NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ SẢN XUẤT TINH DẦU SẢ BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỔ HƠI

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 3, 2020 37 NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ SẢN XUẤT TINH DẦU SẢ BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỔ HƠI RESEARCH CITRONELLA ESSENTIAL OIL DISTILLATION EQUIPMENT BY STEAM EXPLOSION METHOD Nguyễn Thành Phương, Trần Thanh Sơn Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; thanhphuong211996@gmail.com, ttson@dut.udn.vn Tóm tắt - Cho đến thời điểm tại, việc chưng cất tinh dầu sả Việt Nam dừng lại quy mô thủ công nhỏ lẻ, lạc hậu Trong nghiên cứu này, nhóm chế tạo hệ thống thiết bị kết hợp phương pháp tiền xử lí nổ chưng cất thu tinh dầu Nhóm thử nghiệm thiết bị để chưng cất nhiều lần, kết cho thấy với 3kg sả thu trung bình 15,5ml tinh dầu, đồng thời trình chưng cất rút ngắn tới 70% thời gian so với thiết bị thủ công phổ biến khác Điều chứng tỏ hệ thống thiết bị nổ thu tinh dầu nhóm tiết kiệm thời gian lượng hơn, đầu tư nghiên cứu thêm có hi vọng đáp ứng yêu cầu sản xuất quy mô công nghiệp Abstract - Nowadays, distillation of citronella essential oil in Viet Nam is only conducted at smale scale and uses backward technology In this research, our group has designed and manufactured essential oil collecting equipment by distillation together with pretreatment by steam explosion After many experiments, the final result show that with each kilogram raw citronella, approximately 15.5 ml essential oil is collected and this process also saves over 60% of the total time compared with that of other popular methods These initial results prove that the equipment is efficient in saving time and energy With more time and resource, it is possible to apply the device at industrial scale Từ khóa - tinh dầu; chưng cất; tiền xử lí; nổ hơi; sả Key words - essential oil; distillation; pretreatment; steam explosion; citronella Đặt vấn đề Hiện nay, thị trường nước quốc tế, nhu cầu sử dụng tinh dầu nói chung tinh dầu sả nói riêng ngày tăng cao Nhờ điều kiện khí hậu thổ nhưỡng phù hợp, nước ta may mắn sở hữu nguồn nguyên liệu đầu vào dồi đa dạng Tuy nhiên, chưa thực trọng vào đầu tư ứng dụng khoa học đại nhằm nâng cao chất lượng thành phẩm hiệu sản xuất Các mơ hình chưng cất tinh dầu sả Việt Nam dừng lại quy mô thủ công nhỏ lẻ, lạc hậu, sản xuất theo kinh nghiệm, chưa nghiên cứu, ứng dụng nhiều kỹ thuật tiên tiến nhằm nâng cao hiệu Cụ thể, qua trình tìm hiểu quy trình sản xuất thực tế Công ty TNHH MTV sản xuất kinh doanh tinh dầu gia truyền Hồng Đức phường Kim Long, thành phố Huế Đơn vị sử dụng phương pháp chưng cất lôi tinh dầu nước với thời gian chưng cất thực tế khoảng 150-160 phút/mẻ Điểm hạn chế lớn phương pháp thời gian chưng cất kéo dài, với tiêu tốn lượng nước nhiều hơn, hiển nhiên điều dẫn đến giá thành sản phẩm cao, sức cạnh