گلیسیرین صنعتی و خوراکی؛ تفاوت ها، ویژگی ها و موارد استفاده

گلیسیرین صنعتی و خوراکی؛ تفاوت ها ویژگی ها و موارد استفاده

گلیسیرین با نام IUPAC پروپان-۱,۲,۳-تریول یک ترکیب شیمیایی پلی اُل ساده است که به دلیل خواص منحصر به فردش کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف دارد. با وجود یکسان بودن ساختار شیمیایی گلیسیرین صنعتی و خوراکی تفاوت های اساسی در درجه خلوص فرایندهای تولید و کاربردهای نهایی دارند که تعیین کننده استفاده از هر کدام در صنایع گوناگون است.

تعریف و عملکرد فنی گلیسیرین صنعتی و خوراکی

گلیسیرین مایعی بی رنگ بی بو ویسکوز و شیرین مزه است که به دلیل داشتن سه گروه هیدروکسیل (-OH) در ساختار مولکولی خود خاصیت رطوبت گیری (هیگروسکوپی) بالایی دارد و با آب و الکل ها به خوبی مخلوط می شود. این خاصیت در کنار سمیت پایین و قابلیت تجزیه پذیری زیستی گلیسیرین را به ماده ای ارزشمند در صنایع مختلف تبدیل کرده است.

عملکرد فنی گلیسیرین ناشی از ویژگی های فیزیکی و شیمیایی آن است. به عنوان یک پلی اُل گلیسیرین می تواند در واکنش های استری سازی شرکت کرده و استرهای گوناگونی تولید کند که در صنایع پلاستیک رزین و داروسازی کاربرد دارند. همچنین خاصیت رطوبت گیری آن باعث استفاده از گلیسیرین به عنوان مرطوب کننده در محصولات آرایشی و بهداشتی غذایی و دارویی می شود. ویسکوزیته بالای گلیسیرین نیز آن را به یک روان کننده و ضد یخ مناسب در برخی کاربردهای صنعتی تبدیل کرده است.

در حالی که ساختار شیمیایی گلیسیرین صنعتی و خوراکی یکسان است تفاوت اصلی آن ها در خلوص و درجه کیفی آن ها نهفته است. گلیسیرین صنعتی معمولاً خلوص پایین تری دارد و ممکن است حاوی ناخالصی های ناشی از فرایند تولید باشد. این ناخالصی ها می تواند شامل متانول نمک های معدنی اسیدهای چرب آزاد و سایر ترکیبات آلی باشد. به همین دلیل گلیسیرین صنعتی برای کاربردهایی مناسب است که نیاز به خلوص بالا ندارند مانند تولید مواد شیمیایی پایه ضد یخ و برخی کاربردهای صنعتی.

در مقابل گلیسیرین خوراکی باید از خلوص بسیار بالایی برخوردار باشد و مطابق با استانداردهای سختگیرانه صنایع غذایی و دارویی تولید شود. فرایندهای تولید گلیسیرین خوراکی به گونه ای طراحی شده اند که ناخالصی ها به حداقل برسند و محصول نهایی برای مصرف انسان ایمن باشد. استانداردهای خلوص گلیسیرین خوراکی معمولاً بر اساس فارماکوپه های بین المللی مانند فارماکوپه ایالات متحده (USP) فارماکوپه اروپا (EP) و Codex Alimentarius تعیین می شوند.

اجزای اصلی و اصول کارکرد در فرایند تولید گلیسیرین

گلیسیرین عمدتاً به عنوان محصول جانبی در فرایندهای تولید بیودیزل و صابون به دست می آید. همچنین از طریق هیدرولیز چربی ها و روغن های گیاهی و حیوانی و سنتز شیمیایی نیز قابل تولید است.

