Tiểu luận tên đề tài quá trình trích ly

Ngược lại, các cấu tửkhác có trong mẫu nguyên liệu cần trích ly thì không hòa tan được trong dungmôi hoặc có độ hòa tan kém- Dung môi phải trơ với các cấu tử có trong dịch trích- Dung mô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG THƯƠNG TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC -o0o - BÀI TẬP TIỂU LUẬN TÊN ĐỀ TÀI : QUÁ TRÌNH TRÍCH LY GVHD: Hồ Tấn Thành SVTH : ……… LỚP :… MSSV :…… Tp Hồ Chí Minh, Tháng 11 Năm 2023 2 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Công Thương đã đưa môn học Quá Trình Và Thiết Bị Truyền Khối vào chương trình giảng dạy Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên bộ môn – Thầy Hồ Tấn Thành đã giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu cho em Trong thời gian tham gia lớp học Qúa Trình Và Thiết Bị Truyền Khối của thầy, em đã có thêm cho mình nhiều kiến thức, tinh thần học tập hiệu quả, nghiêm túc Đây chắc chắn sẽ là những kiến thức quý báu, là hành trang để em có thể vững bước sau này Bộ môn Quá Trình Và Thiết Bị Truyền Khối là môn học thú vị, vô cùng bổ ích và có tính thực tế cao Đảm bảo cung cấp đủ kiến thức, gắn liền với nhu cầu thực tiễn của sinh viên Tuy nhiên, do vốn kiến thức còn nhiều hạn chế và khả năng tiếp thu thực tế còn nhiều bỡ ngỡ Mặc dù em đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn bài tiểu luận khó có thể tránh khỏi những thiếu sót và nhiều chỗ còn chưa chính xác, kính mong thầy xem xét và góp ý để bài tiểu luận của em được hoàn thiện hơn Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2023 SVTH (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 2 PHẦN I: TỔNG QUAN 4 I QUÁ TRÌNH TRÍCH LY RẮN-LỎNG 4 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2 CẤU TẠO VÀ VAI TRÒ CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ TRÍCH LY .5 3 MỤC ĐÍCH VÀ ỨNG DỤNG 8 4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 9 5 CÁC BIẾN ĐỔI NGUYÊN LIỆU TRONG QUÁ TRÌNH TRÍCH LY .10 6 BÀI TẬP VÍ DỤ 11 II QUÁ TRÌNH TRÍCH LY LỎNG-LỎNG 20 1 KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA 20 2 CÂN BẰNG PHA TRONG HỆ LỎNG-LỎNG 21 3 NGUYÊN TẮC TRÍCH LY 24 4 CÂN BẰNG VẬT LIỆU CỦA QUÁ TRÌNH TRÍCH LY .25 5 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY LỎNG-LỎNG 26 6 THIẾT BỊ TRÍCH LY LỎNG-LỎNG .34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 PHẦN II: BÀI TẬP 39 PHẦN I: TỔNG QUAN I QUÁ TRÌNH TRÍCH LY RẮN-LỎNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Khái niệm Trích ly chất rắn lỏng là : quá trình tách một hay một vài cấu tử từ vật liệu rắn hòa tan có chọn lọc vào chất lỏng Chất lỏng gọi là tác nhân ( hay dung môi, chất) trích ly Cấu tử được tách gọi là cấu tử bị trích ly 1.2 Phân loại Phân loại: - Nếu quá trình tách chất hoà tan trong chất lỏng bằng một chất lỏng khác thì gọi là trích ly lỏng - lỏng (solven extraction) - Nếu quá trình tách chất hoà tan trong chất rắn bằng một chất lỏng khác thì gọi là trích ly rắn - lỏng (solid liquid extraction or leaching) - Nếu quá trình tách chất hoà tan trong chất rắn bằng một chất ở tình trạng siêu tới hạn thì gọi là trích ly siêu tới hạn (supercritical extraction) 1.3 Những dung môi