Quá Trình Bay Hơi Và Chưng Cất

1.2 Cân bằng pha hơi – lỏng của hỗn hợp chưng Dung dịch lý tưởng là dung dịch mà trong đó lực liên kết giữa các phân tử cùng loại và lực liên kết giữa các phân tữ khác loại bằng nhau, kh

MỤC LỤC

PHẦN I: QUÁ TRÌNH BAY HƠI VÀ CHƯNG CẤT 5

1 Lý thuyết 5

1.1 Giới thiệu chung về chưng cất 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Mục đích công nghệ và phạm vi sử dụng 6

1.1.3 Phân loại 6

1.2 Cân bằng pha hơi – lỏng của hỗn hợp chưng 6

1.3 Các phương pháp chưng cất 8

1.3.1 Chưng cất đơn giản 8

1.3.2 Chưng có hồi lưu 9

1.3.3 Chưng bằng hơi nước trực tiếp 9

1.3.4 Chưng luyện 10

2 Thiết bị chưng cất 14

2.1 Tháp chưng cất 14

2.1.1 Tháp đĩa 14

2.1.2 Tháp đệm 16

2.2 Thiết bị ngưng tụ 18

2.3 Thiết bị gia nhiệt đáy 21

3 Ảnh hưởng đến thực phẩm 19

4 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm 20

4.1 Sản xuất rượu 20

4.2 Chưng cất tinh dầu 21

PHẦN II: ÉP ĐÙN 22

1.1 Khái niệm 22

1.2 Lịch sử phát triển và ứng dụng 22

1.3 Quá trình ép đùn 22

1.4 Ưu điểm của công nghệ ép đùn 23

2 Thiết bị ép đùn 23

2.1 Thiết bị ép đùn một trục 23

2.2 Thiết bị ép đùn hai trục 25

3 Sự thay đổi của chất dinh dưỡng trong quá trình ép đùn 26

3.1 Protein 26

3.2 Vitamin 27

3.3 Sự hình thành và lưu giữ lại hương vị trong qua trình ép đùn 27

4 Ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng đến quá trình ép đùn 28

4.1 Protein 28

4.2 Chất béo 28

4.3 Đường 29

5 Ứng dụng của ép đùn trong sản xuất thực phẩm 29

5.1 Ứng dụng trong sản xuất mì ống 30

5.2 Ứng dụng trong sản xuất bim bim 30

5.3 Ứng dụng trong sản xuất bỏng ngô 30

5.4 Ứng dụng trong sản xuất các loại protein cấu trúc 31

5.5 Ứng dụng trong sản xuất bánh kẹo và socola 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 33

QUÁ TRÌNH BAY HƠI VÀ CHƯNG CẤT

+ Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi.

+ Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử

dễ bay hơi

1.1.2 Mục đích công nghệ và phạm vi sử dụng

Trước hết quá trình chưng cất được thực hiện với mục đích thô chế, làm sạch các tạp chất thô, ví dụ: các chất keo, nhựa, bẩn… trong quá trình sản xuất rượu hoặc thô chế các nguyên liệu có tinh dầu

Mục đích quan trọng khác là phạm trù khai thác thu nhận sản phẩm như cất cồn, cất rượu, cất các loại tinh dầu Cuối cùng, chưng cất để nâng cao chất lượng sản phẩm, đó là quá trình tinh chế, ví dụ tinh chế cồn, tinh chế các loại tinh dầu có giá trị kinh tế cao

+ Phân loại theo phương thức làm việc: liên tục, gián đoạn

+ Phân loại theo mức độ phức tạp: chưng đơn giản, chưng luyện

Ngoài ra người ta còn phân biệt các phương pháp chưng đặc biệt như: chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích ly, chưng đẳng phí, chưng cất thăng hoa

1.2 Cân bằng pha hơi – lỏng của hỗn hợp chưng

Dung dịch lý tưởng là dung dịch mà trong đó lực liên kết giữa các phân

tử cùng loại và lực liên kết giữa các phân tữ khác loại bằng nhau, khi đó các cấu tử hoà tan vào nhau theo bất cứ tỉ lệ nào Cân bằng giữa lỏng và hơi hoàn toàn tuân theo định luật Rauolt

Dung dịch thực là những dung dịch không hoàn toàn tuân theo định luật Rauolt, sự sai lệch với định luật Rauolt là dương, nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại nhỏ hơn lực liên kết giữa các phân tử cùng loại, sai lệch là

