ĐỒ án tốt NGHIỆP nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến quá trình tinh chế tinh dầu quế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng số thơng số đến q trình tinh chế tinh dầu quế NGUYỄN THỊ KIM OANH oanh.ntk163107@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật hóa học Chun ngành Q trình – Thiết bị Cơng nghệ Hóa học Thực phẩm Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Xá Chữ ký GVHD Bộ mơn: Q trình – Thiết bị Cơng nghệ Hóa học Thực phẩm Viện: Kỹ thuật hóa học HÀ NỘI, 7/2021 Lời cảm ơn Chúng ta sinh viên Bách Khoa Chúng ta có sức trẻ nghị lực Chúng ta sống tương lai Nếu khơng thử, bạn khơng biết bạn làm Đó điều quý giá nhận từ Bách Khoa Vượt qua kỳ thi đầu tiên, lần đầu trải qua mùa đồ án với bao điều lạ nhận lại nhiều học quý kỷ niệm không quên với bạn bè miệt mài vẽ đồ án thư viện, hay đêm không ngủ trước ngày bảo vệ Hay niềm vui đến từ việc qua môn mà bạn phải học lại đến lần thứ vượt qua, tất kỷ niệm đẹp thời sinh viên Hơn hết phải tự thân trải qua cảm nhận rõ niềm vui không quên tự rút kinh nghiệm, học cho riêng Hành trình năm năm học Bách Khoa với kỳ thi đáng nhớ khép lại mùa đồ án tốt nghiệp Giờ đây, nhìn lại chặng đường vừa qua khơng hiểu thân lại hoàn thành đến phút Năm năm khoảng thời gian ngắn khơng dài bạn nghĩ, hành trình đến tập cuối Tại đây, xin chân thành cảm ơn đến Bách Khoa tạo tập phim đặc sắc, đậm chất riêng không phần kịch tính cho Cảm ơn người bạn ln đồng hành, giúp đỡ ngày tiến Cảm ơn thầy cô – nhà giáo tận tụy với phấn bảng mang tri thức truyền lại cho hệ sinh viên chúng em Và đặc biệt, xin cảm ơn thầy TS Nguyễn Văn Xá định hướng hướng dẫn em hồn thành mơn học cuối Cảm ơn mơn Q trình – Thiết bị Cơng nghệ Hóa học Thực phẩm đầu tư trang thiết bị đồ án hoàn thành Một lần nữa, xin cảm ơn Bách Khoa với thước phim đắt giá đời Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên Nguyễn Thị Kim Oanh i Tóm tắt nội dung đồ án Các vấn đề cần thực hiện: Tìm hiểu nguyên cứu tổng quan tinh dầu quế, trạng chế biến tinh chế tinh dầu quế Các phương pháp dùng để chiết xuất tinh chế tinh dầu, phương pháp chưng luyện gián đoạn, chưng chân không Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình tinh chế tinh dầu chất lượng sản phẩm: nhiệt cấp cho đáy, số hồi lưu, Phương pháp thực hiện: Thực thực nghiệm tinh chế tinh dầu quế hệ chưng chân không gián đoạn loại đệm nhằm nâng cao hàm lượng cấu tử cinnamaldehyde từ nguyên liệu ban đầu tinh dầu quế thô Dùng phương pháp phân tích sắc kí – khối phổ để phân tích thành phần cấu tử có ngun ban đầu sản phẩm tinh dầu thu phân đoạn 1, phân đoạn Kết đồ án: Đồ án hoàn thành vấn đề cần thực hiện, ảnh hưởng đến trình tinh chế chất lượng sản phẩm kết sản phẩm tinh dầu thu được, tăng hàm lượng cấu tử cinnamaldehye lên đến 91% phù hợp với hệ thực nghiệm quy mơ phịng thí nghiệm Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên Nguyễn Thị Kim Oanh ii MỤC LỤC Mở đầu CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tinh dầu quế 1.1.1 Tinh dầu quế 1.1.2 Thành phần tinh dầu quế 1.1.3 Công dụng tinh dầu quế 1.2 Các phương pháp sản xuất tinh chế tinh dầu 13 1.2.1 