Công nghệ chế biến đường và sản phẩm đường

- 1 - BÀI MỞ ĐẦU  I. Sự phát triển công nghiệp đường mía trên thế giới Ấn độ là nước đầu tiên trên thế giới biết sản xuất đường từ mía. Vào khoảng năm 398 người Ấn Độ và Trung Quốc đã biết chế biến mật đường thành tinh thể. Từ đó, kỹ thuật sản xuất đường phát triển sang Ba Tư, Ý, Bồ Đào Nha, đồng thời đưa việc tinh luyện đường thành một ngành công nghệ mới. Lúc đầu công nghiệp đường còn rất thô sơ, người ta ép mía bằng 2 trục gổ đứng, lấy sức kéo từ trâu bò, lắng trong bằng vôi, cô đặc ở chảo và kết tinh tự nhiên. Công nghiệp đường tuy có từ lâu đời, nhưng 200 năm gần đây mới được cơ khí hóa. Nhiều thiết bị quan trọng được phát minh vào thế kỷ 19. Năm 1813 Howard phát minh nồi bốc hơi chân không nhưng mới chỉ dùng một nồi nên hiệu quả bốc hơi thấp, đến năm 1843 Rillieux cải tiến thành hệ bốc hơi nhiều nồi, nên có thể tiết kiệm được lượng hơi dùng. Năm 1837 Pouzolat phát minh ra máy ly tâm, nhưng có hệ thống truyền động ở đáy lấy dịch đường ở trên nên thao tác không thuận tiện. Sau đó, năm 1867 Weston cải tiến thành máy ly tâm có hệ thống truyền động ở trên và loại máy này hiện nay đang được sử dụng phổ biến. Đến năm 1878 máy sấy thùng quay xuất hiện, 1884 thiết bị kết tinh làm lạnh ra đời. Trong những năm gần đây ngành đường đã phát triển một cách nhanh chóng, vấn đề cơ khí hóa, liên tục hóa và tự động hóa trên toàn bộ dây chuyền sản xuất được áp dụng rông rãi trong các nhà máy đường. II. Tình hình công nghiệp đường của nước ta Việt Nam là một quốc gia có truyền thống sản xuất đường mía từ lâu đời. Cùng với sự phát triển của ngành đường trên thế giới, nghề làm đường thủ công ở nước ta cũng phát triển mạnh. Trong thời kỳ Pháp thuộc, ngành đường nước ta phát triển một cách chậm chạp, sản xuất thủ công là chủ yếu. Lúc này ta chỉ có 2 nhà máy đường hiện đại: Hiệp Hòa (miền nam) và Tuy Hòa (miền trung). Theo thống kê năm 1939 toàn bộ lượng đường mật tiêu thụ là 100.000 tấn. Sau ngày hòa bình lập lại, dưới sự lãnh đạo của Đảng, lòng nhiệt tình lao động của nhân dân ta cộng với giúp đở của các nước XHCN ngành đường nước ta ngày càng bắt đầu phát triển. Trong những năm 1958 – 1960, chúng ta xây dựng 2 nhà máy đường hiện đại Việt Trì và Sông Lam (350 tấn mía/ngày) và nhà máy đường Vạn Điểm (1.000 tấn mía/ngày) Khi đất nước thống nhất, chúng ta tiếp tục xây dựng thêm một số nhà máy đường hiện đại ở miền Nam như: nhà máy đường Quảng Ngãi (1.500 tấn mía/ngày), Hiệp Hòa (1.500 tấn mía/ngày), nhà máy đường Phan Rang (350 tấn mía/ngày), 2 nhà máy đường tinh luyện Khánh Hội (150 tấn mía/ngày) và Biên Hòa (200 tấn mía/ngày), gần đây ta xây dưng thêm 2 nhà máy đường mới: La Ngà (2.000 tấn mía/ngày), Lam Sơn (1.500 tấn mía/ngày)... Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 2 - Với các nhà máy đường hiện đại và các cơ sở sản xuất đường thủ công, kết hợp với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật sản xuất đường, chắc chắn trong thời gian tới nước ta sẽ có một nền công nghiệp đường tiên tiến nhằm đáp ứng nhu cầu về lượng đường sử dụng cho nhân dân và góp phần xây dựng cho sự phát triển kinh tế nước ta. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 3 - Chương 1: NGUYÊN LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ ÉP MÍA  I. Nguyên liệu (mía) 1. Phân loại Cây mía thuộc họ hoà thảo, giống sacarum, được chia làm 3 nhóm chính: - Nhóm Sacarum officinarum: là giống thường gặp và bao gồm phần lớn các chủng đang trồng phổ biến trên thế giới - Nhóm Sacarum violaceum: Lá màu tím, cây ngắn cứng và không trổ cờ - Nhóm Sacarum simense: Cây nhỏ cứng, thân màu vàng nâu nhạt, trồng từ lâu ở Trung Quốc Một số giống mía phổ biến thế giới: - POJ - H: Haoai - C: Cuba - E: Egypt (Ai cập) - F: Formose (Đài Loan) - CO: Coimbatore (Ấn Độ) - CP: Canal Point (bang Florida, Mỹ) Những giống mía nước ngoài được trồng phổ biến ở Việt Nam: - POJ: 3016, 2878, 2725, 2883 - CO: 209, 132, 419, 715, 775 - CP: 3479 Ngoài ra chúng ta đã lai tạo được một số giống mía cho năng suất cao như: - Việt đường 54/143: hàm lượng đường 13,5 – 14,5%, loại chín sớm - Việt đường 59/264: hàm lượng đường 14 – 15%, không trổ cờ - VN 65 – 71: năng suất 70 – 90 tấn/ ha - VN 65 – 48: năng suất 50 – 95 tấn/ ha - VN 65 – 53: năng suất 45 – 80 tấn/ ha 2. Nguyên liệu mía 2.1. Hình thái cây mía a. Rễ mía Thuộc loại rễ chùm, có tác dụng giữ cho mía đứng, hút nước và các chất dinh dưỡng từ đất để nuôi cây mía. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 4 - b. Thân mía Có hình trụ đứng hoặc hơi cong, tuỳ theo giống mà thân mía có màu sắc khác nhau như: vàng nhạt, màu tím đậm… Vỏ mía có một lớp phấn trắng bao bọc Thân mía chia làm nhiều dóng, mỗi dóng mía dài khoảng 0,05-0,304 m (tuỳ theo giống mía và thời kỳ sinh trưởng) Giữa 2 dóng mía là đốt mía, đốt mía bao gồm đai sinh trưởng, đai rễ, đai phấn mầm, và sẹo lá. c. Lá mía Lá mọc từ chân đốt mía (dưới đai rễ) thành hàng so le hoặc theo đường vòng trên thân cây mía lá có màu xanh (với một số giống cá biệt có thêm màu vàng hoặc tím), mép lá có hình răng cưa, mặt ngoài có một lớp phấn mỏng và lông bám. Tuỳ thuộc vào giống mía, lá có chiều dài (0,91 – 1,52 m), chiều rộng (0,01 – 0,30 m). Lá là trung tâm của quá trình quang hợp, là bộ phận thở và là nơi thoát ẩm của cây mía. 2.2. Thu hoạch và bảo quản mía a. Mía chín Mía được xem là chín khi hàm lượng đường trong thân mía đạt tối đa, và lượng đường khử còn lại ít nhất. Các biểu hiện đặc trưng của thời kỳ mía chín: - Lá chuyển sang màu vàng, độ dày của lá giảm, các lá sít vào nhau, dóng ngắn dần - Hàm lượng đường giữa gốc và ngọn xấp xỉ nhau - Hàm lượng đường khử dưới 1%, (có khi chỉ còn 0,3%) Khi mía chín, tuỳ theo giống mía và điều kiện thời tiết mà lượng đường này duy trì khoảng 15 – 60 ngày. Sau đó, lượng đường bắt đầu giảm dần (giai đoạn này gọi là mía quá lứa, hay mía quá chín). b. Thu hoạch mía Ở các nước phát triển như Mỹ, Đức… người ta thu hoạch mía bằng cơ giới là chủ yếu, nhiều loại máy liên hợp vừa đốn mía, chặt ngọn và cắt khúc được sử dụng rộng rãi. Nước ta hiện nay, việc thu hoạch mía vẫn còn bằng phương pháp thủ công, dùng