công nghệ chế biến đường phèn

1.2 Quá trình cô đặc Trong quá trình cô đặc bằng nhiệt, người ta sử dụng hơi nước bão hoà để nâng nhiệt độ nguyên liệu cần cô đặc đến điểm sôi.. xf: hàm lượng chất khô trong nguyên liệu

MỤC LỤC

I TỔNG QUAN NGUYÊN LIỆU 1

1 Giới thiệu 1

2 Nguyên liệu 1

a Tính chất nguyên liệu 2

b Chọn nguyên liệu 2

II MỘT SỐ KHÁI NIỆM 3

1 Cô đặc 3

1.1 Khái niệm 3

1.2 Quá trình cô đặc 3

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng 4

2 Kết tinh 5

2.1 Khái niệm 5

2.2 Các quá trình kết tinh 7

III QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 10

IV THUYẾT MINH QUY TRÌNH 11

1 Khuấy trộn 11

2 Gia nhiệt 11

3 Lọc 13

4 Cô đặc 15

5 Kết tinh 16

6 Ly tâm 19

7 Sấy 20

V QUY TRÌNH ĐỀ XUẤT 23

Hình 1: Đường phèn vàng 1

Hình 2: Đường phèn trắng 1

Hình 3: Đường cát vàng 2

Hình 4: Đường cát trắng 2

Hình 5: Trạng thái của dung dịch 8

Hình 6: Thiết bị khuấy trộn 11

Hình 7: Cánh khuấy 11

Hình 8: Thiết bị gia nhiệt 12

Hình 9: Thiết bị lọc 14

Hình 10: Thiết bị cô đặc 16

Hình 11: Thiết bị kết tinh 19

Hình 12: Thiết bị li tâm 20

Hình 13: Thiết bị sấy khay 21

Hình 14: Nồi nấu cánh khuấy 24

Bảng 1: Chỉ tiêu lý hoá của đường cát 3 Bảng 2: Cấu trúc tinh thể 7

I TỔNG QUAN NGUYÊN LIỆU

1 Giới thiệu

Đường phèn là loa ̣i đường được làm từ đường mía, còn gọi là băng đường, tên khoa học

là Saccharose (sucrose) Thành phần hóa học chủ yếu là saccharose, có thể phân giải thành glucose và fructose

Đường phèn từ xa xưa đã là một gia vị đặc trưng có vị ngọt thanh của người Việt Nam, góp phần quan trọng giúp các món ăn, thức uống thêm đậm đà, ngon miệng và được sử dụng nhiều trong các bài thuốc đông y

Đường phèn là những tinh thể đường lớn khoảng 1 – 3cm, nặng 4 – 20g, được sản xuất từ

sự kết tinh trong những điều kiện thích hợp để các tinh thể phát triển thật lớn Đường phèn thường được dùng như một loại kẹo hay sử dụng trong các toa thuốc cổ truyền ở nước ta cũng như ở nhiều nước châu Á như Nhật, Trung Hoa…

Ở miền Trung nước ta, đường phèn được sản xuất theo phương pháp thủ công nghiệp bằng cách cho kết tinh trong lu, vại Ở Nhật sản xuất bằng máy trợ tinh và bằng phương pháp bốc hơi chậm

Có hai loại: đường phèn vàng và đường phèn trắng

2 Nguyên liệu

Phân loại:

- Cũng giống như đường cát, đường phèn được làm từ nước mía, nước củ cải đường và một số nguyên liệu khác như thốt nốt, lúa miến ngọt…hoặc sử dụng đường cát

Hình 2: Đường phèn trắngHình 1: Đường phèn vàng

- Tùy theo yêu cầu sản xuất loại đường phèn trắng hoặc vàng thì sử dụng đường

b Chọn nguyên liệu

Sử dụng đường cát trắng (đường RS), loại đường nguyên liệu này càng trắng càng ít tạp

chất, thì việc chế biến đường phèn càng dễ

Các chỉ tiêu chất lượng của đường cát trắng

Theo tiêu chuẩn ISO 9001:2008

 Trạng thái : Tinh thể màu trắng, kích thước tương đối đồng đều, tơi, khô, không vón cục

 Màu sắc : Tinh thể màu trắng sáng, khi pha trong nước cất cho dung dịch trong

 Mùi vị : Tinh thể đường hoặc dung dịch đường trong nước có vị ngọt tự nhiên, không có mùi lạ

