đề tài quá trình chưng cất

đề tài quá trình chưng cất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM HỌC PHẦN: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Công nghệ thực phẩm là ngành khoa học bao gồm các hệ thống các phương pháp làm biến đổi nguyên liệu với quy mô lớn thành sản phẩm theo các chỉ tiêu chất lượng quy định

Chưng cất là một trong các phương pháp làm tách các cấu tử ra khỏi hỗn hợp ban đầu để thu được sản phẩm tinh khiết hơn Với đề tài tìm hiểu về “Quá trình chưng cất”, nhóm chúng em sẽ thực hiện gồm có 6 phần:

Sự khác nhau về khả năng bay hơi thể hiện qua sự chênh lệch về nhiệt độ sôi, hoặc

ở cùng một nhiệt độ nhưng áp suất khác nhau Trong bài này, nhóm nghiên cứu về sự chênh lệch nhiệt độ sôi Do sự chênh lệch về nhiệt độ, nên các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ bay hơi trước và các cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn sẽ bay hơi sau

Trong quá trình chưng cất, tất cả các cấu tử trong hỗn hợp đều có thể hóa hơi Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm

- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử có độ hơi bay bé

- Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử

có độ bay hơi lớn

Ví dụ: Đối với hệ Nước – Axit axetic thì:

♣ Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước

♣ Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic.

Xét hỗn hợp hai cấu tử propane và butane Trong đó,

- Trục x: biễn diễn phần mol của cấu tử nhẹ propan trong pha lỏng

- Trục y: biểu diễn phần mol của cấu tử nhẹ propan trong pha hơi

Khi gia nhiệt cho hỗn hợp, thì hỗn hợp sẽ không sôi ở một nhiệt độ nhất định mà cấu tử propane sẽ sôi và hóa hơi trước Nhiệt độ mà tại đó diễn ra quá trình này gọi là điểm sôi (bubble point) Nếu hỗn hợp hóa hơi hoàn toàn, cấu tử nào khó bay hơi sẽ ngưng tụ trước tức butan sẽ ngưng tụ trước Nếu hỗn hợp ở trạng thái hơi hoàn toàn,

khi hạ nhiệt độ và bắt đầu có sự ngưng tụ thì nhiệt độ mà tại đó xảy ra quá trình ngưng

tụ được gọi là điểm sương (dew point)

1.2. Phân loại

- Theo quá trình chưng cất

• Chưng cất phân đoạn: Dùng để có được một độ tinh khiết cao của phần cất hay để chưng cất nhiều cấu tử khác nhau từ hỗn hợp Có thể thực hiện dưới áp suất thấp hơn để cải thiện bước tách nếu nhiệt độ sôi gần nhau

• Chưng cất lôi cuốn: Dùng khi các chất lỏng cần tách hòa tan với nhau: nước và cồn Nếu hỗn hợp là những chất không tan vào nhau như nước dầu, có lắng cặn và gạt đi.

- Theo nguyên lý làm việc:

• Chưng cất đơn giản: Tách hỗn hợp các cấu tử có độ bay hơi khác nhau Thường để làm sạch sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

 Chưng cất bay hơi dần dần: Chủ yếu dùng trong phòng thí nghiệm để xác định đường cong chưng cất Enghen Chưng cất bay hơi một lần: Cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn so với bay hơi một lần.

 Chưng cất bay hơi nhiều lần: Cho phép quá trình tách các phân đoạn theo mong muốn

• Chưng cất phức tạp

 Chưng cất có hồi lưu: Để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người ta tiến hành cho hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh Nhờ sự tiếp xúc thêm mộy lần giữa pha lỏng (hồi lưu)

và pha hơi trong tháp được làm giàu thêm cấu tử nhẹ nhờ đó mà

độ phân chia cao hơn

 Chưng cất có tinh luyện: Dựa vào quá trình trao đổi chất nhiều lần giữa pha lỏng và hơi nhờ vào các đĩa hay đệm Chưng cất sẽ

có độ phân chia cao hơn nếu kết hợp với hồi lưu

 Chưng cất chân không & chưng cất với hơi nước: Độ bền nhiệt các cấu tử trong dầu phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thời gian lưu Đối với các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao, người ta cần tránh sự phân huỷ chúng (giảm độ nhớt, độ bền oxy hoá…) bằng cách hạn chế nhiệt độ (320o- 420oC) chưng cất Nếu nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ phân huỷ chúng ta dùng chưng cất chân không hay chưng cất hơi nước Hơi nước làm giảm áp suất hơi riêng phần làm chúng sôi ở nhiệt độ thấp hơn

1.3. Phương pháp thực hiện

1.3.1. Phương pháp chưng cất đơn giản

Thường được ứng dụng để chưng cất các sản phẩm không đòi hỏi có độ tinh khiết cao Trong công nghệ thực phẩm, phương pháp này thường được ứng dụng để sản xuất các loại tinh dầu thô từ thực vật hoặc các loại rượu thủ công Quá trình chưng cất thường được thực hiện ở điều kiện thường Nguyên liệu được đưa vào nồi, sau đó gia nhiệt đến nhiệt độ sôi bằng các tác nhân như củi, than đốt trực tiếp hoặc hơi nước Hơi bay lên được đưa vào thiết bị ngưng tụ, sản phẩm ngưng tụ được đưa về thùng chứa Sau khi kết thúc mẻ chưng cất, bã hoặc phần chất lỏng khó bay hơi được tháo ra ngoài

ở đáy

Ưu điểm:

- Thiết bị đơn giản

- Thực hiện dễ dàng

Quá trình này thường được thực hiện gián đoạn

1.3.2. Phương pháp chưng cất đơn giản hồi lưu

Phương pháp này, sản phẩm đỉnh sẽ được hồi lưu một phần về thùng nguyên liệu nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi cũng như tăng độ tinh sạch cho sản phẩm

1.3.3. Phương pháp chưng cất lôi cuốn bằng hơi nước

Phương pháp này thường được ứng dụng để chưng cất lôi cuốn tinh dầu hoặc các hợp chất tạo hương từ nguyên liệu là rau quả, trái cây… hoặc dùng dùng để chưng cất hai chất lỏng không hòa tan vào nhau.

Thường được dùng khi các chất lỏng cần phải tách hòa tan với nhau ví dụ như dung dịch cồn và nước Ví dụ như nước và dầu thì lệ thường là có thể tách các chất lỏng bằng cách lắng và gạn đi

Khi khai thác tinh dầu chỉ có trong cây cỏ ở nồng độ thấp như cây oải hương, người

ta cho thêm một ít nước vào cây cỏ đã được cắt nhỏ và đun nóng Nhờ có một phần nước nên nhiệt độ được giữ cố định ở nhiệt độ sôi một thời gian, cũng có thể dùng áp suất cao để nâng nhiệt độ lên quá 100°C Hơi dầu đi cùng với hơi nước vào bộ ngưng

tụ và ngưng tụ lại Hỗn hợp dầu-nước sau đó có thể tách bằng cách lắng gạn đi Hơi nước cuốn theo một thành phần khác thật ra là không tan đi theo Nếu không có nước thì nhiệt độ sẽ tăng cao đến mức dầu có thể bị phân hủy

1.3.4. Phương pháp chưng cất phân đoạn bằng hệ thống chưng cất liên tục

Là quá trình thực hiện liên tục quá trình bốc hơi và ngưng tụ một phần, nồng độ các cấu tử dễ bay hơi trong pha khí sẽ càng lúc càng tăng cao Quá trình chưng cất phân đoạn sẽ gồm nhiều giai đoạn như vậy Trong mỗi giai đoạn sẽ diễn ra quá trình bốc hơi

và ngưng tụ một phần

2. MỤC ĐÍCH CÔNG NGHỆ VÀ PHẠM VI THỰC HIỆN

Quá trình chưng cất có mục đích công nghệ chủ yếu là khai thác để tách và nâng cao nồng độ một cấu tử nào đó trong hỗn hợp Ví dụ, trong sản xuất ethanol, dịch sau khi lên men có nồng độ ethanol tương đối thấp (tùy thuộc vào chủng nấm men và thông số kỹ thuật cũng như phương pháp lên men, nồng độ ethanol có thể đạt giá trị khác nhau, nhưng thường không vượt quá 20%v/v) Do đó, để thu hồi ethanol có nồng

độ cao, người ta thực hiện quá trình chưng cất Tương tự, trong sản xuất các loại rượu cao độ như whisky hay cognac, để nâng cao nồng độ ethanol đạt giá trị như mong muốn, quá trình chưng cất cũng được áp dụng Quá trình chưng cất còn được sử dụng

để thu hồi các tinh dầu từ các nguồn thực vật khác nhau

Quá trình chưng cất còn có mục đích hoàn thiện Ví dụ như trong sản xuất ethanol, dịch lên men chứa khá nhiều các tạp chất dễ bay hơi như aldehyde, ketone, rượu bậc cao, acid hữu cơ… Chúng là các sản phẩm phụ của quá trình lên men Trong quá trình chưng cất, người ta sẽ tách các tạp chất này để làm tăng độ tinh sạch của ethanol thành phẩm

3. CÁC BIẾN ĐỔI CỦA NGUYÊN LIỆU

Các biến đổi chính trong quá trình chưng cất chủ yếu là sự thay đổi về pha diễn ra trong suốt quá trình chưng cất Kèm theo sự thay đổi về pha, sự thay đổi về thành phần hóa học trong hai pha lỏng và khí diễn ra liên tục theo khuynh hướng sau: trong pha lỏng, càng lúc càng giàu các cấu tử bay hơi; trong pha khí càng lúc càng giàu các cấu tử dễ bay hơi Sự thay đổi về thành phần hóa học thường dẫn đến sự thay đổi các tính chất hóa lý khác như tỷ trọng, độ nhớt, khả năng truyền nhiệt và các tính chất về nhiệt động lực học

4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH

Quá trình chưng cất chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

− Nguyên liệu: Trong quá trình chưng cất, nồng độ các cấu tử trong hỗn hợp ban

đầu là yếu tố cần quan tâm Nồng độ các cấu tử cần tinh sạch càng thấp, quá trình chưng cất sẽ diễn ra càng phức tạp, năng lượng càng lớn

− Sự chênh lệch nhiệt độ sôi giữa các cấu tử: Sự chênh lệch nhiệt độ sôi của

các cấu tử trong hỗn hợp càng lớn, quá trình chưng cất thực hiện càng dễ dàng

− Các tính chất về nhiệt động giữa nguyên liệu: Độ nhớt, nhiệt dung riêng, khả

năng dẫn nhiệt, nhiệt hóa hơi,… đều có ảnh hưởng đến quá trình chưng cất

− Các thông số công nghệ như nhiệt độ, áp suất,… Tùy theo phương pháp thực

hiện quá trình chưng cất mà các thông số công nghệ có ảnh hưởng khác nhau

Sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ được trình bày trong phần thiết bị và phương pháp thực hiện

5. THIẾT BỊ

Trong công nghiệp thường sử dụng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau: diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng dùng tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, trong bài tiểu luận này, nhóm khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháo chêm

Tháp mâm: tùy theo cấu tạo của đĩa ta có hai loại:

- Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới:

- Tháp chưng cất dùng mâm chóp

Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật đệm)

Thiết bị chưng cất trong phòng thí nghiệm

Mô hình tháp chưng cất

5.1. Tháp chưng cất mâm xuyên lỗ

Cấu tạo: tháp mâm xuyên lỗ gồm nhiều mâm, trên mỗi mâm bố trí dòng

chảy chuyền, gờ chảy tràn và khoan rất nhiều lỗ trên mâm có đường kính 12mm

3-Ưu điểm: chế tạo đơn giản, dễ vệ sinh, trở lực thấp, ít tốn kim loại

Nhược điểm: yêu cầu lắp đặt cao, mâm lắp phải rất phẳng, đối với những

tháp có đường kính quá lớn (> 2,4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm

Mâm lỗ tháp chưng

5.2. Tháp chưng cất mâm chóp

Cấu tạo: gồm có nhiều mâm, trên mỗi mâm bố trí chảy chuyền, gờ chảy

tràn, ống hơi và trên các ống hơi có gắn các chóp có tác dụng tăng khả năng tiếp xúc pha giữa pha lỏng và pha hơi trên mâm

Ưu điểm: hiệu suất truyền khối cao, ổn định, ít tiêu hao năng lượng nên có

số mâm ít hơn

Nhược điểm: chế tạo phức tạp, trở lực lớn

Bubble CapTrays

5.3. Tháp chưng cất đệm

Cấu tạo: tháp có cấu tạo hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp với nhau bằng mặt

bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Ưu điểm: chế tạo đơn giản , trở lực thấp

Nhược điểm: hiệu suất thấp, kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết

diện tháp không đều, sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cấy theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm một cách rõ ràng, tháp chêm khó chế tạo được kích thước lớn ở quy mô công nghiệp

Tháp chưng cất đệm

Vật đệm làm tăng hiệu quả quá trình truyền khối

5.4. Nguyên lý hoạt động của thiết bị

(12) Thiết bị đun sôi đáy tháp

(13) Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

6. QUY TRÌNH THỰC HIỆN

6.1. Quy trình sản xuất rượu gạo

Thưởng thức rượu là một phẩn không thể tách rời trong sinh học văn hóa, lễ hội và giao tiếp của người Việt Nam Rượu cũng là một nét văn hóa mang đậm bản sắc riêng của từng dân tộc và từng vùng Ở nông thôn, nhất là Nam Bộ, rượu còn là phương thức bày tỏ lòng hiếu khách của người dân

Rượu được làm từ các nguyên liệu: gạo, nếp, sắn (khoai mì) Mỗi nguyên liệu tạo thành hương vị đặc trưng của rượu Rượu gạo là phổ biến nhất ở Việt Nam

Nấu chín

Gạo nguyên liệu được ngâm nhằm rửa sạch chất bẩn bám bên ngoài hạt, đồng thời làm cho hạt gạo mềm, trương nở giúp dễ dàng cho quá trình nấu Sau đó gạo được để ráo và được cho vào nồi, thêm nước và nấu chín Lượng nước cho vào được tính toán sao cho cơm sau khi nấu không quá nhão cũng không quá khô Tỉ lệ gạo nước khoảng 1:1 theo thể tích Mục đích của việc làm chín hạt gạo nhằm hồ hóa tinh bột gạo, giúp cho vi sinh vật dễ sử dụng tinh bột này để lên men rượu

Làm nguội

Cơm sau khi nấu chín được trải đều trên một bề mặt phẳng để làm nguội đến nhiệt

độ thích hợp (khoảng 35 - 40oC) cho việc trộn bánh men rượu Nếu cho men vào lúc nhiệt độ cơm cao sẽ làm bánh men rất khó hoạt động hoặc có thể gây chết men Bánh men rượu được trộn vào bằng cách bóp nhỏ, rắc đều lên bề mặt lớp cơm với tỷ lệ thích hợp tùy theo hướng dẫn trên từng loại men Sau đó cho tất cả vào khạp lớn, đậy nắp

