ĐỀ TÀI "Công nghệ sản xuất sorbitol" pdf

C«ng nghÖ s¶n xuÊt sorbitol TS Vò ThÞ Thu Hµ ViÖn Hãa häc C«ng nghiÖp Hµ Néi - 6/2007 I. Mở đầu Sorbitol là một loại đờng tự nhiên thuộc nhóm polyol và đợc chuyển hoá thành fructoza trong cơ thể con ngời. Trong tự nhiên, ngời ta tìm thấy chúng trong nhiều loại rau. Sorbitol có ứng dụng rộng rãi trong các ngành thực phẩm, mỹ phẩm, y tế và các ứng dụng công nghiệp khác. Sorbitol đợc sản xuất từ quá trình hydro hoá glucoza (sản phẩm của quá trình lên men tinh bột). Hin nay, mỗi năm nc ta sử dụng đến vài chục nghìn tấn sorbitol và phi nhp ngoi hoàn toàn. Ngoài ra, trong chiến lợc phát triển ngành công nghiệp Hoá dợc, Chính phủ có đề cập đến việc xây dựng nhà máy sản xuất vitamin C sử dụng nguyên liệu sorbitol. Tn dụng ngun nguyên liu sn có trong nc sn xut sorbitol phục vụ nhu cầu trong nớc, đồng thời làm nguyên liệu cho nhà máy sản xuất vitamin C thì không những thay th c nguyên liu nhp ngoi m còn có th có sn phm xut khu. Vì lý do đó, trong khuôn khổ chuyên đề này, sẽ có phần trình bày các công nghệ hydro hoá glucoza thành sorbitol trên thế giới, phân tích u nhợc điểm và đề xuất các phơng án công nghệ tiến tiến và hiệu quả nhằm định h ớng công nghệ sản xuất sorbitol có độ sạch cao áp dụng ở Việt Nam. Phần công nghệ lên men tinh bột (sắn, gạo ) để sản xuất glucoza sẽ không đợc đề cập ở đây. Công nghệ này đã đợc nghiên cứu từ rất lâu ở Việt Nam và đã đợc đa vào sản xuất công nghiệp với công nghệ sản xuất ngày càng đợc cải tiến và hoàn thiện hơn. 3 II. Tổng quan về sorbitol, sản lợng và tình hình tiêu thụ Sorbitol (hay hexa-ancol, d-glucozahexitol, sorbite, sorbol, d-glucitol, E420), là một loại đờng tự nhiên thuộc nhóm polyol và đợc chuyển hoá thành fructoza trong cơ thể con ngời. Sorbitol đợc nhà hoá học ngời Pháp Joseph Boussingault phân lập lần đầu tiên năm 1872 từ quả một loại lê [1]. Sorbitol có ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, mỹ phẩm, y tế và các ngành công nghiệp khác. Sorbitol đợc sử dụng nh một chất làm ngọt có hàm lợng calo thấp và là chất thay thế đờng cho ngời bị bệnh tiểu đờng. Sorbitol đợc sử dụng để ngăn ngừa sự mất nớc của cơ thể và nhiều bệnh lý khác, trong đó có các bệnh về tiêu hoá và bệnh mất trơng lực của túi mật. Trong công nghiệp, sorbitol đợc sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất vitamin C. Với ứng dụng là phụ gia thực phẩm, ngời ta tìm thấy sorbitol trong rất nhiều loại thực phẩm nh bánh, kẹo, kem, xúc xích, kẹo cao suTrong kem đánh răng, sorbitol (hàm lợng 70 %) chiếm 35 40 % [2]. Sorbitol có ứng dụng trong thành phần thuốc đánh răng là nhờ nó có những tính chất đặc biệt, có vai trò nh một chất ổn định, chất giữ ẩm, chất làm dịu vị, chất