Tên chỉ tiêu Mức tiêu chuẩn áp

dụng Đường Saccaroza

đến 80%

Phương pháp cô đặc bằng nhiệt tốn nhiều chi phí năng lượng Tuy nhiên, ưu điểm vượt trội của phương pháp cô đặc bằng nhiệt là hàm lượng chất khô trong thực phẩm sau quá trình cô đặc có thể tăng lên rất cao so với các phương pháp tách nước khác

1.2 Quá trình cô đặc

Trong quá trình cô đặc bằng nhiệt, người ta sử dụng hơi nước bão hoà để nâng nhiệt độ nguyên liệu cần cô đặc đến điểm sôi Khi đó, nước từ trạng thái lỏng sẽ chuyển qua trạng thái hơi và thoát vào môi trường xung quanh Tốc độ bốc hơi nước phụ thuộc vào tốc độ

truyền khối của bọt hơi Quá trình cô đặc bằng nhiệt được mô tả theo sơ đồ sau:

mf: lưu lượng nguyên liệu đi vào thiết bị cô đặc (kg/s)

Bảng 1 Chỉ tiêu lý hóa của đường cát trắng

xf: hàm lượng chất khô trong nguyên liệu (%w/w)

Ɵ1: nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu cần cô đặc (0C)

ms: lưu lượng hơi nước bão hoà để gia nhiệt cho nguyên liệu cần cô đặc (kg/s)

Ɵs: lượng nhiệt hơi bão hoà (0C)

mp: lưu lượng sản phẩm cô đặc thoát ra khỏi thiết bị (kg/s)

xp: hàm lượng chất khô trong sản phẩm cô đặc (%w/w)

mv: lưu lượng hơi thứ thoát ra khỏi thiết bị (kg/s)

Ɵb: nhiệt độ sôi của nguyên liệu cần cô đặc (0C)

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng

a Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt

 Sự chênh lệch nhiệt độ của hơi bão hoà (tác nhân gia nhiệt) và nhiệt độ sôi của

nguyên liệu

Trong công nghiệp thực phẩm, các nhà sản xuất thường chọn phương pháp cô đặc chân không, nhiệt độ sôi của nguyên liệu có thể giảm xuống xấp xỉ 400C Phương pháp này sẽ hạn chế tổn thất các cấu tử mẫn cảm với nhiệt có trong nguyên liệu cần cô đặc

 Hiện tượng cặn bám trên bề mặt trao đổi nhiệt

Trong thiết bị cô đặc bốc hơi, bề mặt truyền nhiệt có hai mặt tiếp xúc: một mặt tiếp xúc với nguyên liệu cần cô đặc và một mặt tiếp xúc với hơi bão hoà Một số cấu tử của

nguyên liệu trong quá trình cô đặc có thể bị bám dính trên bề mặt truyền nhiệt Ngoài ra, theo Fellows (2000) thì hơi bão (tác nhân gia nhiệt) cũng có thể làm ăn mòn bề mặt trao đổi nhiệt Những hiện tượng trên sẽ làm giảm tốc độ truyền nhiệt của quá trình

Để hạn chế hiện tượng cặn bám trên bề mặt trao đổi nhiệt, các nhà sản xuất có thể gia tăng tốc độ dòng chảy nguyên liệu trong thiết bị Ngoài ra, sau mỗi mẻ sản xuất, chúng ta cần vệ sinh cẩn thận để làm trôi đi các cấu tử bám trên bề mặt truyền nhiệt

 Hiện tượng màng biên

Lớp nguyên liệu chảy dòng tiếp xúc với bề mặt truyền nhiệt (lớp màng biên) thường tạo

ra một trở lực lớn cho quá trình truyền nhiệt Để làm giảm chiều dày của lớp màng biên này, các nhà sản xuất có thể tạo ra những dòng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức trong thiết bị cô đặc

 Độ nhớt của nguyên liệu

Khi tăng độ nhớt của nguyên liệu, chỉ số Reynolds sẽ giảm nên tốc độ truyền nhiệt sẽ

giảm đi

b Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của quá trình cô đặc

 Hiện tượng tạo bọt

Trong quá trình cô đặc bằng nhiệt, bên trong dung dịch nguyên liệu sẽ xuất hiện những bong bóng hơi Nếu trong dung dịch nguyên liệu có chứa những cấu tử có khả năng làm bền bọt như protein thì sẽ hình thành một lớp bọt trên bề mặt dung dịch trong thiết bị - lớp bọt này sẽ làm giảm tốc độ thoát hơi thứ ra khỏi dung dịch cần cô đặc