۱. تولید گلیسیرین به عنوان محصول جانبی بیودیزل :

• اجزای اصلی : روغن های گیاهی (مانند روغن سویا کلزا آفتابگردان) یا چربی های حیوانی الکل (معمولاً متانول یا اتانول) کاتالیزور (قلیایی مانند هیدروکسید سدیم یا هیدروکسید پتاسیم).
• اصول کارکرد : فرایند اصلی تولید بیودیزل ترانس استریفیکاسیون است. در این فرایند روغن یا چربی (تری گلیسیرید) با الکل در حضور کاتالیزور واکنش داده و به استرهای متیل یا اتیل اسیدهای چرب (بیودیزل) و گلیسیرین تبدیل می شود. گلیسیرین به عنوان محصول جانبی در این واکنش تولید می شود.
• فرایند :
• واکنش ترانس استریفیکاسیون : روغن یا چربی با الکل و کاتالیزور مخلوط شده و در دمای مشخص (معمولاً ۶۰-۷۰ درجه سانتیگراد) واکنش داده می شود.
• جداسازی : پس از اتمام واکنش مخلوط به دو فاز جدا می شود : فاز بالایی بیودیزل و فاز پایینی گلیسیرین خام.
• تصفیه گلیسیرین خام : گلیسیرین خام حاوی ناخالصی هایی مانند متانول اضافی کاتالیزور صابون و آب است. برای به دست آوردن گلیسیرین با خلوص بالا فرایندهای تصفیه مختلفی مانند خنثی سازی رسوب گیری تبخیر تقطیر و رنگ بری انجام می شود. تقطیر خلاء یکی از روش های کلیدی برای افزایش خلوص گلیسیرین صنعتی و خوراکی است.

۲. تولید گلیسیرین به عنوان محصول جانبی صابون سازی :

• اجزای اصلی : چربی ها و روغن های گیاهی یا حیوانی قلیا (معمولاً هیدروکسید سدیم یا هیدروکسید پتاسیم).
• اصول کارکرد : فرایند صابون سازی سَپونیفیکاسیون نام دارد. در این فرایند چربی ها و روغن ها با قلیا واکنش داده و به نمک های اسیدهای چرب (صابون) و گلیسیرین تبدیل می شوند. گلیسیرین در این فرایند نیز به عنوان محصول جانبی تولید می شود.
• فرایند :
• واکنش سپونیفیکاسیون : چربی ها و روغن ها با محلول قلیایی داغ مخلوط شده و واکنش داده می شوند.
• جداسازی صابون و گلیسیرین : صابون معمولاً از محلول واکنش جدا شده و گلیسیرین در محلول باقی می ماند.
• تصفیه گلیسیرین خام : گلیسیرین خام حاصل از صابون سازی نیز نیاز به تصفیه دارد تا ناخالصی ها حذف شده و خلوص آن افزایش یابد. فرایندهای تصفیه مشابه تصفیه گلیسیرین خام بیودیزل است.

۳. تولید گلیسیرین از طریق هیدرولیز چربی ها و روغن ها :

• اجزای اصلی : چربی ها و روغن های گیاهی یا حیوانی آب کاتالیزور (اسیدی یا آنزیمی).
• اصول کارکرد : هیدرولیز فرایندی است که در آن چربی ها و روغن ها با آب واکنش داده و به اسیدهای چرب و گلیسیرین تجزیه می شوند. این فرایند می تواند به صورت شیمیایی (با استفاده از کاتالیزور اسیدی) یا آنزیمی (با استفاده از آنزیم های لیپاز) انجام شود.
• فرایند :
• واکنش هیدرولیز : چربی ها و روغن ها با آب و کاتالیزور مخلوط شده و در شرایط مناسب (دما و فشار) واکنش داده می شوند.
• جداسازی اسیدهای چرب و گلیسیرین : مخلوط واکنش به دو فاز جدا می شود : فاز بالایی اسیدهای چرب و فاز پایینی گلیسیرین و آب.
• تصفیه گلیسیرین : گلیسیرین حاصل از هیدرولیز نیز نیاز به تصفیه دارد تا خلوص آن افزایش یابد.

۴. تولید گلیسیرین سنتزی :

• اجزای اصلی : پروپیلن کلر آب.
• اصول کارکرد : گلیسیرین می تواند به صورت سنتزی از پروپیلن مشتق شده از نفت خام تولید شود. این فرایند شامل چند مرحله شیمیایی است که در نهایت به تولید گلیسیرین منجر می شود.
• فرایند : فرایند سنتز گلیسیرین پیچیده تر از روش های تولید از منابع طبیعی است و معمولاً هزینه بالاتری دارد. با این حال در شرایطی که دسترسی به منابع طبیعی محدود باشد تولید سنتزی می تواند جایگزین مناسبی باشد.

