتيو اضافه نموده و مقداري حرارت مي دهند و مجدداً فيلتر مي نمايند تا رنگ كه جذب كربن گرديده است از محيط حذف شود .
فيلتريت را به مرحله استخراج منتقل نموده و به در طي 3 مرحله كلرفرم (تتراكلريدكربن يا دي كلرمتان) اضافه مي نمايند و پس از اختلاط كامل كلرفرم(تتراكلريد كربن يا دي كلرمتان ) را بوسيله تقطير از محيط خارج مي نمايند . در پايان اين 3 مرحله به باقيمانده تبخير مقداري آب اضافه نموده و به آهستگي تقطير را ادامه مي دهند تا هنگامي كه كريستال هاي سوزني شكل كافئين پديدار گردد . سپس محتويات ظرف را سانتريفوژ نموده و كافئين حاصل را به خشك كن انتقال مي دهند .
كافئين مرطوب خارج شده از مرحله استخراج دو نوع رطوبت را به همراه خود دارد يكي رطوبت غير پيوندي و ديگري وجود يك مولكول آب پيوندي با مولكول كافئين كه در مرحله خشك كردن مي توان آنها را جدا نمود . كافئين بدون آب (anhydrous Caffeine) يا كافئين به همراه يك مولكول آب (Caffeine) در طي دو فرايند مجزا خشك نموده و بسته به نياز مشتري بسته بندي و روانه بازار مي نمايند.
متد Peti – velgri
در ابتدا چاي را در آب با دماي 95 درجه سانتي گراد غوطه ور نموده و به مدت 15 الي 30 دقيقه عمل اختلاط را انجام مي دهند . در اين مرحله كليه مواد آلي موجود در چاي وارد آب مي گردد . سپس مخلوط را فيلتر نموده و به اواپراتور منتقل نموده و تغليظ مي نمايند . پس از تبخير قسمت اعظم آب، به باقيمانده تبخير ( مخلوط غليظ) كلرفرم اضافه مي نمايند و اختلاط را ادامه مي دهند تا هنگامي كه تانن موجود در مخلوط رسوب نمايد و ظاهر گردد . سپس مقداري از كلرفرم را بوسيله تقطير از محيط خارج كرده و سپس مخلوط را فيلتر مي نمايند . فيلتريت حاصل را به كريستاليزاتور منتقل كرده و با خارج كردن بخش اعظم مايع كريستال
كافئين ظاهر مي گردد . كريستال هاي كافئين را با سانتريفوژ جدا نموده و جهت خالص سازي به آن اسيد سولفوريك رقيق اضافه نموده و فيلتر مي نمايند سپس جهت خنثي سازي به محلول آمونياك اضافه نموده و به كريستاليزاتور فرستاده مي شود . كريستال حاصل در اين مرحله كافئين خالص مي باشد كه به خشك كن منتقل مي گردد .
متد M.B Dijkman
در اين متد درابتدا به برگهاي خشك چاي كلرفرم و پودر كائولن اضافه مي نمايند و 3 تا 5 ساعت سيستم را به حالت توتال رفلاكس نگه مي دارند و سپس سيستم را به حالت تقطير ساده برگردانده و كلرفرم را از سيستم خارج مي نمايند . به باقيمانده تقطير آب اضافه نموده و مخلوط را فيلتر مي نمايند تا تفاله هاي چاي و كائولن موجود در سيستم دفع گردد . سپس مقداري استات سرب و كربن اكتيو به سيستم اضافه نموده و مجدداً فيلتر مي كنند . به فيلتريت مجدداً كلرفرم اضافه مي نمايند سپس سيستم را به حالت توتال رفلاكس قرار داده تا فرايند استخراج كامل شود پس طي زمان لازم كلرفرم را از فاز آبي جدا كرده و به كريستاليزور منتقل مي نمايند . در اين بخش به كمك تقطير كلرفرم را از محيط خارج مي نمايند تا رسوبات سفيد رنگ كافئين ظاهر گردد .
سپس سانتريفوژ نموده و كريستال هاي كافئين را به خشك كن منتقل مي نمايند .