kháng khuẩn trong miệng. Sorbitol còn có trong thành phần của nhiều mỹ phẩm chăm sóc sắc đẹp vì nó có tác dụng giữ ẩm và làm cho làn da trở nên mềm mại và mịn màng [3]. Trong ngành sản xuất thuốc lá, sorbitol có tác dụng ngăn ngừa sự vỡ vụn của sợi thuốc lá và là chất dịu vị trong thuốc lá nhai. Ngoài ra, sorbitol còn có ứng dụng trong ngành tổng hợp polyme (nh chất ổn định và chống oxy hoá), ngành chế biến polyme (chất dẻo hoá dùng trong kỹ thuật đúc phun), ngành điện hoá và ngành dệt [4]. Bảng 1 tóm tắt các ứng dụng đa dạng liên quan đến các đặc tính của sorbitol và Hình 1 biều diễn thị trờng tiêu thụ sorbitol toàn cầu. Điều này giải thích vì sao rất nhiều ngành công nghiệp có sự quan tâm đặc biệt đến sản l ợng sorbitol [5]. 4 Bảng 1 . Các tính chất và ứng dụng của sorbitol Lĩnh vực Tính chất ứng dụng Thực phẩm - Tăng thời gian bảo quản - Làm dịu vị - Giữ ẩm - Làm ngọt - Không ảnh hởng đến hàm lợng đờng trong máu - Không làm hỏng răng (không bị lên men) Chế biến thực phẩm: - Kẹo cao su - Sôcôla - Bánh mỳ - Đồ uống - Kem Mỹ phẩm - Giữ ẩm - Không làm hỏng răng - Hoá dẻo - Làm cho da mịn màng - Sữa rửa mặt - Kem đánh răng - Bọt cạo râu Dợc - Các tính chất sinh lý học - Thay thế đờng cho ngời bị bệnh tiểu đờng - Chất nền - Giữ ẩm Có trong : - Viên nén - Viên nhộng - Dịch nhũ tơng - Siro chống ho Công nghiệp - Hoá dẻo - Làm dịu vị - Bền nhiệt - Bền với axit và bazơ - Nhớt - Giữ ẩm - Tạo nhũ - Tác nhân tạo phức càng cua với kim loại nặng - Nguyên liệu sản xuất vitamin C - Chất tẩy rửa - Công nghiệp giấy, vải, da - Gelatin - Keo dán - Hạn chế sự oxy hoá dầu bởi các kim loại nặng - Thuốc nổ - Sơn và verni - Polyuretan - Este nhựa thông 5 Kem đánh răng 28% Thực phẩm, bánh kẹo 35% Vitamin C 10% Mỹ phẩm 8% Chất tẩy rửa 9% Dợc phẩm 7% Thị trờng tiêu thụ sorbitol ở Mỹ Thị trờng tiêu thụ sorbitol ở châu Âu Thực phẩm, bánh kẹo 28 % Kem đánh răng, mỹ phẩm 23% Vitamin C 15% Dợc phẩm 13% Khác 7% PU 7% Chất tẩy rửa 6% Thị trờng tiêu thụ sorbitol ở châu á Kem đánh răng, mỹ phẩm 30% Vitamin C 36% Thực phẩm, bánh k ẹ o 13% Dợc phẩm 7% Chất tẩ y rửa 8% Khác 6% Hình 1 . Thị trờng tiêu thụ sorbitol toàn cầu (Llợc trính từ Sổ tay kinh tế về hoá chất, 8/2005) 6 Trên thế giới, công suất sản xuất hiện tại đối với sorbitol loại 70% đã vợt quá 2 triệu tấn/năm, chủ yếu do một số nhà sản xuất dới đây [6] (Bảng 2): Bảng 2. Các nhà sản xuất sorbitol lớn trên thế giới Nhà sản xuất Địa điểm nhà máy Công suất nhà máy (t/n) Roquette Pháp Trung Quốc Hàn Quốc 300 000 160 000 20 000 Sorini Indonesia Trung Quốc 156 000 120 000 ADM Mỹ 163 000 Cargill Đức 100 000 SPI Mỹ Brazil 177 000 50 000 Shouguang Sơn Đông - Trung Quốc 150 000 Nikken Nhật Bản 90 000 Purechem Thái Lan 40 000 Hiện tại, các nhà máy sản xuất sorbitol trên thế giới đang chạy 2/3 công suất thiết bị. ở châu á, sản lợng sorbitol theo lý thuyết là 1 triệu tấn/năm và các nhà máy mới chạy khoảng 67% công suất của mình. Trên thị trờng, sorbitol đợc bán dới dạng lỏng và rắn. Dới đây là một số đặc tính của các dạng sorbitol thơng phẩm [7] (Bảng 3). 