Lấy nước mía bằng phương pháp khuyếch tán

Chủ đề 3:LẤY NƯỚC MÍA BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHUẾCH TÁN, SO SÁNH PHƯƠNG PHÁP KHUẾCH TÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP ÉP I/ GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP KHUẾCH TÁN: Phương pháp khuếch tán đã được sử dụng nhiều năm

Chủ đề 3:

LẤY NƯỚC MÍA BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHUẾCH TÁN, SO SÁNH PHƯƠNG PHÁP KHUẾCH TÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP ÉP

I/ GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP KHUẾCH TÁN:

Phương pháp khuếch tán đã được sử dụng nhiều năm trong tất cả nhà máy đường củ cải để trích ly đường từ lát củ cải

Hiện nay nhiều nhà máy đường mía của cả nước trên thế giới như: Haoai, Nam Phi, Pucrơtô, Ricô, Pêru, Ôstrây- lia đã dùng phương pháp khuếch tán với các thiết bị khuếch tán khác nhau như: DdS, De, Smet, BMA, FS, Huletts, Saturne Ở nước ta, phương pháp khuếch tán được dùng đầu tiên ở nhà máy đường La Ngà với thiết bị khuếch tán DdS của Đan Mạch

Tuy gọi là phương pháp khuếch tán nhưng không phải dựa hoàn toàn vào khuếch tán

để lấy đường như nhà máy đường củ cải Qua thí nghiệm người ta thấy rằng khi cắt mía

và củ cải thành lát có kích thước tương tự và ngâm trong nước ở nhiệt độ 75 0C, thì thời gian khuếch tán của lát mía so với lát củ cải tăng gấp 3 lần

Như vậy muốn khuếch tán ở nhiệt độ 75 0C thì thiết bị khuếch tán phải thật lớn và thời gian khuếch tán phải kéo dài, như vậy sự phân hủy xeluloza sẽ làm giảm độ tinh khiết của nước mía

Để lấy đường ở trong lát mía trong thời gian nhất định, cần phá vỡ tổ chức tế bào mía

để trích ly nước mía dễ dàng Vì vậy phải có dao băm mía, ép ra một phần mía sau đó dùng thiết bị khuếch tán để lấy phần nước mía còn lại

Trên thực tế, thiết bị khuếch tán chỉ thay thế mấy bộ phận trục ép ở giữa công đoạn ép nên có thể coi đó là phương pháp kết hợp giữa ép và khuếch tán

II/ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA PHƯƠNG PHÁP KHUẾCH TÁN:

1/ Lý thuyết về khuếch tán

Cơ sở chủ yếu của lý luận khuếch tán là dưới điều kiện nhất định, các phân tử đường trong tế bào của mía chuyền dịch ra khỏi tế bào và phân tán ra môi trường xung quanh Trong các điều kiện khuếch tán: tốc độ khuếch tán, thời gian và nhiệt độ có quan hệ trực tiếp lẫn nhau Người ta thường ứng dụng định luật Fick trong quá trình khuếch tán Định luật khuếch tán căn cứ vào sự vận chuyển của phân tử, tổng kết đưa ra định luật khuếch tán vật chất trong dung dịch tức là định luật Fick

Trong công nghệ sản xuất đường thường dùng định luật Fick thích hợp với điều kiện khuếch tán mía như sau: lượng đường khuếch tán S tỉ lệ với hiệu số nồng độ bình quân dung dịch khuếch tán và nguyên liệu mía ΔC, diện tích diện tích mặt cắt nguyên liệu mía

xé tơi F, thời gian khuếch tán Z và tỷ lệ nghịch với khoảng cách phần đường chuyển từ nguyên liệu mía đến dung dịch x

Trong đó:

S: lượng đường khuếch tán từ mía

D: hệ số khuếch tán

F: diện tích mặt cắt nguyên liệu mía xé tơi

ΔC: hiệu số nồng độ bình quân của dung dịch khuếch tán và nguyên liệu mía

x: khoảng cách phần đường chuyển từ nguyên liệu mía đến dung dịch

Z: thời gian khuếch tán

2/ Những yếu tố chủ yếu ảnh hưởng tới hiệu quả khuếch tán:

a/ Độ xé tơi của mía:

Từ định luật khuếch tán cho thấy lượng đường khuếch tán tỉ lệ với diện tích mặt cắt mía bị xé tơi và tỉ lệ nghịch với x F/x lớn nhỏ quyết định bởi hình thái xé tơi mía, độ xé tơi càng cao thì F càng lớn, x càng nhỏ, tức F/x có trị số càng lớn

b/ Nhiệt độ khuếch tán:

Nâng cao nhiệt độ khuếch tán có tác dụng phá vỡ thành của tế bào, giảm độ nhớt của nước khuếch tán, tăng nhanh phân tử đường khuếch tán và ức chế sự hoạt động của vi sinh vật

Mía sau khi xử lý, mặc dầu hiệu quả xé tơi tương đối cao nhưng có một phần nguyên liệu mía (khoảng 10%) vẫn không bị xé tơi, cũng cần nhờ tác dụng của nhiệt độ làm cho màng tế bào ngưng kết để phân tử đường khuếch tán ra khỏi màng tế bào

Tác dụng của nhiệt độ là phá vỡ thành tế bào mía Hiệu quả của nó phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ cao hay thấp, thời gian ngắn hay dài Nhiệt độ càng cao tác dụng càng nhanh Từ quan sát thực nghiệm, khi nhiệt độ vượt quá 62 0C, chỉ cần 1 phút, hoạt tính tế bào mía không còn nữa

Nâng cao nhiệt độ càng có tác dụng ức chế vi sinh vật sinh trưởng, giảm tác dụng tổn thất đường, đó cũng là ưu điểm của phương pháp khuếch tán Nhưng ở môi trường pH thấp, nhiệt độ cao dễ dàng tăng nhanh chuyển hóa đường sacaroza, đồng thời chất không đường cũng khuếch tán ra dẫn đến giảm độ tinh khiết của nước mía khuếch tán Ngoài ra, vụn bã mía chịu tác dụng nhiệt sẽ trương nở, gây nghẽn trục ở giai đoạn ép nước từ bã khuếch tán

c/ Hiệu suất lấy đường:

Hiệu số nồng độ bình quân giữa bã mía và nước vào khuếch tán tạo ra khuếch tán của phân tử đường Cùng một đơn vị số hiệu số nhưng nếu thao tác ngược thì thế khuếch tán

sẽ cao hơn khi thao tác thuận cùng chiều, dẫn đến hiệu suất khuếch tán cao hơn Do đó trong sản xuất thường dùng thao tác ngược chiều

Để nâng cao động lực trong quá trình khuếch tán, tăng lượng nước cho vào khuếch tán cũng có tác dụng nâng cao hiệu suất lấy đường vì nước vào khuếch tán và hiệu suất lấy đường tỉ lệ thuận với nhau Hiệu suất lấy đường tăng dẫn đến nồng độ chất khô nước mía giảm xuống từ đó tăng gánh nặng cho công đoạn bốc hơi và điều đó cần chú ý trong vấn đề lợi dụng nhiệt năng Nước vào khuếch tán nếu như hợp lý có thể duy trì hiệu suất lấy đường trong khoảng 102-103% và phát huy tác dụng hỗn hợp, pha loãng, khuếch tán đảm bảo hiệu quả lấy đường tốt

d/ Thời gian khuếch tán:

Dưới điều kiện nhất định, thời gian khuếch tán càng dài, lượng đường khuếch tán ra càng nhiều nhưng vượt quá hạn độ nhất định thì không tốt Xu hướng phát triển công nghiệp sản xuất đường là nên chọn lưu trình đơn giản, rút ngắn thời gian lưu nguyên liệu làm mục tiêu chỉ đạo sản xuất Nhưng thời gian quá ngắn, tiếp xúc nguyên liệu, dung dịch không đầy đủ chưa thể phát huy tác dụng pha loãng, không có lợi cho lấy đường, còn thời gian dài quá thì không có lợi cho sản xuất, không kinh tế Theo kinh nghiệm thời gian khuếch tán mía trong khoảng 35 phút và khuếch tán bã mía khoảng 20 phút

III/ CÔNG NGHỆ KHUẾCH TÁN:

Công nghệ khuếch tán mía bao gồm việc xử lý mía, khuếch tán nước, ép nước khỏi bã mía và xử lý nước ép

1/ Xử lý mía

Để xử lý mía có thể dùng máy ép dập hoặc thiết bị đánh tơi hoặc có nơi dùng cả hai Bruniche – Olsen đã so sánh hiệu quả trích ly đường của mía ép dập và mía đánh tơi

và thấy rằng ở mía đánh tơi có nhiều tế bào bị phá vỡ Ở những tế bào mía bị phá vỡ, thì

trích ly đường trực tiếp Những tế bào chưa bị phá vỡ thì trích ly đường bằng phương pháp khuếch tán