متد استخراج با الكل
در اين متد كه شرح آن در ذيل بيان خواهد گرديد ، متد منتخب جهت استخراج كافئين از چاي مي باشد كه مزايا و نقاط قوت آن نسبت به ساير متد در بخش 4 به تفصيل بيان خواهد گرديد .
در اين متد به ميزان 5 برابر وزني به ضايعات چاي آب در دماي 95 درجه سانتيگراد اضافه نموده و ابتدا به مدت 15 دقيقه ميكس مي نماييم تا فرايند استخراج كامل گردد و سپس 15 دقيقه به مخلوط استراحت داده و سپس فيلتر مي نماييم . به فيلتريت حاصل معادل 26 % وزني كلريد سديم ( نمك طعام ) و 1% اكسيد كلسيم ( آهك ) اضافه مي نماييم . اين مقدار كلريد سديم بطور قابل ملاحظه اي كمتر از مقدار مورد نياز براي سير كردن محلول آبي است . اگر لايه آبي با سديم كلرايد سير شود ، به محض افزودن حلال بخشي از نمك متبلور خواهد شد . مخلوط را مدتي ميكس نموده و سپس به آن استراحت داده تا تانن ها و ساير تركيبات جدا شود . تانن ها تركيبات فنلي هستند كه داراي وزن مولكولي 300 الي 5000 مي باشند تانن ها به دو دسته قابل
هيدروليز و غير قابل هيدروليز تقسيم مي شوند . دسته اول در اثر هيدروليز توليد گاليك اسيد و گلوكز مي كنند . دسته دوم تانن ها پليمرهاي بسيار متراكمي از كاتچين هستند . تانن ها به دليل داشتن گروه هاي فنلي و گاليك اسيد به دليل داشتن گروه كربوكسيل ، با كلسيم كربنات ( باز ) واكنش مي دهند و توليد نمكهاي كلسيم مربوط را مي كنند كه بصورت رسوب در مخلوط ظاهر مي گردند . سپس براي عمل جداسازي از فيلتراسيون استفاده مي گردد و رسوبات از مخلوط جدا شده تا از تشكيل امولسيون در مراحل بعدي جلوگيري شود . فيلتريت را تغليظ نموده و سپس به ظرف استخراج منتقل كرده و معادل با حجم آن 1- پروپانول اضافه نموده و ميكس مي نماييم و سپس به محلول استراحت داده تا دوفاز شود و فاز آلي حاوي كافئين را جدا كرده و جمع آوري مي نماييم و به فاز آبي تا دو مرحله ديگر 1- پروپانول اضافه نموده و فرآيند را تكرار مي نماييم . فاز آبي باقيمانده را دور ريخته و فاز آلي را به تبخير كننده منتقل مي نماييم و با نبخير حلال كافئين موجود در آن رسوب مي كنند . رسوبات حاصل را از محلول مادر جدا نموده و با هگزان يا تولوئن شستشو مي دهيم تا ناخالصي هاي موجود در آن خارج گردد سپس كريستال هاي باقي مانده را به خشك كن منتقل نموده و با دماي 50 درجه سانتي گراد خشك مي نماييم . نكته حائز اهميت در اين روش اختصاصي بودن حلال مي باشد كه فقط كافئين را در خود حل كرده و فلانوئيد ها و كلروفيل ها كه سبب ايجاد رنگ قهوه اي مي گردند را در خود حل نمي كند لذا نيازي با استفاده از كربن اكتيو براي رنگبري محلول نيست .
شرح عمليات استخراج كافئين از برگ چاي
مقدار كافئين موجود در برگ چاي بسته به موقعيت جغرافيايي زير كشت آن متفاوت مي باشد كه به تفكيك در جداول زير آورده شده است :
بالاي اقتصادي خود را از دست مي دهند ولي در حين اين مراحل تنها ميزان كافئين آنها – 0.02 0.05 درصد كاهش مي يابد . بنابراين امر مي توان از خاك چاي بعنوان يك ماده اوليه مطلوب براي استخراج نام برد .
