Tài liệu Tính toán và thiết kế hệ thống trích ly cà phê công suất 1000 kgh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TS. Trần Lệ Thu (GVHD) BÁO CÁO ĐỒ ÁN KỸ THÂ-̣T THỰC PHẨM (Hê ̣: Đại học chính quy) Đề tài: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRÍCH LY CÀ PHÊ CÔNG SÂẤT 1000 Kg/h Tên sinh viên Lớp Lý Dự 05DHTP2 Phan Trần Anh Huy 05DHTP5 Mã sinh viên 2005140077 2005140215 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7 NĂM 2017 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM nói chung và các thầy cô trong khoa Công nghệ thực phẩm, bộ môn Kỹ thuật thực phẩm nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian qua, giúp em hoàn thành đồ án này. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến cô TRẦN LỆ THU, cô đã giúp đỡ, hướng dẫn và giúp em hoàn thiện những thiếu sót trong suốt quá trình thực hiện đồ án học phần. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn cô. Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy (cô) bỏ qua. Đồng thời do chúng em thiếu kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên bài báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp thầy cô để em học thêm nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn bài báo cáo sắp tới. TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 7 năm 2017 Sinh viên thực hiện Lý Dự Phan Trần Anh Huy GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang II ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................II MỤC LỤC.................................................................................................................... III DANH MỤC HÌNH...................................................................................................VII DANH MỤC BẢNG.................................................................................................VIII MỞ ĐẦÂ...................................................................................................................... IX PHẦN MỘT: TỔNG QÂAN TRÍCH LY....................................................................1 1.1. Nguyên liệu...........................................................................................................1 1.1.1. Cà phê nhân.................................................................................................1 1.1.2. Tiêu chuẩn cà phê nhân................................................................................2 1.2. Cơ sở lý thuyết quá trình trích ly..........................................................................4 1.2.1. Khái niệm:....................................................................................................4 1.2.2. Dung môi:....................................................................................................4 1.2.3. Mục đích công nghệ và phạm vi thực hiện...................................................5 1.2.4. Các biến đổi nguyên liệu..............................................................................5 1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng...................................................................................6 1.3. Các thiết bị trích ly rắn – lỏng..............................................................................7 1.3.1. Quá trình không liên tục:..............................................................................7 1.3.2. Trích ly nhiều bậc:.......................................................................................9 1.3.3. Quá trình liên tục (ổn định)........................................................................10 PHẦN HAI: TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ...................................................13 2.1. Sơ đồ nguyên lí làm việc......................................................................................13 2.2. Cân bằng vật chất................................................................................................13 2.2.1. Các thông số ban đầu.................................................................................13 2.2.2. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy................................14 GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang III ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM 2.2.3. Xác định tỷ số hoàn lưu thích hợp..............................................................15 2.2.3.1. Tỷ số hoàn lưu tối thiểu..........................................................................15 2.2.3.2. Tỷ số hoàn lưu làm việc..........................................................................16 2.2.4. Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết......................................16 2.2.4.1. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất...............................16 2.2.4.2. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng..........................16 2.2.4.3. Vẽ đồ thị chưng cất, xác định số mâm lý thuyết.....................................16 2.2.5. Xác định số mâm thực tế - Biểu đồ chưng cất............................................17 2.3. Tính toán thiết kế tháp chưng cất.........................................................................19 2.3.1. Đường kính tháp........................................................................................19 2.3.2. Đường kính đoạn cất..................................................................................19 2.3.2.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp.........................................................19 2.3.2.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp........................................................21 2.3.3. Đường kính đoạn chưng.............................................................................22 2.3.3.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp.........................................................22 2.3.3.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp........................................................24 2.3.4. Trở lực của tháp.........................................................................................26 2.3.4.1. Cấu tạo mâm xuyên lỗ............................................................................26 2.3.4.2. Độ giảm áp của pha khí đi qua một mâm................................................26 2.3.4.3. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động......................................................32 2.3.5. Tính toán thân tháp....................................................................................34 2.3.6. Tính toán đáy và nắp thiết bị......................................................................35 2.4. Đường kính ống dẫn, bích ghép các ống đẫn.......................................................37 2.4.1. Vị trí nhập liệu...........................................................................................37 2.4.2. Ống hơi ở đỉnh tháp...................................................................................38 2.4.3. Ống hoàn lưu..............................................................................................38 2.4.4. Ống dẫn hơi vào đáy tháp...........................................................................39 2.4.5. Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp.....................................................................40 2.4.6. Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy):...........................................40 2.4.7. Chân đỡ, tay treo........................................................................................41 2.4.7.1. Tính trọng lượng của tháp.......................................................................41 GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang IV ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM 2.4.7.2. Chân đỡ tháp...........................................................................................42 2.4.7.3. Tai treo....................................................................................................43 2.5. Tính toán thiết kế thiết bị phụ..............................................................................44 2.5.1. Cân bằng năng lượng.................................................................................44 2.5.2. Thiết bị đun sôi đáy tháp............................................................................44 2.5.2.1. Suất lượng hơi nước cần dùng................................................................44 2.5.2.2. Hiệu suất nhiệt độ trung bình..................................................................46 2.5.2.3. Xác định hệ số truyền nhiệt....................................................................50 2.5.2.4. Xác định bề mặt truyền nhiệt..................................................................50 2.5.2.5. Cấu tạo thiết bị........................................................................................50 2.5.3. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh................................................................50 2.5.3.1. Suất lượng nước làm nguội sản phẩm đỉnh cần dùng..............................51 2.5.3.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình.....................................................................52 2.5.3.3. Hệ số truyền nhiệt trung bình..................................................................52 2.5.3.4. Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ống ngoài:......................52 2.5.3.5. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:.........................................................53 2.5.3.6. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống trong:...........................54 2.5.3.7. Xác định hệ số truyền nhiệt:...................................................................55 2.5.3.8. Bề mặt truyền nhiệt:................................................................................55 2.5.3.9. Cấu tạo thiết bị:.......................................................................................55 2.5.4. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh..............................................................56 2.5.4.1. Suất lượng nước làm nguội sản phẩm đỉnh cần dùng..............................57 2.5.4.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình.....................................................................57 2.5.4.3. Hệ số truyền nhiệt trung bình..................................................................57 2.5.4.4. Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ống ngoài:......................57 2.5.4.5. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:.........................................................58 2.5.4.6. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống trong:...........................59 2.5.4.7. Xác định hệ số truyền nhiệt:...................................................................61 2.5.4.8. Bề mặt truyền nhiệt:................................................................................61 2.5.4.9. Cấu tạo thiết bị:.......................................................................................61 2.5.5. Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu................................................................61 GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang V ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM 2.5.5.1. Suất lượng nước gia nhiệt dòng nhập liệu cần dùng:..............................63 2.5.5.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình.....................................................................64 2.5.5.3. Hệ số truyền nhiệt trung bình..................................................................64 2.5.5.4. Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu:.........................................64 2.5.5.5. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:.........................................................65 2.5.5.6. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước cấp nhiệt đi trong ống trong:............66 2.5.5.7. Xác định hệ số truyền nhiệt:...................................................................67 2.5.5.8. Bề mặt truyền nhiệt:................................................................................67 2.5.5.9. Cấu tạo thiết bị:.......................................................................................67 2.5.6. Bồn cao vị..................................................................................................68 2.5.6.1. Tổn thất đường ống dẫn..........................................................................68 2.5.6.2. Tổn thất đường ống dẫn nhập liệu:.........................................................69 2.5.6.3. Chiều cao bồn cao vị:..............................................................................71 2.5.7. Bơm...........................................................................................................72 2.6. Sơ đồ thiết bị chính và thiết bị phụ......................................................................75 