Nấu đường và kết tinh

Chương 4: NẤU ĐƯỜNG VÀ KẾT TINH  I Lý thuyết q trình kết tinh Mục đích nấu đường Mục đích q trình nấu đường tách nước khỏi mật chè, đưa dung dịch đến trạng thái q bão hồ để thực q trình kết tinh đường Sản phẩm sau nấu đường đường non mật Tính chất đường saccarose 2.1 Hình dạng tinh thể saccarose 103o30’ Tinh thể đường saccarose kết tinh từ dung dịch thuộc hệ đơn tà có trục (hai trục thẳng trục nằm nghiêng) a 90o b 90o c Tuy nhiên hình dạng tinh thể đường thay đổi tuỳ theo chất khơng đường có dung dịch, nhiệt độ thực trình kết tinh, hệ số bão hồ 2.2 Độ hoà tan đường saccarose nước, dung dịch khơng tinh khiết Độ hồ tan đường saccarose nước biểu diễn số gam đường gam nước Trong dung dịch không tinh khiết độ hoà tan đường saccarose phụ thuộc vào chất khơng đường, số làm tăng độ hồ tan saccarose như: KCl, NaCl , số khác ngược lại như: K2SO Hệ số bão hoà (’): Là tỷ số hệ số hoà tan saccarose dung dịch đường không tinh khiết (H1) hệ số hoà tan dung dịch tinh khiết (H0) điều kiện nhiệt độ ' H1 H0 - Khi ’ >1 độ hồ tan saccarose dung dịch không tinh khiết lớn dung dịch tinh khiết - 27 - Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - Khi ’ = độ hồ tan saccarose dung dịch không tinh khiết lớn dung dịch tinh khiết (hay nói cách khác chất khơng đường khơng ảnh hưởng đến độ hoà tan) - Khi ’ < chất khơng đường làm giảm độ hồ tan saccarose Hệ số bão hoà phụ thuộc vào độ tinh khiết dung dịch chất lượng chất khơng đường có dung dịch Hệ số bão hồ có ý nghĩa quan trọng sản xuất, thể ảnh hưởng nguồn nguyên liệu trình sản xuất Hệ số bão hoà (): Là tỷ số lượng đường hoà tan đơn vị nước dung dịch nghiên cứu (H) với lượng đường hoà tan phần nước dung dịch bão hoà (H 1) nhiệt độ H  H1 - Khi  > dung dịch bão hoà - Khi  = dung dịch bão hoà - Khi  < dung dịch chưa bão hoà Hệ số bão hịa có ý nghĩa định q trình kết tinh, hiệu suất kết tinh chất lượng sản phẩm Đối với dung dịch saccarose tinh khiết H1 = H Trong dung dịch đường không tinh khiết việc xác định H phức tạp, thực tế dung dịch đường không tinh khiết người ta tra theo bảng độ hoà tan đường tinh khiết, từ tìm hệ số bão hồ biểu kiến (1) theo công thức: 1  H H0 Sự liên hệ hệ số bão hoà thực, hệ số bão hoà biểu kiến hệ số bão hoà dung dịch:   1 ' Động học trình kết tinh đường Saccarose chất khó xuất nhân tinh thể dung dịch q bão hồ Theo thực nghiệm, tinh thể xuất  > 1,3 -1,4 Để tăng tốc độ xuất tinh thể, người ta áp dụng biện pháp kích thích tạo mầm hay phương pháp tinh chủng, lúc tinh thể xuất giá trị  = 1,2 – 1,25 Theo quan điểm động học, trình xuất nhân tinh thể môi trường lỏng tượng liên hợp phân tử chất hoà tan di động Điều kiện cần thiết để tạo nhân tinh thể có tập tụ cục phân tử chất hoà tan phân bố phân tử vào vị trí chúng lưới tinh thể Vậy, tinh thể nằm ranh giới trình kết tinh hoà tan - 28 - Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Theo