ضايعات چاي حمل شده به محل توليد ممكن است خاك و سنگ با خود همراه داشته باشد لذا در ابتدا توسط بلوور ضايعات چاي به داخل يك سيكلون مكيده مي شود و پس از عبور از آن ذرات خاك و سنگ و چوب و.... كه دانسيته سنگين تري نسبت به ضايعات چاي دارند از آن جدا شده و از انتهاي سيكلون خارج مي گردند . ضايعات چاي عبور كرده از سيكلون نيز وارد آسياب شده و به ذرات ريز تري تبديل مي گردند به نحوي كه تمامي اين ذرات از مش 80 عبور مي نمايند . سپس اين ضايعات را جهت ورود به مرحله بعدي در سيلو ذخيره مي نمايند . هدف از كاهش اندازه ضايعات چاي افزايش نسبت سطح به حجم ذرات مي باشد تا استخراج با راندمان بالاتري انجام پذيرد . در اين مرحله كه استخراج اوليه ناميده مي شود ضايعات چاي وارد تانكهاي استخراج شده و به مقدار 5 برابر وزني به آن آب بدون يون اضافه مي گردد و سپس با تزريق بخار به جداره تانك همزمان با عمل ميكسينگ دما تا 95 درجه سانتي گراد افزايش مي يابد . در همين دما 30 دقيقه عمل ميكسينگ ادامه پيدا مي كند و سپس به مدت 20 الي 30 دقيقه ميكسينگ متوقف و به مخلوط استراحت داده مي شود . و در نهايت دماي مخلوط را تا 50 درجه سانتيگراد كاهش مي دهند .
در اين فرايند به اين دليل از عمليات Batch استفاده مي گردد كه در عمل پس از مقايسه دو روش پيوسته و نا پيوسته مشاهده رديده با زمان اقامت برابر غلظت فاز خروجي فرآيند پيوسته 75 % غلظت فاز استخراجي يك فرايند ناپيوسته است .
پس از گذشت زمان مذبور محتويات تانك استخراج به داخل سانتريفوژ وارد گرديده تا تفاله چاي از محلول جدا گردد . پس از اين جدا سازي تفاله چاي به داخل يك دستگاه گرانولاتور مرطوب ( رنده ) منتقل شده تا كلوخه هاي تشكيل شده احتمال خرد گردد و سپس به داخل يك دستگاه خشك كن FBD وارد شده و كاملاً خشك مي گردد . در نهايت داخل كيسه بسته بندي شده و به عنوان كود گياهي وارد بازار مي گردد .
محلول خروجي از سانتريفوژ نيز داخل يك مخزن ذخيره مي گردد تا به تدريج وارد مراحل بعدي گردد . محلول ذخيره شده در مرحله استخراج اوليه را به مقدار لازم از مخزن ذخيره به داخل تانك ميكسر دار وارد نموده و در ابتدا محلول را تا 50 % تغليظ نموده و سپس به آن معادل 26 % وزني نمك طعام و 1% وزني آهك اضافه مي نمايند تا عمليات جدا سازي تانن ها و ساير رسوبات انجام پذيرد . سپس مخلوط را فيلتر نموده و رسوبات باقي مانده در فيلتر را به فاضلاب هدايت مي نمايند . فيلتريت را نيز كه حاوي كافئين و نمك مي باشد جهت ورود به مرحله اختصاصي استخراج در يك تانك ذخيره مي نمايند .
در اين مرحله در 3 نوبت بوسيله حلال ( 1- پروپانول ) در طي يك فرايند متقاطع ( Cross Current ) استخراج صورت مي گيرد به اين نحو كه حلال خروجي از هر مرحله مستقيماً به مخزن خوراك كريستاليزور هدايت مي گردد و وارد مرحله بعدي استخراج نمي گردد . استخراج از فاز آبي نيز در طي 3 مرحله صورت مي گيرد به اين نحوه كه خروجي هر مرحله وارد مرحله بعدي مي گردد . و در نهايت فاز آبي به تصفيه خانه هدايت مي گردد.