7 Bảng 3 . Đặc tính của các dạng sorbitol thơng phẩm TT Thông số Đơn vị Đặc tính tiêu chuẩn Lỏng Bột 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Vẻ bề ngoài D-Sorbitol pH Trọng lợng riêng Đờng tổng Đờng khử Clo (Cl) Sunfat (SO 4 ) Kim loại nặng (Pb) Asen (As) Độ ẩm Chỉ số khúc xạ - % - g/ml % % ppm ppm ppm ppm % - Siro trong suốt, gần nh không màu 68,0-71,0 6,0-7,0 (dung dịch10%) 1,28-1,31 0,5 max 0,1 max 50 max 100 max 5,0 max 2,0 max 28,0-31,0 1,455-1,465 Bột màu trắng 96,0 min 5,0-7,0(dung dịch 1%) 1,45-1,50 0,5 max 0,15 max 100 max 150 max 8,0 max 3,0 max 1,0 max - Sorbitol dạng dung dịch có các ứng dụng sau đây : - Chất thấm ớt trong kem đánh răng - Chất đờng (calo thấp và không gây sâu răng) trong thực phẩm và bánh kẹo - Chất làm mềm da trong mỹ phẩm - Thành phần không phải đờng ăn trong một số công thức thực phẩm - Chất ổn định cho các dung dịch huyền phù cho sản xuất thuốc chữa bệnh và vitamin Sorbitol dạng bột tinh khiết (hay sorbitol loại C), có các ứng dụng sau đây: - Nguyên liệu lên men để sản xuất vitamin C 8 ở Trung Quốc, 55% sorbitol đợc sản xuất thành sorbitol loại C để làm nguyên liệu sản xuất vitamin C cho 5 nhà sản xuất lớn cung cấp vitamin C cho toàn thế giới với sản lợng khoảng 200. 000 tấn sorbitol C/năm. ở Việt Nam, trong chiến lợc phát triển công nghiệp hoá Dợc, Chính phủ có đề cập đến việc xây dựng nhà máy sản xuất vitamin C công suất 1.000 tấn/năm sử dụng nguồn nguyên liệu trong nớc. Vì thế, việc sản xuất sorbitol loại C cũng cần thiết ở nớc ta. - Làm chất nền cho sản xuất các chất tẩy rửa: Có nhiều nhà sản xuất este sorbitan và este etoxylat trên thế giới dùng sorbitol C làm nguyên liệu nền để sản xuất nhiều chất tẩy rửa loại không ion đặc biệt. - Làm tá dợc sản xuất thuốc viên: nhu cầu sorbitol bột trong dợc phẩm rất lớn, chủ yếu làm chất làm ngọt calo thấp hay làm tá dợc trong thuốc viên. Sản phẩm sorbitol dạng bột có thị trờng rất tiềm năng với lợi nhuận cao nhng sẽ đòi hỏi vốn đầu t lớn (chủ yếu cho tháp sấy phun). ở Việt nam, do không có thị trờng xác định cho các sản phẩm sorbitol dạng bột nên trong báo cáo nghiên cứu tiền khả thi trình Tổng công ty Hoá chất Việt Nam, Công ty Unilever Việt Nam đề nghị thiết kế nhà máy sản xuất sorbitol chủ yếu dới dạng siro 70% cho đến khi thị trờng tiêu thụ loại sorbitol bột phát triển rõ ràng. Tuy nhiên, trong thời gian chờ đợi thị trờng