Silin: Trên bề mặt tinh thể dung dịch ln xảy hai q trình: - Lắng chất hồ tan bề mặt tinh thể vào dung dịch, phân tử hay nhóm phân tử tách khỏi bề mặt tinh thể, điều kiện bão hồ đủ lớn nhóm phân tử nhân tinh thể - Nếu điều kiện q bão hồ chưa đủ lớn mầm hoà tan vào dung dịch (do độ hoà tan lớn đường bình thường nhiều) Lúc tinh thể sẵn có lớn lên mà thơi, không xuất mầm tinh thể Tốc độ kết tinh Là lượng đường kết tinh phút 1m2 bề mặt tinh thể, đơn vị (mg/m2.phút) K S F  Trong S: lượng đường kết tinh dung dịch bão hoà, (mg) F: bề mặt tinh thể, (m2) : thời gian kết tinh, (phút) Bề mặt tinh thể phụ thuộc vào số lượng chúng, lượng tinh thể nhiều, kích thước nhỏ, bề mặt tinh thể lớn, lượng đường kết tinh nhiều Bề mặt tinh thể phụ thuộc vào khối lượng theo cơng thức f  ,12 p2 Trong f: bề mặt tinh thể, (cm2) p: khối lượng tinh thể, (g) 4,12 hệ số thực nghiệm cho tinh thể saccarose Cơ sở lý thuyết trình kết tinh Dựa sở nghiên cứu kết thực nghiệm, Silin cho trình kết tinh chủ yếu trình khuếch tán ơng giải thích sau: d C’ C - Tinh thể bao quanh lớp dung dịch không chuyển động với chiều dày d - 29 - Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - Ngay bề mặt tinh thể dung dịch bão hoà với nồng độ C’, cách bề mặt tinh thể khoảng d dung dịch bão hoà với nồng độ C Do chênh lệch nồng độ, phân tử đường khuếch tán đến bề mặt tinh thể kết tinh thành tinh thể mới, bề mặt tinh thể lại có nồng độ C’ cũ Như thế, trình kết tinh lại thực tiếp tục Qua đó, ta nhận thấy tốc độ kết tinh tốc độ khuếch tán Theo định luật Fick: lượng đường khuếch tán S tỷ lệ thuận với hiệu số nồng độ (C – C’), bề mặt khuếch tán F, thời gian kết tinh , tỷ lệ nghịch với đoạn đường khuếch tán d k1 C  C ' F d S Vậy, tốc độ kết tinh K k1 C  C ' d Trong k1 hệ số khuếch tán Theo Enstein, hệ số khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối (T) độ nhớt môi trường (η) k1  Vậy: K k 'T  (với k’ số) k ' T C  C ' d Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh - Độ bão hoà dư - Nhiệt độ - Độ tinh khiết dung dịch - Độ nhớt - Sự khuấy trộn - Kích thước tinh thể - Số lượng tinh thể đường non II Q trình hố học giai đoạn nấu đường Sau tạo thành tinh thể đường saccarose bền, chúng khơng có biến đổi cề cấu trúc chư biến đổi đặc biệt khác nhiệt độ 70oC Tuy nhiên lớp mật bao quanh tinh thể không bền, đường non khơng bền Sự thay đổi đường non trình kết tinh chủ yếu phụ thuộc vào thành phần mật Sự phân giải đường Trong giai đoạn nấu đường xãy trình chuyển hố đường saccarose thành đường khử, chuyển hoá phụ thuộc vào nhiệt độ nấu đường pH đường non - 30 - Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Dưới tác dụng nhiệt độ, đường khử phản ứng với axit amin tạo thành hợp chất màu, đường khử bị phân huỷ thành sản phẩm không lên men Tách cặn lắng đọng muối phi đường Trong trình kết tinh số axit hữu chuyễn thành hợp chất không tan