KẾT LÂẬN..................................................................................................................76 PHỤ LỤC 1: CÁC TÀI LIỆ THAM KHẢO...........................................................77 PHỤ LỤC 2: BẢN VẼ THIẾT BỊ CHÍNH................................................................78 GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang VI ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Thiết bị trích ly một bậc............................................................................8 Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lí hệ thống trích ly nhiều bậc ngược dòng..........................9 Hình 1.3. Trích ly liên tục........................................................................................10 Hình 1.4. Thiết bị trích ly Rotocel...........................................................................10 Hình 1.5. Thiết bị trích ly Kenedy...........................................................................11 Hình 1.6. Thiết bị trích ly Bollman..........................................................................11 Hình 1.7. Thiết bị trích ly CO2 tới hạn.....................................................................12 GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang VII ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Tiêu chuẩn dùng nước trong công nghệ thực phẩm.........................................4 Hình 1.1. Thiết bị trích ly một bậc..................................................................................8 Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lí hệ thống trích ly nhiều bậc ngược dòng................................9 Hình 1.3. Trích ly liên tục..............................................................................................10 Hình 1.4. Thiết bị trích ly Rotocel.................................................................................10 Hình 1.5. Thiết bị trích ly Kenedy.................................................................................11 Hình 1.6. Thiết bị trích ly Bollman................................................................................11 Hình 1.7. Thiết bị trích ly CO2 tới hạn...........................................................................12 Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lí hệ thống chưng cất cồn.........................................................75 GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang VIII ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM MỞ ĐẦ Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của xã hội thì yêu cầu về sự tiện dụng và chất lượng của sản phẩm ngày càng lớn và cà phê hòa tan hay cà phê uống liền là sự lựa chọn tối ưu cho những người yêu thích cà phê. Đó là một loại đồ uống bắt nguồn từ cà phê nhưng dưới dạng bột cà phê và đã được nêm nếm sẵn theo khẩu vị và được chế biến bằng phương pháp rang, xay, sấy khô. Cà phê hòa tan được sử dụng ngay bằng cách chế với nước sôi và khuấy đều là có thể sử dụng, không chỉ vậy loại cà phê này có thể bảo quản được lâu và dễ sử dụng. Để sản xuất được cà phê hòa tan cần phải qua quá trình trích ly và nó là quá trình vô cùng quan trọng trong việc sản xuất cà phê hòa tan. Chính vì điều đó mà các nhà máy sản xuất cà phê hòa tan ngày càng cải tiến thiết bị trích ly của mình để quá trình trích ly được tối ưu hơn. Mục tiêu của quá trình nghiên cứu này là tính toán thông số liên quan đến nguyên liệu, thiết bị, để chế tạo một thiết bị trích ly cà phê với công suất 1000 kg/h. Phương pháp nghiên cứu là phân tích tổng hợp lý thuyết và mô hình hóa. Khi ta thiết kế được một hệ thống trích ly tối ưu hơn điều đó sẽ giúp công ty làm giảm giá thành sản phẩm kéo theo đó là sẽ hạ được giá thành sản phẩm cho người tiêu dùng và có sản phẩm chất lượng hơn. Ngoài ra nó còn tạo nguồn nguyên liệu phong phú cho một số nghành sản xuất thực phẩm khác như: bánh kẹo. . Sinh viên thực hiện Lý Dự Phan Trần Anh Huy GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang IX ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM PHẦN MỘT: TỔNG QÂAN TRÍCH LY 1.1. Nguyên liệu 1.1.1. Cà phê nhân q Thành phần hóa học Thành phần hóa học trong cà phê nhân biến đổi phụ thuộc vào chủng loại, độ chín, điều kiện canh tác, phương pháp chế biến và bảo quản: - Nước Trong nhân cà phê đã sấy khô, nước