phát triển, Viện Hoá học Công nghiệp đã và đang đầu t nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất sorbitol bột bằng phơng pháp sấy phun. Vì vậy, trong chuyên đề này, ngoài việc tìm hiểu công nghệ hydro hoá glucoza thành sorbitol, một số thông tin cơ bản liên quan đến công nghệ chế biến sorbitol bột bằng phơng pháp sấy phun cũng sẽ đợc trình bày. Hiện tại, giá bán sorbitol (loại không kết tinh dùng trong kem đánh răng) ở châu á hầu nh không đổi và khá thấp. Ví dụ, giá sorbitol chào hàng (CIF) tại cảng Sài Gòn của nhà sản xuất Sorini là 345 USD/tấn (đóng gói trong thùng phuy) [7]. ở Việt Nam, chỉ riêng nhu cầu sử dụng dung dịch sorbitol 70 % làm nguyên liệu sản xuất kem đánh răng tại nhà máy của Unilever Việt Nam (ULVN) đã vào khoảng 10 000 tấn/năm và hiện đang phải nhập ngoại hoàn toàn. ULVN thấy đợc cơ hội tăng sản lợng sản xuất kem đánh răng cho thị 9 trờng nội địa và xuất khẩu do ULVN giành đợc một số hợp đồng cung cấp sản phẩm kem đánh răng cho một số công ty thuộc Unilever tại một số nớc châu á. Vì vậy, kế hoạch tìm kiếm nguồn cung cấp sorbitol đáp ứng yêu cầu 20. 000 tấn/năm với giá rẻ hơn giá hiện tại đang đợc đặt ra. III. Quá trình công nghệ hydro hoá glucoza thành sorbitol Phản ứng hydro hoá glucoza thành sorbitol là phản ứng toả nhiệt nhẹ. Về mặt nhiệt động học, phản ứng hydro hoá glucoza thành sorbitol xảy ra hoàn toàn tại 150C. Trên thực tế, ngời ta thờng tiến hành phản ứng ở 100 - 140C dới áp suất hydro trong khoảng 10 - 125 atm [8]. Độ chuyển hoá và chọn lọc của quá trình thờng rất cao. Sản phẩm phụ của quá trình là axit glucozanic (tạo thành bởi phản ứng Cannizaro) và mannitol (tạo thành bởi quá trình epime hoá sorbitol). HOOH OHHO O HO HOOH OHHO HO HO D-Glucoza Sorbitol HOOH HOOOH HO HO Axit g luconic Man ni tol HOOH HO OH HO HO H 2 Xúc tác Xúc tác truyền thống cho quá trình hydro hoá glucoza thành sorbitol là xúc tác Ni-Raney hoặc Ni hoạt tính mang trên chất mang. Gần đây, hệ xúc tác Ru trên các chất mang khác nhau đã dần dần thay thế hệ xúc tác Ni vì hệ xúc 10 tác Ru có nhiều u điểm hơn. Với xúc tác thế hệ mới Ru/C, có thể tiến hành phản ứng hydro hoá trong điều kiện không quá khắc nghiệt mà vẫn đạt hiệu suất trên 99%. Hơn nữa, các chất xúc tác thế hệ mới không bị tan vào môi trờng phản ứng làm cho tuổi thọ của xúc tác kéo dài đồng thời quá trình tinh chế sản phẩm trở nên đơn giản hơn rất nhiều. Trên thế giới hiện nay tồn tại 2 dạng công nghệ, công nghệ gián đoạn và công nghệ liên tục. Bảng 4 phân loại các công nghệ hydro hoá glucoza thành sorbitol. Bảng 4 . Các công nghệ hydro hoá glucoza thành sorbitol Công nghệ Trạng thái của xúc tác Xúc tác Thiết bị hydro hoá Mức độ tiên tiến Gián đoạn Xúc tác ở dạng huyền phù trong dung dịch glucoza Ni-Raney Thiết bị chịu áp có khuấy Truyền thống Xúc tác ở dạng huyền phù trong dung dịch glucoza Ni-Raney hoặc Ni/chất mang, hoặc Ru/C ống phản ứng chịu áp nối tiếp nhau Tiên tiến Liên tục Xúc tác ở dạng lớp cố định trong ống phản ứng Ru/C ống phản ứng trickle-bed, có lới đỡ xúc tác Tiên tiến nhất III.1. Các quá trình gián đoạn Trên 80% quá trình sản xuất sorbitol trên thế giới dựa trên quá trình gián đoạn. So với quá trình liên tục, công nghệ gián đoạn có các u điểm là có độ mềm dẻo cao tức là có thể thay đổi nguồn nguyên liệu theo từng mẻ. Các thông số chính của quá trình (đợc công bố trên tài liệu) nh sau : - Dung dịch glucoza: 40 50 % - Xúc tác: Ni-Raney - Nhiệt độ: 120 150C 11 [...]... quả nghiên cứu triển khai công nghệ hydro hoá glucoza thành sorbitol, các nhà nghiên cứu đã đề xuất công nghệ nên triển khai áp dụng tại Việt Nam và các bớc tiến hành trong quá trình phát triển công nghệ đã nêu Công nghệ đợc đề xuất là công nghệ tiên tiến, sử dụng xúc tác tiên tiến, tạo ra sản phẩm có độ sạch cao mà không cần phải qua các công đoạn xử lý sản phẩm: công nghệ hydro hoá sử dụng xúc tác... ở dạng lớp cố định trong thiết bị phản ứng 3 pha dạng dòng liên tục Công nghệ này có nhiều u điểm nổi bật so với công nghệ truyền thống là công nghệ sử dụng xúc tác NiRaney nh : hệ thống thiết bị nhỏ gọn, có khả năng sản xuất cao, chi phí sản xuất thấp, xúc tác không làm nhiễm bẩn sản phẩm Để tiến tới việc xây dựng nhà máy sản xuất sorbitol từ tinh bột sắn công suất 40 000 tấn/năm, trớc mắt, cần triển... trình phản ứng cần phải tiến hành công đoạn xử lý sản phẩm Trong trờng hợp sau, ngời ta sử dụng xúc tác Ru/C và không cần giai đoạn tinh chế sản phẩm Gần 20% sản lợng sorbitol trên thế giới đợc sản xuất theo công nghệ liên tục sử dụng xúc tác huyền phù Quá trình hydro hoá liên tục glucoza sử dụng xúc tác dạng lớp cố định để sản xuất sorbitol là công nghệ tiên tiến nhất, cho hiệu suất cao nhng còn khá... công nghệ áp dụng Qua việc tìm hiểu các công nghệ và xúc tác sử dụng cho quá trình hydro hoá glucoza thành sorbitol, chúng ta có thể nhận thấy các u, nhợc điểm của các quá trình công nghệ hiện hành Bảng 7 và hình 8 tóm tắt một số u, nhợc điểm chính của ba công nghệ Bảng 7: So sánh các công nghệ hydro hoá glucoza đang hiện hành Công nghệ gián đoạn Công nghệ liên tục với lớp xúc tác huyền phù Công nghệ. .. cần lọc, rửa xúc tác Không cần tinh chế sản phẩm Tiêu hao nguyên liệu và năng lợng thấp Chi phí nhân công thấp Chi phí sản xuất thấp Không có chất thải Công nghệ gián đoạn và CN liên Công nghệ liên tục với lớp xúc tác tục với xúc tác huyền phù cố định Hình 8: Các công đoạn chính trong quá trình sản xuất sorbitol 20 Từ các so sánh