để bắt đầu quá trình lên men rượu

Lên men

Lên men rượu là một quá trình lên men yếm khí (không có mặt của oxy) diễn ra rất phức tạp, bao gồm các quá trình sinh hóa học và các quá trình vi sinh vật Quá trình lên men diễn ra ở nhiệt độ thường, trong thời gian này có 3 quá trình diễn ra song song với những mức độ khác nhau Trước tiên là quá trình tăng sinh khối nấm men Quá trình đường hóa có sự phân cắt tinh bột thành đường nhờ men amylase và glucoamylase của nấm mốc có sẵn trong bánh men rượu Đường vừa tạo ra trở thành thức ăn để nấm men thực hiện quá trình lên men rượu Quá trình lên men rượu diễn ra

do nấm men sử dụng đường để tạo thành rượu etylic và CO2 CO2 sinh ra trong quá trình lên men sẽ tạo thành bọt khí bám vào bề mặt nấm men và làm các tế bào nấm men nổi lên trên, khi lên đến bề mặt, bọt khí vỡ ra và tế bào nấm men lại chìm xuống tạo ra sự đảo trộn giúp quá trình lên men được tốt hơn

Sau 2 ngày đầu lên men, có thể bổ sung nước vào khối lên men với tỷ lệ nước:cơm khoảng 3:1, sau đó đậy nắp và tiếp tục lên men thêm khoảng 3 ngày nữa.

độ rượu sẽ giảm dần theo thời gian chưng cất Thông thường từ 15 kg gạo sẽ thu được khoảng 10 – 15 lít rượu.Tùy theo yêu cầu của khách hàng mà ta có thể tiến hành pha trộn các loại rượu thu được ở các khoảng thời gian chưng cất khác nhau để tạo ra rượu

có nồng độ khác nhau

Nấu chín Gạo

Để nguội Bánh men Trộn Lên men

Rượu gạo Chưng cất

6.2. Quy trình sản xuất Whisky

Whisky là một loại đồ uống có chứa cồn được sản xuất từ ngũ cốc bằng cách lên men và chưng cất

Whisky đơn cất được tạo ra từ ba thành phần: nước, mạch nha, và nấm men

Quá trình sản xuất whisky, quá trình chưng cất cũng có ảnh hưởng đến hương vị của rượu

Tại nhà máy chưng cất Talisker, họ thường rút ra một mẫu mỗi ngày từ quá trình mạch nha hóa, và kiểm tra lượng đường dự kiến để chắc chắn rằng lượng rượu từ mạch nha phải thật chính xác Họ cũng kiểm tra độ khói của than bùn ảnh hưởng đến hạt Điều quan trọng giúp họ nhận được loại hạt chính xác về độ khói, để tạo nên đặc tính khác biệt không thể nhầm lẫn của Talisker

Quá trình nghiền

Hạt mạch nha được xay thành bột hoặc hạt tấm, và được trộn với nước ấm trong thùng kín (mash tun), đây là quá trình làm cho tinh bột trong hạt chuyển hóa thành đường Chất lỏng sệt có đường, còn được gọi là dịch nha (wort) gần giống với nước lúa mạch, được đưa qua sàng – giống như đáy của “mash tun”

Quá trình lên men

Dịch nha sẽ được làm lạnh và chuyển vào thùng lên men (wash back) Người ta cho thêm nấm men vào và quá trình lên men bắt đầu Nấm men giúp chuyển hóa đường trong dịch nha thành rượu

Sau 2 đến 4 ngày, quá trình lên men được hoàn tất, tạo ra một loại chất lỏng gọi là wash gần giống với bia, với nồng độ từ khoảng 8 đến 9%

Thời gian kéo dài quá trình lên men ảnh hưởng quan trọng đến hương vị tổng thể của rượu

Ví dụ, thời gian lên men ngắn (khoảng 2 ngày) sẽ tạo ra hương vị hấp dẫn & đa vị Tuy nhiên, người ta thường dùng quá trình lên men kéo dài (4 ngày) trong khi sản xuất Singleton of Dufftown, giúp tạo ra loại rượu êm, và đây cũng là một trong những nhà máy sản xuất ra loại whisky có hương vị êm mượt hương trái cây

Quá trình chưng cất

Sau khi lên men, dịch wash được đưa đến “still room” , sẵn sàng cho quá trình chưng cất Scotch whisky thường được chưng cất 2 lần trong các tĩnh đồng (copper still ), loại bình đồng này khiến người ta liên tưởng đến chiếc ấm đun nước lớn được đun trên lửa