Làm sạch nước mía bằng phương pháp cacbonat

Có nhiều phương pháp làm sạch nước mía khác nhau như: phương pháp vôi làphương pháp lâu đời nhất, phương pháp sulfit hóa và phương pháp cacbonathóa.. Mục đích của công đoạn làm sạch nước

MỞ ĐẦU

Ngành đường là một ngành công nghiệp phát triển từ rất lâu đời Đường có ý

nghĩa quan trọng đối với đời sống con người Đường có thể được sản xuất từmía đường hoặc củ cải đường tùy thuộc vào điều kiện khí hậu của mỗi quốc gia.Việt Nam là nước thuộc khí hậu nhiệt đới, nên sản xuất đường từ mía đường.Sản xuất ban đầu là thủ công, ngành công nghiệp đường hình thành và phát triểntheo lịch sử của dân tộc, từ thời xưa, đi qua chiến tranh và phát triển mạnh khiđất nước hòa bình Công nghiệp đường mía đóng vai trò to lớn trong GDP quốcgia và đang ngày càng phát triển theo chiều hướng hiện đại hóa tạo ra sản phẩmchất lượng cao

Trong sản xuất đường công đoạn làm sạch nước mía là một khâu rất quan trọng

Có nhiều phương pháp làm sạch nước mía khác nhau như: phương pháp vôi làphương pháp lâu đời nhất, phương pháp sulfit hóa và phương pháp cacbonathóa Để sản xuất loại đường có độ trắng và tinh khiết cao, người ta sử dụngphương pháp cacbonat hóa Lần đầu tiên sử dụng phương pháp này là năm 1812,ông Barrnel người pháp, ông dùng khí CO2 để trung hòa lượng vôi dư, cũngtrong thế kỷ 19, Tratani người Italia, dùng SO2 để trung hòa vôi dư đồng thờitẩy màu nước mía Nhờ đó ký thuật sản xuất đường mía đã tiến một bước dài vàđưa phương pháp cacbonat hóa đạt đến trình độ hoàn chỉnh Ngày nay, phươngpháp này được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước( Đài Loan, Indonxia), ở nước ta,nhà máy đường Vạn Điền sản xuất mía theo phương pháp cacbonat hóa

I Mục đích của công đoạn làm sạch nước mía:

1 Thành phần hỗn hợp sau khi ép:

Hỗn hợp nước mía sau khi ép có thành phần tương đối phức tạp, các thànhphần hóa học này thay đổi tùy theo giống mía, điều kiện canh tác, đất đai, điềukiện khí hậu, phương pháp và điều kiện lấy nước mía của nhà máy…được thểhiện qua bảng sau:

2 Mục đích của công đoạn làm sạch nước mía:

Thông thường nước mía hỗn hợp có nồng độ chất khô hòa tan Bx= 13- 15

Độ tinh khiết của nước mía hỗn hợp AP= 8-85%

Ngoài đường sacaroza, trong nước mía hỗn hợp còn có những chất khôngđường có tính chất hóa lý khác nhau, trong đó chất keo chiếm 1 tỷ lệ đáng kể

(0,03- 0,5%) Khi thao tác không bình thường, ví dụ như ở nhiệt độ cao, chấtkhông tan biến thành chất tan, và như vậy làm tăng hàm lượng keo trong dungdịch.

+ Hoạt động của vi sinh vật trong nước mía cũng tạo nên các chất keo khácnhau, đặc biệt là levan và dexan

+ Chất keo gây nhiều ảnh hưởng không tốt đối với sản xuất đường: lọc nướcmái, phân mật và kết tinh đường khó khăn, nước mía có nhiều bọt, giảm hiệusuất tấy màu, tinh chế đường thô khó khăn

+ Sự có mặt của những chất không đường làm tăng độ hòa tan của đườngsacaroza, tăng mật cuối, tăng tổn thất đường trong mật cuối

+ Trong nước mía còn có vụn mía, khi đun nóng chúng kết tụ lại Tất cả nhữngchất không đường cần loại ra khỏi nước mía hỗn hợp

+ Nước mía hỗn hợp có tính axit gây nên chuyển hóa đường sacaroza Do đócần trung hòa nước mía

Vì vậy mục đích của làm sạch nước mía là:

- Loại tối đa chất không đường ra khỏi hỗn hợp, đặc biệt là chất có hoạttính bề mặt và các chất keo