còn lại 10-12% ở dạng liên kết. Khi hàm lượng nước cao hơn hạt cà phê có thể bị nấm móc và hư hỏng. Mặt khác hàm lượng nước cao có thể làm tăng thể tích bảo quản kho, khó khăn trong quá trình rang, tốn nhiều nhiên liệu và nhất là làm tổn thất hương cà phê. Hàm lượng nước sau khi rang còn lại khoảng 2,7%. - Chất khoáng Hàm lượng chất khoáng trong cà phê nhân là 3-5%, chủ yếu là kali, photpho, nitơ, magie, clo. Những chất này ảnh hưởng đến mùi cà phê. Chất lượng cà phê cao khi lượng chất khoáng càng thấp và ngược lại. - Glucid Chiếm khoảng 1 trong tổng số chất khô, đại bộ phận không tham gia vào 2 thành phần nước uống mà chỉ tạo màu và vị caramel. Đường có trong cà phê chủ yếu do tác dụng của phản ứng thủy phân dưới tác dụng của acid hữu cơ và enzyme thủy phân. Hàm lượng sacharose có trong cà phê phụ thuộc vàomức độ chín, quả càng chín thì hàm lượng đường càng cao. Hạt cà phê có chứa nhiều polysaccharied nhưng phần lớn là bị tách ra sau qua trình trích ly. - Protein Hàm lượng protein trong cà phê không cao nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra hương vị của sản phẩm. Thành phần protein trong cà phê có những acid amin sau: cysteine, alanie, lysine, phenilanine, histidine, leusine,... Khi gia nhiệt các mạch polypeptide bị phân cắt, các acid amin được giải phóng tiếp tục tham gia vào phản ứng maillard, caramel tạo mùi và vị cho cà phê rang. Trong các amin kể trên chú ý nhất là các acid amin chứa lưu huỳnh như cysteine, proline, GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 1 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM chúng góp phần làm giảm tốc độ oxi hóa của các chất thơm, làm cho cà phê rang giữ được mùi vị lâu khi bảo quản. - Lipid Hạt cà phê chứ lượng lipid khá lớn( 10-13%). Lipid trong cà phê gồm chủ yếu trong dầu và sáp. Trong qua trình chế biến lipid bị biến đổi, song một phần acid béo tham gia phản ứng dưới tác dụng của nhiệt độ cao tạo nên hương thơm cho sản phẩm, lượng lipid không bị biến đổi là dung môi tốt hòa tan các chất thơm. Khi pha cà phê thì chỉ một lượng nhỏ lipid đi vào nước còn phần lớn lưu lại trên bã. - Các alkaloid Trong cà phê có các alkaloid như caffeine, trigonelline, coline. Trong đó quan trọng và được nghiên cứu nhiều hơn cả là caffeine, trigonelline. Caffeine chiếm từ 1-3%, hàm lượng caffein thấp hơn trong chè nhưng nó kích thích hệ thần kinh với thời gian nhiều hơn. Trigonelline không có hoạt tính sinh lý, ít tan trong rượu etylic, không tan trong cloroform và ete, tan nhiều trong nước nóng, nhiệt độ nóng chảy là 218°C. Tính đáng quý của nó là dưới tác dụng của nhiệt độ cao nó bị thủy phân thành acid nicotide (tiền vitamin PP). - Chất thơm Trong cà phê hàm lượng chất thơm nhỏ, nó được hình thành và tích lũy trong hạt. Mặt khác nó được hình thành trong quá trình chế biến, đặc biệt trong quá trình rang.Các chất thơm của cà phê dễ bị bay hơi biến đổi và dẫn đến hiện tượng cà phê bị mất mùi thơm nên cần bảo quản trong bao bì kín và tiêu thụ nhanh. 1.1.2. Tiêu chuẩn cà phê nhân Để đánh giá chất lượng cà phê nhân người ta thường dựa vào các tiêu chí sau: - Độ ẩm < 13% - Cỡ hạt đồng đều theo TCVN 4807:2001 - Hàm lượng tạp chất và tỉ lệ các loại cà phê khác nhau - Tổng trị số lỗi trên 300g mẫu - Các tính chất cảm quan về màu sắc và thể chất của hạt cà phê - Nước GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 2 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM Chỉ tiêu Tiêu chuẩn Chỉ tiêu vật lí Mùi vị không Độ trong (ống Dienrent) 100 ml Chỉ tiêu hóa học pH 6,0 – 7,8 CaO 50 – 100 mg/l MgO 50 mg/l Fe₂O₃ 0.3 mg/l MnO 0.2 mg/l BO₄³¯ 1,2 – 2,5 mg/l SO₄²¯ 0,5 mg/l NH₄¯ 0,1 -0.3mg/l NO₂¯ Không NO₃¯ Không Pb 0,1 mg/l As 0,05 mg/l Cu 2 mg/l Zn 5 mg/l F 0,3 – 0,5 mg/l Chỉ tiêu vi sinh Tổng số vi sinh vật hiếu khí <100 cfu/ml Chỉ số Coli ( số Coli/1l nước ) <20 Chuẫn số Coli >50 Vi sinh gây bệnh Không có Bảng 1.1. Tiêu chuẩn dùng nước trong công nghệ thực phẩm 1.2. Cơ sở lý thuyết quá trình trích ly 1.2.1. Khái niệm: Trích ly là quá trình hòa tan chọn lọc một hay nhiều cấu tử có trong mẫu nguyên liệu bằng cách cho nguyên liệu tiếp xúc với dung môi. Động lực học của GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 3 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM quá trình trích ly là sự chênh lệch nồng độ của cấu tử ở trong nguyên liệu và ở trong dung môi. Đây là một quá trình truyền