tranh thị trường giảm Ngoài ra, trình chưng cất thủ cơng khơng tn theo quy trình kiểm tra nghiêm ngặt nên chất lượng khơng ổn định, không đảm bảo yêu cầu Điều dẫn tới lãng phí nguồn nguyên liệu lượng lớn Và lí để nhóm tiến hành nghiên cứu Nghiên cứu hướng tới mục tiêu tìm công nghệ chưng cất tinh dầu sả mới, ưu việt phương pháp thủ công sử dụng Trong đó, tập trung vào mục tiêu rút ngắn thời gian, giảm thiểu lượng tiêu tốn nhờ trình tiền xử lí phương pháp nổ hơi, từ giúp hạ giá thành sản xuất, đồng thời nâng cao chất lượng thành phẩm, hay nói cách khác gia tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm Q trình tiền xử lí phương pháp nổ bước quan trọng tồn q trình chuyển hóa vật liệu biomass giúp phá vỡ thành bảo vệ bên ngồi thực vật Trong q trình nổ hơi, bão hòa áp suất cao cho tiếp xúc với vật liệu sả khoảng thời gian ngắn sau áp suất giảm đột ngột áp suất khơng khí Q trình giảm đột ngột áp suất làm cho nước bên nguyên liệu giản nở nhanh tương tự “nổ” học giúp phá vỡ cấu trúc nguyên liệu (lignin, hemi-xenlulơzơ, xenlulơzơ) Nhờ đó, tiết kiệm đáng kể thời gian thực chưng chất Thêm vào trình giãn nở học tiền xử lí nguyên liệu đầu vào nên giảm thiểu lượng nước cần sử dụng cho q trình chưng cất, sau so với phương pháp thủ công thông thường sử dụng hoàn toàn nhiệt nước để phá vỡ cấu trúc nguyên liệu dùng nước lôi thu tinh dầu Xây dựng mơ hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị 2.1.1 Sơ đồ nguyên lý Hình Sơ đồ nguyên lý thiết bị thí nghiệm Nguyễn Thành Phương, Trần Thanh Sơn 38 Hình thể sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm Sả sau xử lý theo kích thước chọn đưa vào hệ thống qua phễu nạp liệu đưa vào bình phản ứng để xử lý nổ theo áp suất thời gian xác định Sau xử lý nổ hơi, sả đưa vào bình chứa nạp dần vào vít tải Tốc độ vít điều chỉnh biến tần Thời gian sả lưu vít tải tính tốn để lấy hết tồn lượng tinh dầu Sau khỏi vít tải sả thải ngồi Hơi cung cấp cho bình phản ứng vít tải cung cấp tự động từ lò Hơi nước có lẫn tinh dầu sả sau khỏi bình phản ứng vít tải đưa thiết bị ngưng tụ, nhả nhiệt cho nước làm mát ngưng tụ lại thành lỏng Chất lỏng tạo thành đưa vào bình phân ly tinh dầu tách nhờ chênh lệnh khối lượng riêng tinh dầu nước 2.1.2 Hệ thống thiết bị Lò hơi: sử dụng lò dùng điện trở gia nhiệt, nước bơm vào lò, điện trở gia nhiệt cho nước lò lên đến áp suất (tương ứng với nhiệt độ) yêu cầu, quan sát mực nước qua ống thủy đầu đến áp suất môi trường, giản nở làm cho nguyên liệu bị nổ đẩy xuống bình chứa Một phần tinh dầu dẫn bình ngưng Vít tải: Ngun liệu sau nổ đưa xuống vít tải, trích từ lị dẫn vào vít tải, tinh dầu bình ngưng Tốc độ vít tải điều chỉnh để thu hết tinh dầu nguyên liệu rời khỏi vít Bình ngưng: lẫn tinh dầu dẫn vào bình ngưng nhả nhiệt cho nước làm mát tuần hồn qua bình ngưng, lẫn tinh dầu ngưng tụ thành lỏng thu lại để tách lấy tinh dầu 2.2 Tính tốn thiết kế lý thuyết hệ thống thiết bị