- Trung hòa nước mía hỗn hợp, ngăn ngừa chuyển hòa đường sắc cacaroza

- Loại những chất rắn lơ lửng trong nước mía

Có nhiều phương pháp làm sạch nước mía, dưới đây là một phương pháp rấthiệu quả đang được sử dụng rộng rãi trong thực tế: phương pháp cacbonat hóa

II Làm sạch nước mía bằng phương pháp cacbonat hóa

1 Tổng quan về phương pháp

Phương pháp CO2 (còn gọi là phương pháp cacbonat hóa) là phương pháp làmsạch nước mía có nhiều ưu điểm được dùng phổ biến ở nhiều nước (Đài Loan,Inđônêxia) ở nước ta có nhà máy đường Vạn Điền sản xuất theo phương phápcacbon hóa

2 Nguyên lý chung

Động lực của các phương pháp là kết tủa các chất không đường ở dạng ion lơlửng trong dung dịch tạo ra các muối kết tủa CaCO3,Ca3(PO4)2, CaSO3, đồngthời hấp thụ các chất không đường, chất keo, chất màu.

3 Phân loại

 Phương pháp xông CO2 một lần:

Đặc điểm của phương pháp là cho toàn bộ sữa vôi vào nước mía một lần

và thông CO2 một lần đến độ kiềm thích hợp Do đó nước mía chỉ qua một điểmđẳng điện, nên loại chất không đường ít Ngoài ra, vì thông CO2 sau khi cho vôinên tạo phức đường vôi ảnh hưởng đến hiệu suất hấp thụ CO2 và tạo nhiều bọt

 Phương pháp xông CO2 thông thường chè trung gian:

Sau khi đun nóng đến khoảng 100oC và cho bốc hơi đến nồng độ mật chè

35 – 40oBx nước mía hỗn hợp được xử lí như phương pháp xông CO2

thông thường

Khi cô đặc đến nồng độ cao, hàm lượng chất không đường trong mía tậptrung hơn, phản ứng triệt để hơn do đó tiết kiệm được nhiều hóa chất, loại nhiều

tạp chất không đường, thiết bị ít đóng cặn Tuy nhiên lượng đường tổn thất trongbùn nhiều.

 Phương pháp xông CO2 thông thường:

Kết hợp biện pháp gai vôi, thông CO2, SO2 nhằm nâng cao hiệu quả làmsạch, tách loại tạp chất không đường và làm giảm màu săc của nước mía:

4 So sánh ưu nhược điểm của các phương pháp:

- Phương pháp thông CO2 một lần:

Ưu điểm:

+ Quy trình công nghệ đơn giản, dễ thực hiện.+ Tạo chất kết tủa có tính hấp phụ :

Ca(OH)2 + H2CO3 → CaCO3↓ + 2H2O

Nhược điểm :

Do đó nước mía chỉ qua một điểm đẳng điện, nên loại chất không đường ít.Ngoài ra, vì thông CO2 sau khi cho vôi nên tạo phức đường vôi có dạng(C12H12O11).(CaCO3)y.(CaO)z ảnh hưởng đến hiệu suất hấp thụ CO2 và tạo nhiềubọt

- Phương pháp xông CO2 chè trung gian:

+Sơ đồ công nghệ và thiết bị tương đối phức tạp

- Phương pháp xông CO2 thông thường:

Ưu điểm:

+ Hiệu suất thu hồi cao

+ Sản xuất ra đường kính trắng chất lượng cao, bảo quản lâu

+ Hiệu quả làm sạch tốt, chênh lệch độ tinh khiết của nước mía trong và nướcmía hỗn hợp từ 4-5

+ Loại được nhiều chất keo, chất màu và chất vô cơ (AlO2, Fe2O3, P2O5, SiO2,MgO) Hàm lượng muối canxi trong nước mía trong ít Đóng cặn ở thiết bị ít,giảm lượng tiêu hao hóa chất thông rửa thiết bị

Nhược điểm:

+ Quy trình công nghệ phức tạp.

+ Điều hành, quản lí khó

+Dùng nhiều khí CO2

+Kĩ thuật thao tác yêu cầu cao, nếu khống chế không tốt dễ sinh hiện tượng

đường khử phân hủy

Trong ba phương pháp trên, phương pháp xông CO2 thông thường được sử dụngphổ biến trong sản xuất đường vì với những điểm tương ứng của nó

III Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất làm sạch nước mía bằng phương pháp cacbonat hóa

1 Thuyết minh qui trình công nghệ của phương pháp thông CO2 thông thường

Nước mía hỗn hợp cần được làm sạch đi vào quy trình xử lý bằng phương phápthông C02 thông thường như sau:

 Lọc sàng:

Mục đích: lọc tách bã nhuyễn lẫn trong nước mía.