kết tủa dạng muối canxi, muối magiê Các chất khác (như: tinh bột pectin ) có khả kết tinh đường saccarose liên kết bền tinh thể đường Hiện tượng khó nấu Khi nấu số mẻ đường có xuất hiện tượng như: đường non đặc cứng lại nồi, bốc chậm, không kết tinh Hiện tượng thường xãy mật chè chứa lượng muối canxi cao, dung dịch có pH cao q trình nấu đường chậm (vì phần đường dạng sacarat) Khi mía ngun liệu cịn non, chất keo nhiều, độ nhớt lớn q trình nấu đường gặp khó khăn, đặc biệt nấu loại đường có chất lượng thấp III Quá trình nấu đường gián đoạn Cơ đặc đầu Là q trình đặc dung dịch đến nồng độ cần thiết để chuẩn bị cho tạo thành tinh thể Tuỳ theo phương pháp gây mầm mà ta khống chế dung dịch nồng độ khác Trong giai đoạn ta cô đặc độ chân không thấp (khoảng 600 – 620mmHg) để giảm nhiệt độ sôi dung dịch (với áp suất nhiệt độ sôi dung dịch khoảng 60 – 65oC) , giảm phân huỷ đường Mật chè cần phải phủ kín bề mặt truyền nhiệt (của nồi nấu) để tránh tượng cháy đường Sự tạo mầm tinh thể Đây thời điểm quan trọng trình nấu đường, tuỳ theo phương pháp tạo mầm mà ta khống chế thời điểm tạo mầm khác Thơng thường thiết bị nấu khơng có dụng cụ xác định trực tiếp độ bão hoà khơng có số liệu độ hồ tan đường khơng tinh khiết Vì việc xác định độ q bão hồ thơng qua việc xác định thơng số: nồng độ nguyên liệu gốc (được xác định chiết quang kế), độ dẫn điện, nhiệt độ dựa vào kinh nghiệm công nhân vận hành Sự tạo mầm chia làm phương pháp: a Tạo mầm tự nhiên Nấu dung dịch đường đến hệ số bão hoà  = 1,4 trở lên, lúc tinh thể đường tự xuất Phương pháp phổ biến vì: từ bắc đầu xuất tinh thể đạt yêu cầu số lượng tinh thể phải trải qua thời gian nấu tương đối dài (thời gian phụ thuộc vào độ tinh khiết độ nhớt nguyên liệu gốc) Khi dung dịch tự xuất tinh thể độ bão hoà dung dịch tương đối cao, - 31 - Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn sau xuất tinh thể lớn lên khơng ngừng, so với mầm tinh thể xuất giai đoạn cuối có chênh lệch kích thước Ngồi ra, nhiệt độ cao làm cho nguyên liệu gốc tăng màu sắc, dễ xãy tượng dính tinh thể b Phương pháp kích thích Nấu mật đến nồng độ bão hoà  = 1,2 – 1,3 sau thay đổi độ chân khơng đột ngột, cho lượng mầm (bột đường) để kích thích xuất tinh thể c Phương pháp tinh chủng Không chế nồng độ nguyên liệu gốc cho độ bão hoà  = 1,05 – 1,15, sau cho lượng mầm thích hợp vào Ở độ q bão hồ khơng hồ tan mầm tinh thể khơng kích thích xuất thêm mầm tinh thể mới, lượng đường mầm cho vào hấp thu lượng đường dư từ dung dịch lớn lên Nuôi tinh thể Khi dịch đường non có đủ số lượng tinh thể theo yêu cầu, nhanh chóng dùng nước nấu để làm giảm độ bão hào xuống đến  = 1,1 (nhằm không cho dịch đường non xuất tinh thể mới) Nguyên tắc chung nước nấu cho vào phải có nhiệt độ nồi nấu từ – 5oC (để giữ nhiệt độ sôi nồi, tăng khả truyền nhiệt trộn với đường non nồi) Trong giai đoạn nuôi tinh thể cần ý vấn đề sau - Do tinh