 Tổn thất chất khô do hơi thứ

Trong quá trình cô đặc, hơi thứ thoát ra khỏi thiết bị có thể lôi cuốn theo một số cấu tử (có trong nguyên liệu) ở dạng sương mù Tổn thất chất khô càng nhiều nếu sự sôi diễn ra quá mãnh liệt trong thiết bị bốc hơi Để hạn chế sự tổn thất này, các thiết bị cô đặc

thường được thiết kế với khoảng không gian rộng, kèm theo bộ phận tách các cấu tử bị

hơi nước lôi cuốn theo

Ba nghiêng

Chia thành ba giai đoạn:

 Giai đoạn tạo dung dịch quá bão hoà:

Khi nồng độ một cấu tử trong dung dịch đặt trạng thái bão hoà thì dung dịch không có khả năng hoà tan thêm cấu tử đó nữa Nồng độ cấu tử đó trong dung dịch được gọi là nồng độ bão hoà Nồng độ bão hoà của một cấu tử phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bản chất của cấu tử, bản chất của dung môi, sự tồn tại của các cấu tử khác trong dung môi, nhiệt độ,… Trong các yếu tố đó, nhiệt độ là thông số thường được sử dụng để tạo quá trình kết tinh Nồng độ bão hoà thường tăng khi nhiệt độ tăng và ngược lại

Để đánh giá mức độ bão hoà, người ta thường sử dụng hệ số bão hoà S:

𝑆 = 𝐶

𝐶𝑜

Với C: nồng độ cấu tử trong dung dịch

Co: nồng độ bão hoà tương ứng

Dung dịch bão hoà có S = 1

o Khi nồng độ một cấu tử trong dung dịch vượt quá nồng độ bão hoà ( S > 1), cấu tử đó có thể sẽ kết tinh

o Khi nồng độ dung dịch thấp hơn nồng độ bão hoà ( S ≤ 1), quá trình kết tinh sẽ không diễn ra

Bảng 2: Cấu trúc tinh thể

Vì vậy, muốn quá trình kết tinh diễn ra, phải tạo ra dung dịch quá bão hoà Thường có 2 cách tạo ra dung dịch quá bão hoà:

o Làm lạnh: khi làm lạnh, độ hoà tan sẽ giảm, khi đó, nồng độ bão hoà sẽ giảm, hệ số S sẽ tăng

o Cô đặc: khi cô đặc, nồng độ dung dịch sẽ tăng, hệ số S cũng tăng

 Giai đoạn tạo mầm tinh thể:

o Khi đã tạo được dung dịch quá bão hoà, quá trình kết tinh chưa chắc đã xảy ra, dù xét về mặt nhiệt động học, trạng thái tinh thể bền hơn trạng thái quá bão hoà và quá trình kết tinh là quá trình sinh năng lượng Nguyên nhân của hiện tượng này là do trong quá trình kết tinh, cần một lượng năng lượng để tạo ra bề mặt tinh thể Năng lượng này được gọi là năng lượng hoạt hoá

o Các nhà khoa học đã đề nghị một mô hình trạng thái của dung dịch gồm

ba vùng: vùng chưa bão hoà, vùng giả bền, vùng quá bão hoà

Khi trạng thái dung dịch nằm dưới đường chưa bão hoà, quá trình kết tinh sẽ không diễn ra Trong vùng giả bền, quá trình kết tinh có thể diễn ra, nhưng không

có quá trình hình thành mầm tinh thể Còn khi trạng thái dung dịch nằm trong vùng ở trên đường quá bão hoà, quá trình hình thành mầm tinh thể và quá trình phát triển tinh thể diễn ra đồng thời

Hình 5: Trạng thái của dung dịch

 Giai đoạn phát triển tinh thể: có 2 cơ chế phát triển mầm tinh thể thành tinh

thể:

o Cơ chế phát triển với hình dạng tinh thể không đổi Theo cơ chế này, tốc

độ kết tinh tại mọi vị trí trên bề mặt tinh thể là như nhau Do đó, hình dạng tinh thể không đổi trong suốt quá trình kết tinh

Cơ chế phát triển theo kiểu bao phủ Theo cơ chế này, hình dạng thinh thể thay đổi trong

suốt quá trình kết tinh

III QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Đường cát trắng

Khuấy trộn

Than hoạt tính

Gia nhiệt

Lọc

Tạp chất

IV THUYẾT MINH QUY TRÌNH

1 Khuấy trộn

Mục đích: Chuẩn bị: quá trình khuấy trộn được áp dụng để trộn các thành phần nguyên

liệu như đường cát, nước, vôi sữa với nhau để chuẩn bị cho quá trình gia nhiệt nước