Người ta cũng đã tiến hành thí nghiệm để so sánh hiệu quả trích ly của hai loại mía đánh tơi và cắt lát Kết quả ghi ở bảng sau:

Bảng trên cho thấy hiệu quả trích ly và độ tinh khiết ở mía đánh tơi đều tốt hơn so với mía thái lát

Thành phần nước mía trích ly, % Số

đường

Tỷ lệ trích Nồng

độ chất khô

Pol Độ tinh khiết

Tỷ số glucoza

Tro/100Bx

Mía đánh

tơi

5,18 4,3

3 83,59 1,20 2,83 606,6 100

Mía thái lát 4,87 4,07 83,57 1,23 3,12 553,3 91

2/ Khuếch tán mía

Có hai hệ khuếch tán mía chủ yếu: khuếch tán mía và khuếch tán bã mía

a/ Khuếch tán mía:

Cây mía được xử lý sơ bộ, nhưng giữ nguyên trọng lượng và toàn bộ đường trong đó

và đi vào thiết bị khuếch tán Ví dụ, nếu một nhà máy đường xử lý 100 tấn mía/h có 14% đường thì 100 tấn mía với 14 tấn đường đi vào thiết bị khuếch tán

Sơ đồ khuếch tán mía

b/ Khuếch tán bã:

Sau khi xử lý, mía còn qua máy ép để ép 65-70% đường trong mía, còn lại 30-35% đường trong bã mía đi vào thiết bị khuếch tán Vì vậy quá trình khuếch tán được rút ngắn Khuếch tán bã được dùng phổ biến trong các nhà máy đường

Một bộ trục ép của hệ khuếch tán có thể trích ly 65-70%, trong lúc đó mỗi bộ trục của máy ép chỉ ép ra trung bình 15-23% lượng nước mía và hệ ép có từ 4 đến 6 bộ trục chỉ trích ly được 95-96% đường trong mía Mặt khác, khi đi qua bộ trục ép của hệ khuếch

Sơ đồ 1: Khuếch tán mía

tán, mía được chuẩn bị tốt hơn và sự tổn thất đường do tác dụng của vi sinh vật trong khuếch tán bã giảm so với khuếch tán mía, thời gian khuếch tán rút ngắn vì chỉ cần khuếch tán 4% đường (tức 30% đường trong cây mía) chứ không phải là 14%

Có thể làm một phép tính đơn giản để so sánh Ví dụ hiệu suất lấy đường chung là 97%, hiệu suất lấy đường bằng phương pháp ép là 65%, hiệu suất lấy đường bằng phương pháp khuếch tán là 35%

Như vậy hệ số khuếch tán đường ở bã mía: (97 - 65).100 = 32%

Hiệu suất trích ly tương đối: 32/35*100 = 91%

Như vậy việc trích ly được thực hiện dễ dàng hơn so với khuếch tán mía đơn thuần (97%) Do đó khuếch tán bã mía được dùng phổ biến ở nhà máy đường

3/ Xử lý nước ép

Sơ đồ 2: Khuếch tán bã mía

Vấn đề tồn tại lớn nhất của kỹ thuật khuếch tán là phải xử lý một lượng khá nhiều nước ép có hàm lượng đường thấp và nhiệt độ cao Xử lý nước ép có hiệu quả là một trong những giai đoạn quan trọng của khuếch tán bã Nếu có những điều kiện thích hợp cho hoạt động của vi sinh vật, nước ép có thể dùng đủ cho một nhà máy sản xuất enzim Trong phương pháp ép, mặc dầu dùng nước nóng để thẩm thấu nhưng nhiệt độ nước hỗn hợp vẫn thấp Trong phương pháp khuếch tán, nước mía có nhiệt độ và nồng độ chất khô thấp, rất thuận lợi cho hoạt động của vi sinh vật so với nước ép cuối của phương pháp ép