dao chặt sát gốc và bỏ ngọn. Sau thu hoạch hàm lượng đường giảm nhanh, do đó mía cần được vận chuyển ngay về nhà máy và tiến hành ép càng sớm càng tốt. Để hạn chế tổn thất đường sau khi thu hoạch, có thể áp dụng các biện pháp sau: - Chặt mía khi trời rét hoặc hơi rét Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 5 - - Khi chặt cho mía ngã theo chiều của luống, các cây mía gối lên nhau (ngọn cây này phủ trên gốc cây kia) - Chất mía thành đống có thể giảm sự phân giải đường - Dùng lá mía thấm nước để che trong lúc vận chuyển, và có thể dùng nước tưới phun vào mía. II. Công nghệ ép mía 1. Lấy nước mía bằng phương pháp ép Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến ở các nhà máy đường hiện nay Nguyên lí của phương pháp này là dùng lực cơ học làm biến đổi thể tích cây mía, từ đó phá vở tổ chức tế bào để lấy nước mía Phương pháp ép bao gồm các công đoạn: xử lí mía, ép giập, ép kiệt. 1.1. Các công đoạn lấy nước mía a. Xử lí mía Nhằm tạo điều kiện cho quá trình ép dễ dàng hơn, nâng cao năng suất và hiệu suất ép. Hệ thống xử lí mía trước khi ép bao gồm các quá trình sau:  San bằng mía: Do đưa xuống băng tải, mía ở trạng thái lộn xộn, không đồng đều, do dó cần phải san bằng lớp mía trên băng tải, đảm bảo độ đồng đều của lớp mía, tăng mật độ mía.  Băm mía: Mía được băm thành từng mảnh nhỏ nhằm phá vỡ lớp vỏ cứng của cây mía làm tế bào mía lộ ra, đồng thời san mía thành lớp ổn định trên băng tải và nâng cao mật độ mía trên băng tải. Nhờ vậy: - Nâng cao năng suất ép - Nâng cao hiệu suất ép mía  Đánh tơi: Sau khi qua máy băm, lượng mía chưa được băm nhỏ còn nhiều nên chúng cần phải qua máy đánh tơi để phá vỡ hơn nữa tổ chức tế bào của cây mía, và làm tăng mật độ mía đưa vào máy ép. Nếu dùng máy đánh tơi, hiệu suất ép có thể tăng khoảng 1%. b. Ép giập Ép giập vừa có tác dụng lấy nước mía ra từ cây mía (khoảng 60 – 70%), vừa làm cho mía giập vụn hơn. Đồng thời thu nhỏ thể tích lớp mía, cung cấp mía đều đặn cho các máy ép sau, tạo điều kiện cho các máy ép sau làm việc ổn định, làm tăng năng suất, hiệu suất ép và giảm bớt công suất tiêu hao. c. Ép kiệt Mục đích chủ yếu của giai đoạn này là lấy đến mức tối đa lượng nước mía có trong cây mía. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 6 - 1.2. Phương pháp lấy nước mía (gồm 2 phương pháp) a. Phương pháp ép khô Đây là phương pháp ép lấy nước mía mà không sử dụng nước thẩm thấu, chỉ dùng áp lực làm vở tế bào để lấy nước mía, do đó hiệu suất lấy đường thấp (khoảng 92 – 95%) và một lượng nhỏ đường còn nằm trong tế bào không thể lấy ra được. Nước mía lấy được (do không bị pha loãng) nên thuận lợi cho quá trình bốc hơi, tiết kiệm được năng lượng bốc hơi. Phương pháp ép khô chỉ sử dụng ở các nhà máy đường thủ công, trong phòng thí nghiệm… b. Phương pháp ép ướt (có sử dụng nước thẩm thấu) Để lấy được nhiều đường ra từ cây mía, thì việc phun nước thấm vào bã mía được xem là biện pháp hiệu quả. Khi mía bị ép, màng tế bào bị rách và co lại, đồng thời nước mía chảy ra. Sau khi ra khỏi máy ép, các tế bào nở ra và có khả năng hút nước mạnh. Chính vì vậy, mà người ta đã phun nước vào lớp bã để hoà tan một lượng đường còn lại trong tế bào, qua lần ép sau nước đường pha loãng được lấy ra, và tiếp tục như vậy cho đến khi đường được lấy ra với mức cao nhất. Có 3 phương pháp ép ướt  Phương pháp ép thẩm thấu đơn Chỉ dùng nước nóng phun ngay vào bã khi ra khỏi miệng ép (trừ máy ép cuối cùng), do đó khả năng lấy đường từ mía là rất cao. Tuy nhiên lượng nước thẩm thấu đưa vào lớn, nước mía hỗn hợp bị pha loãng, dẫn đến khó khăn cho quá trình bốc hơi như: tiêu hao nhiều năng lượng, thời gian bốc hơi kéo dài, đồng thời làm cho một lượng lớn đường bị chuyển hoá và phân hủy.  Phương pháp ép thẩm thấu kép Đây là phương pháp có dùng nước mía pha loãng làm nước thẩm thấu, thường được áp dụng cho hệ thống ép ở các nhà máy có 4 máy ép. Đối với phương pháp này, nước nóng được phun vào bã khi ra khỏi miệng ép của máy ép thứ 3, nước mía loãng ép ra từ máy 4 được bơm trở lại làm nước thẩm thấu cho bã ra khỏi nước mía hỗn hợp bã nước nước nước mía Sơ đồ phương pháp ép thẩm thấu đơn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 7 - máy ép thứ 2, nước mía loãng ép ra từ máy ép thứ 3 được bơm trở lại làm nước thẩm thấu cho bã ra ở máy ép thứ nhất. Nước mía lấy ra từ máy 1 và máy 2 được tập trung lại thành nước mía hỗn hợp.  Phương pháp ép thẩm thấu kết hợp Áp dụng ở các nhà máy có từ 5 máy ép trở lên, và nâng công suất ép. 1.3. Hiệu suất và năng suất ép mía a. Hiệu suất ép Là số liệu quan trong để đánh giá khả năng làm việc của phân xưởng ép, nó đánh giá hiệu quả thu hồi đường từ mía khi qua dàn ép. Hiện nay hiệu suất ép ở các nhà máy thường đạt từ 92 – 97%. Công thức tính hiệu suất ép Lượng đường trong nước mía hỗn hợp E = x 100 ,(%) Lượng đường có trong mía Hoặc Lượng đường trong nước mía hỗn hợp x Pol nước mía hỗn hợp E = x 100 ,(%) Lượng đường có trong mía Vì hàm lượng chất xơ trong mía ảnh hưởng lớn đến hiệu suất ép, do đó để đánh giá hiệu suất ép ở các nhà máy khác nhau Hiệp hội mía đường quốc tế quy định mía nước bã nước mía hỗn hợp Sơ đồ phương pháp ép thẩm thấu kép mía nước bã nước mía hỗn hợp nước Sơ đồ phương pháp ép thẩm thấu kết hợp Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 8 - thành phần xơ trong mía là 12.5%. Vậy ta có hiệu suất ép hiệu chỉnh được tính như sau: 100 – (100 – E)(100 – F) E 12.5 = 7F Trong đó: E 12.5: Hiệu suất ép hiệu chỉnh E: Hiệu suất ép F: Phần xơ trong mía  Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất ép - Xử lí nước mía trước khi ép: Trước khi ép, mía được xử lí bằng các biện pháp: san bằng, băm mía, đánh tơi nhờ vậy làm tăng hiệu suất ép. - Số lượng trục ép: Số lượng trục ép nhiều đồng nghĩa với mía được ép nhiều lần do đó hiệu suất ép mía tăng, tuy nhiên mức tăng hiệu suất ép không tỷ lệ theo đường thẳng mà chỉ tăng nhanh từ 2 – 15 trục, từ trục thứ 16 trở đi hiệu suất ép tăng rất ít. - Tốc độ quay của trục ép: Có ảnh hưởng tương đối rõ đến hiệu suất ép. Thật vậy, với chiều dày lớp mía nhất định nếu ta tăng tốc độ quay của trục ép thì hiệu suất ép sẽ giảm. Tuy nhiên sự thay đổi này là rất nhỏ nếu ta sử dụng tốc độ trục quay dưới 5 vòng/phút. - Áp lực trục đỉnh: Khi áp lực trục đỉnh tăng, khả năng lấy nước mía tăng. - Thẩm thấu: Có tác dụng lớn đến hiệu suất ép, nếu lượng nước thẩm thấu tăng thì hiệu suất ép tăng. b. Năng suất ép Là số tấn mía được ép trong một đơn vị thời gian với hiệu suất ép nhất định. Công thức tính năng suất ép: f DnLKdFC 60 Trong đó : C: Năng suất ép ,(tấn/giờ) D: Đường kính trục ép ,(m) n: Tốc độ quay trục ép ,(vòng/phút) L: Chiều dài trục ép ,(m) K: Độ dài miệng ép ,(m) d: Trọng lượng riêng của bã ,(tấn/m3) F: Phần xơ trong bã ,(%) f: Phần xơ trong mía ,(%)  Các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất ép - Xử lí nước mía trước khi ép: Với cùng một miệng ép, nếu mía được xử lí tốt, mật độ mía vào trục ép tăng và mía vào trục ép dễ dàng do đó năng suất tăng. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 9 - - Hàm lượng xơ trong mía: Số lượng và bản chất xơ trong mía đều có ảnh hưởng đến năng suất. Thật vậy, phần xơ quyết định trở lực giữa mía và trục ép, vì vậy khi phần xơ nhiều thì lớp mía dày nên năng suất ép nhỏ. Xơ cứng hay mềm, độ xé nát của mía sau khi sử lí sơ bộ sẽ ảnh hưởng đến việc mía vào miệng ép, nếu mía vào máy ép dễ dàng (trục ép không bị nghẹn) thì năng suất ép tăng và ngược lại. - Tốc độ và kích thước trục ép: Năng suất tỷ lệ thuận với tốc độ quay và kích thước trục ép. Trong cùng điều kiện, tốc độ trục ép tăng thì năng suất tăng. Khi đường kính trục càng lớn thì khả năng mía vào trục ép càng tốt, trục càng dài thì diện tích ép càng lớn do đó năng suất tăng. - Răng trục ép: Răng trục ép làm tăng diện tích ép của trục, hình dạng và độ sâu của răng có ảnh hưởng đến việc kéo mía vào máy ép từ đó làm tăng năng suất. - Thẩm thấu: Khi dùng nước thẩm thấu nhiều làm cho bã trương lên, khó vào miệng ép, năng suất ép giảm. 2. Lấy nước mía bằng phương pháp khuếch tán Đây là phương pháp được sử dụng trong tất cả các nhà máy trích li đường từ củ cải đường. Hiện nay, nhiều nhà máy đường mía trên thế giới đã dùng phương pháp khuếch tán để trích li đường từ mía. Ở nước ta, phương pháp khuếch tán được sử dụng đầu tiên tại nhà máy đường mía La Ngà. Tuy gọi là phương pháp khuếch tán nhưng ở các nhà máy đường mía không phải hoàn toàn dựa vào nguyên lí khuếch tán như ở các nhà máy đường củ cải. Vì thời gian khuếch tán đường của lát mía tăng gấp 3 lần so với lát củ cải (cùng kích thước) nên nếu chỉ dùng phương pháp khuếch tán để lấy đường trong mía thì thời gian sẽ kéo dài gây ảnh hưởng đến chất lượng nước mía. Trên thực tế, thiết bị khuếch tán chỉ có thể thay thế một số bộ trục ép (ở giữa công đoạn ép) nên có thể coi đây là phương pháp kết hợp giữa ép và khuếch tán. Có 2 phương pháp khuếch tán mía chủ yếu 2.1. Khuếch tán mía Sau khi xử lí, toàn bộ lượng mía đi vào thiết bị khuếch tán Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 10 - 2.2. Khuếch tán bã mía Sau khi xử lí, mía được đưa qua máy ép để lấy khoảng 65 – 70% đường trong mía, phần bã còn lại (chứa khoảng 30 – 35% đường) đi vào thiết bị khuếch tán, vì vậy quá trình khuếch tán được rút ngắn. Khuếch tán bã được dùng phổ biến trong các nhà máy đường. 3. So sánh phương pháp ép và phương pháp khuyếch tán Phương pháp ép Phương pháp khuếch tán - Hiệu suất trích li 92% - Tổng hiệu suất thu hồi 80% - Tiêu hao năng lượng nhiều - Vốn đầu tư cao - Nhiên liệu dùng trongbốc hơi ít - Chất không đường trong nước mía hỗn hợp ít hơn, ít tổn thất đường trong mật cuối thấp. - Hiệu suất trích li 97% - Tổng hiệu suất thu hồi 82% - Tiêu hao năng lượng ít - Vốn đầu tư thấp (tiết kiệm khoảng 30% so với phương ép) - Tiêu hao nhiều nhiên liệu dùng trong bốc hơi - Chất không đường trong nước mía hỗn hợp nhiều, do dó tăng tổn thất đường trong mật cuối. 4. Vi sinh vật trong công đoạn lấy nước mía Từ khi đốn chặt đến khi ép lấy nước, cây mía và nước mía tiếp xúc với nhiều hệ vi sinh vật phức tạp. Thiết bị khuếch tán Nước mới Nước khuếch tán Bốc hơi sơ bộ Tách nước từ bã ướt Nước ép Đun nóng và gia vôi Lắng Bã Nước lắng trong Lọc Cặn lọc Mía Máy băm mía Thiết bị đánh tơi Máy ép Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 11 - Nước mía có độ đường khoảng 10 – 14%, pH = 5 – 5,5, nhiệt độ 25oC, là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật sinh trưởng nhanh chóng, hoạt động của chúng gây ra những tác hại chủ yếu sau: - Chuyển hoá và làm mất đường trong nước mía đồng thời sinh ra các tạp chất khác. - Sinh ra các khối nhầy, dẻo gây mất cân bằng trong sản xuất như: nghẹt đường ống, van… làm tăng độ nhớt của dung dịch gây khó khăn cho công đoạn nấu đường và kết tinh. Các vi sinh vật thường gặp trong nước mía là - Leuconostoc: là loại sản sinh các khối nhầy bẩn - Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Bacillus mesentericus,…: tạo ra những bào tử hiếu khí - Micrococcus: loại không sinh bào tử hiếu khí - Ngoài ra có khoảng 26 loại nấm men khác nhau, trong đó chủ yếu là loại Saccharomyces Để hạn chế những tác hại của vi sinh vật gây ra trong công đoạn lấy nước mía ta cần vệ sinh thường xuyên máy ép, băng chuyền, máng chứa…Thông thường sau mỗi kỳ ngừng máy phải vệ sinh sạch sẽ các thiết bị, có thể dùng nước vôi loãng phun quét các bề mặt thiết bị tiếp xúc với mía, nhưng phải rửa sạch vôi trước khi cho máy làm việc trở lại. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 12 - Chương 2: LÀM SẠCH NƯỚC MÍA  I. Mục đích của công đoạn làm sạch nước mía 1. Thành phần hỗn hợp nước mía sau khi ép Hỗn hợp nước mía sau khi ép có thành phần tương đối phức tạp, các thành phần hoá học này thay đổi tuỳ theo giống mía, điều kiện canh tác, đất đai, điều kiện khí hậu, phương pháp và điều kiện lấy nước mía của nhà máy…Được thể hiện qua bảng sau: Thành phần Tỷ lệ (%) Đường - Saccaroza - Glucoza - Fructoza Xơ - Xenluloza - Pentosan - Araban - Linhin Chất có chứa nitơ - Protein - Amit - Axit amin - Axit nitơric - NH3 - Xantin Chất béo và sáp - Pectin - Axit tự do - Axit kết hợp Chất vô cơ - SiO2 - K2O - Na2O - CaO - MgO - Fe2O3 - P2O5 - SO2 - Cl - H2O 12.00 0.90 0.50 5.50 2.00 0.50 2.00 0.12 0.07 0.21 0.01 vết vết 0.20 0.08 0.12 0.25 0.12 0.01 0.02 0.01 vết 0.07 0.02 vết 74.5 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 13 - 2. Mục đích của công đoạn làm sạch nước mía Nước mía hỗn hợp có một lượng lớn chất không đường, đa số những chất này gây ảnh hưởng không tốt cho quá trình sản xuất. Vì vậy mục đích chủ yếu của việc làm sạch nước mía là: - Loại tối đa chất không đường ra khỏi hỗn hợp, đặc biệt là các chất có hoạt tính bề mặt và các chất keo. - Trung hoà nước mía hỗn hợp - Loại những chất rắn lơ lửng trong nước mía. II. Các phương pháp làm sạch nước mía 1. Phương pháp vôi Đây là phương pháp đơn giản nhất, được con người áp dụng từ rất lâu. Nước mía chỉ được làm sạch dưới tác dụng của nhiệt và vôi, thu được sản phẩm đường thô. Phương pháp vôi sử dụng để sản xuất mật trầm, đường cát vàng…Có thể chia thành 3 dạng sau 1.1. Phương pháp cho vôi vào nước mía lạnh Trước hết nước mía được lọc bằng lưới lọc để loại các vụn mía, cân và bơm đến thùng trung hoà, sau đó cho vôi vào (khoảng 0.5 – 0.9 kg vôi/tấn mía). Khuấy đều nước mía, rồi đun nóng đến nhiệt độ 105oC trước khi cho vào thiết bị lắng, sản phẩm lắng thu được là nước lắng trong và nước bùn. Đem lọc nước bùn thu được nước lọc trong. Cuối cùng cô đặc hỗn hợp nước lắng trong và nước lọc trong. 1.2. Phương pháp cho vôi vào nước mía nóng Tương tự như phương pháp cho vôi vào nước mía lạnh, nhưng công đoạn gia nhiệt được thực hiện trước khi cho vôi vào. Hỗn hợp nước mía Lưới lọc Trung hoà (pH = 7,2 – 7,5) Gia nhiệt (t = 102 – 105oC) Thùng lắng Nước bùn Lọc Bùn Nước lọc trong Nước lắng trong Cô đặc Sữa vôi Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 14 - Trước khi trung hoà, một số chất keo như (anbumin, silic hidroxit…) bị ngưng tụ dưới tác dụng của nhiệt độ và pH. Nhờ vậy, tốc độ lắng nhanh, lượng vôi trung hoà giảm (khoảng 15 – 20%), hiện tượng đóng cặn giảm… 1.3. Phương pháp cho vôi phân đoạn Đây là phương pháp tối ưu nhất của việc làm sạch nước mía bằng vôi. Trước tiên, cho vôi vào đưa hỗn hợp nước mía đến pH = 6,4, sau đó đun sôi hỗn hợp (t = 105 – 110oC), tiếp tục cho vôi vào đến pH = 7,6, rồi lại đun sôi tiếp tục (t = 105 – 110oC)… Được thể hiện qua sơ đồ: Hỗn hợp nước mía Lưới lọc Gia nhiệt (t = 105oC) Trung hoà (pH = 7,2 – 7,5) Thùng lắng Nước bùn Lọc Bùn Nước lọc trong Nước lắng trong Cô đặc Sữa vôi Gia vôi (pH = 6,4) Gia nhiệt 1 (t = 105 – 110oC) Trung hoà (pH = 7,5 – 7,6) Hỗn hợp nước mía Thùng lắng Nước bùn Lọc Bùn Nước lọc trong Nước lắng trong Cô đặc Sữa vôi Gia nhiệt 2 (t = 105 – 110oC) Sữa vôi Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 15 - Phương pháp phân đoạn tiết kiệm được 35% lượng vôi so với phương pháp cho vôi vào nước mía lạnh, rút ngắn thời gian lắng, độ tinh khiết nước mía tăng, hiệu suất làm sạch tốt. 2. Phương pháp sunfit hoá Còn gọi là phương pháp SO2, vì ta sử dụng lưu huỳnh dưới dạnh khí SO2 để làm sạch nước mía. Có thể chia làm 3 loại: 2.1. Phương pháp sunfit hoá axit (thông SO2 vào nước mía đến pH axit) Dùng phổ biến trong sản suất đường kính trắng 2.2. Phương pháp sunfit hoá kiềm nhẹ (Chỉ xông SO2 vào nước mía, không thông SO2 vào mật chè và sản phẩm đường thô) Dùng để sản xuất đường thô, nếu so với phương pháp vôi thì hiệu quả loại chất không đường tốt hơn, tuy nhiên thiết bị phức tạp và tiêu hao nhiều hoá chất nên hiện nay ít phổ biến. Gia nhiệt 1 (t = 60 – 65oC) Gia vôi (pH = 6,4–6,6) Hỗn hợp nước mía Sữa vôi H3PO4 Xông SO2 (lần 1) (pH = 3,4 – 3,8) Trung hoà (pH = 7,0 – 7,3) Sữa vôi SO2 Thùng lắng Nước bùn Lọc Bùn Nước lọc trong Nước lắng trong Gia nhiệt 2 (t = 102 – 105oC) Gia nhiệt 3 (t = 110 – 115oC) Cô đặc Xông SO2 (lần 2) (pH = 6,2 – 6,4) Mật chè SO2 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 16 - 2.3. Phương pháp sunfit hoá kiềm mạnh Đặc điểm của phương pháp này là dùng 2 điểm pH (pH trung tính và pH kiềm mạnh), do đó có thể loại được P2O5, SiO2, Al2O3, FeO3, MgO... Nhưng điều kiện công nghệ của phương pháp này còn chưa ổn định. SO2 Trung hoà (pH = 7,0 – 7,2) Thùng lắng Nước bùn Lọc Bùn Nước lọc trong Nước lắng trong Cô đặc Gia nhiệt 2 (t = 100 – 105oC) Gia vôi kiềm nhẹ (pH = 8,0 – 9,0) Gia nhiệt 1 (t = 60 – 65oC) Hỗn hợp nước mía Ca(OH)2 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 17 - 3. Phương pháp cacbonat hoá Phương pháp này sử dụng khí CO2 xông vào nước mía để loại các chất không đường, có thể chia làm 3 dạng 3.1. Phương pháp xông CO2 một lần Đặc điểm của phương pháp là cho toàn bộ sữa vôi vào nước mía một lần và thông CO2 một lần đến độ kiềm thích hợp. Do đó nước mía chỉ qua một điểm đẳng điện, nên loại chất không đường ít. Ngoài ra, vì thông CO2 sau khi cho vôi nên tạo phức đường vôi ảnh hưởng đến hiệu suất hấp thụ CO2 và tạo nhiều bọt. Nước mía hỗn hợp Gia vôi sơ bộ (pH=6,4 – 6,6) Ca(OH)2 Gia nhiệt (lần 1) (t = 60 – 65oC) Thiết bị xông CO2 (Độ kiềm 300–500mg CaO/l) Lọc Nước mía trong Xông SO2 (pH =7,0 – 7,2) Gia nhiệt (lần 2) (t = 100 – 105oC) Bốc hơi Mật chè Bùn SO2 CO2 Ca(OH)2 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 18 - 3.2. Phương pháp xông CO2 thông thường Hay còn gọi là phương pháp xông CO2 hai lần, xông SO2 hai lần, được sử dụng trong sản xuất đường kính trắng chất lượng cao. Sơ đồ công nghệ như sau: Nước mía hỗn hợp Gia vôi sơ bộ (pH=6,4 – 6,6) Ca(OH)2 Gia nhiệt (lần 1) (t = 50 – 55oC) Xông CO2 (lần 1) (pH =10,5 – 11,3) CO2 Ca(OH)2 Lọc (lần 1) Xông CO2 (lần 2) (pH =7,8 – 8,2) Bùn CO2 Gia nhiệt (lần 3) (t = 80 – 85oC) Lọc (lần 2) Xông SO2 (lần 1) (pH =6,8 – 7,2) Bùn SO2 Bốc hơi noCK = 55 – 60oBx Xông SO2 (lần 2) (pH =6,2 – 6,4) Lọc kiểm tra Mật chè Bùn SO2 Mật chè thô Gia nhiệt (lần 4) (t = 100 – 115oC) Gia nhiệt (lần 2) (t = 70 – 75oC) Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 19 - 3.3. Phương pháp xông CO2 chè trung gian Sau khi đun nóng đến khoảng 100oC và cho bốc hơi đến nồng độ mật chè 35 – 40oBx nước mía hỗn hợp được xử lí như phương pháp xông CO2 thông thường Khi cô đặc đến nồng độ cao, hàm lượng chất không đường trong mía tập trung hơn, phản ứng triệt để hơn do đó tiết kiệm được nhiều hóa chất, loại nhiều tạp chất không đường, thiết bị ít đóng cặn. Tuy nhiên