đường Sữa vôi có tác dụng làm chắc đường

Biến đổi: Có sự chuyển pha của đường từ trạng thái rắn hòa tan vào nước tạo thành dịch

lỏng có độ nhớt cao hơn Vôi sữa hòa tan với dịch đường tạo thành hỗn hợp đục

Phương pháp thực hiện: Quá trình phối trộn được thực hiện trong các thùng phối trộn

chuyên dùng có cánh khuấy để hòa tan

Thiết bị và thông số thiết bị: thiết bị phối trộn cánh khuấy mái chèo có ống nối bằng inox

304, trục và cánh khuấy bằng inox 304

Thông số thiết bị: Đường kính cánh khuấy: 800 – 1200 mm

Tốc độ quay cánh khuấy: 20 – 100 vòng/phút

2 Gia nhiệt

Mục đích: Làm sạch dịch đường sau khi phối trộn

Biến đổi: chủ yếu xảy ra biến đổi hóa lý, chất màu và một số tạp chất trong dịch đường sẽ

hấp phụ trong mao dẫn của các hạt than hoạt tính Dịch đường tách lớp, tạp chất nổi lên trên, phần dưới là dịch đường

a Phương pháp thực hiện: Hỗn hợp sau khi phối trộn sẽ được bơm qua thiết bị gia

nhiệt là thùng nấu Chuẩn bị huyền phù than hoạt tính với nồng độ 15%, sau khi gia nhiệt lên 700C rồi bổ sung huyền phù này vào dung dịch và sau đó gia nhiệt lên

100 – 1050C

Thông số quá trình: Nhiệt độ xử lý 700C

Nhiệt độ nấu 100 – 1050C

Thời gian 25 – 30 phút

Thiết bị và thông số thiết bị

Hình 8: Thiết bị gia nhiệt Điện áp: 220V / 50Hz

Nồi dung tích: 100 lít

Kích thước: 53 x 53 x 70 cmm

Công suất: 6 Kw

Inox: lớp trong 430 dày 2 mm

 Mục đích sử dụng than hoạt tính: tẩy màu nhằm mục đích hoàn thiện, loại

bỏ các chất màu trong dung dịch Các chất màu này có sẵn trong nguyên liệu hay sinh ra trong quá trình chế biến Tẩy màu còn có mục đích chuẩn

bị để dung dịch nước đường được trong suốt và quá trình kết tinh tiếp theo

sẽ diễn ra dễ dàng hơn

 Phương pháp thực hiện:

Tẩy màu bằng phương pháp hóa lý: nước đường sẽ được bổ sung than hoạt tính Than sẽ hấp phụ các chất màu phân tán trong dung dịch ở dạng keo Lượng than hoạt tính được pha sẵn ở dạng huyền phù rồi cho vào thùng khuấy trộn theo tỷ lệ khoảng 1-3% khối lượng nước đường Nhiệt độ thích hợp cho quá trình hấp là 80oC Thời gian hấp phụ kéo dài khoảng 30-40 phút Sau đó hỗn hợp sẽ qua thiết bị lọc để thu nước đường trong Nhằm giúp cho quá trình lọc tốt hơn, có thể bổ sung thêm các chất trợ lọc vào dung dịch đường cùng với than

3 Lọc

Mục đích: Loại bỏ tạp chất trong hỗn hợp sau khi gia nhiệt, tạo dịch đường trong suốt để

chuẩn bị cho quá trình cô đặc đường

Biến đổi: xảy ra sự phân riêng hai pha, pha phân tán bao gồm các hạt than đã hấp phụ các

chất màu và một số tạp chất bị lẫn trong dung dịch, pha liên tục là dịch đường đã được tinh sạch

Phương pháp thực hiện: Hỗn hợp sau khi gia nhiệt được bơm trực tiếp vào thùng chứa có

gắn màng lọc Dịch lọc chảy xuống thùng chứa, các tạp chất được giữ lại trên màng lọc

Thiết bị và thông số thiết bị: thùng chứa gắn màng lọc

Hình 9: Thiết bị lọc Model: VP 6G056

4 Cô đặc

Mục đích: Chuẩn bị: Bốc hơi dịch đường có nồng độ từ 13 – 150 Bx đến nồng độ 70 – 750

Bx, nồng độ thích hợp để chuẩn bị cho quá trình kết tinh đường

Phương pháp thực hiện

- Quá trình này được thực hiện ngay sau quá trình lọc Do nồng độ đường trước

và sau quá trình cô đặc khác nhau nhiều nên để giảm bớt sự biến đổi của đường

và tiết kiệm năng lượng, cần sử dụng thiết bị cô đặc nhiều nồi liên tiếp nhau Hơi thứ (hơi nước do nước đường bốc lên) của nồi trước sẽ được tận thu làm hơi đốt của nồi sau