فرایندهای تصفیه پیشرفته برای تولید گلیسیرین خوراکی :

برای تولید گلیسیرین خوراکی با خلوص بالا از فرایندهای تصفیه پیشرفته تری استفاده می شود که شامل :

• تقطیر مولکولی (Molecular Distillation) : این روش تقطیر در خلاء بسیار بالا انجام می شود و امکان جداسازی گلیسیرین با خلوص بسیار بالا را از ناخالصی های با نقطه جوش نزدیک فراهم می کند.
• تبادل یونی (Ion Exchange) : برای حذف یون های فلزی و سایر ناخالصی های یونی از گلیسیرین استفاده می شود.
• فیلتراسیون غشایی (Membrane Filtration) : روش هایی مانند نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس می توانند برای حذف ذرات معلق و برخی از ناخالصی های آلی از گلیسیرین استفاده شوند.
• رنگ بری با کربن فعال (Activated Carbon Decolorization) : برای حذف رنگ و بو از گلیسیرین و بهبود کیفیت حسی آن استفاده می شود.

کاربردهای صنعتی گلیسیرین و مثال هایی از صنایع مختلف

گلیسیرین به دلیل خواص چندگانه اش در صنایع متنوعی کاربرد دارد. برخی از مهم ترین کاربردهای صنعتی آن عبارتند از :

۱. صنایع غذایی و نوشیدنی :

• مرطوب کننده و نگهدارنده رطوبت : در محصولات نانوایی شیرینی پزی و فرآورده های گوشتی برای جلوگیری از خشک شدن و افزایش ماندگاری.
• حلال و حامل طعم دهنده ها و رنگ های خوراکی : در تولید عصاره های طعم دهنده رنگ های خوراکی و نوشیدنی ها.
• شیرین کننده : گلیسیرین طعم شیرینی دارد و می تواند به عنوان جایگزین قند در برخی محصولات کم کالری استفاده شود.
• افزایش دهنده قوام و بافت : در بستنی مارمالاد و مربا برای بهبود بافت و جلوگیری از کریستالیزاسیون قند.
• مثال های صنعتی : شرکت های تولیدکننده مواد غذایی و نوشیدنی مانند نستله یونیلیور و پپسی کو از گلیسیرین خوراکی در محصولات خود استفاده می کنند.

۲. صنایع داروسازی و آرایشی-بهداشتی :

• مرطوب کننده پوست و مو : در کرم ها لوسیون ها شامپوها و نرم کننده ها به دلیل خاصیت رطوبت گیری بالا.
• حلال داروها و مواد مؤثره : در فرمولاسیون داروهای مایع شربت ها و قطره ها.
• نرم کننده و روان کننده : در پمادها و ژل های دارویی و آرایشی.
• ضدعفونی کننده : گلیسیرین خاصیت ضد میکروبی خفیفی دارد و در برخی از محصولات ضدعفونی کننده دست استفاده می شود.
• مثال های صنعتی : شرکت های داروسازی مانند فایزر نواورتیس و شرکت های آرایشی-بهداشتی مانند لورئال پروکتر اند گمبل و جانسون اند جانسون از گلیسیرین با درجه دارویی و آرایشی در محصولات خود استفاده می کنند.

۳. صنایع شیمیایی :

• تولید رزین های آلکیدی و پلی استر : گلیسیرین به عنوان یکی از مواد اولیه در تولید این رزین ها که در رنگ ها پوشش ها و چسب ها کاربرد دارند استفاده می شود.
• تولید نیتروگلیسیرین : نیتروگلیسیرین یک ماده منفجره قوی است که از نیتراته کردن گلیسیرین به دست می آید و در تولید دینامیت و مواد منفجره صنعتی کاربرد دارد. همچنین در پزشکی به عنوان گشادکننده عروق استفاده می شود.
• تولید اپی کلروهیدرین : اپی کلروهیدرین یک ماده واسطه شیمیایی مهم است که از گلیسیرین تولید شده و در تولید رزین های اپوکسی لاستیک های مصنوعی و مواد شیمیایی دیگر کاربرد دارد.
• تولید پروپیلن گلیکول : پروپیلن گلیکول یک حلال و ضد یخ است که از هیدروژناسیون گلیسیرین به دست می آید.
• مثال های صنعتی : شرکت های شیمیایی بزرگ مانند داو کمیکال بایر و BASF از گلیسیرین صنعتی به عنوان ماده اولیه در تولید محصولات شیمیایی مختلف استفاده می کنند.

