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
TỔNG QUAN
QUÁ TRÌNH TRÍCH LY RẮN-LỎNG
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.
- 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
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.
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.
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 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
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
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 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 LỎNG-LỎNG
1 KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA
Trích ly là quá trình tách một hoặc một số chất tan trong chất lỏng hay trong chất rắn bằng một chất lỏng khác gọi là dung môi.
Chất lượng và hiệu quả của một quá trình trích ly phụ thuộc chủ yếu vào dung môi, nên yêu cầu chung của dung môi là:
- Có tính hòa tan chọn lọc, nghĩa là chỉ hòa tan các cấu tử cần tách , không hoặc hòa tan rất ít các cấu tử khác.
- Không độc, không ăn mòn thiết bị
Quá trình trích ly được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp hoá học và thực phẩm với mục đích:
- Tách các cấu tử quý
- Thu được dung dịch có nồng độ đậm đặc (đối với trích ly lỏng - lỏng)
- Cũng như chưng luyện nó là một trong những phương pháp chủ yếu để phân tách một hỗn hợp đồng nhất thành các cấu tử thành phần.
Trích ly chất lỏng lỏng là : là tách một hay một vài cấu tử của hỗn hợp lỏng hay rắn, bằng dung môi không tan trong dung dịch đầu:
Chất lỏng: dung môi hay tác nhân, chất trích ly
Cấu tử cần tách: cấu tử bị trích ly
Dung dịch thu được: dịch chiết - Extraction (E)
Chất lỏng đầu: nước cái - Raphinat (R)
1.3 Sơ đồ nguyên tắc của quá trình trích ly
2 CÂN BẰNG PHA TRONG HỆ LỎNG-LỎNG
Trạng thái cân bằng trong hệ lỏng - lỏng được xác định bằng thế hoá của chất hoà tantrong cả hai pha y*, x là nồng độ cân bằng của cấu tử phân bố trong dung dịch trích và trong raphinát : m= y ¿ x m: hệ số phân bố Đối với dung dịch thực thì m phụ thuộc vào nồng độ: y* = f(x) là một đường cong , m được xác định bằng thực nghiệm
Trường hợp đơn giản nhất là m = const Khi đó m chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và ít phụ thuộc vào nồng độ
Nhiều trường hợp tuy rằng nồng độ của cấu tử phân bố rất bé nhưng sự phụ thuộc cân bằng lại rất phức tạp do có sự tác dụng hoá học của cấu tử phân bố với dung môi ,hay do hiện tượng hydrat hoá ,solvat hoá Do đó sự phụ thuộc cân bằng y* = f(x) là đường cong.
Nếu dung môi đầu L và dung môi thứ G hoà tan một phần vào nhau thì khi trích ly mỗi pha sẽ là một dung dịch gồm ba cấu tử ,nên thành phần của nó không thể biểu diễn trên đồ thị đề các y-x được
Thuận tiện nhất là biểu diễn trên hệ toạ độ tam giác đều
Trên các đỉnh của tam giác biểu diễn cấu tử phân bố (cấu tử cần tách) M, dung môi đầu L, dung môi thử G tinh khiết 100%
Mỗi điểm nằm trên các cạnh của tam giác đều biểu diễn thành phần của dung dịch hai cấu tử
Mỗi điểm nằm trong tam giác đều biểu diễn thành phần của dung dịch 3 cấu tử
Ví dụ điểm N xG = 50% xL = 20% xM 0%
Qu y tắc tỷ lệ: Điểm hỗn hợp N trong đồ thị tam giác
Khi phân thành hai pha : pha trích E và pha raphinát R Theo quy tắc đòn bẩy thì:
Các điểm N,R,E cùng nằm trên 1 đường thẳng trong đồ thị tam giác Điểm N chia R và E theo tỷ lệ:
R E Đường cân bằng trong đồ thị tam giác
- Đồ thị tam giác có thể dùng để biểu diễn trạnh thái cân bằng của hệ ba cấu tử như cấu tử phân bố M ,dung môi đầu L, dung môi thứ G.
- Để thu được đường cong cân bằng, xét quá trình thêm cấu tử phân bố M vào hỗn hợp không đồng nhất của hai dung môi L và G:
Giả sử M hoà tan hạn chế trong cả L và G ,còn bản thân L và G cũng hoà tan hạn chế vào nhau M và L, cũng như M và G tạo thành một dung dịch đồng nhất 2 cấu tử (thành phần được đặc trưng bằng các điểm trên các cạnh
Dung môi L và G chỉ tạo thành những dung dịch đồng nhất chỉ trên đoạn nhỏ
Một hỗn hợp bất kỳ trên đoạn RE đều phân thành hai lớp: dung dịch bão hoà
2 cấu tử R(dung dịch bão hoà G ở trong L) và E (dung dịch bão hoà L trong
Lượng các dung dịch bão hoà phụ thuộc vị trí của điểm N được xác định theo quy tắc đòn bẩy Khi thêm cấu tử phân bố M vào hỗn hợp có thành phần tại
N thu được hỗn hợp 3 cấu tử N1 nằm trên đoạn thẳng MN
Hỗn hợp N1 là hỗn hợp không đồng nhất nên phân thành hai pha (2 lớp) có nồng độ cân bằng là R1 (pha của dung môi L) và E1 (pha của dung môi G) với tỷ lượng E1N1 : R1N1
Khi thêm tiếp cấu tử phân bố M vào hỗn hợp N1, thu được hỗn hợp 3 cấu tử có thành phần biểu diễn ở N2,N3, và cũng như trên ta thu được các pha bão hoà R2E2; R3E3;…
Nếu cứ tiếp tục thêm cấu tử phânbố vào hỗn hợp không đồng nhấtN4 đến hỗn hợp N5 thì pha R5 biến mất.
Nếu tiếp tục thêm cấu tử M vàohỗn hợp không đồng nhất N5 thìsẽ thu được
1 hỗn hợp đồng nhất 3 cấu tử Nối tất cả các điểm RR1R2 K E2E1E được đườngcong cân bằng Nhánh RR1R2 K là đặc trưng cho các thành phần cân bằngcủa dung môi đầu L (Raphinát), nhánhK E2E1E là đặc trưng cho thành phần cân bằng của dung môi thứ G (dung dịch trích).
K là điểm tới hạn - tại đó cả hai pha đồng thời biến mất hay xuất hiện
Các điểm nằm trong đường cong cân bằng là hệ dị thể, ngoài đường cong cân bằng là hệ đồng thể
- Quá trình trích ly chỉ có thể thực hiện được đối với các hỗn hợp nằm trong đường cong cân bằng.
- Các đường R1E1; R2E2; là các đường liên hợp
- Nhờ đồ thị, dễ dàng xác định được hệ số phân bố m của định luật phân bố đối với từng cặp dung dịch: m= Nồng độ của M trong E ( y ¿ )
Nồng độ của M trong R ( x) m có thể lớn hơn hoặc bằng 1 hay m