IV/ MỘT SỐ THIẾT BỊ KHUẾCH TÁN MÍA

1/ Thiết bị khuếch tán SMET

Thiết bị khuếch tán của SMET gồm một bồn dài trong đó có một băng tải ngang được chất đầy bã mía khô với độ dày nhất định Phía trên lớp bã mía được tưới rất nhiều nước Phía dưới băng tải, dọc theo chiều dài băng tải là một vĩ lưới bằng thép không rỉ để lấy nước mía chảy ra từ lớp bã đã được tưới nước trên Dưới vĩ lưới, phía dưới đáy của bồn

có 11 hay 17 phễu hứng nước khuếch tán đặt cạnh nhau Nước khuếch tán thu nhận từ

Hình 1: Thiết bị khuếch tán SMET

mỗi phễu được bơm đi trả về phễu đặt trước nó, sao cho nước khuếch tán chảy ngược từ phía cửa ra bã về cửa vào Nghĩa là có sự trích ly bằng dòng nước ngược chiều lại Cứ như vậy sau 9 tới 15 lần dung dịch nước mía được khuếch tán qua bã, nước khuếch tán cuối cùng được thu nhận ở phễu thứ nhất ngay đầu vào và được mang đi gia nhiệt trước khi đi công đoạn tiếp theo

Còn bã ướt, sau khi ra khỏi thiết bị khuếch tán được qua bộ phận xử lý bã và nước ép sau khi xử lý được đưa trở về thiết bị khuếch tán làm nước tưới bã

2/ Thiết bị khuếch tán BMA

Thiết bị khuếch tán BMA được sử dụng để lấy nước mía bằng hai cách là khuếch tán mía và khuếch tán bã Đó là những máng nằm ngang hình chữ nhật đáy có lưới sàng dính liền và một hệ thống dây xích đặc biệt được thiết kế để đảm bảo việc trích ly nước mía một cách triệt để Một ưu thế của thiết bị khuếch tán loại này là có lắp đặt hai hàng vít khuấy đảo để tăng cường hiệu suất trích ly nước mía

9

Hình 2: Sơ đồ khuếch tán mía BMA

V/ QUẢN LÝ SẢN XUẤT CỦA PHƯƠNG PHÁP KHUẾCH TÁN

Nhiệm vụ của quản lý sản xuất ở công đoạn khuếch tán là hoàn thành ba chỉ tiêu: lượng mía xử lý, hiệu suất lấy đường và an toàn sản xuất

Quản lý sản xuất bao gồm:

- Cung cấp mía:

Cung cấp mía phải liên tục, đều đặn, lớp mía phải đồng đều

- Độ xé tơi:

Nâng cao độ xé tơi mía, ổn định chất lượng mía xé tơi Yêu cầu còn lại dạng lát, cục, vụn Hạn chế dạng cục vì trích ly đường khó khăn

- Nhiệt độ:

Duy trì nhiệt độ ổn định và phân bố hợp lý

- Chỉ số pH:

Bản thân nước mía có pH 5,2 – 5,5 Với pH đó sẽ làm đường sacaroza chuyển hóa

Từ thực tế sản xuất, điều chỉnh pH nước mía đến pH = 6,5 là tốt nhất và cần duy trì ổn

Hình 4: Sơ đồ khuếch tán bã mía BMA

định trong quá trình khuếch tán, như vậy giảm được đường chuyển hóa và giảm sự tăng màu đậm của nước mía

Cần chú ý phương pháp cho vôi vào nước mía trong quá trình khuếch tán, có thể phân điểm cho vôi hoặc cho vôi tự động để khống chế pH hợp lý

- Xử lý lượng nước ép từ bã:

Lượng nước ép cuối thường từ 80 – 86% so với mía, nồng độ chất khô 1,5–3% và độ Pol 1,0 – 2,0%, có nhiều tạp chất và keo cần được xử lý làm sạch để cải thiện chất lượng nước khuếch tán

- Làm tốt công tác vệ sinh:

Trong thiết bị khuếch tán vì có nhiệt độ tương đối cao có thể ức chế sự hoạt động của

vi sinh vật nhưng trước và sau thiết bị khuếch tán đều thao tác ở nhiệt độ thường Do đó, cần nhận thức đầy đủ làm tốt vệ sinh, công tác diệt khuẩn, lập chế độ vệ sinh tương tự như ở phương pháp ép mía

VI/ SO SÁNH PHƯƠNG PHÁP ÉP VÀ PHƯƠNG PHÁP KHUẾCH TÁN

1/ Hiệu suất lấy nước mía

 Phương pháp ép:

- Phương pháp ép không thể lấy hoàn toàn nước mía trong cây mía (vì trong quá trình ép,

bã mía có khả năng hút lại những phần nước mía đã ép lại)