مرحله بعدي مرحله كريستال گيري است كه در اين مرحله فاز آلي كه حاوي كافئين مي باشد وارد كريستاليزور گرديده و با تبخير و تغليظ محلول 1- پروپانول از محيط خارج گرديده و كريستال هاي كافئين ظاهر مي گردد . 1- پروپانول خروجي كه تقريباً خالص مي باشد مجدداً جهت مصرف در فرايند استخراج ، جمع آوري گرديده و مجدداً وارد پروسه مي گردد . كريستال هاي كافئين حاصل نيز بوسيله سانتريفوژ از محلول مادر جدا گرديده و جهت حذف ناخالصي ها با نرمال هگزان آن را شستشو مي دهند . پس از تخليه سانتريفوژ ، محتويات آن ( كافئين ) به يك دستگاه خشك كن تحت خلاء منتقل گرديده و در دماي 50 درجه سانتي گراد و تحت خلاء خشك مي گردد . سپس جهت كاهش اندازه ، آن را آسياب نموده و پس از تاييد QC محصول را بسته بندي و روانه بازار مي كنند .
نرمال هگزان جمع آوري شده پس از فرايند شستشو در ابتدا تنظيم PH گرديده و سپس ريكاوري مي گردد . مقدار Make Up نرمال هگزان 10 % و مقدار Make Upلازم براي 1- پروپانول معادل 10 % فاز آبي دفع شده در انتهاي فرايند مي باشد . كل بهره حاصل گرديده از اين فرايند استخراج 80 % مي باشد .
ليست ماشين آلات مورد نياز جهت استخراج كافئين از چاي:
PFD
تعيين نقاط قوت وضعف تكنولوژي هاي مرسوم استخراج كافئين
در جدول ذيل نقاط قوت و ضعف تكنولوژي هاي استخراج كافئين درج گرديده است توضيحات مربوط به هركدام در انتهاي جدول درج گرديده است : كلرفرم : تركيب بسيار فرار ، سمي و نسبتاً گران قيمتي مي باشد كه استفاده از آن نياز به رعايت شرايط ، EX ايمني و استفاده از تجهيزات حفاظت فردي خاص و همچنين ماشين آلات بخصوص از قبيل موتور هاي مكانيكال سيلها ، تهويه ها و..... مي باشد كه اين خود سبب بالارفتن سرمايه گذاري مي گردد . نكته حائز اهميت در استفاده از كلر فرم شرايط نگهداري و حمل و نقل جاده اي آن مي باشد .
اسيد سولفوريك و كلريد ريك : استفاده از اين دو اسيد در خط توليد نياز به رعايت شرايط خاص پرسنلي و حفاظتي دارد . به عنوان مثال مخزن ها و ميكسرهاي در تماس با اسيد كلريدريك بايستي يا از جنس پليمر باشند و يا گلاس لايند همچنين پمپ ها اي اسيد ها نيز بايستي با پلي اتيلن محافظت .
كلريد سديم : كلريد سديم يا نمك طعام به طور كامل در آب محلول مي باشد و در نهايت در فاضلاب خروجي به وفور يافت مي گردد . اگر اين فاضلاب به محيط دفع گردد سبب از بين رفتن زمين هاي كشاورزي مي گردد .
انرژي : با توجه به افزايش قيمت جهاني نفت و بالا رفتن هزينه هاي انرژي به جرات مي توان گفت يكي از عوامل موثر در بقاي صنايع كاهش مصرف انرژي و طراحي فرايندهايي با حداقل مصرف انرژي مي باشد .
مواد اوليه وارداتي : مواد اوليه وارداتي مشكلات كيفي و مالي متعددي ايجاد مي نمايد . به عنوان مثال ماده وارداتي ممكن است با هر كيفيتي وارد گردد وعودت دادن كالاي وارد شده تقريباً غير ممكن مي باشد. و همچنين از زمان خريد تا وصول كالا زمان زيادي صرف مي شود و ديگر اينكه در خريد هاي خارجي بايستي مقدار بالايي از كالا خريداري گردد و مبلغ آن نقدي پرداخت شود .
جهت آشنايي بيشتر با طرح توجيهي استخراج كافئين از ضايعات چاي به اين مقاله مراجعه نماييد
شرکت بهبود صنعت آمادگی خود جهت تهیه طرح توجیهی را اعلام می دارد
هم اکنون سفارش طرح توجیهی دهید
استفاده از کلیه مطالب این سایت برای عموم آزاد می باشد ، فقط در راستای حفظ زحمات تیم تولید محتوی ما خواهشمندیم در صورت برداشت از این محتوی لینک ما را درج نمایید. باسپاس
