CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÔ ĐẶC 1. Định nghĩa Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch gồm 2 hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng - rắn hay lỏng - lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là các quá trình vật lý - hoá lý.
Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh. [1] Cô đặc được tiến hành ở các nhiệt độ sôi và áp suất như: áp suất chân không, áp suất thường (áp suất khí quyển hay áp suất dư), trong hệ thống thiết bị cô đặc một nồi hay nhiều nồi. Quá trình cô đặc có thể là gián đoạn hay liên tục. Hơi bay ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước, gọi là “hơi thứ” thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc.
Nếu “hơi thứ” được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc thì gọi là “hơi phụ”. Các phương pháp cô đặc Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng. [1] Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tuỳ tính chất của cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh.
[1] Trong quá trình cô đặc bằng nhiệt, nguyên liệu đầu vào luôn có dạng lỏng như syrup, nước trái cây, sữa… Nồng độ chất khô trong nguyên liệu thường dao động từ 10 – 35%. Sau quá trình cô đặc sản phẩm thu được cũng có dạng lỏng và nồng độ chất khô có thể lên đến 80%. Bản chất vật lý của quá trình bốc hơi Quá trình bốc hơi theo thuyết động học phân tử giải thích như sau: Các phân tử của chất lỏng nằm gần mặt thoáng có chuyển động vì nhiệt, ở thời điểm nào đó tốc độ chuyển động của 4 do an phân tử vượt quá giới hạn cho phép sẽ thoát khỏi bề mặt chất lỏng trở thành trạng thái tự do (hơi). Khi bay hơi các phân tử cần khắc phục các liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực của áp suất bên ngoài khi đó phân tử bay hơi cần phải thu nhiệt bên ngoài, lượng nhiệt lấy đi trong quá trình bay hơi ở nhiệt độ xác định của một đơn vị khối lượng chất lỏng gọi là ẩn nhiệt bay hơi.
Khi nhiệt độ tăng ẩn nhiệt bay hơi giảm, ở nhiệt độ tới hạn ẩn nhiệt bay hơi bằng không. Khi sôi chất lỏng bốc hơi không những ở trên mặt thoáng của mà phần chủ yếu là các bọt hơi được tạo thành trong lòng chất lỏng. Trong quá trình bốc hơi các bọt hơi tăng dần kích thước nhờ lực đẩy Acsimet nó sẽ bị đẩy lên mặt thoáng, đồng thời các bọt khí lại được tạo thành, kết quả là hơi được chuyển liên tục từ bên trong lớp chất lỏng lên mặt thoáng. Các bọt hơi tạo thành trong chất lỏng có một số khí hòa tan, khi đun nóng các khí thoát ra tạo thành bọt, từ các bọt này chất lỏng sẽ bay hơi, hiện tượng này thường có ở giai đoạn đầu của quá trình sôi.
Điều kiện để tạo thành bọt hơi là áp suất hơi trong bọt phải bằng áp suất của chất lỏng xung quanh. Ở điều kiện này chất lỏng sẽ bay hơi mạnh, mặc dù lượng nhiệt cung cấp từ ngoài vào cho chất lỏng tương đối lớn nhưng nhiệt độ của nó cũng không tăng. Đôi khi chất lỏng sôi ở trạng thái quá nhiệt (hiện tượng này xảy ra ở giai đoạn đầu của quá trình sôi) do chất lỏng không chứa khí hòa tan, khi đó áp suất hơi bên trong bọt p1 phải bằng áp suất p0 của chất lỏng bên ngoài cộng thêm áp suất p’ để thắng trở lực do sức căng bề mặt giữa hơi và lỏng, áp suất này bằng p’ = 2σ/ρ. Cô đặc chân không Trong phương pháp nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt độ (do đun nóng), dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng dung dịch (khi dung dịch sôi).
Để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ cao như dung dịch đường, dung dịch nước trái cây… đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp, hay còn gọi là ở chân không (p < 1 atm). Đó được gọi là phương pháp cô đặc chân không. Các yếu tố kỹ thuật của quá trình cô đặc thực phẩm Quá trình cô đặc thực phẩm có 3 thông số cơ bản: nhiệt độ sôi, thời gian sản phẩm lưu lại trong thiết bị (thời gian cô đặc) và cường độ bốc hơi. Nhiệt độ sôi Khi tiến hành một quá trình cô đặc thực phẩm người ta đun nóng khối sản phẩm tới nhiệt độ sôi.
Nước trong sản phẩm bốc hơi cho đến khi nồng độ chất khô đã đến nồng độ yêu cầu thì ngừng quá trình cô đặc và cho sản phẩm ra khỏi thiết bị. [1] Nhiệt độ sôi của sản phẩm phụ thuộc áp suất hơi ở trên bề mặt, nồng độ chất khô và tính chất vật lý, hóa học của sản phẩm. Khi áp suất hơi trên bề mặt của sản phẩm càng thấp thì nhiệt độ sôi của sản phẩm càng thấp. Vì vậy việc tạo độ chân không trong thiết bị cô đặc sẽ giảm được nhiệt độ sôi của sản phẩm.