Các phương pháp sản xuất tinh dầu 13 1.2.2 Các phương pháp tinh chế tinh dầu 18 1.3 Hiện trạng chế biến tinh dầu Việt Nam 20 1.4 Phương pháp chưng luyện gián đoạn 22 1.4.1 Tổng quan phương pháp chưng luyện gián đoạn 22 1.4.2 Chưng luyện gián đoạn hỗn hợp nhiều cấu tử 26 1.4.3 Tháp chưng chân không loại đệm để tách tinh dầu 28 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 32 2.1 Đối tượng nghiên cứu 32 2.2 Phương pháp thực nghiệm 32 2.2.1 Các thiết bị sử dụng cho thực nghiệm 32 2.2.2 Hệ thống tháp chưng luyện gián đoạn loại đệm 33 2.2.3 Các bước tiến hành thí nghiệm 34 2.3 Phương pháp phân tích, tính tốn 35 2.3.1 Phương pháp phân tích 35 2.3.2 Tính lưu lượng tháp chưng 40 2.3.3 Dự đoán vận tốc sặc lý thuyết 41 CHƯƠNG KẾT QUẢ THẢO LUẬN 45 3.1 Thành phần tinh dầu nguyên liệu đầu 45 3.2 Ảnh hưởng nhiệt cấp đến tốc độ pha tháp 45 3.3 Ảnh hưởng nhiệt cấp đến chất lượng sản phẩm 47 3.3.1 Kết chưng tinh dầu mức nhiệt 420W 47 3.3.2 Kết chưng tinh dầu mức nhiệt 540W 53 3.4 Vùng làm việc ổn định hệ thống tinh chế tinh dầu quế 59 KẾT LUẬN 60 iii Kết luận 60 Hướng nghiên cứu 60 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 63 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các sản phẩm từ quế Hình 1.2 Hương liệu quế tinh dầu quế Hình 1.3 Một số sản phẩm từ quế 12 Hình 1.4 Sơ đồ chưng nước trực tiếp 15 Hình 1.5 Sơ đồ khối tách tinh dầu 15 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên tắc q trình trích ly 16 Hình 1.7 Sơ đồ chưng đơn giản gián đoạn [5] 23 Hình 1.8 Đồ thị t – x – y cho chưng gián đoạn 24 Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống chưng luyện gián đoạn 25 Hình 1.10 Chưng luyện gián đoạn hỗn hợp lý tưởng gồm cấu tử với hệ số bay tương đối ad  10 , bd  , cd  26 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống tinh chế tinh dầu 34 Hình 2.2 Bên GC – MS, với cột máy sắc ký khí 36 Hình 2.3 Sơ đồ GC – MS 36 Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống sắc ký khí 37 Hình 2.5 Bộ tiêm mẫu tự động 38 Hình 2.6 Lị cột 38 Hình 2.7 Đầu dị 39 Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống ghi nhận xử lý số liệu 39 Hình 2.9 Máy GC với đầu dò MS hệ thống tiêm mẫu tự động (bao gồm Head Space) 40 Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn tốc độ ứng với thí nghiệm với mức nhiệt khác 46 Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đáy theo thời gian phân đoạn 48 Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đỉnh theo thời gian phân đoạn 49 Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đáy theo thời gian phân đoạn 50 Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đỉnh theo thời gian phân đoạn 51 Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đáy theo thời gian phân đoạn 54 Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đỉnh theo thời gian phân đoạn 55 Hình 3.8 Đồ thị nhiệt độ đáy thay đổi theo thời gian phân đoạn 57 Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đỉnh theo thời gian phân đoạn 57 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý tinh dầu quế Bảng 1.2 Thành phần cấu tử tinh dầu từ quế Bảng 1.3 Bảng nhiệt độ sôi cấu tử quế