۴. صنایع نساجی :

• نرم کننده الیاف : گلیسیرین به عنوان نرم کننده در فرایند تولید الیاف نساجی و پارچه ها استفاده می شود.
• مرطوب کننده رنگ ها و مواد چاپ : در چاپ پارچه برای جلوگیری از خشک شدن سریع رنگ ها و بهبود کیفیت چاپ.

۵. صنایع خودرو و ضد یخ :

• ضد یخ : گلیسیرین می تواند به عنوان ضد یخ در سیستم خنک کننده موتور خودروها استفاده شود اگرچه به دلیل ویسکوزیته بالا و قیمت نسبتاً زیاد استفاده از آن در این کاربرد محدود است.
• سیالات هیدرولیک : گلیسیرین می تواند به عنوان سیال هیدرولیک در برخی از سیستم های هیدرولیک استفاده شود.

۶. سایر صنایع :

• تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر : گلیسیرین می تواند به عنوان ماده اولیه در تولید برخی از پلاستیک های زیست تخریب پذیر استفاده شود.
• تولید روان کننده ها : گلیسیرین به عنوان روان کننده در برخی از کاربردهای صنعتی استفاده می شود.
• صنعت کاغذ : گلیسیرین به عنوان نرم کننده و مرطوب کننده در صنعت کاغذ استفاده می شود.

بررسی استانداردهای بین المللی و فناوری های پیشرفته مرتبط

استانداردهای بین المللی برای گلیسیرین :

• فارماکوپه های بین المللی (USP, EP, JP) : این فارماکوپه ها استانداردهای خلوص و کیفیت گلیسیرین دارویی و خوراکی را تعیین می کنند. این استانداردها شامل مشخصات فیزیکی و شیمیایی محدودیت های ناخالصی ها (مانند آب اسیدهای چرب آزاد فلزات سنگین متانول) روش های آزمون و بسته بندی است.
• FCC (Food Chemicals Codex) : این استاندارد توسط سازمان FCC برای مواد شیمیایی مورد استفاده در صنایع غذایی تدوین شده است و مشخصات گلیسیرین خوراکی را شامل می شود.
• Codex Alimentarius : این استاندارد بین المللی توسط سازمان بهداشت جهانی (WHO) و سازمان غذا و کشاورزی ملل متحد (FAO) تدوین شده است و استانداردهای ایمنی و کیفیت مواد غذایی از جمله گلیسیرین خوراکی را ارائه می دهد.
• استانداردهای صنعتی ASTM و ISO : این استانداردها مشخصات گلیسیرین صنعتی را برای کاربردهای مختلف تعیین می کنند و شامل روش های آزمون نمونه برداری و مشخصات فنی است.

فناوری های پیشرفته مرتبط با گلیسیرین :