lượng đường tổn thất trong bùn nhiều. Nước mía hỗn hợp Gia vôi sơ bộ (pH=6,4 – 6,6) Ca(OH)2 Gia nhiệt (lần 1) (t = 100 – 105oC) Trung hoà kiềm nhẹ (pH = 7,2 – 7,9) Ca(OH)2 Bốc hơi noCK = 35 – 40oBx Xông CO2 (lần 1) (pH =10,5 – 11,0) Lọc (lần 1) Xông CO2 (lần 2) (pH =7,8 – 8,5) Gia nhiệt (lần 2) (t = 75 – 80oC) Lọc (lần 2) Xông SO2 (lần 1) (pH =7,0 – 7,2) Bốc hơi noCK = 55 – 60oBx Xông SO2 (lần 2) (pH =6,2 – 6,4) Lọc kiểm tra Mật chè Bùn Bùn Bùn CO2 Ca(OH)2 CO2 SO2 SO2 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 20 - 4. So sánh các phương pháp làm sạch nước mía Phương pháp vôi Phương pháp sunfit hoá Phương pháp cacbonat hoá Ưu điểm - Vốn đầu tư ít - Thiết bị, quy trình công nghệ, quản lí điều hành đơn giản - Vốn đầu tư ít - Thiết bị, quy trình công nghệ, quản lí điều hành đơn giản - Sản xuất ra sản phẩm đường kính trắng - Hiệu suất thu hồi cao - Sản xuất ra đường kính trắng chất lượng cao Khuyết điểm - Hiệu suất thu hồi sản phẩm thấp - Sản xuất ra sản phẩm đường vàng - Sản phẩm đường khó bảo quản, dễ hút ẩm và biến màu - Quy trình công nghệ phức tạp - Điều hành, quản lí khó 5. Lắng Là quá trình cơ học phân riêng một hỗn hợp không đồng nhất bằng trọng lực hoặc bằng li tâm. 5.1. Mục đích quá trình lắng trong nước mía Phân biệt nước mía trong và kết tủa (tạo ra khi cho các chất điện li vào nước mía trong quá trình làm sạch) Nâng cao chất lượng sản phẩm (do tách các chất có ảnh hưởng xấu đến sản phẩm) 5.2. Nguyên lí quá trình lắng trong nước mía Nước mía ở trạng thái tỉnh, khi cho chất điện li vào tạo kết tủa cặn thì chúng sẽ chịu tác dụng của 2 lực - Trọng lực: kéo kết tủa đi xuống - Lực acsimet: đẩy kết tủa đi lên Khi trọng lực > lực acsimet thì kết tủa sẽ lắng xuống, tốc độ lắng phụ thuộc vào sự chênh lệch độ lớn của 2 lực, hay nói cách khác tốc độ lắng phụ thuộc vào chênh lệch về trọng lượng giữa chất rắn (cặn) và trọng lượng chất lỏng (nước mía). 5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng - Khối lượng riêng của các hạt lắng - Nhiệt độ - pH Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 21 - 6. Lọc Là quá trình phân riêng hỗn hợp khó lăng không đồng nhất qua lớp lọc. 6.1. Mục đích lọc nước mía Tận dụng phần nước đường còn lại trong bùn lắng, và loại kết tủa (bùn) 6.2. Nguyên lí Dùng lớp lọc có nhiều lỗ để dung dịch có thể chui qua các lỗ nhỏ, bã được giữ lại trên lớp lọc, dung dịch chui qua lớp lọc dưới áp suất dư so với áp suất bên dưới vật ngăn. 6.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc - Chất kết tủa - Áp lực lọc hoặc độ chân không - Độ dính và nhiệt độ lớp bùn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 22 - Chương 3: CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA  I. Mục đích Bốc hơi nước mía có nồng độ ban đầu (khoảng 13 – 15oBx) đến nồng độ mật chè (khoảng 60 – 65oBx). Tuy nhiên nếu cô đặc nước mía tới nồng độ quá cao (>70oBx) sẽ xuất hiện các tinh thể đọng lại (trong đường ống và bơm), tăng độ nhớt gây khó khăn cho quá trình lọc... II. Cô đặc nước mía 1. Cấu tạo thiết bị cô đặc a. Yêu cầu thiết bị cô đặc - Khoảng không gian nước mía cần nhỏ nhất, và không có khoảng không “chết” - Nước mía lưu lại trong nồi với thời gian ngắn nhất - Đơn giản, diện tích đốt dễ làm sạch và dễ thay đổi - Thao tác khống chế đơn giản, tự động hóa dễ dàng b. Thiết bị cô đặc ống chùm thẳng đứng Đây là thiết bị dùng phổ biến trong các nhà máy đường. Diện tích đốt gồm những ống truyền nhiệt thẳng đứng, hơi đốt đi vào bộ phân dưới gọi là buồn đốt. Nước mía đi trong ống truyền nhiệt, còn hơi đi ngoài ống, khi cấp nhiệt hơi ngưng tụ thành nước và chúng được tháo ra ở đáy phòng đốt. Ở giữa buồn đốt là ống tuần hoàn (đường kính khoảng 250 – 500mm). Do sự chênh lệch nhiệt độ giữa ống tuần hoàn và ống truyền nhiệt tạo nên sự đối lưu nhiệt trong thiết bị cô đặc. Thiết bị làm việc liên tục, nước mía trong không ngừng chảy vào và mật chè không ngừng chảy ra khỏi thiết bị cô đặc. Hơi thứ sau khi đi qua bộ phận thu hồi đường, theo ống dẫn đi cung cấp cho bộ phận khác, còn nước đường thu hồi thì chảy trở về thiết bị. Trên thân nồi cô đặc có lắp kính quan sát để nhận biết mức dung dịch, ngoài ra thiết bị còn gắn nhiệt kế, áp kế... c. Thiết bị cô đặc tuần hoàn đơn Có cấu tạo tương tự như thiết bị cô đặc ống chùm thẳng đứng, tuy nhiên ống truyền nhiệt dài hơn dài hơn. Phía trong ống tuần hoàn có lắp chiếc phễu hình thang để tạo điều kiện cho phần lớn dung dịch chỉ đi qua ống tuyền nhiệt một lần. Khi có một phần dung dịch đường không thoát ra kịp vào hiệu sau thì giữa ống tuần hoàn và ống tháo dung dịch có khoảng trống để dung dịch đường trở lại theo ống tuần hoàn. Ưu điểm của thiết bị là dung dịch tuần hoàn có nồng độ thấp, nên tăng hệ số truyền nhiệt. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 23 - 2. Phương pháp bốc hơi hệ cô đặc a. Phân loại phương án bốc hơi - Phương pháp bốc hơi chân không: Hệ cô đặc làm việc trong điều kiện chân không + Ưu điểm: Nhiệt độ sôi của dung dịch đường thấp nên tránh được hiện tượng phân hủy và chuyển hóa đường, chất lượng mật chè tốt, thao tác dễ dàng. + Khuyết điểm: Nhiệt độ hơi thứ thấp, không thỏa mãn yêu cầu công nghệ, giảm khả năng sử dụng hơi thứ, tăng tổn thất hơi. Bố trí thiết bị phức tạp, cần có thiết bị ngưng tụ để thực hiện điều kiện chân không - Phương pháp bốc hơi áp lực: Các hiệu cô đặc làm việc trong điều kiện áp lực + Ưu điểm: Việc sử dụng hơi triệt để hơn, nhiệt độ hơi thứ ở các hiệu cô đặc cao nên có thể giảm diện tích truyền nhiệt của thiết bị. + Khuyết điểm: Màu sắc dịch nước mía sậm, pH hạ thấp, đường khử bị phân hủy, tạo caramen... - Phương pháp bốc hơi áp lực chân không: Đối với phương pháp này là ta kết hợp cả bốc hơi chân không và bốc hơi áp lực xen kẽ giữa các hiệu, nhiệt độ sôi của dung dịch đường hiệu cuối tương đối cao, có thể dùng hơi thứ hiệu cuối để đun nóng nước mía. Ưu khuyết điểm của phương pháp bốc hơi áp lực chân không là tổng hợp của 2 phương pháp trên. b. Các phương pháp bốc hơi chủ yếu - Phương án bốc hơi chân không 4 hiệu Thích hợp cho các nhà máy vừa và nhỏ, việc sử dụng phương pháp bốc hơi chân không 4 hiệu sẽ tận dụng tốt lượng