Bảng 1.4 Thuộc tính cấu trúc eugenol Bảng 1.5 Tính chất cấu trúc linalool Bảng 1.6 Thành phần cấu tử tinh dầu vỏ quế Bảng 1.7 Tính chất cấu trúc cinnamaldehyde Bảng 1.8 Thuộc tính cấu trúc cinnamyl axetat Bảng 1.9 Thuộc tính cấu trúc coumarin Bảng 1.10 Thuộc tính cấu trúc benzaldehyde Bảng 1.11 Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC), nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (MBC) sức mạnh kháng sinh tinh dầu quế vi khuẩn nấm [2] 10 Bảng 2.1 Thành phần % cấu tử có tinh dầu quế 32 Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật thiết bị hệ thống thí nghiệm 32 Bảng 2.3 Các hệ số phương trình Billet - Schultes 42 Bảng 2.4 Thành phần % cấu tử tinh dầu quế thô 43 Bảng 2.5 Thành phần phần khối lượng phần mol cấu tử 43 Bảng 2.6 Các thơng số tính tốn cho phương trình Billet - Schultes 44 Bảng 3.1 Thành phần % cấu tử có nguyên liệu đầu 45 Bảng 3.2 Thời gian thu 10ml tinh dầu 45 Bảng 3.3 Tốc độ pha tháp (m/s) lưu lượng trung bình thí nghiệm (m3/s) 46 Bảng 3.4 Tốc độ pha (m/s) tháp ứng với mức nhiệt khác 46 Bảng 3.5 Kết chưng tinh dầu lấy sản phẩm phân đoạn 47 Bảng 3.6 Kết chưng tinh dầu lấy sản phẩm phân đoạn 49 Bảng 3.7 Kết phân tích thành phần cấu tử sản phẩm đỉnh phân đoạn 51 Bảng 3.8 Kết phân tích thành phẩn sản phẩm đỉnh phân đoạn 52 Bảng 3.9 Kết chưng tinh dầu phân đoạn mức nhiệt thấp 53 Bảng 3.10 Kết chưng tinh dầu phân đoạn mức nhiệt thấp 55 Bảng 3.11 Kết phân tích thành phần cấu tử sản phẩm đỉnh phân đoạn 57 Bảng 3.12 Kết phân tích thành phần cấu tử sản phẩm đỉnh phân đoạn 58 Bảng 3.13 Vùng làm việc ổn định hệ thống tinh chế tinh dầu 59 vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT GC-MS Gas chromatography – Mass spectrometry MIC Minimal Inhibitory concentration MBC Minimal Bactericidal Concentration (MBC) vii Mở đầu Tinh dầu thiên nhiên ngày sử dụng phổ biến lựa chọn nhiều người tiêu dùng đời sống đại Tinh dầu thiên nhiên chứa nhiều cấu tử mang lại nhiều cơng dụng hữu ích cho sức khỏe tạo môi trường sống thoải mái cho người cộng đồng Từ kỷ IX, tinh dầu người sử dụng thu phương pháp chưng cất: nguyên liệu thực vật xử lý với ancol sau chưng cất với nước để thu nước thơm Vào kỷ XVI, tinh dầu thương mại hóa với mục tiêu mỹ phẩm, cơng nghiệp chữa bệnh Tuy nhiên, đến cuối thể kỷ XIX, tiến cơng nghệ hóa học tách riêng cấu tử có mùi thơm sau tổng hợp chúng để sử dụng y học công nghiệp mỹ phẩm, nước hoa Sang kỷ XX, phát triển mạnh mẽ hóa học khiến cho việc sản xuất tinh dầu theo đường tổng hợp cải tiến với khối lượng lớn, giá rẻ, quy trình ổn định tiêu chuẩn hóa, tinh dầu tổng hợp dần thay loại tinh dầu tự nhiên Các nguyên nhân thúc đẩy việc sản xuất chất thơm tổng hợp gồm có: đường tổng hợp tạo sản phẩm tương đương với thiên nhiên giá thành rẻ hơn; tạo mùi thơm chưa tìm thấy tự nhiên (đa dạng hơn); cải tiến chất lượng chất thơm (bền hơn, mùi hơn, khơng có tác dụng phụ) Cho đến đầu năm 1990 thời đầu kỷ XXI, cách nhìn nhận tinh dầu thay đổi tồn diện Điều số yếu tố: xu hướng sinh thái kêu gọi quay trở với thiên nhiên bảo vệ môi trường, cân nhắc lợi ích kinh tế nhằm thúc đẩy (khuyến khích) việc tự điều trị thông tin mối nguy hại hóa chất tổng hợp nguy gây ung thư, ảnh hưởng hóa chất đến khả sinh sản người, nhận thức độc tính thuốc trừ sâu hóa học cho trái đất, tồn cầu hóa khiến cho tinh dầu sản xuất nước có giá nhân cơng rẻ… Do đó, từ chỗ bị lãng quên, tinh dầu lấy lại vị chiếm lĩnh thị trường sản phẩm hữu Có thể nói rằng, đổi xuất phát từ phần không hài lịng với chất hóa học tổng hợp phần vào tính tích cực nhấn mạnh sản phẩm tự nhiên hồn tồn vơ hại Qua nhiều kỷ, thấy sản phẩm từ thiên nhiên ln ưa chuộng u thích giá trị mang lại Đặc biệt, tinh dầu thiên nhiên ngày quan tâm từ sản phẩm ngồi thị trường đến phịng nghiên cứu phương pháp tách, chiết tinh dầu cách hiệu chất lượng cao Có thể nói rằng, tinh dầu thiên nhiên sớm trở thành ngành công nghiệp xanh mang lại nhiều giá trị sức khỏe lẫn kinh tế cho người Do hợp chất thiên nhiên, nên chúng chứa nhiều cấu tử, có cấu tử khơng có lợi (thậm chí độc); tinh dầu phụ thuộc vào nguồn gốc nguyên liệu… cần phải tinh chế tăng hàm lượng chất có lợi, loại bỏ chất khơng cần thiết CHƯƠNG TỔNG QUAN Tinh dầu thiên nhiên người tiêu dùng lựa chọn đời sống Tinh dầu, thông thường chất lỏng gồm hợp chất thơm dễ bay tách chiết phương pháp chưng cất nước, ép lạnh từ quả, lá, vỏ hay rễ … Ngoài nhiều phương pháp để tách tinh dầu tách chiết dung môi Tinh dầu phần thiếu loại cây, tinh dầu mang lại sức sống lượng tinh khiết từ thảo dược thiên nhiên có tác dụng mạnh 50 – 100 lần dược liệu sấy khô khác ( thảo mộc) Hầu hết tinh dầu trong, ngoại trừ vài loại tinh dầu cam, chanh hay hoắc hương có màu hổ phách vàng nhạt Tinh dầu ngày sử dụng thường xuyên sản xuất mỹ phẩm, tạo hương vị cho thực phẩm, hay thêm mùi vào sản phẩm tẩy rửa sát trùng khác Tinh dầu lịch sử sử dụng y học Các ứng dụng trải dài từ làm đẹp điều trị vấn đề sức khỏe Tuy nhiên tuyên bố hiệu việc điều trị sức khỏe tinh dầu phải tuân theo quy định khác nhiều quốc gia  Phân loại tinh dầu gồm:  Tinh dầu nguyên chất: Tinh dầu nguyên chất tinh dầu hoàn toàn chiết xuất 100% thiên nhiên không pha trộn với thành phần hóa học Với lượng định ăn uống an tồn cho sức khỏe, ngoại trừ tinh dầu chiết xuất từ loại thảo dược ( dạng thơ) Vì tinh dầu tách chiết từ loại cam, chanh, quế, bạc hà,… ăn uống với lượng định dạng thô chiết tách thành dạng tinh khiết, khơng ăn uống tinh dầu chưa đảm bảo tinh khiết từ thiên nhiên  Tinh dầu không nguyên chất: phần tinh dầu nguyên chất pha với thành phần hóa học khác mà giữ hương vị tinh dầu Hoặc tinh dầu chưa chiết, tinh chế để tách hoàn toàn tinh khiết  Hương tinh dầu tổng hợp: thường tổng hợp từ chất hóa học mà có mùi hương tương tự tinh dầu hay cịn gọi dầu thơm  Ứng dụng tinh dầu: Với lịch sử phát triển hàng ngàn năm, tinh dầu mệnh danh báu vật thiên nhiên, tủ thuốc tự nhiên phát triển thành phương pháp trị liệu, chăm sóc sức khỏe, làm đẹp toàn giới Giữa kỉ XIX, tinh dầu tập trung nghiên cứu trở thành phương pháp trị liệu tổng thể phổ cập nhiều nước như: Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản, Anh, Pháp… 67 ` 68 Phụ lục 2: Kết phân tích nguyên liệu đầu, sản phẩm tinh dầu mức nhiệt 540 W 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81