 Cho vôi sơ bộ

- Sát trùng nước mía: ức chế sự phát triển của vi sinh vật, với

độ kiềm 0,03% CaO phần lớn vi sinh vật không phát triển nhưng có trường hợpphải dùng cao hơn

- Tạo kết tủa Ca3(PO4)2

 Đun nóng lần một

Nhiệt độ : 50 đến 550C

Sau khi cho vôi sơ bộ pH tăng nhưng <7 nếu gia nhiệt ở nhiệt độ cao sẽchuyển hóa đường saccarose làm tăng lượng đường khử, giảm khả năng kết tinhđường, tăng lượng đường trong mật cuối và làm tổn thất đường ảnh hưởng tớichất lượng sản phẩm

Mục đích:

- Tiêu diệt vi sinh vật

- Giảm độ nhớt của dung dịch nước mía, tạo thuận lợi cho công đoạn tiếptheo

- Tăng nhiệt độ để hâm nóng nước mía, tạo nhân kết tủa, hạt bé chưa đủ

để kết vón

 Thông C02 lần một

pH = 10,5 – 11,3, độ kiềm 0,04 – 0,06 % CaO

Cho Ca(OH)2 vào làm tăng độ pH , lượng vôi cho vào dư

Sau khi cho vôi vào nước mía hỗn hợp tiến hành thông C02 lần một bằng khíC02 từ lò vôi

- Sau công đoạn thông CO2 tạo thành kết tủa Ca3(PO4)2 và CaC03 ( với lượng ít)

 Mục đích :

- Tạo chất kết tủa CaC03, kết tủa này mang điện tích dương khi

đó những chất màu, sản phẩm của sự phân hủy như các axit lactic, fomic,glucsacaric bị hấp thụ lên bề mặt kết tủa CaC03

- Tạo kết tủa CaCO3 tăng tốc độ lọc nước mía

- Dần dần với quá trình thông C02 độ kiềm giảm sự tạo bọtgiảm, kết tủa CaC03 chuyển từ dạng keo thành dạng tinh thể CaC03 lọc dễ dàng

Sơ đồ phản ứng xảy ra như sau:

Ca2+2(OH)- + 2H+C032- 2 H20 + Ca2+C03

Ca(OH)2 CaC03 tinh thể

 Quá trình thông CO2 lần một có thể chia làm 3 giai đoạn như sau :

 Giai đoạn thứ nhất:

 Tất cả các chất trong dung dịch đều tham gia phản ứng

 Trong dung dịch kiềm mạnh tạo phức CaCO3.CaO và sacarose như chất kết tủadạng keo: (C12H22O11)x.(CaCO3)y.(CaO)z

 Giai đoạn thứ hai:

 Sau khi cho một lượng CO2 để trung hòa CaO thì giai đoạn hai bắt đầu

 Tạo những kết tủa lớn làm tăng độ nhớt của dung dịch, sau đó độ kiềm giảmnhanh hơn so với lượng CO2 cho vào Độ phân cực của dung dịch giảm chứng tỏmột phần sacarose liên kết ở dạng rắn

 Giai đoạn thứ ba:

 Kết tủa càng nhanh khi thông CO2 càng nhanh và độ kiềm của dung dịch cànglớn

 Độ kiềm của dung dịch giảm mạnh và kết tủa CaCO3 chuyển thành dạng tinhthể

Lượng vôi cho vào : 1,6 đến 1,8% CaO so với trọng lượng mía Đối với mía xấulương đó có thể tăng một ít

 Sau khi thông CO2 lần một: trong dung dịch còn lượng vôi hòa tan nhất địnhnhưng ít hơn nhiều (0,4-0,6% CaO) Muối vôi cũng ít hơn và có sự hấp phụ xảy

ra trên bề mặt chất kết tủa CaCO3

 Lọc ép lần 1:

Sau khi thông C0 2 tiến hành lọc ép để tách tạp chất và kết tủa tạo ra, thuđược nước lọc trong

Tiến hành lọc ép bằng vải lọc: cho nước mía đi qua các lớp vật ngăn cản (vải ) thì các chất rắn không tan sẽ được giữ lại trên bề mặt, còn lại nước mía điqua, ta thu được nước mía.

 Thông C02 lần hai:

pH = 7,8 – 8,2; độ kiềm 0,025% Ca0

 Mục đích: giảm tối đa hàm lượng vôi và muối canxi hòa tan trongnước mía và tiếp tục nâng cao độ tinh khiết của nước mía Nếu vôi và muốikhông được tách ra sẽ có hiện tượng đóng cặn ở thiết bị bốc hơi

Sau thông CO2 lần 1 thường còn 0,04 – 0,06% ở trong nước mía lọctrong

Quá trình thông CO2 lần hai phức tạp hơn lần thứ nhất và được biểu diễnnhư sau:

 Lưu ý: Quá trình thông CO2 cần lưu ý tới các yếu tố ảnh hưởng tớichiều phản ứng xảy ra Để tạo ra kết tủa CaCO3 nhằm loại bỏ được nhiều muốicanxi hòa tan trong nước mía, nhưng chú ý lượng cho CO2 thì kết tủa sẽ hòa tantrở lại ảnh hưởng tới các quá trình sau này:

CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2

 Đun nóng lần II

Nhiệt độ: 75 – 800C

 Mục đích:

 Làm tăng nhanh các phản ứng tạo kết tủa thuận lợi cho quá trình làm sạch

 Nhiệt độ tăng làm giảm độ nhớt làm cho tốc độ lắng lọc tăng

 phân ly muối Saccarat Canxi Khi cho C02 vào nước mía C02 phân giải muốimuối Saccarat Canxi tạo thành sacarose và caxicacbonat Khi nhiệt độ tăng lên70÷ 80oC tác dụng phân hủy tương đối hoàn toàn.

C11H22O11.CaO + CO2 C12H22O11 + CaCO3

C11H22O11.2CaO + 2CO2 C12H22O11 + 2CaCO3

C11H22O11.3CaO + 3CO2 C12H22O11 +3 CaCO3

 Mục đích: tiến hành trước khi bốc hơi, với mục đích là đưa

pH đến trung tính, nâng cao hiệu quả làm sạch, tách các tạp chất không đường,tránh sự chuyển hóa đường saccarose và phân hủy đường khử, làm giảm màusắc của nước mía

Kết tủa CaS03 có tính hấp phụ có thể hấp phụ chất không đường và chất màu kếttủa

Phương trình phản ứng xảy ra :CaA2 + H2SO3 CaSO3 + 2HA

Đồng thời nước mía sau thông CO2 lần II có độ kiềm cao (pH>7,8), saukhi thông SO2 đến pH= 6,8 – 7,2 giảm độ kiềm nước mía trong tránh sự phânhủy đường khử Thông S02 giảm độ nhớt của dung dịch do tạo muối sunfattrung tính :

K2CO3 + H2SO3 K2SO3 + CO2 + H2OS02 có thể dùng ở dạng lỏng hoặc dạng khí

 Đun nóng lần III

Nhiệt độ: 100 – 1150C

 Mục đích: Tăng nhanh các quá trình phản ứng tạo kết tủa

CaSO3, kết tủa này có khả năng hấp thụ các chất không đường, chất màu trongdung dịch…có tác dụng tẩy màu cho dịch đường Khả năng truyền nhiệt trướckhi vào thiết bị cô đặc, để không mất thời gian ở thiết bị cô đặc và tăng chấtlượng sản phẩm

- Đảm bảo nông độ mật chè theo quy định: thường đạt 55 – 65

Bx, nếu quá loãng thì thời gian nấu đường kéo dài và tiêu hao nhiều năng lượng,còn nếu quá đặc thì đường sẽ kết tinh trong đường ống gây tắc đường ống

- Giảm tổn thất đường: cần khống chế nhiệt độ và pH thíchhợp, rút ngắn thời gian lưu của nước mía trong thiết bị đêt giảm tổn thất đường

do chuyển hóa và quá trình phân hủy của đường, đồng thời đề phòng mất đườngtheo hơi thứ

- Giảm tốc độ đóng cặn trong nồi cô đặc: sự hình thànhcặn không chỉ giảm hệ số truyền nhiệt mà còn hao tổn nhân lực, hóa chất và thờigian

- Nâng cao hiệu suất sử dụng nhiệt năng, giảm tổn thất nhiệt:Ngoài việc nâng cao hiệu suất bốc hơi thích hợp, còn phải sử dụng hợp lí hơithải và hơi thứ để giảm tiêu hao nhiên liệu cho nhà máy

 Mật chè khô.

 Thông SO2 lần II

pH=6,2 – 6,6

 Mục đích:

Mật chè sau khi bốc hơi có độ nhớt lớn nên xông SO2 sẽ làm giảm

độ nhớt, giảm độ màu thuận lợi cho các công đoạn sau, đồng thời hạn chế sựphát triển của vi sinh vật và giảm lượng muối canxi hòa tan trong dung dịch

 Tác dụng:

- SO2 được sử dụng trong công nghệ sản xuất đường mía tồn tại ở

cả 3 dạng: rắn, lỏng, khí

- khi mật mía có độ pH= 6,8 – 7,2, sẽ tạo ra 2 ion: HSO3- và SO3

- tác dụng chính của SO2 ở công đoạn này là tẩy màu dung dịchđường, tạo thành những chất không màu, hoặc màu nhạt hơn Nguyên lí dựa trên

sự cộng hưởng điện tử chất màu

Ngọn và mầm mía có chứa phenol đa nguyên, chất này tác dụng vớioxy không khí, dưới tác dụng của chất xúc tác kim loại là Fe2+, Fe3+ tạo hợp chất

có màu sẫm nhờ SO2 khử ion kim loại thành kim loại để Fe không còn hoạt tínhxúc tác, ngăn phản ứng tạo màu

- khử chất tro, giảm độ nhớt cho dung dịch mía Trong nước mía cóchứa K2SO3, CaSO3 có khả năng tạo màu sắc và mật lớn, khi xông SO2 vào sẽxảy ra phản ứng tạo muối sunphit có khả năng tạo mật kém và giảm độ nhớtđồng thời nâng cao hiệu suất thu hồi đường trong quá trình kết tinh

Phản ứng:

K2CO3 + H2SO3 K2SO3 + CO2 + H2O

- Ngoài ra, SO2 còn làm giảm lượng muối Canxi hóa tan có trong dung dịch.CaA2 + H2SO3 = CaSO3 + HA

 Lưu ý: Thông càng nhanh càng tốt để tránh sự chuyển hóa đường

 Lọc kiểm tra

Tiến hành lọc mật chè để loại các tạp chất và kiểm tra độ sạch củamật chè, ta được mật chè trong

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất làm sạch nước mía bằng phương pháp thông CO2 thông thường.

Các công đoạn trong sơ đồ công nghệ, các thông số trong từng côngđoạn đều là các yếu tố quyết định đến hiệu suất làm sạch nước mía bằng phươngpháp cacbonat hóa Ở đây chúng ta tập trung phân tích các yếu tố ảnh hưởngđến hiệu quả của hai lần thông CO2

 Hiệu quả thông CO2 lần thứ I: lượng vôi cho vào, tốc độ thông CO2, nhiệt độ

và độ kiềm có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả thông CO2 lần thứ nhất

 Lượng vôi:

Lượng vôi cho vào trong giai đoạn thông lần thứ nhất khoảng 1.6 ÷ 1.8 % CaO

so với trọng lượng mía, mía xấu có thể tăng thêm một ít Nếu cho vào lượng vôikhông dư, lọc sẽ khó khăn do kết tủa CaCO3 dạng keo làm tắc vải lọc do đó áplực lọc tăng Tăng lượng vôi, kết tủa CaCO3 từ dạng keo chuyển sang dạng kếttinh Lượng vôi cho vào nhiều , hiệu quả thông CO2 sẽ tốt, khả năng hấp thụCaCO3 tăng, nhưng không kinh tế ảnh hưởng xấu tới chất lượng sản phẩm

Từ hình 1cho thấy khi tăng lượng vôi lớn hơn 2% tác dụng tăng hấp thụ rất ít

Hình 1

 Tốc độ thông CO 2:

Sự tạo chất kết tủa và đặc tính của nó có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất làm sạch

Để tăng hiệu suất làm sạch cần có diện tích hấp phụ lớn và tốc độ lắng, lọc tốt.Khi thông CO2 nhanh kết tủa CaCO3 có độ phân tán cao, tăng khả năng hấp phụ,dung dịch lọc có màu sáng hơn Nếu kích thước CaCO3 quá lớn, tổng diện tíchchất kết tủa bé, không thể hấp phụ hết các phân tử keo và do đó làm tắc ống maoquản giữa các chất kết tủa và vải lọc, lọc khó khăn Ngoài ra, tinh thể CaCO3

không đồng đều cũng dẫn đến việc lọc khó khăn

Hình dạng của chất kết tủa phụ thuộc trước hết vào độ kiềm ban đầu trước khithông CO2

Điều quan trọng của thông CO2 lần I là nồng độ kiềm cuối cùng Dung dịchthông CO2 lần I cần duy trì nồng độ kiềm nhất định để chất kết tủa không bị hòatan lại lượng CaO tự do chứa trong bùn đóng vai trò quan trọng trong làm sạch