• تصفیه پیشرفته گلیسیرین : فناوری های نوین تصفیه مانند تقطیر مولکولی کروماتوگرافی و فرایندهای غشایی به تولید گلیسیرین با خلوص بسیار بالا و کاهش مصرف انرژی و مواد شیمیایی کمک می کنند.
• تبدیل گلیسیرین به مواد شیمیایی با ارزش افزوده : تحقیقات گسترده ای در حال انجام است تا گلیسیرین این محصول جانبی فراوان را به مواد شیمیایی با ارزش افزوده بالاتر تبدیل کنند. این فناوری ها شامل :
• هیدروژناسیون گلیسیرین به پروپیلن گلیکول : پروپیلن گلیکول بازار بزرگی دارد و تبدیل گلیسیرین به آن می تواند ارزش افزوده قابل توجهی ایجاد کند.
• دهیدراسیون گلیسیرین به آکرولئین : آکرولئین یک ماده واسطه شیمیایی مهم است که در تولید پلیمرها و سایر مواد شیمیایی کاربرد دارد.
• اکسیداسیون گلیسیرین به اسیدهای آلی : اکسیداسیون گلیسیرین می تواند به تولید اسیدهای آلی مانند اسید لاکتیک اسید گلیسریک و اسید تارتاریک منجر شود که در صنایع مختلف کاربرد دارند.
• تولید سوخت های زیستی از گلیسیرین : گلیسیرین می تواند به عنوان ماده اولیه برای تولید سوخت های زیستی مانند بیواتانول بیوهیدروژن و سوخت های جت زیستی استفاده شود.
• کاربرد نانوتکنولوژی در گلیسیرین : تحقیقات در زمینه استفاده از نانومواد برای بهبود خواص گلیسیرین و گسترش کاربردهای آن در حال انجام است. به عنوان مثال نانوذرات می توانند برای افزایش پایداری و کارایی گلیسیرین در کاربردهای دارویی و آرایشی-بهداشتی استفاده شوند.

چالش ها و محدودیت های فنی گلیسیرین

• تغییرات قیمت و دسترسی : گلیسیرین به عنوان محصول جانبی قیمت و دسترسی آن تحت تأثیر نوسانات بازار بیودیزل و صابون قرار دارد. افزایش یا کاهش تولید این محصولات می تواند بر عرضه و قیمت گلیسیرین تأثیر بگذارد.
• ناخالصی ها و نیاز به تصفیه : گلیسیرین خام حاصل از فرایندهای تولید معمولاً حاوی ناخالصی های مختلفی است که نیاز به فرایندهای تصفیه پیچیده و پرهزینه برای دستیابی به خلوص مورد نظر دارد به ویژه برای کاربردهای خوراکی و دارویی.
• ویسکوزیته بالا : ویسکوزیته بالای گلیسیرین می تواند در برخی از کاربردها به ویژه در دماهای پایین مشکلاتی ایجاد کند و نیاز به گرم کردن یا رقیق کردن آن داشته باشد.
• حساسیت به رطوبت : گلیسیرین خاصیت رطوبت گیری بالایی دارد و باید در شرایط خشک و دربسته نگهداری شود تا از جذب رطوبت و کاهش کیفیت آن جلوگیری شود.
• رقابت با جایگزین ها : در برخی از کاربردها گلیسیرین با مواد شیمیایی دیگر که خواص مشابهی دارند و قیمت پایین تری دارند رقابت می کند.

نکات کلیدی برای بهینه سازی و بهبود عملکرد

• انتخاب فرایند تولید مناسب : انتخاب فرایند تولید گلیسیرین مناسب با توجه به نوع کاربرد نهایی و سطح خلوص مورد نیاز می تواند به بهینه سازی هزینه و کیفیت محصول کمک کند.
• بهینه سازی فرایندهای تصفیه : استفاده از فرایندهای تصفیه پیشرفته و بهینه سازی شرایط عملیاتی آن ها می تواند به کاهش هزینه های تصفیه و افزایش خلوص گلیسیرین منجر شود.
• توسعه کاربردهای جدید : گسترش کاربردهای گلیسیرین در صنایع مختلف و توسعه فناوری های تبدیل گلیسیرین به مواد شیمیایی با ارزش افزوده می تواند به افزایش تقاضا و ارزش این محصول جانبی کمک کند.
• بهبود پایداری و نگهداری : استفاده از مواد افزودنی مناسب و بسته بندی مناسب می تواند به بهبود پایداری و افزایش عمر نگهداری گلیسیرین کمک کند.
• تمرکز بر تولید پایدار : استفاده از منابع تجدیدپذیر برای تولید گلیسیرین و بهینه سازی فرایندهای تولید برای کاهش مصرف انرژی و تولید پسماند می تواند به تولید پایدارتر گلیسیرین کمک کند.