phổ biến hiện nay trong công nghiệp thực phẩm - Nước là dung môi phổ biến nhất trong công nghiệp thực phẩm: trích ly saccharose trong công nghệ sản xuất đường từ củ cải đường, trích ly các chất triết từ trà và cà phê trong công nghệ sản xuất trà và cà phê hòa tan, trích ly các chất triết từ thảo mộc trong công nghệ sản xuất thức uống không cồn Các dung môi hữu cơ được sử dụng để trích ly chất béo từ thực vật trong công nghệ sản xuất dầu béo Người ta thường dùng hexane, heptane hoặc cyclohexane để tách béo từ đậu nành, đậu phộng, hạt bông, hạt hướng dương, hạt lanh,… Nhược điểm là cả ba dung môi nói trên đều dễ cháy - Dung dịch axit formic, acetic, hydrochloric (HCl); methanol, ethanol có chứa HCl là những hệ dung môi được thử nghiệm để tách chất màu anthocyanin - Dung môi etanol cho hiệu suất thu hồi limonoid cao nhất - Glycerin có độ nhớt cao hay dùng phối hợp với nước và ethanol để chiết những dược liệu có tanin - Dầu thực vật: Dầu lạc, dầu vừng, dầu hướng dương có khả năng hoà tan tinh dầu, chất béo có trong dược liệu, do độ nhớt cao nên khó thấm vào dược liệu - Ngoài ra, CO2 siêu tới hạn ngày càng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp: dùng trích ly caffeine từ trà và cà phê nhằm tạo ra sản phẩm trà và cà phê có hàm lượng caffeine thấp, trích ly chất đắng (α-acid) từ hoa houblon trong sản xuất hoa cao, trích ly các cấu tử hương từ các loại trái cây và gia vị hoặc để tách chiết các chất có hoạt tính sinh học từ thảo mộc So với các lưu chất siêu tới hạn khác, CO2 siêu tới hạn thường được chọn làm dung môi trong các quá trình trích ly vì nó có nhiều ưu điểm như không gây cháy, không gây độc và giá thành thấp 5 1.4 Nguyên tắc 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 hòa tan kém - 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 thể thu hồi dung môi sau quá trình trích ly để tái sử dụng 2 CẤU TẠO VÀ VAI TRÒ CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ TRÍCH LY Các thiết bị trích ly rất đa dạng Chúng có thể hoạt động theo phương pháp gián đoạn hoặc liên tục Trong thiết bị hoạt động gián đoạn người ta phân biệt hai ra hai loại: trích ly một bậc và trích ly nhiều bậc 2.1 Thiết bị trích ly một bậc Hình 2.1 Thiết bị trích ly một bậc Thiết bị có dạng hình trụ đứng, phía bên dưới có một đáy lưới (3) Người ta sẽ cho nguyên liệu vào cửa đỉnh (1) Dung môi được bơm vào thiết bị qua hệ thống phân phối (4) nằm phía dưới đỉnh Dung môi sẽ chảy qua lớp nguyên liệu theo chiều từ trên xuống Dịch trích được tháo ra ngoài qua cửa (6) Người ta có thể cho dịch trích hồi lưu trở lại thiết bị nhờ bơm (9) và van (7), Khi kết thúc quá trình trích ly, bã được tháo ra khỏi thiết bị qua cửa (8) Người ta sẽ bơm nước và dung dịch chất tẩy rửa vào để vệ sinh thiết bị qua hệ thông phân phôi (4) Nước vệ sinh sẽ được tháo ra ngoài cửa (11) Thiết bị trích ly một bậc hiện đang được sử dụng trong sản xuất thức uống từ thảo mộc, trà hòa tan, cà phê hòa tan và dầu béo ở quy mô nhỏ 6 2.2 Thiết bị trích ly nhiều bậc Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thông trích ly nhiều bậc ngược dòng Trong hệ thống trích ly nhiều bậc ngược dòng, dòng nguyên liệu và dung môi chuyển động ngược chiều nhau Hệ thống gồm có tất cả 14 thiết bị và được ký hiệu từ số 1 đến số 14 Dung môi sẽ chuyển động ngược chiều kim đống hồ, còn các thiết bị trích ly sẽ chuyển động theo chiều kim đồng hồ Dung môi mới nạp vào hệ thống tại thiết bị số 13, còn dịch trích được tháo ra khỏi hệ thống từ thiết bị số 9 Các thiết bị số 10, 11 và 12 đặc trưng cho các công đoạn tháo bã ra khỏi thiết bị, vệ sinh thiết bị và nạp nguyên liệu vào thiết bị Hệ thống thiết bị trích ly nhiều bậc đang được sử dụng rộng rãi ở quy mô công nghiệp để sản xuất trà hòa tan, cà phê hòa tan và đường saccharose từ củ cải đường Mỗi thiết bị trong hệ thông trên có thể chứa đến 10 tấn nguyên liệu 2.3 Thiết bị trích ly liên tục Hình 2.3 Thiết bị trích ly liên tục 7 Thiêt bị trích ly liên tục - thiết bị Hildebrandt Thiết bị có hai tháp (1) và (2) dạng hình trụ đứng Chúng nối với nhau bởi một ống hình trụ nằm ngang (3) ở phía bên dưới Bên trong thiết bị có các vis tải để vận chuyến nguyên liệu Nguyên liệu được nạp liên tục vào thiết bị theo cửa (4) và được vis tải đưa xuống bên dưới tháp (2) để qua ống hình trụ nằm ngang (3) rồi theo tháp (1) đi lên phía trên Cuối cùng, nguyên liệu được tháo ra ngoài thiết bị qua cửa (5) Dung môi sẽ được nạp vào thiêt bị qua cửa (6) trên tháp (1) và sẽ chuyển động đi xuống phía bên dưới, qua ống hình trụ ngang (3) rồi theo tháp (2) đi lên, cuối cùng dịch trích được tháo ra ngoài qua cửa chắn (7) Như vậy, dòng nguyên liệu và dụng môi chuyển động ngược chiều nhau Trục vis trong thiết bị chuyển động xoay với tốc độ trung bình 1 vòng/phút Hiện nay, thiết bị trích ly Hildebrandt được sử dụng để trích ly saccharose từ củ cải đường và trích ly chất béo từ nguyên liệu thực vật giàu béo Năng suất thiết bị có thể lên đến 40 tấn nguyên liệu/giờ 2.4 Thiết bị trích ly sử dụng CO2 siêu tới hạn Hình 2.4 Sơ đồ hệ thông trích ly sử dụng CO, siêu tới hạn Hệ thống gồm có các bộ phận chính như sau: bình trích ly (1), bình phân riêng chất chiết và CO2 (2), thiết bị ngưng tụ CO2 (3), thiết bị trao đổi nhiệt (4) và bơm CO2 (5) Đầu tiên, người ta sẽ cho nguyên liệu cần trích ly vào bình (1) Sau đó, nạp CO2 vào bình (1) để đuổi không khí trong bình (1) ra môi trường bên ngoài.Tiếp theo, CO2 được bơm (5) đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt (4) rồi đi vào bình trích ly (1) Người ta sẽ hiệu chỉnh nhiệt độ và áp suất trong bình (1) để CO2 đạt đến trạng thái siêu tới hạn Khi kết thúc quá trình trích ly, hỗn hợp trong bình (1) sẽ được đưa qua bình phân riêng (2) Bằng cách thay đối áp suất, người ta sẽ tách được CO2 và chất chiết Khi đó, CO, sẽ được đưa vào bình (3) và được làm lạnh để tái sử dụng cho mẻ sản xuất tiếp theo, còn chất chiết sẽ 8 được tháo ra khỏi bình (2) theo cửa đáy Song song đó, người ta sẽ tháo bã nguyên liệu và vệ sinh bình trích ly(1) trước khi thực hiện mẻ trích ly tiếp theo 3 MỤC ĐÍCH VÀ ỨNG DỤNG 3.1 Mục đích Quá trình trích ly được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm với 3 mục đích chính: - Khai thác (là mục đích chủ yếu): thu nhận các cấu tử cần thiết theo yêu cầu của từng quá trình từ nguyên liệu Ví dụ:  Trích ly các nguyên liệu dạng rắn như hạt dầu; các nguyên liệu tinh dầu ( lá, rễ, cây, hoa hoặc quả);  Trích ly các loại củ ( củ cải đường);  Trích ly chất đắng  Trích ly caffeine từ trà và cà phê  Trích ly chất béo từ thực vật trong công nghệ sản xuất dầu béo, gan cá  Trích ly chất màu từ quả sim, củ nghệ, củ dền, lá cẩm,…  Trích ly mía ( một phần) Quá trình trích ly có thể phối hợp với các quá trình khác để nâng cao hiệu suất thu sản phẩm như phối hợp quá trình ép + trích ly, trích ly + chưng cất,… - Chuẩn bị cho các quá trình tiếp theo: Ví dụ:  Ngâm các loại hạt ( thóc, các loại đậu, ngô,…) trước khi chế biến;  Ngâm các loại củ ( khoai, sắn,…) làm yếu các liên kết trong vật liệu;  Trích ly một số chất độc từ nguyên liệu hòa vào dung môi ( như hòa tan HCN trong sắn, măng vào nước) - Thu nhận sản phẩm: Ví dụ:  Tách penicillin từ dung dịch lên men;  Sản xuất nước chấm bằng phương pháp ủ ẩm trích ly;  Trích ly trong quá trình sản xuất cà phê hòa tan;  Trích ly khi ngâm các loại quả;  Trích ly các chất có hoạt tính sinh học khi ngâm các nguyên liệu thảo mộc dùng làm thuốc bổ, thuốc chữa bệnh 3.2 Ứng dụng Một số ví dụ cho quá trình trích ly: - Trích ly saccharoze trong công nghệ sản xuất đường từ củ cải đường - Trích ly các chất chiết từ trà, cafe hoà tan - Trích ly dầu gấc 9 - Trích ly curcumin từ củ nghệ vàng: Hoạt chất Curcumin là chất có tác dụng sinh học rất quý có khả năng chữa các bệnh nan y ( chống oxy hóa, phòng và chống ung thư, chống viêm, chữa bệnh tim mạch, bệnh đái tháo đường, bảo vệ tế bào thần kinh,…) - Trích ly chất màu từ phế liệu rau trái: Tách carotenoid trong phế liệu bã cà chua, bã xoài; tách flavonoid trong bã nho; tách chlorophy trong lá xanh; … khi sử dụng chất màu tự nhiên để nhuộm màu chẳng những cải thiện được hình thức bên ngoài mà con tăng giá trị dinh dưỡng của thực phẩm - Trích ly tinh dầu hoa nhài phục vụ cho kĩ thuật ướp chè,… 4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG Hàm mục tiêu của quá trình trích ly là hiệu suất thu hồỉ cấu tử cần chiết tách Đó là tỷ lệ giữa hàm lượng cấu tử trong dung dịch trích so với hàm lượng của nó trong nguyên liệu đem trích ly Giá trị hiệu suất thu hồí cấu tử càng cao thì việc thực hiện quá trình trích ly sẽ đạt hiệu quả kinh tế càng cao Cần lưu ý là trong một số trường hợp, cấu tử cần thu nhận không phải là một chất mà là một hỗn hợp gồm nhiều hợp chất hóa học khác nhau có trong nguyên liệu đem trích ly Các yếu tố ảnh hưỡng đến quá trình trích ly bao gồm: - Kích thước của nguyên liệu: kích thước nguyên liệu càng nhỏ thì diện tích bề mặt tiếp xúc 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 xsuất cần xác định kích thước phù hợp ứng với từng loại nguyên liệu đem trích ly - Tỷ lệ 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 do sự chênh lệch nồng độ của cấu tử cần trích ly trong nguyên liệu và trong dung môi sẽ càng lởn Tuy nhiên, nếu lượng dung môi sử dụng quá lớn thì sẽ làm loãng dịch trích Khi đó, các nhà sản xuết 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 công nghệ sản xuất thức uống từ thảo mộc, tỷ lệ khối lượng giữa nguyên liệu và dung môí (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 môi 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 10