âm nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại lớn hơn lực liên kết giữa các phân tử cùng loại

Trường hợp chất lỏng hoà tan vào nhau theo bất cứ tỉ lệ nào thì áp suất hơi của mỗi cấu tử sẽ giảm đi và áp suất chung cuả hỗn hợp, nhiệt độ sôi củahỗn hợp cũng như thành phần của cấu tử trong hơi không phải là một hằng

số mà thay đổi theo thành phần của cấu tử trong dung dịch Đường cong OMD là đường nối liền các điểm biểu diễn cho thành phần hơi cân bằng với

x Đường này gọi là đường ngưng tụ Đường cong OND là đường nối liền các điểm ứng với thành phần x, đường này gọi là đường cong sôi

Khu vực phía trên đường OMD là khu vực hơi, khu vực dưới đường cong OND là khu vực lỏng, khu vực ở giữa hai đường cong là khu vực hỗn hợp hơi lỏng

Ví dụ; ta có hỗn hợp lỏng, có thành phần x1 và nhiệt độ t1 (điểm S), đun nóng hỗn hợp đến nhiệt độ t2 (điểm N) khi đó sẽ suất hiện thành phần hơi x2

cân bằng với lỏng Ta tiếp tục tăng dần nhiệt độ thì lượng hơi trong hỗn hợp

sẽ tăng lên, lượng lỏng giảm đi Nếu quá trình ngưng lại ở t ta thu được hỗn

hợp hơi có thành phần x4 > x1 và hỗn hợp lỏng có thành phần x4 < x1 Nếu ngưng tụ toàn bộ hỗn hợp hơi ta sẽ được hỗn hợp lỏng có thành phần của cấu tử dễ bay hơi là x4, bằng cách làm như vậy ta đã tách hỗn hợp lỏng có nồng độ x1 thành hai hỗn hợp lỏng có nồng độ giàu cấu tử dễ bay hơi (x4) và giàu cấu tử khó bay hơi (x3) Cứ như vậy, nếu ta tiếp tục cho bốc hơi một phần hỗn hợp lỏng có x1 và ngưng tụ lại ta được sản phẩm có nồng độ chất

dễ bay hơi cao hơn tuỳ theo yêu cầu Cần phải nói rằng, phương pháp chưng này không phải chỉ ứng dụng cho hỗn hợp hai cấu tử mà có thể ứng dụng cho cả hỗn hợp nhiều cấu tử (khi độ bay hơi của các cấu tử khác nhau)

1.3 Các phương pháp chưng cất

1.3.1 Chưng cất đơn giản :

Chưng cất đơn giản dùng để chưng cất một hỗn hợp bao gồm các cấu tử

dễ bay hơi có lẫn các tạp chất khó bay hơi, khi không đòi hỏi sản phẩm có

độ tinh khiết cao (thô chế), tách sơ bộ hỗn hợp chứa nhiều cấu tử chính hoặc tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi Trong công nghệ thực phẩm ta gặp trong quá trình cất tinh dầu từ các nguyên liệu chứa tinh dầu, hoặc cất cồn thủ công trong các nơi chưng đơn giản mà bộ phận ngưng tụ làm lạnh có tên là vòi voi Ở đây nếu cất với nước ở áp suất thường thì to =

100oC

Vật liệu được nạp vào nồi chưng cất Ở đây hỗn hợp được đun đến to bayhơi Bộ phận đun nóng có thể là trực tiếp bằng củi, than (nồi cất thủ công) hoặc gián tiếp trong các bộ phận truyền nhiệt Hơi bốc hơi lên được ngưng

tụ trong thiết bị làm lạnh,thường là các ống ruột gà, nước làm nguội đi bên ngoài ống ; chất lỏng (sản phẩm đỉnh) được thu vào thùng chứa, bã hoặc dung dịch khó bay hơi còn lại trong thiết bị được tháo ra ngoài

1.3.2 Chưng có hồi lưu

Sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ cho quay 1 phần trở về thiết bị chưng với mục đích nâng cao chất lượng và tăng hiệu suất thu hồi

1.3.3 Chưng bằng hơi nước trực tiếp

Phun hơi trực tiếp qua lớp chất lỏng hoặc vật liệu rắn, hơi nước có thể bão hòa hoặc quá nhiệt Trong quá trình tiếp xúc giữa hơi nước và chất lỏng,cấu tử cần chưng khuếch tán vào trong hơi Hỗn hợp hơi nước với cầu tử bayhơi đó được ngưng tụ và tách thành sản phẩm Phương án này có lợi đối với những chất có nhiệt độ sôi quá cao

Tuy nhiên tốt hơn ta dùng phương pháp đốt gián tiếp để đun bốc hơi hỗnhợp, lớp hơi nước trực tiếp chỉ có nhiệm vụ mang các cấu tử dễ bay hơi ra ngoài mà thôi.

