Công nghệ chế biến thực phẩm – quá trình ly tâm

Công nghệ chế biến thực phẩm – quá trình ly tâm

BẢNG PHÂN CÔNG VIỆC

Mức Độ Đóng Góp

Kí Tên

1 Huỳnh Thị Hà

Vy

200512038

2 Trịnh Thị Thảo

Word Power point A

3 Nguyễn Thị Thủy 200512043

4 Bùi Lam Diễm

Quỳnh

200512039

5 Trương Thị Hải

Ngân

200512042

6 Từ Anh Thanh 200512040

7 Trần Thị Quỳnh

Anh

200512046

I Cơ sở khoa học:

- Ly tâm là quá trình sử dụng lực ly tâm để phân riêng các cấu tử có khối lượng riêng khác nhau Động lực của quá trình là lực ly tâm và yếu tố khác biệt để phân riêng là khối lượng riêng Sự khác biệt khối lượng riêng càng lớn thì quá trình phân riêng càng dễ dàng

Dựa vào đối tượng phân riêng ,quá trình ly tâm có thể được phân loại như sau :

- Ly tâm để phân riêng hai chất lỏng không tan vào nhau: thông thường quá trình ly tâm được sử dụng để phân riêng hệ nhũ tương nước trong dầu (w/o) hoặc hệ nhũ tương dầu trong nước (o/w)

- Ly tâm để phân riêng hệ huyền phù: Đây là quá trình thường được sử dụng để làm trong các huyền phù như làm trong dịch nước quả trong quy trình sản xuất nước quả trong

- Ly tâm lọc

- Ly tâm để tách các cấu tử lơ lửng trong pha khí: Đây là quá trình thường được sử dụng để tách bụi từ không khí 

Cơ sở lý thuyết của quá trình ly tâm phân riêng hai chất lỏng không tan lẫn vào nhau

Lực ly tâm Fc (N) tác dụng lên 1 vật có khối lượng m(kg) chuyển động theo quỹ đạo tròn có bán kính R (m) với vân tốc góc w (rad/s) là

Fc=mR ω2(1) Xét hỗn hợp hai chất lỏng a và b không tan vào nhau, có khối lượng riêng tương ứng

là pA và pB (giả sử pA>pB) Nếu cho liên tục hỗn hợp hai chất lỏng này vào một ống hình trụ có đường kính R và đường cao H, quay với vận tốc là w (rad/s), khi đó chất lỏng A

và B sẽ có khuynh hướng chuyển động vế phía thành của ống Do chất lỏng A nặng hơn chất lỏng B nên chất lỏng A sẽ phân bố sát thành ống tạo thành hình vành khuyên tròn

phía trong Giữa chất lỏng A và chất lỏng B hình thành nên bề mặt phân chia giữa hai pha

Trong thực tế thì bề mặt phân chia giữa hai pha này không rõ ràng được gọi là bán kính cân bằng

Xét trong trường hợp lý tưởng là các phân tử của chất lỏng chuyển động với vận tốc góc của ống ly tâm (bỏ qua sự trượt của chất lỏng với thành ống và lực ma sát) Theo công thức(1), lực ly tâm dF tác dụng lên vành khuyên có độ dày dR và khối lượng dm được xác định như sau:

dF=R ω2dm

trong đó dm= 2πpbRdR với p là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/mpbRdR với p là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3) và B là chiều cao của ống (m) suy ra

dF=2 πρbb ω2R2dR

khi đó, áp suất tác dụng lên vành khuyên có độ dày dR

dP= 2 πρb b ω

2

R2dR

2 πbR =ρb ω2RdR

Lấy tích phân dP theo dR với cận dưới là R1 và cận trên là R2 áp suất tác động lên vành khuyên có độ dày R2-R1

∆ P= ρb ω

2

(R22

−R12 ) 2

Vậy áp suất tác dụng lên hai lớp chất lỏng A và B lần lượt là

∆ P A=ρb A ω2(R2A−R i2)

2

∆ P B=ρb B ω2

(R i2

−R2B ) 2

Muốn lớp cân bằng này ổn định thì ∆ P A=∆ P B Do đó:

R i2=

R2A− ρb B

ρb A R B2

1−ρb B

ρb A

Vậy có thể thấy bán kính cân bằng Ri phụ thuộc vào tỷ lệ khối lượng giữa hai chất lỏng ( hay nói cách khác là phụ thuộc bán kính Ra và Rb) Trong vùng vành khuyên chất lỏng A

và chất lỏng B có xu hướng dần tách ra và đi về trục ly tâm để chuyển về vùng vành khuyên của chất lỏng B và ngược lại, trong vùng vành khuyên của chất lỏng B, chất lỏng A

có xu hướng chuyển ra thành ống, tùy thuộc vào cấu tử muốn tách ra, cần chọn các bán kính R A và R Bcho phù hợp

Ví dụ như khi muốn tách một chất lỏng nhẹ B ra khỏi chất lỏng nặng(A) để làm tăng

độ tính sạch của chất lỏng nặng A thời gian lưu trong vành khuyên A phải dài hơn thời gian lưu trong vùng vành khuyên B Khi đó, mặt phân chia pha có xu hướng chuyển về tâm của ống ly tâm để thể tích của vùng vành khuyên A vượt trội so với thể tích vùng vành khuyên B, khi đó chất lỏng nhẹ B chịu tác dụng của lực ly tâm nhỏ trong khoảng một thời gian ngắn, còn chất lỏng A chịu tác dụng của lực ly tâm lớn hơn trong một thời gian dài hơn để thực hiện quá trình tách chất lỏng nặng A ra khỏi chất lỏng nhẹ B với mục đích làm tăng độ tinh sạch của chất lỏng B, quá trình sẽ diễn ra ngược lại sự thay đổi vị trí của mặt phân chia có thể thực hiện được với những khoảng cách rất nhỏ (có thể từ 25-50μm) m)

Tuy nhiên việc hiệu chỉnh vị trí này phụ thuộc vào kết cấu của thiết bị Việc hiệu chỉnh

vị trí của mặt phân chia pha cũng có thể thực hiên bằng cách thay đổi lưu lượng của các dòng ra Ví dụ, khi bán kính RB được cố định ,nếu RA giảm thì Ri giảm, mặt phân chia pha

có sẽ chuyển về gần tâm hơn Trong thực tế để tăng cường khả năng phân định bề mặt phân chia pha ,trong thiết bị ly tâm được trang bị thêm một vòng với bán kính của vòng tương đương với Ri Những vòng này được gọi là “vòng chặn” (ring dam ) hoặc là “dĩa trọng lực” (gravity disc)

Cơ sở lý thuyết của quá trình ly tâm phân riêng hệ huyền phù

Xét một dung dịch A ,trong đo có chứa các cấu tử rắn Khi huyền phù này được cung cấp vào trong một hình trụ từ đáy dưới tác dụng lực của lực ly tâm các hạt rắn có

xu hướng chuyển động về phía thành của ống Nếu các hạt rắn đó chuyển động tới thành ống trước khi rời khỏi ống, chúng sẽ được giữ lại trong ống và được tách khỏi huyền phù nếu hạt rắn không di chuyển đến thành, nó vẫn hiện diện trong dung dich và đi ra ngoài ống ly tâm, tỉ lệ giữa các hạt rắn được giữ lại trong ống ly tâm và lượng hạt rắn đi

ra khỏi ống ly tâm phụ thuộc vào tốc độ nhập liệu

Phương trình thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ nhập liệu, các tính chất của dung dịch, tốc độ ly tâm và kích thước của ống ly tâm như sau:

Trong đó :

q: lưu lượng của dòng dung dịch

g : là gia tốc trọng trường

ρb s : tỷ trọng của huyền phù

ρb1 : tỉ trọng của dung dich

Dp : đường kính tối thiểu của hạt có thể tách khỏi dung dịch khi đi qua ống ly tâm

ω:vận tốc góc của ống ly tâm

R1 :bán kính trong của vành khuyên tạo thành bởi chất lỏng

R2 : Bán kính trong của ống ly tâm

V : thể tích của phần chất lỏng được giữ lại trong ống ly tâm

Theo phương trình trên, phần trong dấu ngoặc đầu tiên của vế phải thể hiện tính chất của dung dịch, phần trong dấu ngoặc thứ hai thể hiện các đặc trưng của ống ly tâm phương trình trân được sử dụng để tính toán lưu lương dòng nhập liệu trong ống ly tâm hình trụ khi biết được kích thước và tốc độ quay của ống ly tâm

II Mục đích công nghệ và phạm vi thực hiện:

Quá trình ly tâm được ứng dụng khá rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm Dưới đây

sẽ giới thiệu một số ứng dụng của quá trình ly tâm trong công nghệ thực phẩm:

béo ra khỏi sữa Tùy theo mục đích mà có thể tách hoàn toàn hoặc tách một phần chất béo Để sản xuất các sản phẩm sữa gầy, quá trình ly tâm có thể làm giảm hàm lượng béo trong sữa xuống thấp hơn 0,05%

nước, acid hoặc kiềm để loại các phosphatide và các chất gum Sau khi xử lý xong, dầu

sẽ được đem ly tâm để tách các hợp chất đó ra Nếu quá trình tách gum bằng acid thì sau khi tách gum, dầu sẽ được rửa lại bằng nước nóng và nước rửa này cũng được tách ra bằng phương pháp ly tâm Sau đó, dầu sẽ tiếp tục được đem đi trung hòa và các chất xà phòng hóa sẽ được tách ra bằng phương pháp ly tâm Dầu tiếp tục được rửa bằng nước nóng và nước rửa cũng được tách ra bằng phương pháp ly tâm

dụng để làm trong dịch nha và bia Quá trình ly tâm cũng có thể được ứng dụng để tách nấm men có trong bia Trong quá trình ly tâm bia, cần đảm bảo độ kín của thiết bị vì nếu không, sẽ gây ra tổn thất CO2 đồng thời O2 có thể xâm nhập vào bia, làm giảm độ bền (hóa lý và sinh học) của sản phẩm

- Sản xuất rượu vang: quá trình ly tâm có nhiều ứng dụng trong quy trình công nghệ

sản xuất rượu vang Quá trình ly tâm có thể được sử dụng riêng hoặc kết hợp với quá trình lọc Để làm trong dịch nho sau khi ép, ta có thể sử dụng phương pháp ly tâm Sau khi lên men, để tách nấm men còn sót trong rượu vang cũng có thể sử dụng phương pháp

ly tâm Trong sản xuất rượu vang đỏ, quá trình ly tâm cũng có thể được áp dụng để tách nấm men và tạp chất trước khi cho vào thùng ủ

đóng vai trò khá quan trọng Quá trình ly tâm có thể được sử dụng để tách các loại chất nhầy khi sản xuất nước ép từ quả citrus hay dứa Nó cũng có thể được sử dụng để tách các tạp chất trong quá trình làm trong các loại nước quả để sản xuất nước quả trong Quá trình ly tâm còn được ứng dụng trong sản xuất tinh dầu từ quả citrus Dịch trích thường

có chứa 0,5-3,0% (w/w) tinh dầu Dịch trích này được đem ly tâm lần 1 để thu hỗn hợp

có hàm lượng tinh dầu 50-70% (w/w) Hỗn hợp này tiếp tục được ly tâm lần 2 để tách tinh dầu có độ tinh sạch cao hơn

Ngoài ra, quá trình ly tâm còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vưc như tách bã sau khi trích ly sản phẩm sữa đậu nành, làm trong các loại syrup, tách nước sau khi lắng tinh bột, tách chất béo từ thịt xay, tách nước trong cà phê nhân sau khi rửa cà phê trong quá trình sơ chế, tách các tinh thể đá trong quá trình cô đặc kết tinh

Tùy theo vị trí của quá trình ly tâm trong quy trình sản xuất thực phẩm mà mục đích công nghệ của quá trình ly tâm có thể là chuẩn bị, khai thác, bảo quản hoặc hoàn thiện

III Các biến đổi của nguyên liệu:

Trong quá trình ly tâm, yếu tố chủ yếu tác động lên nguyên liệu chỉ là tác động của lực cơ học (lực ly tâm) Vì vậy, ngoài sự tách pha, các biến đổi khác trong quá trình ly tâm thường không đáng kể Sự tách pha trong quá trình ly tâm sẽ dẫn đến sự thay đổi về các tính chất hóa lý trong mỗi pha như độ nhớt, tỷ trọng, độ đục,…

IV Các yếu tổ ảnh hưởng:

lẫn vào nhau và phân riêng các huyền phù, độ nhớt của pha lỏng có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ chuyển động của các cấu tử Khi tác dụng cùng một lực, độ nhớt của môi trường càng lớn trở lực chuyển động càng lớn, tốc độ di chuyển diễn ra càng chậm, quá trình phân riêng diễn ra càng chậm Do đó trong quá trình phân riêng, cần chú ý đến độ nhớt các chất lỏng, đặc biệt là chất lỏng tạo nên pha liên tục

phân riêng càng lớn thì sự chênh lệch của lực ly tâm tác dụng càng nhiều, quá trình phân riêng càng dễ dàng Trong quá trình phân riêng hai chất lỏng, độ chênh lệch khối lượng riêng của 2 chất lỏng không nên thấp hơn 3%

chất lỏng pha liên tục càng thấp, trở lực chuyển động càng giảm, hiệu quả của quá trình phân riêng càng tăng Khi phân riêng chất béo từ sữa, sữa nguyên liệu thường được gia nhiệt đến khoảng 60oC để tăng hiệu quả của quá trình phân riêng Tuy nhiên, cần chú ý

là khi nâng nhiệt cho sản phẩm, dưới tác dụng của nhiệt độ, các thành phần nhạy cảm với nhiệt độ có thể bị biến đổi (như vitamin, protein,…)

phương vận tốc góc Theo đó, khi vận tốc góc càng lớn, độ lớn của lực ly tâm càng lớn Khi lực ly tâm càng lớn, hiệu quả quá trình phân riêng càng tăng Tuy nhiên, trong quá trình ly tâm, vận tốc góc càng lớn thì yêu cầu về độ bền cơ học của thiết bị càng cao, chi phí đầu tư thiết bị càng lớn, làm giảm hiệu quả kinh tế của quá trình

lớn, hiệu quả phân riêng trong quá trình ly tâm càng cao

quả quá trình phân riêng càng cao Tuy nhiên, thời gian lưu càng dài sẽ làm giảm năng

suất của thiết bị Việc kiểm soát thời gian lưu của nguyên liệu trong quá trình ly tâm được thực hiện bằng việc hiệu chỉnh lưu lượng dòng nhập liệu

Riêng đối với quá trình phân riêng lỏng-lỏng bằng lực ly tâm, tỷ lệ dòng ra giữa 2 sản phẩm cũng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình

V Phương pháp thực hiện và thiết bị:

1 Ly tâm phân riêng hai chất lỏng không tan vào nhau:

*Ly tâm ống:

− Thiết bị ly tâm dạng này bao gồm một ống hình trụ dài, quay quanh một trục Bán kính của ống từ 10-15cm, tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính thường dao động từ 4-8 Nguyên liệu được đưa vào trong ống từ phía dưới Ở đáy ống có cơ cấu tấm chặn gắn trên thành ống hoặc cơ cấu chong chóng để đảm bảo chất lỏng sẽ chuyển động với vận tốc quay của ống Hai chất lỏng (nặng và nhẹ) được tách ra trong ống và được thu hồi ở đỉnh trên của ống ly tâm thông qua cơ cấu chảy tràn

− Tùy thuộc vào đối tượng cũng như hiệu quả của quá trình phần riêng, có thể lắp thêm

cơ cấu “đĩa trọng lực” Vận tốc quay của ống ly tâm có thể đạt từ 15.000 vòng/phút đến 50.000 vòng/phút Tốc độ càng lớn, đường kính của ống phải càng nhỏ

*Ly tâm dĩa:

− Thiết bị được cấu tạo bao gồm chén xoay thân hình trụ, đỉnh có dạng côn chuyển động tròn trong lớp vỏ cố định Đường kính của thân trụ khoảng 20-100cm Bên trong chén xoay này có các cơ cấu hình nón cụt bằng kim loại (dĩa) xếp chồng lên nhau Các dĩa này sẽ chuyển động với vân tốc bằng với vận tốc của chén xoay Khoảng cách giữa các dĩa là

20-130μm Trên các dĩa này có các lỗ được sắp xếp sao cho có thể tạo thành một dòng chảy xuyên từ dĩa trên cùng xuống đến đáy của chén xoay

− Nhập liệu được phân phối vào ở đáy chén xoay, sau đó, theo các kênh được tạo thành

Lỗ biên

Kênh thoát cho chất

lỏng tỷ trọng thấp

Tâm

lực ly tâm, pha nặng sẽ di chuyển ra xa tâm của dĩa (hướng về thành cổ chén xoay), còn pha nhẹ sẽ di chuyển vào gần tâm của dĩa và được đẩy lên đỉnh của chén xoay để thu hồi (hình 1)