- Hiệu suất chỉ đạt 97%

 Phương pháp khuếch tán:

- Hiệu suất lấy nước mía bằng phương pháp khuếch tán đạt 98÷99%

2/ Tổng hiệu suất thu hồi đường

Qua nghiên cứu tổng hiệu suất thu hồi đường của 2 phương pháp trên ở một số nước như Peru, Nam Phi,… người ta kết luận: Hiệu suất thu hồi đường bằng phương pháp khuếch tán tốt hơn phương pháp ép

3/ Tiêu hao năng lượng

Theo tài liệu Ai Cập, năng lượng tiêu hao cho 1 hệ khuếch tán 2000 tấn mía/ ngày là

132,480W Với công suất trên, tiêu hao năng lượng cho bộ máy ép phải là 438,160W Do

đó dùng phương pháp khuếch tán tiết kiệm được 305,680W

Theo Bairvo, 1 phân xưởng ép có 18 trục, nếu thay một thiết bị khuếch tán có thể giảm

được 9 trục Hiệu suất lấy đường cao hơn, cứ 100kg mía tăng được 0,3kg đường thu hồi

Một nhà máy đường năng suất 4000 tấn mía/ ngày Nếu tăng thêm 2 thiết bị khuếch tán

thì có thể xử lí 8000 tấn mía/ ngày mà công suất chỉ cần tăng không quá 515,400W

4/ Vốn đầu tư

Theo tài liệu của công ty BMA (Đức), vốn đầu tư của nhà máy đường dùng phương

pháp khuếch tán với công suất 500 tấn mía/ ngày có thể giảm 30% vốn đầu tư so với nhà

máy đường dùng phương pháp ép

So sánh hiệu quả kinh tế giữa 2 phương pháp của nhà máy đường 1500 tấn mía/ngày:

khuếch tán

Phương pháp ép

mía/ngày

8 Lượng đường sản xuất một vụ Tấn

đường/vụ

24558.75 24196.50

9 Chi phí vốn đầu tư ( thu nhận nguyên

liệu, lấy nước đường…)

Từ bảng trên cho thấy phương pháp khuếch tán so với phương pháp ép có:

 Hiệu suất lấy đường tăng 2,5%;

 Tổng hiệu suất thu hồi đường tăng 1,24%;

Tỉ lệ đường thành phẩm trên mía tăng 0,61%;

Số lượng đường tăng trong 1 vụ là 32,635 tấn/ vụ;

 Chi phí vốn đầu tư giảm 3-5% tức là 129,462 đôla;

Tiết kiệm điện và nhiệt 30%;

Tiết kiệm lao động 50%, tiết kiệm bao bì 50%

Phương pháp ép Phương pháp khuếch tán

- Hiệu suất trích ly 92%

- Tổng hiệu suất thu hồi 80%

- Tiêu hao năng lượng nhiều

- Vốn đầu tư cao

- Nhiên liệu dùng trong bốc hơi ít

- Chất không đường trong nước mía ít

hơn, tổn thất đường trong mật cuối

thấp

- Thời gian lấy nước mía nhanh ít ảnh

hưởng đến chất lượng mía

- Hiệu suất trích ly 97%

- Tổng hiệu suất thu hồi 82%

- Tiêu hao năng lượng ít

- Vốn đầu tư thấp ( tiết kiệm khoảng 30% so với phương pháp ép)

- Tiêu hao nhiều nhiên liệu dùng trong bốc hơi

- Chất không đường trong nước mía hỗn hợp nhiều, do đó tăng tổn thất đường trong mật cuối

- Thời gian lấy nước mía chậm nên gây ảnh hưởng đến chất lượng mía

 Tồn tại của hai phương pháp:

 Phương pháp khuếch tán:

- Tăng nhiên liệu dùng trong bốc hơi

- Tăng chất không đường trong nước mía hỗn hợp, do đó tăng tổn thất đường trong mật cuối

- Thời gian lấy nước mía chậm nên gây ảnh hưởng đến chất lượng mía

 Phương pháp ép:

- Trục ép là thiết bị thô kệch, nặng nề Lõi trục ép làm bằng thép hợp kim đắt tiền Giá tiền chế tạo, sửa chữa, bảo dưỡng nhiều

- Tiêu hao nhiều năng lượng

- Tổng hiệu suất thu hồi ít

Từ những so sánh trên cho thấy phương pháp khuếch tán có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp ép