CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Nhiệm vụ: Thiết kế thiết bị cô đặc dung dịch đường ba nồi xuôi chiều, buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm. Số liệu đề cho: Nồng độ đầu vào: 10% Nồng độ cuối: 68% Năng suất nhập liệu: 4000 kg.2 Tổng quan về cây mía: 1.1 Hình thái cây mía Cây mía gồm các phần chủ yếu: rễ, thân, lá và hoa. Hiểu rõ đặc điểm của từng thành phần giúp cho việc kiểm soát chất lượng nguồn nguyên liệu và hiệu quả tái tạo đường được tốt hơn[1].2 Các giống mía: Hình 1-1: Hình thái cây mía Giống mía đóng vai trò quan trọng có vai trò quan trọng trong việc sản xuất nguyên liệu cho công nghiệp chế biến đường. Các giống mía có thời gian sinh trưởng khác nhau (chín sớm, chín trung bình, chín muộn) góp phần hình thành cơ cấu giống mía, nhằm rải vụ trồng và kéo dài thời gian chế biến cho các nhà máy đường[1].
Mía là tên gọi chung của một số loài thuộc chi mía (Saccharum), chúng thuộc tông Andropogoneae của họ Hòa thảo (Poacae). Phân bố chủ yếu ở khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới. Cây mía Mía được chia thành 3 nhóm chính: - Nhóm saccharum officinarum: là giống thường gặp, được trồng nhiều nhất trên thế giới và ở Việt Nam. - Nhóm saccharum violaceum: lá màu tím, thân ngắn cứng và không trổ cờ.
- Nhóm saccharum simense: cây nhỏ cứng, thân màu nâu nhạt, được trồng nhiều ở Trung Quốc. Ngoài ra còn có nhóm saccharum barberi, saccharum bengalense, saccharumedule nhưng những nhóm này ít phổ biến. Thành phần hóa học trong cây mía có thể thay đổi theo điều kiện trồng ở mỗi vùng, theo giống mía,… trong mía có thành phần chủ yếu là nước và đường sacharose, và phần nhỏ những hợp chất không đường như các chất hữu cơ, chất sáp, acid hữu cơ,… Trang 9 Bảng 1-1: Thành phần hóa học của mía và nước mía[1] Nguyên liệu Thành phần Hàm lượng (%) Nước 70 - 75 Đường 9 - 15 Xơ 10 - 16 Mía Đường khử 0.01 - 2 Chất không đường 1-3 khác Chất rắn hòa tan 100 Phần đường 75 - 92 Sacaroza 70 - 88 Glucoza 2-4 Fructoza 2-4 Các loại muối 3 – 7.5 Nước mía Muối axit vô cơ 1.5 Muối axit hữu cơ 1-3 Axit hữu cơ tự do 0.15 Chất không đường 3-5 chưa xác định Trang 10 1.3 Sơ lược về Saccarozo: Là loại đường phổ biến nhất, có nhiều trong các loại động vật, thực vật. Saccarozo còn được gọi với một số tên như: Đường kính (đường có độ tinh khiết cao),đường ăn,đường cát,đường trắng,đường nâu (đường có lẫn tạp chất màu), đường mía (đường trong thân cây mía), đường phèn (đường ở dạng kết tinh), đường củ cải (đường trong củ cải đường), đường thốt nốt (đường trong cây thốt nốt).
a, Tính chất vật lý: Saccarozo là chất kết tinh không màu. Có vị ngọt, dễ tan trong nước, đặc biệt tan nhiều trong nước nóng. b, Tính chất hóa học của saccarozo Công thức phân tử C12H22O11 là một disaccarit, cấu tạo từ hai đường đơn là gốc 𝛽-glucose và gốc 𝛾-fructose liên kết với nhau thông qua nguyên tử oxi. Vì không có nhóm chức andehit (-CH=O) nên saccarozo không có tính khử như glucozo (không có phản ứng tráng bạc).
Saccarozơ chỉ có tính chất của ancol đa chức và có phản ứng của đisaccarit. Một số phản ứng chủ yếu của saccharose: + Phản ứng ancol đa chức: Dung dịch saccarose phản ứng với Cu(OH)2 tạo thành dung dịch phức đồng có màu xanh thẫm. 2C12H22O11 + Cu(OH)2 → (C12H22O11)2Cu + 2H2O + Phản ứng thủy phân: Khi saccharose được đun nóng với dung dịch acid hay có xúc tác tác enzym (invertaza) thì sacharose bị thủy phân thành glucose và fructose C12H22O11 → C6H12O6 + C6H12O6 + Saccarozơ bị thủy phân thành glucozơ và fructozơ khi: Đun nóng với dung dịch axit và có xúc tác enzim trong hệ tiêu hóa của người. Phản ứng caramen hóa: dưới tác dụng của nhiệt độ cao, đường saccarozo bị mất nước tạo thành caramen là sản phẩm có màu như caramenlan, caramenlen, caramenlin(hợp chất humin).
Nếu trong môi trường kiềm saccharose bị phân hủy thành lactose, glucose, fructose và các đường khác, dung dịch được đun nóng trong thời gian dài ở độ pH từ 8 đến 9 thì sacchrose sẽ bị phân hủy thành các hợp chất màu vàng hay nâu. Tốc độ phân hủy sẽ tăng theo độ pH, ví dụ cùng ở nhiệt độ sôi đun trong một giờ thì với độ pH từ 8 đến 9 thì saccharose chỉ bị phân hủy 0,05%, nhưng nếu tăng độ pH lên 12 thì sự phân hủy tăng 0,5% Trang 11 1.4 Ứng dụng của đường Saccarozo: Saccarozơ được dùng nhiều trong công nghiệp thực phẩm, để sản xuất bánh kẹo,nước giải khát. Trong công nghiệp dược phẩm để pha chế thuốc. Đường giữ một vai trò rất quan trọng trong khầu phần ăn hàng ngày của con người, là nguyên liệu cho công nghiệp thực phẩm, pha chế thuốc, dùng trong sản xuất bánh kẹo, ….
là nhu cầu không thể thiếu trong đời sống xã hội.5 Thông số kỹ thuật trong quá trình cô đặc mía đường: Quá trình cô đặc thực phẩm có 3 thông số cơ bản: nhiệt độ sôi, thời gian sảnphẩm lưu lại trong thiết bị (thời gian cô đặc) và cường độ bốc hơi[1]. a, Nhiệt độ sôi: Khi tiến hành một quá trình cô đặc mía đường người ta đun nóng dung dịch mía đường tới nhiệt độ sôi. Nước trong dung dịch bốc hơi cho đến khi nồng độ đường(chất hòa tan) đã đến nồng độ yêu cầu thì ngừng quá trình cô đặc và cho dung dịch ra khỏi thiết bị.Nhiệt độ sôi của dung dịch đường phụ thuộc áp suất hơi ở trên bề mặt, nồng độchất hòa tan và thành phần của dung dịch đường mía.Khi áp suất hơi trên bề mặt của dung dịch đường mía càng thấp thì nhiệt độ sôicủa dung dịch đường mía càng thấp và ngược lại. Vì vậy việc tạo độ chân không trong thiết bị cô đặc sẽ giảm được nhiệt độ sôi của dung dịch đường mía.
Hay nói cách khác là điều chỉnh nhiệt độ sôi bằng cách thay đổi độ chân không.Trong quá trình cô đặc, nồng độ đường tăng dần nên nhiệt độ sôi của dung dịch đường cũng tăng dần.Nhiệt độ sôi thấp thì tính chất của dung dịch đường mía ít bị biến đổi như thành phần ít bị tổn thất, màu sắc bị biến đổi, mùi thơm cũng ít bị bay hơi. Nhiệt độ sôi thấp còn làm kéo dài thời gian bền của vật liệu làm thiết bị cô đặc. b, Thời gian cô đặc: Là thời gian lưu lại của dung dịch mía đường trong thiết bị cô đặc cho sự bốc hơi nước ra khỏi nguyên liệu để đạt đến nồng độ yêu cầu[1] Thời gian cô đặc phụ thuộc vào phương pháp làm việc của thiết bị và cường độ bốc hơi của dung dịch mía đường. Các thiết bị cho nguyên liệu vào, sản phẩm ra liên tục và sản phẩm có cường độ bốc hơi lớn thì thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị càng ngắn.
c, Cường độ bốc hơi: Cường độ bốc hơi của dung dịch mía đường phụ thuộc cường độ trao đổi nhiệt giữa hơi nóng và sản phẩm bốc hơi. Cường độ trao đổi nhiệt được đặc trưng bằng hệ số truyền nhiệt của quá trình cô đặc. Hệ số truyền nhiệt càng lớn, cường độ bốc hơi càng cao.6 Biến đổi của dung dịch mía đường trong quá trình cô đặc Dưới tác dụng của nhiệt độ, sacaroza có thể bị chuyển hóa thành glucoza và fructoza. Khi nhiệt độ tăng 10 ℃ thì tốc độ chuyển hóa tăng 2 - 3 lần.
Ngoài ra, trong điều kiện nhiệt độ cao đường sacaroza bị mất nước tạo thành caramen là sản phẩm có màu như caramenlan, caramenlen, caramenlin. Chất màu caramen được coi như hợp chất humin (C12H8O4)n. Đó là sự polyme hóa ở mức độ khác nhau của β-anhidrit[1]. Các hợp chất màu đã chứa sẵn trong cây mía.
Khi ép mía những nhân tố này hòa lẫn vào nước mía. ngoài ra, trong quá trình sản xuất, sản sinh một số chất màu mới do kết quả phản ứng hóa học giữa các chất không đường và tuy hàm lượng rất nhỏ nhưng cường độ màu ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng nước mía và ngoại hình của đường cát trắng. Chất màu có trong cây mía: Diệp lục tố có trong bản thân cây mía gồm diệp lục tố a (C55H72O5N4Mg) và diệp lục tố b (C55H70O4N4Mg), xantophin (C40H55O2 và carotene (C40H56),… Trong nước mía chúng hỗn hợp với các loại chất béo mà tồn tại phân tán thành những hạt huyền phù. Khi gia nhiệt nước mía cùng ngưng kết với anbumin.
Chúng cùng với các loại vật chất nổi khác ngưng kết. Trong sản xuất đường, nếu xử lý làm sạch tốt, phần lớn bị loại và đi vào nước bùn. Nếu làm sạch không tốt, nước mía trong bị đục, có một phần cùng các loại chất béo khác phân tán trong nước mía, ảnh hưởng không tốtđến sản xuất. Chất màu mới sinh ra trong quá trình sản xuất đường.
Trong tổ chức tế bào mía, có rất nhiều vật chất nguyên là không màu, nhưng cùng các hợp chất khác kết hợp, sau khi phản ứng hoặc phân hủy tạo thành chất màu, chủ yếu là poliphenon, hợp chất amin và caramen đường. Poliphenon kết hợp sắt tạo thành hợp chất màu nâu đậm. Axit amin kết hợp với đường khử theo phản ứng Maillard tạo thành chất màu melanoidin có màu nâu xẩm. Ở nhiệt độ cao khoảng 200oC đường mất nước tạo thành dạng keo.
Chúng là những chất có hại cho sản xuất đường[1]. Đường sacaroza bị chuyển hóa làm giảm sản lượng đường, giảm hiệu suất thu hồi đường. Đó là một tổn thất rất nghiêm trọng cho công đoạn nấu đường phía sau, do đó cần có những biện pháp làm giảm hoặc tránh tổn thất đến mức tối thiểu.3 Khái quát về cô đặc: 1.1 Khái niệm cô đặc: Cô đặc là phương pháp thường dùng để tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử, với mục đích[2]: Làm tăng nồng độ chất tan. Trang 13 Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh).
Thu dung môi ở dạng nguyên chất. Quá trình cô đặc của một dung dịch lỏng – rắn hay một dung dịch lỏng– lỏng mà có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thì thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi. Tùy theo tính chất của cấu tử (khó bay hơi hay không bay hơi trong quá trình đó), có thể sử dụng phương pháp đun nóng bốc hơi hay làm lạnh kết tinh để tách một phần dung môi (thành phần dễ bay hơi) trong dung dịch[3]. Hơi đốt: hơi dùng để đun sôi dung dịch trong hệ thống cô đặc.
Hơi thứ: hơi bốc lên từ nồi cô đặc đem đun một thiết bị khác trong hệ thống cô đặc. Hơi phụ: hơi lấy ra làm hơi đốt cho thiết bị ngoài hệ thống cô đặc.2 Các phương pháp cô đặc Về cơ bản trong cô đặc có hai phương pháp chính là phương pháp nhiệt và phương pháp lạnh[3].