khối. Trong quá trình triết ly, dung môi thường ở dạng pha lỏng, còn nguyên liệu có thể ở dạng pha rắn hoặc pha lỏng. Nếu mẫu nguyên liệu ở dạng pha rắn, quá trình được gọi là trích ly rắn-lỏng (solid- liquid extraction). Còn nếu mẫu nguyên liệu ở dạng lỏng thì đây là quá trình trích ly lỏng-lỏng (liquid- liquid extraction). Trong công nghiệp thực phẩm, các nguyên liệu cần được trích ly thường tồn tại ở dạng pha rắn. Trích ly chất rắn là quá trình hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử trong chất rắn bằng cách cho chất rắn tiếp xúc với dung môi lỏng. 1.2.2. Dung môi: Chọn dung môi trong quá trình trích ly là một vấn đề hết sức quan trọng để thực hiện quá trình trích ly. Người ta thường chọn những tiêu chí sau đây để lựa chọn dung môi: - Dung môi có khả năng hòa tan chọn lọc, tức cấu tử cần thu nhận trong mẫu nguyên liệu có độ hòa tan cao trong dung môi. Ngược lại, các cấu tử khác có trong mẫu nguyên liệu cần trích ly thì không hòa tan được trong dung môi hoặc có độ tan kém hơn. - Dung môi phải trơ với các cấu tử có trong dịch trích. - Dung môi không gây hiện tượng ăn mòn thiết bị, khó cháy và không độc với người sử dụng. - Dung môi có giá thành thấp, dễ tìm; các nhà sản xuất có thể thu hồi dung môi sau quá trình trích ly để tái sử dụng. 1.2.3. Mục đích công nghệ và phạm vi thực hiện - Khai thác: Các quá trình trích ly trong công nghiệp thực phẩm có mục đích chủ yếu là khai thác do chiết rút các cấu tử cần thu nhận có trong nguyên liệu ban đầu, làm tăng nồng độ của chúng trong sản phẩm cuối cùng. - Hoàn thiện: quá trình trích ly có thể hoàn thiện một vài chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm, ví dụ như trích ly caffeine từ trà và cà phê trong công nghệ sản xuất trà và cà phê nghèo caffeine. 1.2.4. Các biến đổi nguyên liệu GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 4 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM - Hóa lý: là nhóm biến đổi quan trọng trong quá trình trích ly. Đó là sự hòa tan của các cấu tử từ nguyên liệu (pha rắn) và dung môi (pha lỏng). Cần chú ý, tùy theo tính chọn lọc của dung môi mà thành phần và hàm lượng các cấu tử hòa tan thu được trong dịch trích sẽ thay đổi. Thông thường ngoài những cấu tử cần thu nhận, dịch trích còn chứa một số cấu tử hòa tan khác. Ngoài ra trích ly còn có thể xảy ra những biến đổi về pha khác như sự bay hơi, sự kết tủa…. Như trong sản xuất cà phê hòa tan, quá trình trích ly có thể làm tổn thất một số cấu tử hương có trong nguyên liệu. Điều này ảnh hưởng không tốt đến mùi của bột cà phê hòa tan. - Vật lý: sự khuếch tán là biến đổi vật lý quan trọng trong quá trình trích ly. Các phân tử chất tan sẽ dịch chuyển từ tâm của nguyên liệu đến vùng bề mặt và dịch chuyển từ vùng bề mặt nguyên liệu vào dung môi. Các phân tử dung môi sẽ khuếch tán từ vùng bên ngoài nguyên liệu vào bên trong cấu trúc các mao dẫn của nguyên liệu. Sự khuếch tán sẽ giúp cho quá trình chiết rút các cấu tử cần trích ly từ nguyên liệu vào dung môi xảy ra nhanh và triệt để hơn. Động lực học của khuếch tán là do chênh lệch nồng độ. - Hóa học: trong quá trình trích ly, có thể xảy ra các phản ứng hóa học giữa các cấu tử trong nguyên liệu. Tốc độ của các phản ứng hóa học sẽ gia tăng khi chúng ta thực hiện quá trình trích ly ở nhiệt độ cao, ví dụ như trong trích ly triglyceride trong đậu nành, nếu sử dụng nhiệt độ cao dễ làm cho chất béo bị oxy hóa. Hiện tượng này làm cho dịch trích ly chứa nhiều tạp chất và gây khó khăn cho những quá trình tinh sạch tiếp theo. - Hóa sinh và sinh học: khi sử dụng dung môi là nước và trích ly ở nhiệt độ phòng thì một số biến đổi hóa sinh và sinh học có thể xảy ra. Các enzyme trong nguyên liệu sẽ xúc tác phản ứng chuyển hóa những cơ chất có nguồn gốc nguyên liệu. Hệ vi sinh vật trong nguyên liệu sẽ phát triển. Tuy nhiên, khi chúng ta thực hiện quá trình ở nhiệt độ cao thì biến đổi hóa sinh và sinh học xảy ra không đáng kể. 1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng Hàm mục tiêu của quá trình trích ly là hiệu suất thu hồi cấu tử cần chiết tách. Đó là tỷ lệ giữa hàm lượng cấu tử trong dung dịch trích ly so với hàm lượng GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 5 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM cảu nó trong nguyên liệu đem trích ly. Gía trị hiệu suất thu hồi cấu tử càng cao thì việc thực hiện quá trình trích ly sẽ đạt hiệu quả kinh