− Trong thiết bị này, khoảng cách di chuyển của chất lỏng là ngắn hơn so với trong thiết bị

ly tâm ống Ngoài ra, trong thiết bị này, còn diễn ra quá trình trượt giữa hai lớp chất lỏng trong quá trình ly tâm, góp phần phá vỡ hệ nhũ tương Hai pha nặng và nhẹ được thu hồi thông qua cơ cấu chảy tràn, được thiết kế thêm “dĩa trọng lực”

a)

b)

Dĩa

Hình 1 Thiết bị ly tâm dĩa

a) Dĩa b) Dòng chuyển động giữa các dĩa

2 Ly tâm phân riêng hệ huyền phù

Cả thiết bị ly tâm ống và ly tâm dĩa đều có thể sử dụng để phân riêng hệ huyền phù Trong cả hai thiết bị này, pha rắn không được lấy ra liên tục mà nó bám lên thành Khi đạt chiều dày nhất định, phải ngừng hoạt động để tháo bã Thiết bị đang dạng ống có năng suất chứa bã nhỏ và thường dùng để phân riêng đối với huyền phù với hàm lượng pha phân tán ít hơn 0,5% Tuy nhiên, nó có thể được sử dụng để phân riêng các huyền phù có kích thước rất mịn vì có thể quay với tốc độ cao Thiết bị ly tâm dĩa có thể có năng suất chứa bã cao hơn thiết bị ly tâm ống đến 4 lần, tuy nhiên, nó cũng chỉ áp dụng cho huyền phù với hàm lượng pha phân tán thấp hơn 1%

*Thiết bị ly tâm có chén xoay dạng côn:

− Cấu taọ bao gồm một chén xoay dạng côn quay quanh một trục thẳng đứng Tất cả được đặt trong vỏ cố định Nguyên liệu đi vào đáy của chén xoay Dưới tác dụng của lực ly tâm, các huyền phù sẽ di chuyển về thành của chén xoay và bám trên đó Phần dung dịch sạch di chuyển lên phía trên và chảy tràn ra ngoài vỏ Khi bã dày, thiết bị được ngừng hoạt động, lớp bã tách ra bằng dao và thoát ra bằng cửa xã đáy của chén xoay (Hình 2)

− Thiết bị này có thể áp dụng cho huyền phù có đến 2% hàm lượng pha phân tán Để có thể tháo bã được liên tục, chén xoay được khoét lỗ (thường 2-24 lỗ) với đường kính từ 0,75-2mm, tùy thuộc vào kích thước của huyền phù Khi đó dòng bã (chiếm khoảng 2-50% khối lượng nhập liệu) được tháo ra liên tục qua các lỗ này Dòng bã này có nồng độ huyền phù lên đến 25%

− Nếu muốn nâng cao hơn nữa nồng độ các cấu tử thuộc pha phân tán trong dòng bã, có thể hoàn lưu một dòng bã Có thể hoàn lưu đến 75% dòng bã ( tùy thuộc vào tính lưu biến

của dòng bã ) Nồng độ các cấu tử thuộc pha phân tán có thể đạt đén 40% nếu hoàn lưu hợp lý

Hình 2 Thiết bị ly tâm có chén xoay dạng côn

− Ngoài ra, có thể thay các lỗ trên bằng các van thích hợp Các van này được đóng mở định kỳ để tháo bã ra Ưu điểm của thiết bị này là hạn chế tổn thất pha lỏng và nồng độ các cấu tử thuộc pha phân tán trong dòng bã có thể tăng cao hơn Quá trình đóng mở van có thể được thực hiện bằng phương pháp thủ công hoặc tự động

− Để phân riêng huyền phù trong trường hợp pha phân tán chiếm tỉ lệ cao, thường sử dụng thiết bị ly tâm dạng trục vis Cấu tạo thiết bị gồm có chén xoay hình trục, có một đầu dạng côn Bên trong có một trục vis Cả chén xoay và trục vis đều xoay cùng chiều nhưng tốc độ của chén xoay phải lớn hơn trục vis (thường nhanh hơn khoảng 25 vòng/phút) Khi hoạt động, phần chất rắn bị đẩy ra thành của chén xoay và được trục vis đẩy về phía đầu côn và tháo ra ngoài Pha lỏng sẽ di chuyển đến đầu còn lại và thoát ra ngoài (hình 3)

− Thiết bị này có thể tách được trên 90% pha rắn Tuy nhiên, đối với các huyền phù với các cấu tử thuộc pha phân tán có kích thước nhỏ (khoảng vài chục μm) thì quá trình phân