Ngoài ra để chất lỏng khỏi bị phân hủy và giảm bớt lượng nhiệt chi phí người ta thường tiến hành chưng cất với hơi nước dưới áp suất chân không.Tổng lượng nhiệt chi phí cho chưng cất với hơi nước bao giờ cũng lớn hơn chưng cất đơn giản

1.3.4 Chưng luyện

Để thu được sản phẩm tinh khiết ta tiến hành chưng nhiều lần

Chưng nhiều lần trong một nhóm thiết bị:

Hỗn hợp đầu A liên tục đi vào nồi chưng thứ nhất Một phần chất lỏng bay hơi thành sản phẩm đỉnh C Mức chất lỏng trong nồi không đổi Hơi C cân bằng với trạng thái lỏng B và hơi thu được ngưng tụ thành chất lỏng D

đi vào nồi chưng tiếp theo Quá trình cứ tiếp tục như vậy lặp lại 3 lần Mỗi nồi có bộ phận đốt nóng riêng biệt Kết quả thu được sản phẩm ở đáy và sản phẩm đỉnh có chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi

Để thu được chỉ một sản phẩm đáy có nhiều cấu tử ít bay hơi ta cho sản phẩm đáy của các nồi sau lần lượt quay lại các nồi trước Trạng thái cân bằng trong các nồi chưng sẽ thay đổi Ta có một sản phẩm đỉnh và một sản phẩm đáy

Phương án chưng luyện cho sản phẩm cuối quay trở lại và có hồi lưu chomột sản phẩm đỉnh là phương án có hiệu quả Tuy nhiên sơ đồ chưng trong một nhóm thiết bị như vậy rất cồng kềnh Để đơn giản hơn người ta thay hệ thống đó bằng một tháp chưng luyện

Tháp có nhiều đĩa, mỗi đĩa của tháp ứng với một nồi chưng Bộ phận đun nóng ở dưới đáy tháp Hơi đi từ dưới lên các lỗ của đĩa, chất lỏng chảy

từ trên xuống theo ống chảy chuyển Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi của tháp cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi của nồng độ Trên đĩa 1 chất lỏng chứa cấu tử dễ bay hơi nồng độ x1, bốc hơi

lên từ đĩa 1 có nồng độ cân bằng với x1 là y1 trong đó y1 > x1 Hơi này đi quacác lỗ trên đĩa 2 tiếp xúc với chất lỏng trong đĩa 2 Nhiệt độ đĩa 2 thấp hơn đĩa 1 nên 1 phần hơi được ngưng tụ lại, do đó nồng độ x2 > x1 Hơi nước bốclên từ đĩa 2 có nồng độ tương ứng cân bằng với x2 là y2 trong đó y2 > x2 Hơi

từ đĩa 2 đi lên đĩa 3 và nhiệt độ ở đĩa 3 thấp hơn, hơi ngưng tụ 1 phần do đó chất lỏng trên đĩa 3 có nồng độ x3 > x2 …

Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi Do

đó một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần

ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng Lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụnhư thế, với số đĩa tương ứng cuối cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử

dễ bay hơi ở dạng lẫn tạp chất và ở đáy tháp thu được cấu tử khó bay hơi ở dạng nguyên chất mỗi đĩa của tháp là một bậc thay đổi nồng độ, số đĩa của tháp là số bậc thay đổi nồng độ

Quá trình chưng luyện có thể xảy ra ở áp suất thường, áp suất cao hoặc

áp suất chân không Có thể làm gián đoạn hoặc liên tục

Lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy được xác định khi biết nồng độ cấu

tử dễ bay hơi và ngược lại có thể xác định nồng độ cấu tử dẽ bay hơi khi biếtlượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy bằng phương trình cân bằng vật liệu của toàn tháp:

F = P + WTrong đó

F – lượng hỗn hợp đầu đi vào tháp kmol/h

P – lượng sản phẩm đỉnh kmol/h

W – lượng sản phẩm đáy kmol/h

Nếu viết theo cấu tử dễ bay hơi ta có:

Fx1 = Pxp + Wxw

Trong đó x1, xp, xw là nồng độ của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.