tế càng cao: - Kích thước nguyên liệu: kích thước nguyên liệu càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc bề mặt giữa nguyên liệu và dung môi sẽ càng lớn. Do đó, việc trích ly các cấu tử từ nguyên liệu vào dung môi sẽ trở nên dễ dàng hơn. Tuy nhiên, nếu kích thước của nguyên liệu quá nhỏ thì chi phí cho quá trình nghiền xé nguyên liệu sẽ gia tăng. Ngoài ra, việc phân riêng pha lỏng và pha rắn khi kết thúc quá trình trích ly sẽ trở nên khó khăn hơn. Bằng phương pháp thực nghiệm, các nhà sản xuất cần xác định kích thước phù hợp ứng với từng loại nguyên liệu đem trích ly. - Tỉ khối lượng giữa nguyên liệu và dung môi: với cùng một lượng nguyên liệu, nếu ta tăng lượng dung môi sử dụng thì hiệu suất trích ly sẽ tăng theo. Đó là chênh lệch nồng độ của cấu tử cần trích ly trong nguyên liệu và dung môi sẽ càng lớn. Tuy nhiên, nếu lượng dung môi sử dụng quá lớn thì sẽ làm loãng dịch trích. Khi đó, các nhà sản xuất phải thực hiện quá trình cô đặc hoặc xử lý dịch trích bằng phương pháp khác để tách bớt dung môi. Như vậy, chúng ta cần xác định tỷ lệ phù hợp giữa khối lượng nguyên liệu và dung môi. Ví dụ như trong sản xuất thức uống thảo mộc, tỷ lệ khối lượng giữa nguyên liệu và dung môi (nước) thường dao động trong khoảng 1/6 – 1/10. - Nhiệt độ trích ly: khi tăng nhiệt độ, các cấu tử sẽ chuyển động nhanh hơn, do đó sự hòa tan và khuếch tán của cấu tử từ nguyên liệu vào dung môi sẽ được tăng cường. Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng, độ nhớt của dung dịch sẽ giảm, dung môi dễ dàng xuyên qua lớp nguyên liệu và làm cho diện tích tiếp xúc bề mặt giữa nguyên liệu và dung môi sẽ càng lớn. Tuy nhiên, việc tăng nhiệt độ trích ly sẽ làm tăng chi phí năng lượng cho quá trình, đồng thời có thể xảy ra một số phản ứng hóa học không mong muốn trong dịch trích ly và sự tổn thất các cấu tử hương sẽ tăng. Do đó các nhà sản xuất sẽ chọn nhiệt độ trích ly tối ưu tùy theo trường hợp cụ thể, vd như trong sản xuất trà hòa tan quá trình trích ly được thực hiện ở 70-900C. - Thời gian trích ly: khi tăng thời gian trích ly thì hiệu suất thu hồi chất chiết sẽ tăng. Tuy nhiên, nếu thời gian trích ly quá dài thì hiệu suất thu hồi chất chiết sẽ không tăng thêm đáng kể. GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 6 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM - Tốc độ của dong dung môi chảy qua lớp nguyên liệu trong thiết bị trích ly: nếu dòng dung môi được bơm với tốc độ cao vào thiết bị chứa nguyên liệu cần trích ly thì sẽ làm giảm đi kích thước lớp biên bao bọc xung quanh nguyên liệu, đây là nơi tập trung các cấu tử hòa tan. Do đó, tốc độ trích ly các cấu tử từ nguyên liệu sẽ gia tăng. Tùy thuộc vào hình dạng thiết bị, kích thước của lớp nguyên liệu trong thiết bị mà tốc độ dòng dung môi bơm vào thiết bị sẽ được lựa chọn sao cho thời gian trích ly là ngắn nhất và hồi suất hồi chất chiết là cao nhất. - Áp suất: trong phương pháp trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn, áp suất và nhiệt độ là hai yếu tố ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất thu hồi chất chiết. Thông thường, khi tăng áp suất và nhiệt độ thì quá trình trích ly diễn ra càng nhanh và hiệu suất trích ly sẽ tăng theo. Tuy nhiên, việc tăng áp suất sẽ tăng chi phí vận hành và giá thành thiết bị cũng tăng cao. Trong nghiên cứu trích ly carotenoids và chlorophyll từ tảo Nannochloropsis gaditana bằng CO2 siêu tới hạn, các nhà khoa học đã thấy rằng khi áp suất từ 10MPa thì hiệu suất trích ly tăng theo. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng áp suất trích ly lên 50MPa thì hiệu suất trích ly bị giảm nhẹ. 1.3. Các thiết bị trích ly rắn – lỏng 1.3.1. Quá trình không liên tục: Qúa trình không ổn định bao gồm các quá trình trong đó chất rắn và dung môi được cho tiếp xúc theo từng mẻ hoặc từng mẻ chất rắn được cho tiếp xúc với dòng ding môi chảy liên tục. q Thùng trích ly (ngâm trích) Các hạt rắn có kích thước trung bình thường được trích ly bằng phương pháp ngâm chiết trong thùng hở. Các thùng nhỏ thường được làm bằng gỗ hoặc kim loại: - Quy trình thực hiện Qúa trình được thực hiện bằng cách cho đầy chất rắn vào thùng, sau đó cho vào thùng lượng dung môi đủ ngập chất rắn và toàn bộ khối chất rắn được ngâm trong dung môi trong một thời gian định trước. Trong khoảng thời gian ngâm này dung môi có thể được cho bơm tuần hoàn. Sau đó chất lỏng được tháo ra