thể dịch đường non nhỏ nên, diện tích kết tinh nhỏ, độ tinh khiết mẫu dịch cao nên dễ sinh tinh thể giả Vì ta cần ý khống chế nồng độ cho phù hợp với lớn lên tinh thể - Các tinh thể nhỏ số lượng tinh thể nhiều nên dễ xãy tượng dính tinh thể Vì phải khống chế tốt độ chân khơng, áp lực buồn đốt cho trình đối lưu tốt, đồng thời phòng ngừa xuất tinh thể giả Cô đặc cuối Khi tinh thể đạt đến kích thước quy định, ngừng nạp liệu, đến nồng độ đường (tránh đặc nhanh tạo thành tinh thể dại) IV Trợ tinh tạo thành mật cuối Trợ tinh Đường non lấy từ nồi nấu chứa thành phần đường định Do đường non nấu giai đoạn cuối thể tích lớn, nồng độ mẫu dịch cao, độ nhớt lớn đối lưu nồi không tốt Và muốn hồn thành q trình kết tinh nồi nấu phải trải qua thời gian dài mà hiệu lại khơng cao, mà cịn tiêu tốn nhiều đốt Vì sau nấu đến thể tích với nồng độ độ yêu cầu ta đưa đường non đến thiết bị trợ tinh để tiếp tực thực trình kết tinh - 32 - Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Trong thiết bị trợ tinh, ta khống chế nhiệt độ nồng độ thích hợp làm cho tinh thể tiếp tục hấp thụ thành phần đường dư mẫu dịch, giảm bớt thành phần đường mẫu dịch, làm tăng hiệu suất thu hồi Nguyên lý trợ tinh Căn vào độ tinh khiết mẫu dịch, ta khống chế nồng độ nhiệt độ đễ đưa mẫu dịch đến độ bão hịa thích hợp, đồng thời trì khoảng thời gian đủ để thành phần đường nước cốt hấp thụ lên bề mặt tinh thể đường Khi nhiệt độ hạ thấp độ hịa tan đường giảm làm cho độ q bão hịa tăng, q trình kết tinh tiếp tục, tinh thể lớn lên Sự tạo thành mật cuối Thành phần mật cuối phụ thuộc vào nguyên liệu, điều kiện công nghệ nhà máy, thời vụ sản xuất Tỷ lệ (%) Thành phần Các chất đường: Sacaroza Glucoza Fructoza Các chất cacbohydrat khác Chất keo, tinh bột, pentosan, đồng phân hexitol, myoinositol, d - manitol, axit aronic Tro (% so với trọng lượng tro) K2O CaO MgO Na2O Fe2O3 Axit SO3 Cl P2O5 SiO2 Hợp chất chứa nitơ Prôtêin Axit amin Các hợp chất nitơ không prôtêin Hợp chất không chứa nitơ Axitaconitic, xitric, malic, oxalic, glucolic, sucxinic, Xơ, sterin, phosphatit Vitamin - 33 - Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 30 – 40 4–9 – 12 2–5 30 – 50 – 15 – 14 0,3 – 9,0 0,4 – 2,7 – 27 12 – 20 0,5 – 2,5 1–7 3–6 0,3 – 0,5 1,5 – 3,0 0,5 – 1,5 0,1 – 1,0 lượng nhỏ Trước người ta cho tạo thành mật cuối đường ngừng kết tinh Vì độ tinh khiết giảm, độ nhớt tăng lên, cản trở phân tử đường di động kết tinh bề mặt tinh thể Nhưng thực tế chứng minh độ nhớt không làm ngừng hẳn trình kết tinh mà làm cho trình kết tinh bị chậm lại Giải thích thuyết hóa lý Người ta cố gắng giải thích tạo thành mật cuối cách nghiên cứu ảnh hưởng chất hóa học chất khơng đường mật cuối đến độ hòa tan mật tức ảnh hưởng chúng đến hệ số bão hòa Những chất khơng đường làm tăng độ hịa tan gọi chất tạo mật cuối dương (muối natri, muối kali), chất khơng đường làm giảm độ hịa tan gọi chất