nổ thu tinh dầu 2.2.1 Bình nổ Việc tính tốn thiết kế hệ thống trình nổ bình phản ứng Trong trình nổ hơi, thực tế tồn bốn giai đoạn: Giai đoạn chiếm chỗ khí, giai đoạn thẩm thấu hơi, giai đoạn gia nhiệt cuối giai đoạn nổ [1, 2] a Giai đoạn chiếm chỗ khí Mục đích: Để đạt hiệu suất cao trình nổ bao gồm điều chỉnh tương đối tốt số hóa lí đạt độ đồng mẫu thử sau xử lí, vật liệu nạp vào tốt nên ngâm vào lượng nước vừa đủ (nạp nước vào nước thấm thấu hoàn toàn vào bên vật liệu) Trong giai đoạn này, lượng khơng khí có sẵn cấu trúc vật liệu bị đẩy thay nước Độ ẩm tương đối vật liệu sau nạp nước vào, kí hiệu wa(%) tính cơng thức: 𝑤𝑎 = Hình Mơ hình thiết bị Hình Hình ảnh thực tế hệ thống thiết bị Bình phản ứng: Nguyên liệu nạp vào qua phễu nạp vào bình phản ứng, sản xuất từ lị dẫn qua bình phản ứng Ngun liệu giữ bình thời gian áp suất xác định trước Bình chứa: Sau ngừng cấp mở đột ngột van xả (ball valve), áp suất giảm nhanh từ áp suất ban 𝑚𝑤0 +𝑚𝑎 𝑚 % (1) Trong đó: m khối lượng vật liệu ban đầu đưa vào (kg); ma lượng nước thêm vào (kg); w0 độ ẩm tương đối ban đầu vật liệu b Giai đoạn thẩm thấu Sau nạp vật liệu ẩm vào bình phản ứng, nạp vào thẩm thấu vào vật liệu, đồng thời nhiệt độ áp suất bình phản ứng tăng Do đó, vật liệu ẩm gia nhiệt từ nhiệt độ mơi trường (T0) đến nhiệt độ trì (Te), đồng thời thẩm thấu ngưng tụ vào vật liệu Trong giai đoạn này, vật liệu nhận nhiệt từ pha nhiệt ẩn tỏa từ ngưng tụ nước Do đó, đặc điểm giai đoạn diễn nhanh, đồng thời chuyển đổi nước pha lỏng hơi, gia tăng mạnh nhiệt độ Nước ngưng tạo giai đoạn thẩm thấu (mc) bao gồm nước ngưng từ việc gia nhiệt cho vật liệu nạp vào, từ việc gia nhiệt cho nước vật liệu rắn gia nhiệt cho bình phản ứng, kí hiệu mcp, mcw, mcr biểu diễn phương trình bên dưới: 𝐶𝑝 𝑚 (𝑇𝑒 − 𝑇0 ) = 𝐶𝑔 𝑚𝑐𝑝 (𝑇𝑖 − 𝑇𝑒 ) + 𝑛 𝑅 𝑇𝑒 𝑙𝑛 𝑃𝑒 + 𝑚𝑐𝑝 𝑖𝑓𝑔 𝑃𝑖 Áp dụng định luật bảo toàn lượng, từ ta có mcp tính: mcp= 𝑃 𝐶𝑝 𝑚(𝑇𝑒 −𝑇0 )−𝑛𝑅𝑇𝑒 𝑙𝑛 𝑒 𝐶𝑔 (𝑇𝑖 −𝑇𝑒 )+𝑖𝑓𝑔 𝑃𝑖 (2) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 3, 2020 c Giai đoạn gia nhiệt Khi nhiệt độ bình phản ứng đạt đến giá trị mong muốn, bình phản ứng trì điều kiện khoảng thời gian định Ở giai đoạn này, pha lỏng, rắn hệ thống coi đạt đến trạng thái cân nhiệt độ, hệ thống đạt đến trạng thái cân nhiệt Trong đó, áp suất phần cân với áp suất phần lỏng, cho thấy hệ thống đạt đến trạng thái cân pha Trong điều kiện này, hệ thống không cần cung cấp thêm lượng lượng nước hóa cân với lượng nước ngưng tụ hệ thống Nói cách khác, khơng có thay đổi lượng nước hệ thống d Giai đoạn nổ Sau nén có áp suất cao khoảng thời gian, van bi đáy bình phản ứng mở nhanh Vật liệu bị nổ đột ngột vào bình chứa đồng thời áp suất bình phản ứng giảm nhanh xuống áp suất môi trường Trong trình này, nhiệt bốc nhanh thể tích gia tăng cách nhanh chóng Sự giãn nở gây giãn nở nước hiệu ứng bốc phần nước lỏng, trình giãn nở phá vỡ cấu trúc vật liệu khiến phân rã thành phần nhỏ Bởi trình giản nỡ nhanh (