trên, dễ dàng nhận thấy công nghệ liên tục sử dụng xúc tác ở dạng lớp... xây dựng nhà máy sản xuất sorbitol từ tinh bột công suất 40 000 tấn/năm sẽ đợc ớc tính khoảng 20 29 triệu USD IV Nghiên cứu công nghệ sản xuất sorbitol tại Việt Nam Thời gian qua, các nhà nghiên cứu công nghệ sinh học thuộc Viện Hóa Học Công nghiệp đã tiến hành nghiên cứu triển khai quá trình hydro hoá glucoza thành sorbitol ở qui mô phòng thí nghiệm Công nghệ đợc áp dụng là công nghệ liên tục với... là công nghệ u việt nhất hiện nay và đợc khuyên dùng với các dây chuyền đầu t mới Hơn nữa kết quả nghiên cứu đã chứng minh khả năng triển khai công nghệ này ở Việt Nam với triển vọng rất khả quan Các nghiên cứu trong thời gian sắp tới sẽ cho phép Viện Hóa học Công nghiệp hoàn thiện công nghệ và triển khai sản xuất pilot ở qui mô công nghiệp 300 500 tấn/năm Một số đề xuất để định hớng công nghệ triển... đầu t không muốn bỏ công nghệ truyền thống họ đang áp dụng để đầu t xây dựng dây chuyền công nghệ mới Họ thích chọn hớng cải tiến công nghệ truyền thống hơn là hớng áp dụng công nghệ mới Vì thế, công nghệ hydro hoá liên tục glucoza sử dụng xúc tác dạng lớp cố định thờng đợc khuyên dùng đối với các nhà máy xây mới Thực tế, hiện nay công nghệ này đã đợc áp dụng tại các cơ sở sản xuất của Roquette (Pháp)... suất thấp, van lấy sản phẩm tự động và thùng chứa sản phẩm - Hệ thống phân tích chất lợng sản phẩm: máy sắc ký HPLC Khí hydro cung cấp cho hệ thống có thể đến từ 2 nguồn: bình khí hydro hoặc máy sinh khí hydro Glucoza có thể đợc sản xuất từ quá trình lên men tinh bột, thờng là tinh bột sắn Đặc điểm nổi bật của công nghệ này là không cần hệ thiết bị xử lý và tinh chế sản phẩm, bởi vì sản phẩm khi ra khỏi... nghệ triển khai Dự án sản xuất sorbitol ở Việt Nam: 1/ Nên định hớng áp dụng công nghệ tiên tiến đối với quá trình hydro hoá glucoza thành sorbitol (công nghệ liên tục sử dụng xúc tác Ru/C ở dạng lớp cố định) Quá trình này không những hứa hẹn có hiệu quả kinh tế cao mà còn cho sản phẩm tinh khiết, đạt tiêu chuẩn sử dụng trong nớc và xuất khẩu Không nên áp dụng quá trình công nghệ sử dụng xúc tác Ni-Raney . và đề xuất các phơng án công nghệ tiến tiến và hiệu quả nhằm định h ớng công nghệ sản xuất sorbitol có độ sạch cao áp dụng ở Việt Nam. Phần công nghệ lên men tinh bột (sắn, gạo ) để sản xuất. để sản xuất glucoza sẽ không đợc đề cập ở đây. Công nghệ này đã đợc nghiên cứu từ rất lâu ở Việt Nam và đã đợc đa vào sản xuất công nghiệp với công nghệ sản xuất ngày càng đợc cải tiến và hoàn. suất sản xuất hiện tại đối với sorbitol loại 70% đã vợt quá 2 triệu tấn/năm, chủ yếu do một số nhà sản xuất dới đây [6] (Bảng 2): Bảng 2. Các nhà sản xuất sorbitol lớn trên thế giới Nhà sản