2.1.1 Tháp đĩa

a) Sơ đồ cấu tạo

Tháp đĩa thường cấu tạo gồm thân hình trụ thẳng đứng, bên trong có đặt các tấm ngăn (đĩa) cách nhau một khoảng nhất định Trên mỗi đĩa hai pha chuyển động ngược nhau hoặc chéo chiều: lỏng đi từ trên xuống ( hoặc đi ngang), khí đi từ dưới lên hoặc xuyên qua chất lỏng chảy ngang; ở đây tiếp xúc pha xảy ra theo từng bậc là đĩa Tùy theo cấu tạo của đĩa chất lỏng trên đĩa có thể là khuấy lý tưởng hay là dòng chảy qua

Tháp đĩa có ống chảy chuyền: bao gồm tháp đĩa chóp, lỗ, xupap, lưới… Trên đĩa có cấu tạo đặc biệt để lỏng đi từ đĩa trên xuống đĩa dưới theo đườngriêng gọi là ống chảy chuyền, đĩa cuối cùng ống chảy chuyền ngập sâu trongkhối chất lỏng đáy tháp tạo thành van thủy lực ngăn không cho khí đi theo ống lên đĩa trên

Tháp đĩa không có ống chảy chuyền: khi đó khí và lỏng đi qua cùng một

lỗ trên đĩa

b) Ưu – nhược điểm

Trong công nghiệp thường sử dụng hai loại tháp đĩa là tháp đĩa lỗ và tháp chóp

+ Tháp đĩa lỗ có ưu điểm là kết cấu khá đơn giản, trở lực tương đối thấp,hiệu suất khá cao Tuy nhiên nó có nhược điểm là không làm việc được với chất lỏng bẩn, khoảng làm việc hẹp hơn tháp chóp

+ Tháp chóp có ưu điểm: có thể làm việc với tỉ trọng khí, lỏng thay đổi khá mạnh, khá ổn định, hiệu suất cao hơn tháp đĩa lỗ Nhược điểm của tháp chóp là trở lực lớn, tiêu tốn nhiều vật tư kim loại chế tạo, kết cấu phức tạp.

2.1.2 Tháp đệm

a) Sơ đồ cấu tạo

Cấu tạo gồm thân tháp rỗng bên trong đổ đầy đệm làm từ vật liệu khác nhau (gỗ, nhựa, kim loại, gốm…); lưới đỡ đệm, ống dẫn khí và lỏng vào ra

Để phân phối lỏng đều lỏng lên khối đệm chứa trong tháp, người ta dùng bộ phận phân phối dạng: lưới phân phối (lổng đi trong ống – khí ngoài ống, lỏng và khí đi trong cùng ống), màng phân phối và vòi phun hoa sen (dạng trụ, bán cầu, khe), bánh xe quay (ống có lỗ, phun quay, ổ đỡ) …

Khi chọn đệm cần lưu ý chọn loại thấm ướt tốt chất lỏng, trở lực nhỏ, thểtích tự do và tiết diện ngang lớn, có thể làm việc với tải trọng lớn của lỏng

và khí, khối lượng riêng nhỏ, phân phối đều lỏng, có tính chịu ăn mòn cao,

rẻ tiền, dễ kiếm… Để làm việc với chất lỏng bẩn nên chọn đệm cầu có khối lượng riêng nhỏ

b) Ưu – nhược điểm

Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, trở lực nhỏ

Nhược điểm: hoạt động kém ổn định, hiệu suất thấp, dễ bị sặc, khó tách nhiệt, khó thấm ướt

2.3 Thiết bị gia nhiệt đáy

Thiết bị gia nhiệt đáy có tác dụng cung cấp nhiệt lượng để đun sôi chất lỏng cần chưng cất hay nước trong chưng cất trực tiếp bằng hơi nước

