گزارش کارآموزی مراحل تولید روغن

مقدمه

هیدروژناسیون در صنعت روغن و چربی خوراکی عبارتست از یک واکنش شیمیایی که در آن هیدروژن به باندهای مضاعف زنجیره اسید چرب اضافه میشود .

هیدوژناسیون فرایندی است که شکل ، توزیع و یا تعداد پیوندهای دوگانه را در زنجیره اسیدهای چرب تغییر می دهد و به همین خاطر پایداری شیمیایی و رفتار فیزیکی چربی و تری گلیسرید را تغییر میدهد.

هیدوژناسیون روغن های نباتی ،‌جهت تبدیل روغنهای مایع به حالت نیمه جامد به حالت نیمه جامد و یا چربیهای مختلف جهت تهیه مارگارینها و شورتنینگ ها [1] انجام می گیرد .

هیدروژهاسیون یک واکنش گرماز است که در غیاب کاتالیزور حتی دردمای بالا با سرعت کمی به پیش میرود . زیرا واکنش هیدوژناسیون در غیاب کاتالیزور دارای انرژی فعالسازی بسیار بالایی است و جهت تسریع واکنش باید بر این انرژی غلبه کرد .

یک کاتالیزور با مجاز ساختن انجام یک واکنش از طریق مکانیسمی خاص، Eact را کاهش میدهد .

معمولاً کاتالیستی که برای هیدروژناسیون روغنهای نباتی در صنعت استفاده میشود ،‌نیکل میباشد .

سه فاز سیستم هیدرژناسیون یعنی گاز هیدروژن ،‌روغن مایع غیر فرار و کاتالیست جامد ، در یک راکتور مجهز به همزن و تحت حرارت و فشار در مجاورت هم قرار گرفته و واکنش  هیدروژناسیون انجام میشود .

واکنش هیدوژناسیون را میتوان بصورت ساده زیر نشان داد :

در روغنها بهعلت وجود اسید های چرب غیر اشباع ،‌فساد پذیری در مقابل عوامل فیزیکی (نظیر گرما ،‌نور و اکسیژن )شدید بوده و در نتیجه روغن مایع بسرعت فاسد شده و غیر قابل مصرف می گردد .

مهمترین اسید های چرب غیر اشباعی که در دانه های روغنی وجود دارند عبارتند از:

-لینولنیک اسید با سه بند دوگانه

- لینولئیک اسید با دو بند دو گانه

- لولئیک اسید با یک بند دو گانه

لینولنیک اسید با سه پیوند دو گانه دارای دو گروه متیلن فعال CH2 بر رو ی اتمهای کربن شماره 11و14 میباشد و از اینرو برای اکسید اسیون اتمسفری بسیار مستعد میباشد که منجر به بد  طعم شدن روغن میگردد .

 از اینرو اگر به لینولئیک اسید یا اولئیک اسید که پایدار تر هستند تبدیل شود ،‌پایداری طعم و مزه بمیزان زیادی افزایش می یابد . لازم بتوضیح است که اسیدهای چرب لینولنیک و لینوائیک با وجود مستعد بودن برای اکسید اسیون اتمسفری ، بعنوان اسیدهای چرب اصلی (EFA) شناخته میشوند که باید در رژیم غذایی وجود داشته باشند .

معمولاً در مکانیسم هیدوژناسیون رقابتی بین اسیدهای چرب غیر اشباع ،‌برای جذب بر روی سطح کاتافیست وجود دارد . در در جه اول گروههای با سه باند دوگانه (تری ان ها ) و سپس گروههای با دو باند دوگانه (دی ان ها) جذب کاتالیزور شده ،‌تبدیل به گروههای با یک باند دو گانه (مونوانها) شد ه و سپس اسیدهای چرب اشباع ایجاد میشوند .

Triene                   Diene                    Monoene             Saturated

در فرایند هیدروژناسیون روغنهای نباتی ،‌سعی بر اینست که ابتدا تمامی لینولنیک اسید موجود با دریافت یک ملکول هیدروژن به لینولئیک اسید تبدیل شود . د رضمن در صنعت روغن نباتی ، از هیدروژناسیون اسید اولئیک که منجر به تولید اسید استئاریک اشباع میشود ، جلو  گیری میشود . و  زیرا اسید استئاریک دارای نقطه ذوب بالایی میباشد    غیر قابل هضم توسط بدن بوده و نامطلوب میباشد .

این نوع هیدروژناسیون که با انتخاب صورت میگیرد ، بنام هیدروژناسیون سلکتیو شناخته میشود . همانطور یکه گفته شد د رهیدروژناسیون سلکتیو سعی میشود ، تمامی اسید لینولنیک موجود به اسید لینولئیک تبدیل شد و از تبدیل اسید اولئیک به اسید استئاریک جلوگیری شود .

چنین انتخابی در طی هیدروژناسیون بصورت مطلق میسر نبوده و ناگزیر قسمتی از ترکیبات اشباع خواهند شد .