نتیجه گیری علمی و تخصصی

گلیسیرین چه صنعتی و چه خوراکی یک ترکیب شیمیایی ارزشمند با کاربردهای گسترده در صنایع مختلف است. تفاوت اصلی بین این دو نوع گلیسیرین در درجه خلوص و فرایندهای تصفیه آن ها نهفته است. گلیسیرین خوراکی با خلوص بالا و مطابق با استانداردهای سختگیرانه صنایع غذایی و دارویی تولید می شود در حالی که گلیسیرین صنعتی خلوص پایین تری دارد و برای کاربردهای صنعتی که نیاز به خلوص بالا ندارند مناسب است.

فرایندهای تولید گلیسیرین عمدتاً بر پایه تولید آن به عنوان محصول جانبی در فرایندهای بیودیزل و صابون سازی استوار است. فناوری های پیشرفته تصفیه و تبدیل گلیسیرین به مواد شیمیایی با ارزش افزوده پتانسیل بالایی برای بهبود کیفیت کاهش هزینه ها و گسترش کاربردهای این ماده ارزشمند دارند. با توجه به روند رو به رشد تولید بیودیزل و صابون گلیسیرین به عنوان یک محصول جانبی فراوان و در دسترس نقش مهمی در صنایع مختلف ایفا خواهد کرد و توسعه فناوری های مرتبط با آن از اهمیت بالایی برخوردار است.

پرسش و پاسخ

۱. پرسش : تفاوت اصلی گلیسیرین صنعتی و خوراکی در چیست و چگونه می توان آن ها را از هم تشخیص داد؟

پاسخ : تفاوت اصلی در درجه خلوص و سطح ناخالصی ها است. گلیسیرین خوراکی باید خلوص بسیار بالایی داشته باشد و مطابق با استانداردهای فارماکوپه ها و FCC تولید شود در حالی که گلیسیرین صنعتی خلوص پایین تری دارد و ممکن است حاوی ناخالصی های بیشتری باشد. تشخیص دقیق آن ها نیازمند آزمایش های شیمیایی و فیزیکی در آزمایشگاه های کنترل کیفیت است که بر اساس استانداردهای مربوطه انجام می شود. از نظر ظاهری تشخیص تفاوت دشوار است و تکیه بر برگه آنالیز (Certificate of Analysis – COA) ارائه شده توسط تولیدکننده برای تعیین گرید و خلوص گلیسیرین ضروری است.

۲. پرسش : آیا مصرف گلیسیرین صنعتی به جای گلیسیرین خوراکی در مواد غذایی بی خطر است؟

پاسخ : خیر به هیچ وجه بی خطر نیست. گلیسیرین صنعتی ممکن است حاوی ناخالصی های سمی مانند متانول فلزات سنگین و سایر ترکیبات شیمیایی باشد که برای مصرف انسان مضر هستند. استفاده از گلیسیرین صنعتی در مواد غذایی می تواند منجر به مسمومیت مشکلات گوارشی و سایر عوارض جانبی شود. فقط گلیسیرین خوراکی که مطابق با استانداردهای ایمنی غذایی تولید و تایید شده است برای مصرف در مواد غذایی بی خطر است.

۳. پرسش : آیا گلیسیرین یک ماده پایدار و دوستدار محیط زیست محسوب می شود؟

پاسخ : بله در بسیاری از جنبه ها گلیسیرین ماده ای پایدار و دوستدار محیط زیست محسوب می شود. اولاً گلیسیرین عمدتاً از منابع تجدیدپذیر مانند روغن های گیاهی و چربی های حیوانی به دست می آید. ثانیاً گلیسیرین قابلیت تجزیه پذیری زیستی بالایی دارد و در محیط زیست به سرعت تجزیه می شود. ثالثاً استفاده از گلیسیرین به عنوان محصول جانبی فرایندهای بیودیزل و صابون سازی به کاهش ضایعات و استفاده بهینه از منابع کمک می کند. با این حال فرایندهای تولید و تصفیه گلیسیرین نیز می توانند اثرات زیست محیطی داشته باشند بنابراین تمرکز بر بهینه سازی فرایندها و استفاده از فناوری های سبز برای تولید گلیسیرین پایدارتر ضروری است.