hơi thừa. Đây là phương pháp điển hình cho hệ thống bốc hơi chân không, sử dụng hơi thừa từ nồi hơi nước có bổ sung hơi giảm áp để gia nhiệt cho hiệu 1. Do áp suất hơi ở hiệu 1 thấp, độ chân không cao nên dịch đường bốc hơi ở nhiệt độ thấp vì thế lượng đường chuyển hóa thấp, đường hoàn nguyên ít bị phân hủy... - Phương án bốc hơi chân không 4 hiệu có hiệu “0” Tương tự như phương án bốc hơi chân không 4 hiệu, nhưng người ta có lắp thêm hiệu bốc hơi “0” trước hiệu 1. Hiệu “0” vừa có tác dụng làm bốc hơi dịch đường vừa làm nồi phát sinh hơi nước áp suất thấp. Tuy nhiên do nồi “0” làm việc ở nhiệt độ cao nên dễ xãy ra hiện tượng phân hủy đường và caramen hóa, do đó cần rút ngắn thời gian dừng của nước mía trong thiết bị và cần phải thiết kế bộ phận thu hồi đường. c. Nguyên tắc chọn phương án bốc hơi - Thỏa mãn yêu cầu công nghệ - Sử dụng hợp lý lượng hơi Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 24 - - Vốn đầu tư thiết bị - Điều kiện thao tác 3. Thao tác khống chế quá trình cô đặc a. Kiểm soát độ chân không và áp suất hơi Nhiệt độ và áp suất hiệu cô đặc có liên quan mật thiết đến nhiệt độ sôi của dung dịch trong hiệu đó. Độ chân không càng cao, điểm sôi càng thấp, áp suất hơi càng lớn, dung dịch sôi càng mạnh. Thông thường độ chân không hiệu cô đặc cuối của hệ cô đặc có 4 – 5 hiệu khoảng 580 – 600mmHg. Nếu độ chân không cao hơn nữa, độ nhớt lớn ảnh hưởng đến đối lưu và truyền nhiệt. Trong trường hợp áp suất hơi của hiệu 1 thấp thì độ chân không của các hiệu tăng cao và ảnh hưởng đến năng suất bốc hơi. Để giải quyết vấn đề đó cần mở to van hơi hiệu 1 và điều chỉnh van hơi ở phòng đốt của các hiệu sau, kết hợp với đóng nhỏ van nạp liệu đến khi trở lại trạng thái bình thường. Nếu xãy ra trường hợp ngược lại, thu nhỏ van hơi hiệu 1 (giảm nguồn nhiệt), mở to van chân không, ống thoát ngưng tụ và van nạp liệu. b. Kiểm soát chiều cao dung dịch Để tránh hiện tượng “chạy” đường cần khống chế tốt tốc độ bốc hơi và chiều cao dung dịch. Lúc hiệu số nhiệt độ có ích lớn, tốc độ bốc hơi tăng, cần duy trì ổn định chiều cao dung dịch, nếu chiều cao dung dịch lớn, cần mở to van để dung dịch chảy ra một phần. Trường hợp độ chân không hai hiệu liền nhau chênh lệch không nhiều, dung dịch không thể từ hiệu trước chảy ra hiệu sau, cần mở to van dung dịch ra, nếu không có kết quả thì điều chỉnh độ chân không hiệu đó nhỏ lại và tăng độ chân không hiệu sau. c. Kiểm soát lượng hút hơi thứ Trong điều kiện kỹ thuật nhất định, lượng hơi thứ hút cần ổn định. Nếu lượng hơi hút dùng luôn thay đổi sẽ dẫn đến thay đổi hiệu số nhiệt độ có ích giữa các hiệu, ảnh hưởng đến nồng độ mật chè. Nếu dùng hơi thứ cho nấu đường thì lượng hơi đó cần lấy từ 2 nguồn: hơi thải và hơi thứ vì nấu đường dùng hơi không liên tục. Dựa vào kinh nghiệm, lượng hơi thứ dùng cho nấu đường khoảng 60 – 70% tổng lượng hơi nấu của đường là thích hợp. d. Thoát nước ngưng tụ Việc thoát nước ngưng tụ ở các hiệu có liên quan chặt chẽ đến tốc độ bốc hơi. Nếu có hiệu nào đó thoát hơi không tốt, nước ngưng đọng lại nhiều trong phòng đốt, giảm lượng hơi đốt vào phòng và ảnh hưởng đến tốc độ bốc hơi thì cần mở van khí không ngưng ở phòng đốt to hơn để việc thoát nước ngưng được dễ dàng. e. Thoát khí không ngưng Khí không ngưng ở phòng đốt cần thoát ra theo một tốc độ ổn định. Sự tồn tại của khí không ngưng trong phòng đốt sẽ làm giảm hệ số cấp nhiệt của hơi và do đó Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 25 - giảm năng suất bốc hơi. Nếu việc thoát khí không ngưng không tốt ở một hiệu nào đó thì áp suất hiệu trước tăng cao và ở hiệu đó có hiện tượng giảm áp suất. Lúc đó cần mở to van xả khí không ngưng đến khi trở lại trang thái ổn định. III. Biến đổi vật lí và hoá học trong quá trình cô đặc 1. Sự thay đổi pH và chuyển hoá đường Saccarose a. Sự thay đổi pH Nguyên nhân của sự giảm độ kiềm là do - Sự phân hủy các amit - Phân huỷ đường khử tạo ra các axit hữu cơ - Sự tạo caramen của đường saccarose (tác dụng rất nhỏ) Hiện tượng tăng pH rất ít thấy trong quá trình cô đặc. Tuy nhiên, nếu thao tác xông SO2 hoặc thông CO2 không hợp lí, độ kiềm dung dịch tăng lên: 2KHCO3 = 2KCO3 + CO2 + H2O 2KHSO3 = K2SO3 + SO2 + H2O b. Chuyển hoá đường saccarose Dưới tác dụng của nhiệt độ, trong môi trường pH tăng cao hoặc giảm thấp đường saccarose bị chuyển hoá, làm giảm lượng đường saccarose và làm tăng lượng đường hoàn nguyên. 2. Sự gia tăng màu sắc Trong điều kiện nhiệt độ cao, đường saccarose bị caramen hoá làm tăng màu sắc dịch nước mía. Lượng caramen này phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian truyền nhiệt, và pH. Ngoài ra, đường khử cũng bị phân huỷ hay kết hợp với các hợp chất chứa nitơ tạo thành melanoidin làm tăng màu sắc nước mía. 3. Độ tinh khiết tăng Độ tinh khiết tăng trong quá trình cô đặc phụ thuộc vào phương pháp làm sạch. Đối với phương pháp vôi độ tinh khiết tăng từ 0,7 – 1,0; đối với phương pháp sunfit hoá độ tinh khiết tăng từ 0,8 – 1,0; đối với phương pháp cacbonat hoá độ tinh kiết tăng 0,2 – 0,5. Độ tinh khiết tăng là do các nguyên nhân - Chất không đường bị phân hủy - Sự tạo cặn trong thiết bị cô đặc CH2 - CONH2 CH2 - COOH + HOH + NH3 CHNH2 – COOH CHNH2 – COOH (Asparagin) (nước) (axit asparagin) (amoniac) Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 26 - - Sự thay đổi góc quay riêng của chất không đường đặc biệt là đường khử 4. Sự tạo cặn Sự tạo cặn xuất phát từ những nguyên nhân - Cùng với việc nồng độ đường tăng cao, nồng độ tạp chất cũng không ngừng tăng lên trong quá trình cô đặc. Khi nồng độ tạp chất vượt quá độ bão hoà chúng sẽ lắng thành cặn. - Các oxit kim loại dạng keo như (oxit silic, oxit nhôm, oxit sắt) trong quá trình gia nhiệt tách dần ra khỏi dung dịch tạo thành cặn - Muối canxi hoà tan kết hợp với muối hoà tan của kali và natri tạo thành muối cacbonat kết tủa. - Các muối sunfit có độ hoà tan thấp, dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ tạo thành muối kết tủa. Qua các kết quả nghiên cứu thành phần cặn, có thể rút ra một số quy luật chung như sau: - Thành phần cặn trong nồi cô đặc chủ yếu là các chất không đường vô cơ và hữu cơ tồn tại ở dạng hợp chất - Thành phần vô cơ chiếm chủ yếu >50% (so với chất khô) - Cặn ở các hiệu khác nhau về thành phần và hàm lượng: Hiệu 1 chủ yếu là muối phosphat, hiệu cuối chủ yếu là muối sunfat... Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 27 - Chương 4: NẤU ĐƯỜNG VÀ KẾT TINH  I. Lý thuyết quá trình kết tinh 1. Mục đích của nấu đường Mục đích của quá trình nấu đường là tách nước ra khỏi mật chè, đưa dung dịch đến trạng thái quá bão hoà để thực hiện quá trình kết tinh đường. Sản phẩm sau khi nấu đường là đường non và mật cái. 2. Tính chất đường saccarose 2.1. Hình dạng tinh thể saccarose Tinh thể đường saccarose kết tinh từ dung dịch thuộc hệ đơn tà có 3 trục (hai trục thẳng và một trục nằm nghiêng). Tuy nhiên hình dạng tinh thể đường có thể thay đổi tuỳ theo chất không đường có trong dung dịch, nhiệt độ thực hiện quá trình kết tinh, hệ số bão hoà... 2.2. Độ hoà tan của đường saccarose trong nước, và trong dung dịch không tinh khiết Độ hoà tan của đường saccarose trong nước được biểu diễn bằng số gam đường trong 1 gam nước. Trong dung dịch không tinh khiết độ hoà tan của đường saccarose phụ thuộc vào các chất không đường, một số thì làm tăng độ hoà tan của saccarose như: KCl, NaCl..., một số khác thì ngược lại như: K2SO4... Hệ số bão hoà (’): Là tỷ số giữa hệ số hoà tan saccarose trong dung dịch đường không tinh khiết (H1) và hệ số hoà tan trong dung dịch tinh khiết (H0) trong cùng điều kiện về nhiệt độ 0 1' H H  - Khi ’ >1 thì độ hoà tan saccarose trong dung dịch không tinh khiết lớn hơn trong dung dịch tinh khiết a c b 90o 90o 10 3o 30 ’ Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 28 - - Khi ’ = 1 thì độ hoà tan saccarose trong dung dịch không tinh khiết lớn hơn trong dung dịch tinh khiết (hay nói cách khác các chất không đường không ảnh hưởng đến độ hoà tan) - Khi ’ < 1 chất không đường làm giảm độ hoà tan của saccarose. Hệ số bão hoà phụ thuộc vào độ tinh khiết dung dịch và chất lượng chất không đường có trong dung dịch. Hệ số bão hoà có ý nghĩa quan trọng trong sản xuất, nó thể hiện ảnh hưởng của nguồn nguyên liệu đối với quá trình sản xuất. Hệ số quá bão hoà (): Là tỷ số giữa lượng đường hoà tan trong một đơn vị nước của dung dịch nghiên cứu (H) với lượng đường hoà tan trong một phần nước của dung dịch bão hoà (H1) ở cùng nhiệt độ 1H H  - Khi  > 1 dung dịch quá bão hoà - Khi  = 1 dung dịch bão hoà - Khi  < 1 dung dịch chưa bão hoà Hệ số quá bão hòa có ý nghĩa quyết định đối với quá trình kết tinh, hiệu suất kết tinh và chất lượng sản phẩm. Đối với dung dịch saccarose tinh khiết H1 = H0. Trong dung dịch đường không tinh khiết việc xác định H1 khá phức tạp, vì vậy trong thực tế đối với dung dịch đường không tinh khiết người ta tra theo bảng độ hoà tan đường tinh khiết, từ đó tìm được hệ số bão hoà biểu kiến (1) theo công thức: 0 1 H H  Sự liên hệ giữa hệ số quá bão hoà thực, hệ số quá bão hoà biểu kiến và hệ số bão hoà dung dịch: ' 1     3. Động học của quá trình kết tinh đường Saccarose là chất rất khó xuất hiện nhân tinh thể trong dung dịch quá bão hoà của nó. Theo thực nghiệm, tinh thể chỉ xuất hiện khi  > 1,3 -1,4. Để tăng tốc độ xuất hiện tinh thể, người ta áp dụng các biện pháp kích thích tạo mầm hay phương pháp tinh chủng, lúc đó tinh thể sẽ xuất hiện ở giá trị  = 1,2 – 1,25. Theo quan điểm động học, quá trình xuất hiện nhân tinh thể trong môi trường lỏng là hiện tượng liên hợp của các phân tử chất hoà tan di động. Điều kiện cần thiết để tạo nhân tinh thể là có sự tập tụ cục bộ của các phân tử chất hoà tan và phân bố các phân tử này vào vị trí của chúng trong lưới tinh thể. Vậy, các tinh thể nằm trên ranh giới của 2 quá trình kết tinh và hoà tan. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 29 - Theo Silin: Trên bề mặt tinh thể và dung dịch luôn xảy ra hai quá trình: - Lắng chất hoà tan trên bề mặt tinh thể vào dung dịch, khi đó các phân tử hay các nhóm phân tử tách ra khỏi bề mặt tinh thể, nếu điều kiện quá bão hoà đủ lớn những nhóm phân tử này sẽ là những nhân tinh thể mới. - Nếu điều kiện quá bão hoà chưa đủ lớn thì những mầm sẽ hoà tan vào dung dịch (do độ hoà tan của nó lớn hơn đường bình thường rất nhiều). Lúc này chỉ những tinh thể sẵn có lớn lên mà thôi, không xuất hiện mầm tinh thể mới. 4. Tốc độ kết tinh Là lượng đường kết tinh trong 1 phút trên 1m2 bề mặt tinh thể, đơn vị (mg/m2.phút) .F SK  Trong đó S: lượng đường kết tinh trong dung dịch quá bão hoà, (mg) F: bề mặt tinh thể, (m2) : thời gian kết tinh, (phút) Bề mặt tinh thể phụ thuộc vào số lượng của chúng, nếu lượng tinh thể càng nhiều, kích thước càng nhỏ, bề mặt tinh thể càng lớn, lượng đường kết tinh nhiều. Bề mặt mỗi tinh thể phụ thuộc vào khối lượng của nó theo công thức. 3 212,4 pf  Trong đó f: bề mặt một tinh thể, (cm2) p: khối lượng một tinh thể, (g) 4,12 là hệ số thực nghiệm cho tinh thể saccarose 5. Cơ sở lý thuyết của quá trình kết tinh Dựa trên cơ sở nghiên cứu và kết quả thực nghiệm, Silin cho rằng quá trình kết tinh chủ yếu là quá trình khuếch tán và ông giải thích như sau: - Tinh thể được bao quanh bởi một lớp dung dịch không chuyển động với chiều dày d. d C’ C Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 30 - - Ngay trên bề mặt tinh thể là dung dịch quá bão hoà với nồng độ C’, cách bề mặt tinh thể một khoảng d là dung dịch quá bão hoà với nồng độ C. Do sự chênh lệch nồng độ, các phân tử đường sẽ khuếch tán đến bề mặt tinh thể thì lập tức kết tinh thành tinh thể mới, và ở bề mặt tinh thể mới này lại có nồng độ C’ như cũ. Như thế, quá trình kết tinh lại được thực hiện tiếp tục. Qua đó, ta nhận thấy tốc độ kết tinh chính là tốc độ khuếch tán. Theo định luật Fick: lượng đường khuếch tán S tỷ lệ thuận với hiệu số nồng độ (C – C’), bề mặt khuếch tán F, thời gian kết tinh , và tỷ lệ nghịch với đoạn đường khuếch tán d.   F d CCkS '1  Vậy, tốc độ kết tinh   d CCkK '1  Trong đó k1 là hệ số khuếch tán. Theo Enstein, hệ số khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối (T) và độ nhớt môi trường (η)  Tkk '1  (với k’ là hằng số) Vậy:   d CCTkK ''  6. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh - Độ quá bão hoà dư - Nhiệt độ - Độ tinh khiết của dung dịch - Độ nhớt - Sự khuấy trộn - Kích thước tinh thể - Số lượng tinh thể trong đường non II. Quá trình hoá học của giai đoạn nấu đường Sau khi được tạo thành tinh thể đường saccarose rất bền, hầu như chúng không có sự biến đổi cề cấu trúc cũng chư các biến đổi đặc biệt khác khi nhiệt độ dưới 70oC. Tuy nhiên lớp mật bao quanh tinh thể không bền, do đó đường non không bền. Sự thay đổi của đường non trong quá trình kết tinh chủ yếu phụ thuộc vào thành phần mật cái. 1. Sự phân giải đường Trong giai đoạn nấu đường xãy ra quá trình chuyển hoá đường saccarose thành đường khử, sự chuyển hoá này phụ thuộc vào nhiệt độ nấu đường và pH đường non. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 31 - Dưới tác dụng của nhiệt độ, đường khử sẽ phản ứng với các axit amin tạo thành những hợp chất màu, ngoài ra đường khử bị phân huỷ thành các sản phẩm không lên men. 2. Tách cặn lắng đọng muối phi đường Trong quá trình kết tinh một số axit hữu cơ chuyễn thành hợp chất không tan và kết tủa dưới dạng muối canxi, muối magiê. Các chất khác (như: tinh bột. pectin...) có khả năng kết tinh cùng đường saccarose và liên kết bền trong tinh thể đường. 3. Hiện tượng khó nấu Khi nấu một số mẻ đường có xuất hiện hiện tượng như: đường non đặc cứng lại trong nồi, bốc hơi chậm, không kết tinh được... Hiện tượng này thường xãy ra khi mật chè chứa lượng muối canxi cao, ngoài ra khi dung dịch có pH cao thì quá trình nấu đường chậm (vì một phần đường ở dạng sacarat). Khi mía nguyên liệu còn non, chất keo nhiều, độ nhớt lớn thì quá trình nấu đường cũng gặp khó khăn, đặc biệt là khi nấu các loại đường có chất lượng thấp. III. Quá trình nấu đường gián đoạn 1. Cô đặc đầu Là quá trình cô đặc dung dịch đến nồng độ cần thiết để chuẩn bị cho sự tạo thành tinh thể. Tuỳ theo phương pháp gây mầm mà ta khống chế dung dịch ở các nồng độ khác nhau. Trong giai đoạn này ta cô đặc ở độ chân không thấp (khoảng 600 – 620mmHg) để giảm nhiệt độ sôi dung dịch (với áp suất này nhiệt độ sôi của dung dịch khoảng 60 – 65oC) , và giảm sự phân huỷ đường. Mật chè cần phải được phủ kín tại bề mặt truyền nhiệt (của nồi nấu) để tránh hiện tượng cháy đường. 2. Sự tạo mầm tinh thể Đây là thời điểm quan trọng của quá trình nấu đường, tuỳ theo phương pháp tạo mầm mà ta khống chế thời điểm tạo mầm khác nhau. Thông thường ở thiết bị nấu không có dụng cụ xác định trực tiếp độ quá bão hoà và cũng không có số liệu về độ hoà tan của đường không tinh khiết. Vì vậy việc xác định độ quá bão hoà thông qua việc xác định các thông số: nồng độ nguyên liệu gốc (được xác định bằng chiết quang kế), độ dẫn điện, nhiệt độ... hoặc dựa vào kinh nghiệm công nhân vận hành. Sự tạo mầm có thể chia làm 3 phương pháp: a. Tạo mầm tự nhiên Nấu dung dịch đường đến hệ số quá bão hoà  = 1,4 trở lên, lúc này các tinh thể đường tự xuất hiện. Phương pháp này ít phổ biến vì: từ khi bắc đầu xuất hiện tinh thể cho đến khi đạt yêu cầu về số lượng tinh thể phải trải qua một thời gian nấu tương đối dài (thời gian này phụ thuộc vào độ tinh khiết và độ nhớt của nguyên liệu gốc). Khi dung dịch tự xuất hiện tinh thể thì độ quá bão hoà của dung dịch tương đối cao, và Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 32 - sau khi xuất hiện thì tinh thể lớn lên không ngừng, vì vậy so với các mầm tinh thể xuất hiện ở giai đoạn cuối cùng thì có sự chênh lệch kích thước. Ngoài ra, vì nhiệt độ cao làm cho nguyên liệu gốc tăng màu sắc, dễ xãy ra hiện tượng dính tinh thể... b. Phương pháp kích thích Nấu mật đến nồng độ quá bão hoà  = 1,2 – 1,3 sau đó thay đổi độ chân không đột ngột, hoặc cho một lượng mầm (bột đường) rất ít để kích thích sự xuất hiện tinh thể mới. c. Phương pháp tinh chủng Không chế nồng độ nguyên liệu gốc sao cho độ quá bão hoà  = 1,05 – 1,15, sau đó cho một lượng mầm thích hợp vào. Ở độ quá bão hoà này không hoà tan mầm tinh thể và cũng không kích thích sự xuất hiện thêm mầm tinh thể mới, cho nên lượng đường mầm cho vào sẽ hấp thu lượng đường dư từ dung dịch và lớn lên. 3. Nuôi tinh thể Khi dịch đường non có đủ số lượng tinh thể theo yêu cầu, nhanh chóng dùng nước nấu để làm giảm độ bão hào xuống đến  = 1,1 (nhằm không cho dịch đường non xuất hiện tinh thể mới). Nguyên tắc chung là nước nấu cho vào phải có nhiệt độ trong nồi nấu từ 3 – 5oC (để giữ nhiệt độ sôi trong nồi, tăng khả năng truyền nhiệt và trộn đều với đường non trong nồi). Trong giai đoạn nuôi tinh thể cần chú ý các vấn đề sau - Do tinh thể của dịch đường non vẫn còn nhỏ nên, diện tích kết tinh nhỏ, độ tinh khiết của mẫu dịch cao nên dễ sinh ra các tinh thể giả. Vì vậy ta cần chú ý khống chế nồng độ sao cho phù hợp với sự lớn lên của tinh thể. - Các tinh thể nhỏ nhưng số lượng tinh thể nhiều nên dễ xãy ra hiện tượng dính tinh thể. Vì vậy phải khống chế tốt độ chân không, áp lực buồn đốt sao cho quá trình đối lưu tốt, đồng thời cũng phòng ngừa sự xuất hiện tinh thể giả. 4. Cô đặc cuối Khi tinh thể đạt đến kích thước quy định, ngừng nạp liệu, cô đến nồng độ ra đường (tránh cô đặc nhanh vì có thể tạo thành tinh thể dại) IV. Trợ tinh và sự tạo thành mật cuối 1. Trợ tinh Đường non lấy ra từ nồi nấu chứa một thành phần đường nhất định. Do đường non nấu giai đoạn cuối ở thể tích lớn, nồng độ mẫu dịch cao, độ nhớt lớn cho nên sự đối lưu trong nồi không tốt. Và nếu muốn hoàn thành quá trình kết tinh trong nồi nấu thì phải trải qua một thời gian dài mà hiệu quả lại không cao, mà còn tiêu tốn nhiều hơi đốt. Vì vậy sau khi nấu đến một thể tích nào đó với nồng độ và thuần độ yêu cầu thì ta đưa đường non đến thiết bị trợ tinh để tiếp tực thực hiện quá trình kết tinh. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - 33 - Trong thiết bị trợ tinh, ta khống chế nhiệt độ và nồng độ thích hợp làm cho tinh thể tiếp tục hấp thụ thành phần đường dư của mẫu dịch, giảm bớt thành phần đường trong mẫu dịch, làm tăng hiệu suất thu hồi. Nguyên lý trợ tinh Căn cứ vào độ tinh khiết của mẫu dịch, ta khống chế nồng độ và nhiệt độ đễ đưa mẫu dịch đến độ bão hòa thích hợp, đồng thời duy trì một khoảng thời gian đủ để thành phần đường trong nước cốt hấp thụ lên bề mặt