Có thể đun sôi chất lỏng trực tiếp bằng than, củi… hoặc gián tiếp bằng thiết

bị trao đổi nhiệt

3 Ảnh hưởng đến thực phẩm

Qua quá trình chưng cất, độ tinh khiết của sản phẩm tăng, tách được tạp chất Về cảm quan màu sắc trạng thái sản phẩm đồng nhất và dễ chịu hơn.Tách được một số thành phần không mong muốn ra khỏi sản phẩm, làm tăng giá trị của sản phẩm

Trong chưng cất tinh dầu, những cấu tử ester trong tinh dầu thường dễ bịphân giải cho ra axit và ancol khi đun nóng trong một thời gian dài với nước

Do đó, để hạn chế hiện tượng này sự chưng cất hơi nước phải được thực hiện trong một thời gian càng ngắn càng tốt

Nhiệt độ cao làm phân hủy tinh dầu Do đó, khi cần thiết phải dùng hơi nước quá nhiệt (trên 100ºC), nên thực hiện việc này trong giai đoạn cuối củachưng cất, sau khi các cấu tử dễ bay hơi đã bị lôi cuốn đi hết Thực ra, hầu hết các tinh dầu đều kém bền dưới tác dụng của nhiệt nên vấn đề là làm sao cho thời gian chịu nhiệt độ cao của tinh dầu càng ngắn càng tốt

4 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Sự khác biệt giữa rượu chưng cất bằng nồi và cột là :

Chưng cất bằng nồi : rượu còn mùi vị của các chất đi kèm tạo hương

thơm nhưng hơi gắt, cần ủ để dịu hơn Thời gian ủ tối thiểu thường hai nămtrong những thùng gỗ sồi Các thùng này khá đắt và phải làm bằng thủ công

có hơ lửa mặt trong Rượu sẽ ngấm mùi và màu của gỗ sồi đã hơ lửa tạo vị

Chưng cất bằng cột : rượu rất tinh khiết có thể vô chai ngay không cần

ủ nhưng thiếu mùi vị đặc trưng Phương pháp này rất kinh tế và được dùngsản xuất ở quy mô lớn

Ví dụ: sản xuất rượu Whisky

Sau khi lên men, dịch wash được đưa đến “still room”, sẵn sàng cho quátrình chưng cất

Scotch whisky thường được chưng cất 2 lần trong các tĩnh đồng (copperstill), loại bình đồng này khiến người ta liên tưởng đến chiếc ấm đun nước lớn được đun trên lửa

Hình dạng, kích thước, và số lượng tĩnh đồng có ảnh hưởng lớn đến hương vị của whisky, do sự tương tác của rượu với đồng Nói chung, rượu càng tiếp xúc nhiều với thành đồng của bình, rượu càng êm & nhẹ

Các bình đồng ở nhà máy chưng cất Glenkinchie là một ví dụ điển

hình Ở đây người ta dùng loại bình lớn, thân to, đây được coi là những bình chưng cất lớn nhất trong các nhà máy, dẫn đến sự tiếp xúc đáng kể giữa rượu và thành bình Và chính kích thước & hình dạng của bình đồng đã giúptạo nên sự êm nhẹ của Glenkinchie Single Malt Scotch Whisky

Quá trình chưng cất đầu tiên diễn ra trong bình lớn chứa dịch wash, và

dịch được đun nóng đến khi rượu chuyển thành hơi Bình ngưng làm chuyểnđổi hơi thành chất lỏng - rượu với với nồng độ cồn thấp khoảng 20%.

Rượu nồng độ thấp được đun nóng một lần nữa trong bình chứa (spirit still), loại bình nhỏ hơn wash still Rượu bốc hơi và lại ngưng tự thành chất lỏng, với nồng độ cồn khoảng 68%, chảy vào bình chứa rượu

4.2 Chưng cất tinh dầu

Chưng cất tinh dầu được tiến hành bằng phương pháp chưng cất hơi nước Phương pháp này dựa trên sự thẩm thấu, hòa tan, khuếch tán và lôi cuốn theo hơi nước những hợp chất hữu cơ trong tinh dầu chứa trong các môkhi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao Sự khuếch tán sẽ dẽ dàng khi tế bào chứa tinh dàu trương phồng do nguyên liệu tiếp xúc với hơi nước bão hòa trong một thời gian nhất định

Trường hợp mô thực vật có chứa sáp, nhựa, axit béo thì khi chưng cất phải được thực hiện trong một thời gian dài vì những hợp chất này làm giảm

áp suất hơi chung của hệ thống và làm cho sự khuếch tán trở nên khó khăn