Hay nói cách khác là điều chỉnh nhiệt độ sôi bằng cách thay đổi độ chân không. Quan hệ giữa độ chân không và nhiệt độ sôi của nước [3] Độ chân không Độ chân không Nhiệt độ sôi (0C) Nhiệt độ sôi (oC) (mmHg) (mmHg) 0 100 526 70 126 95 572,5 65 234 90 610 60 326 85 642 55 405 80 667,6 50 430 75 690 44,5 Khi nồng độ chất khô trong sản phẩm càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao. Trong quá trình cô đặc, nồng độ chất khô tăng dần nên nhiệt độ sôi của sản phẩm cũng tăng dần. Nhiệt độ sôi thấp thì tính chất của thực phẩm ít bị biến đổi như sinh tố ít bị tổn thất, màu sắc ít bị biến đổi, mùi thơm cũng ít bị bay hơi.
Nhiệt độ sôi thấp còn làm giảm tốc độ ăn mòn và kéo dài thời gian bền của vật liệu làm thiết bị cô đặc. 6 do an Bảng 1. Quan hệ giữa nồng độ chất khô và nhiệt độ sôi ở 760 mmHg [3] Nồng độ chất khô (%) Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg (0C) 55 102,4 60 103,5 65 104,5 70 105,5 75 107,5 Thời gian cô đặc Là thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị cô đặc cho sự bốc hơi nước ra khỏi nguyên liệu để đạt đến độ khô yêu cầu. Thời gian cô đặc phụ thuộc vào phương pháp làm việc của thiết bị và cường độ bốc hơi của sản phẩm.
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. [1] Cường độ bốc hơi Cường độ bốc hơi của sản phẩm 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.
Ứng dụng Công nghệ cô đặc được ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất hoá chất và thực phẩm. Trong sản xuất hoá chất ứng dụng cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ… Trong sản xuất thực phẩm người ta ứng dụng cô đặc để cô đặc dung dịch đường (syrup), đường dung dịch nước trái cây, dung dịch sữa, dung dịch cà phê, … Quá trình cô đặc có thể là công đoạn chế biến chính, tạo ra sản phẩm hoặc có thể là giai đoạn phụ, phục vụ cho các công đoạn chế biến tiếp theo. Ví dụ: Trong công nghệ sản xuất sữa đặc, cô đặc là công đoạn chế biến chính tạo ra sản phẩm. Trong công nghệ sản xuất mức đông từ nước quả, cô đặc là công đoạn chế biến chính tạo ra sản phẩm.
7 do an Trong công nghệ sản xuất cà phê hòa tan, dịch cà phê được cô đặc đến nồng độ thích hợp để chuẩn bị cho quá trình sấy phun. Ngoài ra, cô đặc còn có vai trò trong việc bảo quản, tiết kiệm chi phí vận chuyển, ứng dụng rộng rãi cho quá trình sản xuất nước trái cây đóng chai hoàn nguyên từ dịch trái cây cô đặc. Hiện nay, phần lớn các nhà máy hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để tạo ra nồng độ mong muốn cho sản phẩm. Ứng với mỗi yêu cầu công nghệ khác nhau, các đặc tính kỹ thuật, điều kiện sản xuất mà sử dụng các phương pháp cô đặc sao cho tối ưu nhất.
Đối với sản xuất thực phẩm, đa số các dung dịch sản xuất dễ bị oxy hóa hoặc thủy phân bởi nhiệt, làm mất giá trị sản phẩm. Cô đặc chân không là phương pháp tối ưu cho vấn đề này. Sau quá trình cô đặc chân không, dung dịch cô đặc giữ lại được các tính chất tốt về mặt dinh dưỡng và cảm quan, đảm bảo chất lượng sản phẩm. Chính vì vậy, trong lĩnh vực sản xuất thực phẩm cô đặc chân không là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất.
Tình hình nghiên cứu về thiết bị cô đặc chân không Cô đặc chân không là phương pháp cô đặc hiện đại, được nghiên cứu phát triển trên thế giới và Việt Nam để ngày càng hoàn thiện chất lượng thiết bị, đáp ứng nhu cầu sản xuất. Tình hình nghiên cứu trong nước Dựa trên cơ sở khoa học các quá trình truyền nhiệt, nhiều nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị cô đặc chân không, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Do điều kiện cơ sở vật chất và kinh nghiệm sản xuất chưa cao nên chưa có nhiều công ty chuyên sản xuất thiết bị cô đặc chân không, tuy nhiên đã có những công ty bắt đầu nghiên cứu, cho ra những thiết bị cô đặc có năng suất cao.