هیدروژناسیون نه تنها باعث از بین رفتن اسیدهای چرب اصلی (EFA) میشود . بلکه سبب تشکیل اسیدهای چرب غیر طبیعی (ایزومرهای ترانس) بمقدار زیادی میشود . وجود این اسیدهای چرب به شکل ترانس که افلب الایدیک اسید (ایزومر ترانس اسید اولئیک ) و ایزومرهایش میباشند ،بعلت تاثیر منفی روی سلامتی انسان حائز اهمیت میباشند .

با در نظر گرفتن ارزش غذایی نسبتاً زیاد روغنهای مایع (غیر هیدروژنه) د راثر بالا بودن سطح اسید ها ی چرب اصلی (EFA) و با آگاهی از اثرات منفی ایزومرهای ترانس بر روی سلامتی انسان ،‌امروزه در سطح وسیعی از روغنهای مایع بجای روغنهای هیدروژنه شده استفاده بعمل می آید .

ایزومریزاسیون

در خلال هیدروژناسیون ممکنست بواسطه چرخش ملکول و یا جابجایی باند دوگانه ، ایزومرهای فضائی (هندسی) و مکانی ( موقعیتی ) تشکیل شود . این ایزومرها در نقطه ذوب و سایر خواص روغن نقش موثری دارند .

وقتی پیوند دوگانه بر روی سطح نیکل جذب میشود ، وضعیت آن مثل حالتی است که در شکل زیر نشان داده شده است .

در شکل صفحه قبل همانطوریکه ملاحظه میکنیم بخشی از یک زنجیره کربن شامل یک پیوند دو گانه به شکل سیس بین اتمهای کربن شماره 9 و10 به سطح نیکل اتصال پیدا کرده است . حال فرض کنید که یک اتم هیدوژن از هیدروژنی که در نزدیکی همان ملکول اسید چرب بر روی سطح نیکل جذب شده است ، به کربن شماره 9 متصل شود .

حال احتمالات زیر قابل پیش بینی است :‌

1-اتم کربن شماره 9 همان هیدروژن را از دست میدهد ،‌قبل از اینکه اتم کربن شماره 10 اتم هیدوژن دیگری بدست آورد . در این حالت همان پیوند دو گانه اصلی بین اتم کربن شماره 9و10 به شکل سیس دوباره تشکیل میشود و از سطح کاتالیزور دفع میشود . یعنی هیچ تغییری بوجود نمی آید .

2- آن یک یاتم هیدوژن از اتم کربن شماره 9 دفع میشود و در نتیجه پیوند دو گانه به فرم ترانس تشکیل میشود و از سطح کاتالیزور دفع میشود یعنی ایزومر هندسی بوجود می آید .

3-یک اتم هیدروژن از اتم کربن شماره 11 دفع میشود . یک پیوند دوگانه بین دو اتم شماره 10و11 به شکل سیس تشکیل میشود و از سطح کاتالیست دفع میشود یعنی ایزومر موقعیتی بوجود می آید

4- یک اتم هیدروژن شماره 11 دفع میشود . یک پیوند دوگانه بین دو اتم کربن شماره 10و11 به شکل ترانس تشکیل میشود و از سطح کاتالیزور دفع میشود یعنی ایزومر موقعیتی بوجود می آید .

5-اتم کربن شماره 10 یک اتم هیدروژن بدست می آورد . بنابراین پیوند اشباع میشود و از سطح کاتالیزور دفع میشود .

اگر این بار فرض کنیم که ابتدائاً اتم کربن شماره 10 یک اتم هیدوژن بگیرد . تمامی احتمالاتی که دربالا ذکر شد در این مورد نیز پیش خواهند آمد .

اگر مهاجرت پیوند های دوگانه اتفاق بیفتد ، پیوند دوگانه بین اتمهای کربن شماره 8و9 بصورت سیس و ترانس بوجود می آید .

مکانیزمی که ارائه شد ،‌مکانیزم HORIUTI-POLANYI نام دارد و یک روش ساده برای تجسم این مطلب است که چگونه ممکنست پیوند های دوگانه ، هیدروژنه نشده ولی در دو جهت مهاجرت کنند و شکل و فرم آنها عوض شود .

معمولاً اگر هیدوژناسیون را با روغنی شروع کنیم که تمام پیوند های دوگانه آن بفرم سیس باشند موقعیت تعادلی حالتی است که  پیوند های دوگانه آن بفرم سیس باشند که بعد از آن این نسبت ثابت میماند . تا زمانیکه تمام پیوند های دوکانه هدروژنه شوند . ولی درصورتیکه شرایط سلکتیو بر روی واکنش اعمال شود مکنست رسیدن به این تعادل خیلی به تاخیر بیفتد.

همانطوریکه میدانیم حالت غیر اشباعی در اسیدهای چرب طبیعی ، بیشتر به شکل 1و4 غیر اشباع میباشد .