tạo mật cuối âm (muối canxi) Tuy nhiên chất khơng đường làm tăng độ hịa tan đường khơng làm ngừng q trình kết tinh Ngồi ra, có mặt chất tạo mật cuối âm nhiều có mặt cuối Giải thích luận thuyết hóa học Người ta cho chất tạo mật cuối chất vô nguyên liệu (do tạo thành sacarat) Mật khác người ta nhận thấy mật cuối có thành phần tro chứa nhiều canxi độ tinh khiết thấp Và Dedek kết luận canxi khơng mang theo đường mà có phân tử kali, natri mang theo phân tử đường Tuy nhiên, cách giải thích bị phá sản thực tế chứng minh tổn thất đường mật cuối vào cuối vụ sản xuất lớn lượng kali natri không thay đổi Giải thích thuyết lý hóa học Phân tích ưu khuyết điểm học thuyết trên, Silin đề học thuyết tổng hợp tất yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng đường mật cuối cho thấy: - Độ nhớt gây khó khăn cho q trình ly tâm - Ảnh hưởng chất khơng đường đến độ hòa tan đường (tức ảnh hưởng chúng đến hệ số bão hòa) Trong trường hợp ’ tức khơng có chất tạo mật cuối, chất tạo mật cuối âm ta nhận mật cuối Như theo học thuyết tất chất không đường (kể chất khơng liên kết với đường) có mặt dung dịch làm tăng nồng độ chất khô, tăng độ nhớt, gây khó khăn cho q trình kết tinh Mặt dầu trình kết tinh xãy ra, nhiên chậm không kinh tế không ly tâm Bằng cách giải thích Silin cộng đưa kết luận sau: - Không nên cho có số chất tạo mật cuối, chất khơng đường có tác dụng đến tạo thành mật cuối - 34 - Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn - Khơng có cation tạo mật cuối mà anion có khã tạo mật cuối - Đối với cation chất tạo mật cuối giảm dần theo thứ tự kali, natri, canxi anion chất tạo mật cuối giảm dần theo thứ tự OH , CO , CH 3COO , Cl  , axit glutamic, tirozin, sản phẩm phân hủy đường khử NO3 -  Đối 2 với  - 35 - Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Chương 5: LY TÂM, SẤY, TÁCH THÀNH PHẨM  I Ly tâm Nguyên lí trình tách mật đường non Đây trình tách mật đường non khỏi tinh thể đường lực ly tâm thùng quay với tốc độ cao Quá trình phân hạt (được thực qua giai đoạn) - Cho đường non vào máy ly tâm Đầu tiên cho máy ly tâm quay từ từ đến tốc độ máy đạt 200 – 300 vòng/phút, sau mở van nạp liệu cho đường non vào Thơng thường cho đường vào đầy thùng quay để phát huy tối đa suất thiết bị, nhiên thực tiễn lượng nạp liệu thay đổi tùy thuộc vào chất lượng đường non Nếu hạt đường cát lớn, độ dính nhỏ, dễ tách mật nên lớp đường dày, nhiên không tràn mâm quay Ngược lại đường cát khơng đồng đều, độ dính lớn nên khống chế chiều dày lớp đường mỏng để dễ tách mật đường, giảm thời gian tách mật - Phân mật Sau nạp liệu, tăng dần tốc độ mâm quay đến cực đại, lúc phần lớn mật đường non tách gọi mật nâu Thời gian phân mật phụ thuộc vào chiều dày lớp đường non, độ nhớt, khích thước thùng quay - Rửa đường Sau phân mật xong, bề mặt đường phủ lớp mật nâu Do ta cần phải tách lớp mật để đảm bảo yêu cầu chất lượng đường Quá