ở đáy thùng để đưa vào hệ thống chưng cất thu hồi dung môi và dung chất. Toàn bộ quá trình được GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 7 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM xem như một bậc. Lặp lại quá trình này nhiều lần cuối cùng sẽ hào tan hết tất cả dung chất. Một phương pháp thực hiện khác là cho chất lỏng chảy vào và liên tục, quá trình như vậy tương đương với quá trình nhiều bậc. Trong trường hợp độ giảm áp của chất lỏng quá lớn khi chảy qua lớp chất rắn thì ta sẽ dùng thùng kín để bơm chất lỏng qua tầng chất rắn. Thùng kín cũng tránh được sự tổn thất dung môi do quá trình bay hơi của dung môi dễ bay hơi khi quá trình hoạt động ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi. - Ưu điểm Phương pháp này rẻ tiền, cấu tạo của các thùng ngâm chiết thay đổi theo bản chất của chất rắn và chất lỏng cũng như năng suất của quá trình. - Ứng dụng Thiết bị trích ly một bậc hiện đang được sử dụng trong sản xuất thức uống thảo mộc, trà hòa tan, cà phê hòa tan và dầu béo ở quy mô nhỏ. Hình 1.1. Thiết bị trích ly một bậc GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 8 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM 1.3.2. Trích ly nhiều bậc: - Nguyên lí hoạt động Hệ thống gồm có tất cả 14 thiết bị và được ký hiệu từ 1 tới 14. Dung môi sẽ chuyển động ngược chiều kim đồng hồ, còn các thiết bị trích ly sẽ chuyển động cùng chiều kim đồng hồ. Dung môi mới nạp vào hệ thống tại thiết bị số 13, còn dịch trích ly được tháo ra khỏi hệ thống từ thiết bị số 9, các số thiết bị 10,11,12 đặc trưng cho các công đoạn tháo bã ra khỏi thiết bị, vệ sinh thiết bị và nạp nguyên liệu vào thiết bị. - Ứng dụngHệ thống trích ly nhiều bậc được sử dụng rộng rãi ở quy mô công nghiệp để sản xuất cà phê hòa tan, trà hòa tan và đường saccharose ở củ cải đường. Mỗi thiết bị trên có thể chứa 10 tấn nguyên liệu. Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lí hệ thống trích ly nhiều bậc ngược dòng GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 9 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM 1.3.3. Quá trình liên tục (ổn định) Ngoài ra còn có một số loại thiết bị trích ly nhiều bậc hoạt động liên tục để trích ly dầu thực vật từ các hạt chứa dầu bằng một số loại dung môi hữu cơ( chẳng hạn hexan). Dung dịch dung môi – dầu thường còn lẫn một lượng nhỏ các hạt rất mịn, lơ lửng gọi là Hình 1.3. Trích ly liên tục micella. q Thiết bị trích ly Rotocel: - Cấu tạo: Thiết bị trích ly Rotocel gồm thùng tròn có 18 ngăn chứa các hạt rắn quay chậm trên một thùng cố định. - Nguyên lý hoạt động: Khi thùng quay chứa các hạt rắn quay chậm trên một thùng cố định. Khi thùng quay chất rắn sẽ được nạp vào các ngăn và dung môi được tới lên mỗi ngăn định kỳ để thực hiện quá trình trích ly. Khi quay gần hết một vòng, chất rắn sẽ tháo qua một ngăn cố định bên dưới và được chuyển ra ngoài. Dung môi ngấm qua chất rắn vào ngăn cố định bên dưới và được bơm trở lại vào ngăn chứa chất rắn kế tiếp. Qúa trình trích ly là nghịch dòng và dung dịch đậm đặc nhất được lấy ra Hình 1.4. Thiết bị trích ly Rotocel tù ngăn chứa chất rắn mới. Toàn bộ thiết bị được bọc kín trách tổn thất dung môi. GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 10 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM - Ứng dụng: để trích ly enzyme một cách liên tục từ canh trường nấm mốc và vi khuẩn. q Thiết bị trích ly Kenedy: - Cấu tạo: Thiết bị trích ly gồm nhiều khoang, vật liệu trích ly được đưa từ khoang này sang khoang khác bằng cánh gat, trong khi dung môi chảy tràn nghịch chiều. Số khoang của thiết bị được xác định theo yêu cầu của quá trình trích ly. - Ứng dụng: Thiết bị trích ly Kenedy thường được dùng trích ly tanin từ Hình 1.5. Thiết bị trích ly Kenedy vỏ cây đước, dầu béo thực vật và các quá chất khác. q Thiết bị trích ly Bollman Nguyên lý hoạt động: chất rắn được đặt trong các giỏ có đục lỗ và được gắn vào hệ thống vận chuyển, có chuyển động đi xuống ở bên phải hình và đi lên ở bên trái hình. Khi đi xuống, chất rắn được trích ly cùng dòng bằng dung môi có chứa một phần dung chất được bơm từ đáy bên trái thiết bị lên đỉnh. Chất lỏng chảy qua các giỏ xuống đến đáy bên phải là dung dịch đậm đặc và được lấy ra ngoài. Khi đi lên chất rắn được trích ly bằng dung môi mới để cho dung dịch có một phần dung chất. GVHD: TS. Trần Lệ Thu Hình 1.6. Thiết bị trích ly Bollman Trang 11