ترتیب رویدادهای جذب پیوند های دو گانه به اتمهای کاتالیزور در شکل زیر مشخص است [2]:

حالت 1و4غیر اشباع

اتمهای کربن شماره 9و10 جذب نیکل میشوند.

گروه متیلن فعال (اتم کربن شماره 11) یک اتم هیدروژن  از دست میدهد و به نیکل متصل میشود . اتم کربن شماره 9و10و11 یک گروه آلیلیک (Allylic) تشکیل میدهند.

اتمهای کربن شماره12و13 نیز جذب نیکل میشوند .

اتم کربن شماره 9 یک اتم هیدوژن میگیرد و یک سیستم کانژوکه دفع میشود

و یا

اتم کربن شماره 13 یک اتم و یا هیدروژن میگیرد ویک سیستم کانژو که دفع میشود .

همانطوریکه ملاحظه میشود گروه فعال متیلن از بین رفته و پیوند های دوگانه یا جابجا شد ه اند و یا از حالت سیس به ترانس تغییر شکل یافته اند. حال سیستم فعال کانژوکه آماده هیدروژنه شدن است .

وقتی در نظر بگیریم که پیوند های دوگانه نه تنها به هر دو جهت زنجیره هیدروکربنی مهاجرت میکنند و ایزومر یزاسیون بیشتر و یا هیدروژناسیون ، در دسترس میباشند.

میتوانیم پیچیدگی نتیجه چنین واکنشی را تصور کنیم . ایزومرهای مختلف حاصله در اثر هیدوژناسیون لینوائیک اسید نرمال بدین ترتیب است:

بدیهی است که عرضه مقداربسیار زیادی هیدروژن روی سطح نیکل باعث میشود هیدوژناسیون با سرعت بیشتری نسبت به ایزومریزاسیون صورت گیرد . زیرا در صورت عرضه بیشتر هیدروژن ،‌زنجیره های با چند پیوند دوگانه شانسی برای تشکیل ارتباط سه تایی گروه آلیلیک بر روی سطح کاتالیست نخواهند داشت .چونکهدر صورت عرضه بیشت رهیدوژن ، اغلب ممکنست اولین پیوند دوگانه یک سیستم چند غیر اشباعه (پلی ان) که روی سطح کاتالیزور جذب شده قبل از اینکه بقیه بتوانند جذب سطح کاتالیزور شوند ،‌کاملاً هیدروژنه و ملکول از روی سطح کاتالیزور بسرعت دفع شود.

انتقال جرم و مانیسم هیدروژناسیون

د رطی واکنش هیدروژناسیون هیدروژن ابتدائاً در روغن حل میشود و بطور شیمیائی روی کاتالیست جذب میشود . نیکل در اوربیتال 3 خود دارای یک جای خالی است لذا براحتی میتواند با یک منبع الکتروندیگر مثل یک باند دوگانه در ملکول روغن اتصال برقرار کند.

بطور کلی مراحل انتقال جرم در هیدروژناسیون بترتیب زبر میباشند . [3]:

حبابها که از میان بالک روغن بصورت تور بولنتی در حال حرکت میباشند ،‌توسط یک لایه روغن ساکن احاطه شده اند ، جهت عبور هیدوژن از این لایه ، هیدروژن با درجه خلوص ،فشار و درجه حرارت مشخص و د رنتیجه با غلظت مشخص ، سطح روغن را تا نقطه ای که نزدیک به حلالیت گاز در روغن در آن شرایط است اشباع میکند.   

هیدروژن حل شده باید از میان فیلم نازک یا لایه کم تحرک روغن که هز حباب گاز را احاطه کرده است نفوذ کند.

در توده روغن ، هیدروژن حل شده باید به لایه ای از روغن که یک ذر کاتالیست را احالطه کرده ا ست برسد.

لایه روغن اطرف کاتالیزور باید طی شده و سپس هیدوژن در میان حفره های کاتالیزور قرار گیرد .

حرکت در داخل حفره ها بطرف سطح نیکل انجام میشود .

هیدروژن روی سایتهای فعال نیکل جذب میشود .ملکولهای تری گلیسرید غیر اشباع نیز فقط مراحل 4 تا6 را طی میکنند و خواه هیدروژنه شوند یا ایزومریزه شوند باید به صورت زیر رفتار کنند:

نهایتاً باید از سطح کاتالیست دفع شوند .

بطرف دهانه حفره کاتالیست عقب نشینی کنند .

از میان لایه نازکی که کاتالیست را احاطه کرده است ،‌عبور کرده و دوباره به توده روغن ملحق شوند .

پراکندگی و انتقال جرم هیدروژن ، تحت تاثیر بخش ورودی یعنی گرادیان غلظت در فیلم پیرامون حباب هیدروژن و بخش خروجی یعنی گرادیان غلظت در فیلم پیرامون کاتالیزور میباشد .

همچنین انتقال جرم هیدروژن بطور قابل ملاحظه ای تحت تاثیر سطح انتقالی که د ردسترس هیدروژن است قرار می گیرد .