trình rửa đường bao gồm giai đoạn: Rửa đường nước nóng (nhiệt độ từ 75 – 80oC), lượng nước rửa dùng khoảng 2% so với lượng đường non Sản phẩm rửa nước mật trắng (có độ tinh khiết cao mật nâu) Sau phun bão hịa có áp suất – at vào đường non, lượng dùng khoảng – 3% so với khối lượng đường non Hơi bão hòa làm tăng nhiệt độ mật, độ nhớt giảm, phân ly dễ dàng Ngoài phần nước ngưng tụ từ có tác dụng rửa đường lần nữa, bão hòa làm cho đường khô hơn, rút ngắn thời gian sấy, giảm khả đóng cục đường - Hãm máy xã đường Sau q trình rửa đường ta ngắt điện mơ tơ để hãm máy, dùng phanh hãm làm giảm tốc độ quay, nâng chụp đáy lên lấy đường khỏi thiết bị ly tâm - 36 - Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn II Sấy khơ Mục đích Đưa đường đến độ ẩm thích hợp, làm cho đường thành phẩm có màu sáng bóng, khơng bị hư hỏng, biến chất q trình bảo quản Ngun lí làm khơ Sử dụng nhiệt lượng tỏa từ thân đường sau q trình ly tâm, hay sử dụng khơng khí nóng làm bốc nước bề mặt đường Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ làm khô - Kích thước hạt tinh thể đường cát chiều dày lớp đường Thời gian làm khô rút ngắn khi diện tích bề mặt bốc đường tăng lên Nếu hạt tinh thể bé, lớp đường dày, lượng ẩm bên khó khuếch tán, tốc độ làm khô nhỏ - Lượng nước chứa đường làm khơ Nếu đường cát sau q trình ly tâm có độ ẩm lớn thời gian làm khơ kéo dài - Nhiệt độ độ ẩm không khí Nhiệt độ khơng khí cao, độ ẩm tương đối thấp, khả hút ẩm mạnh, tốc độ làm khô nhanh Tuy nhiên nhiệt độ khơng khí nóng khơng nên q cao ảnh hưởng đến chất lượng đường sau sấy - Thiết bị làm khô Cấu tạo thiết bị khác tốc độ làm khơ khác Các phương pháp làm khô a Làm khô tự nhiên Thông thường nhiệt độ đường cát sau khỏi máy ly tâm lớn 80oC, ta làm nguội tự nhiên đến nhiệt độ thích hợp Lợi dụng nhiệt lượng thân tỏa làm cho đường khô Tuy nhiên, thời gian làm khơ dài, khó khống chế ẩm độ thành phẩm, độ ẩm đường sau ly tâm không ổn định ảnh hưởng đến hiệu làm khô b Làm khơ khơng khí nóng Trước tiên sấy nóng khơng khí, làm giảm độ ẩm tương đối nó, sau đưa vào máy làm khơ cho tiếp xúc với đường cát nhằm hấp thu ẩm chúng Đối với phương pháp này, thời gian làm khô tương đối ngắn, khống chế hàm lượng ẩm đường thành phẩm - 37 - Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ... trình kết tinh chủ yếu phụ thuộc vào thành phần mật Sự phân giải đường Trong giai đoạn nấu đường xãy q trình chuyển hố đường saccarose thành đường khử, chuyển hoá phụ thuộc vào nhiệt độ nấu đường. .. lượng đường kết tinh dung dịch bão hoà, (mg) F: bề mặt tinh thể, (m2) : thời gian kết tinh, (phút) Bề mặt tinh thể phụ thuộc vào số lượng chúng, lượng tinh thể nhiều, kích thước nhỏ, bề mặt tinh. .. hoà tan vào dung dịch (do độ hoà tan lớn đường bình thường nhiều) Lúc tinh thể sẵn có lớn lên mà thôi, không xuất mầm tinh thể Tốc độ kết tinh Là lượng đường kết tinh phút 1m2 bề mặt tinh thể,