- Trong quá trình cô đặc, nhiệt độ sôi của dung dịch đường thay đổi theo áp suất, nồng độ dịch đường Tổn thất nhiệt của nồi trước qua nồi sau là 1 – 1.5 0C

- Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt là có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hơi nước

và dung dịch đường Tức là có sự chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi Sử dụng thiết bị cô đặc 4 nồi cùng chiều để bốc hơi Để đảm bảo nồi cuối bốc hơi, thường sử dụng hệ nồi cô đặc chân không Áp suất nồi cô đặc giảm dần từ nồi đầu tiên có áp suất cao đến nồi cuối có độ chân không đến 580 – 650 mmHg Do đó nhiệt độ trong các nồi giảm từ 1200C xuống 650C

Thiết bị và thông số thiết bị

Hình 10: Thiết bị cô đặc Năng suất bay hơi: 1500 (kg/h)

Tiêu hao hơi: 1100 (kg/h)

Khái niệm kết tinh đường: Là quá trình tách chất rắn hòa tan trong dung dịch dựa trên sự

chuyển đổi trạng thái của chất tan từ hòa tan sang trạng thái bão hòa

Nguyên lý kết tinh

 Nguyên lý I: Giữ nguyên nhiệt độ, tăng dần nồng độ thì xảy ra sự kết tinh

cô đặc hoặc là sự kết tinh nóng nấu đường

 Nguyên lý II: Giữ nguyên nồng độ, hạ dần nhiệt độ thì xảy ra sự kết tinh (làm nguội hoặc kết tinh lạnh hoặc bồi tinh )

Diễn biến quá trình kết tinh đường: 2 giai đoạn

 Giai đoạn 1: Hình thành nhân tinh thể

Các tinh thể đường khuếch tán trong dung dịch sẽ tập hợp lại và phân bố lên mạng tinh thể Giai đoạn 1 diễn ra nhanh

 Giai đoạn 2: Nhân tinh thể phát triển

Các phân tử đường đang tan trong dung dịch sẽ khuếch tán lên trên bề mặt của nhân tinh thể làm cho nhân tinh thể dần lớn lên Giai đoạn 2 diễn ra chậm, tốc độ kết tinh tính theo giai đoạn 2

Trạng thái quá bão hòa đường Saccharose có thể chia thành 3 vùng với những đặc tính khác nhau :

 Vùng ổn định (quá bão hòa thấp α = 1.10 – 1.15): Nếu trong dung dịch có sẵn tinh thể thì tinh thể sẽ lớn lên chứ không hình thành tinh thể mới

 Vùng trung gian ( quá bảo hòa trung bình α = 1.20 – 1.25):

Nếu trong dung dịch có sẵn tinh thể thì tinh thể sẽ lớn đồng thời xuất hiện tinh thể mới

Nếu dung dịch chưa có sẵn tinh thể thì có thể kích thích để dung dịch xuất hiện tinh thể

Một số cách kích thích : tác động cơ học, hạ nhiệt độ đột ngột, tác động siêu âm hoặc cho vào dung dịch một ít khối đường làm nhân tinh thể

 Vùng biến động ( quá bão hòa cao, α ≥ 1.3 ): Tại vùng này tinh thể tự nhiên xuất hiện liên tục đồng thời lớn lên nhưng rất chậm

Phương pháp nấu đường: do hàm lượng đường saccharose ban đầu trong dịch đường khá

cao nếu chỉ kết tinh lần thì sẽ kéo dài thời gian và lượng đường còn sót lại trong dịch sau quá trình kết tinh cao, vì vậy cần phải nấu – kết tinh lại nhiều lần

Phương pháp nấu gián đoạn (nấu từng mẻ): Gồm 4 giai đoạn :

 Giai đoạn 1: Cô đặc dầu

Cho dịch đường vào thiết bị kết tinh rồi cô đặc lên đến nồng độ bão hào mong muốn

Chú ý: Nguyên liệu còn loãng nên phải tận dụng khả năng của thiết bị để mau chóng đưa đung dịch lên đến độ bão hòa.Không được rút hết dung dịch trong thùng chứa vì lớp đáy

có cặn và có thể rút không khí vào nồi làm dịch trong nồi bùng lên dẫn đến hiện tượng chảy đường ra tháp ngưng tụ

 Giai đoạn 2: Khởi tinh (bắt đầu tạo ra nhân tinh thể)

Sử dụng phương pháp kích thích: