Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất chất trợ lọc bia từ khoáng diatomite lâm đồng

Nhằm nâng cao giá trị sử dụng của diatomite Việt Nam, chúng tôi đã nghiên cứu công nghệ sản xuất chất trợ lọc bia từ khoáng diatomite Lâm Đồng và Phú Yên.. Luận văn đã đưa ra các thông s

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS MAI THANH PHONG ….……… Cán bộ chấm nhận xét 1: TS HUỲNH KỲ PHƯƠNG HẠ ……… Cán bộ chấm nhận xét 2: TS ………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 04 tháng 07 năm 2012

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch hội đồng: PGS TS PHAN ĐÌNH TUẤN

2 Ủy viên, phản biện 1: TS HUỲNH KỲ PHƯƠNG HẠ

3 Uỷ viên, phản viện 2: PGS TS HÀ THỊ AN

4 Ủy viên: TS MAI THANH PHONG

5 Ủy viên, thư ký: TS LÊ THỊ KIM PHỤNG

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

PGS TS PHAN ĐÌNH TUẤN

Trưởng khoa Kỹ thuật Hóa học

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN DUY HẢI Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 02/05/1987 Nơi sinh: Bến Tre

Chuyên ngành: Quá trình Thiết bị Công nghệ Hóa học MSHV: 10290147

I – TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHẤT

TRỢ LỌC BIA TỪ KHOÁNG DIATOMITE LÂM ĐỒNG

II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý diatomite bằng H2SO4 lên tính chất của chất trợ lọc

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của chất trợ dung lên tính chất của chất trợ lọc

- Nghiên cứu quá trình sản xuất chất trợ lọc từ khoáng diatomite Phú Yên

III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 04 tháng 07 năm 2011

IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 04 tháng 07 năm 2012

Tp HCM, ngày 04 tháng 07 năm 2011

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

Như chúng ta đã biết diatomite có nhiều tính chất đặc biệt nên chúng được

ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau Trên thực tế, tiềm năng khoáng diatomite

nước ta khá lớn nhưng giá trị sử dụng quá thấp Phần lớn diatomite nước ta được

dùng làm chất lắng trong nước trong các hồ thủy sản hoặc được khai thác để bán ra

nước ngoài dưới dạng thô Nhằm nâng cao giá trị sử dụng của diatomite Việt Nam,

chúng tôi đã nghiên cứu công nghệ sản xuất chất trợ lọc bia từ khoáng diatomite Lâm

Đồng và Phú Yên

Với sự hướng dẫn của TS Mai Thanh Phong, tôi đã hoàn thành đề tài và trình

bày nội dung trong quyển luận văn Thạc sĩ này Luận văn đã đưa ra các thông số cụ

thể để có thể áp dụng các kết quả thực nghiệm vào quá trình sản xuất chất trợ lọc

diatomite trong thực tiễn

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Mai Thanh Phong đã tận tình chỉ

dạy, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành đề tài Tôi cũng xin

cảm ơn quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Hoá Học, các anh chị, bạn bè đã tạo điều

kiện, đóng góp ý kiến cho tôi Thành thật cảm ơn!

Tuy đã cố gắng hoàn thành tốt luận văn nhưng chắc chắn luận văn không thể

tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót Chúng tôi xin ghi nhận và cảm ơn mọi ý kiến

đóng góp để đề tài được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 07 năm 2012

Học viên thực hiện luận văn

Trần Duy Hải

ABSTRACT

The aim of this thesis was to investigate filter aids manufacture based on Dong diatomite to improve the manufacture technology and on Phu-Yen diatomite as well for comparision The raw diatomites were characterized and it was observed that the quality of the raw diatomite from Lam-Dong and Phu-Yen was not good in terms

Lam-of filter aids manufacture due to low SiO2 content Consequently, the raw diatomites were pre-treated in sulfuric acid solution to enrich SiO2 and eliminate impurities The pre-treated diatomites were calcined at 900oC to become filter aids Several fluxing agents such as Na2CO3, K2CO3 and NaCl were used in calcinations to improve color

of filter aids and increase beer filtration rate Beer filtration using the obtained filter aids was also tested

TÓM TẮT

Mục đích của luận văn này là nghiên cứu quá trình sản xuất chất trợ lọc từ diatomite Lâm Đồng nhằm hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất đồng thời diatomite Phú Yên cũng đã được khảo sát để so sánh Hai nguồn nguyên liệu thô này

đã được khảo sát và cho thấy rằng diatomite thô của Lâm Đồng và Phú Yên không tốt cho quá trình sản xuất chất trợ lọc do hàm lượng SiO2 thấp Do đó, diatomite thô cần phải được xử lý trong dung dịch H2SO4 để tăng hàm lượng SiO2 và loại bỏ các tạp chất Sau quá trình xử lý, diatomite được thiêu kết ở 900oC để tạo thành chất trợ lọc Một vài chất trợ dung như Na2CO3, K2CO3 và NaCl đã được sử dụng trong quá trình thiêu kết để cải thiện màu của chất trợ lọc và tốc độ lọc bia Quá trình lọc bia sử dụng các chất trợ lọc thu được cũng đã được thực hiện

MỤC LỤC

Lời nói đầu i

ABSTRACT ii

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC BẢNG viii

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

I.1. Diatomite 4

I.1.1 Chất trợ lọc 4

I.1.2 Diatomite 7

I.2. Công nghệ sản xuất chất trợ lọc từ khoáng diatomite 15

I.3. Ứng dụng diatomite trong công nghệ lọc bia 20

I.3.1 Quy trình sản xuất bia 20

I.3.2 Ứng dụng của diatomite trong công nghệ lọc bia 27

I.4. Oxit silic (silicon) 29

I.4.1 Đặc tính chung của silic 29

I.4.2 Sự kết khối 31

I.5. Lý thuyết quá trình lọc 33

I.5.1 Quá trình lọc thường 33

I.5.2 Quá trình lọc sâu [12], [27] 35

I.5.3 Quá trình lọc bia 38

I.6. Những công trình nghiên cứu liên quan 40

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 43

II.2. Thực nghiệm 45

II.2.1 Quy trình thực nghiệm 45

II.2.2 Khảo sát cách thức tiền xử lý diatomite bằng H2SO4 46

II.2.3 Thiêu kết trực tiếp 46

II.2.4 Thiêu kết với chất trợ dung 47

II.2.5 Lọc bia 47

II.3. Các phương pháp phân tích 52

II.3.1 Phân tích thành phần hoá (XRF) 52

II.3.2 Phân tích cấu trúc bề mặt (SEM) 53

II.3.3 Phân tích thành phần kim loại nặng trong mẫu lỏng (ICP) 55

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 57

Phần 1 Các kết quả dựa trên nguồn nguyên liệu lấy từ Lâm Đồng 57

III.1. Ảnh hưởng cách thức tiền xử lý diatomite bằng axit H 2 SO 4 6M 57

III.2. Ảnh hưởng của chất trợ dung lên diatomite 62

III.3. Kiểm tra chất lượng chất trợ lọc bằng quá trình lọc bia 67

III.3.1 Quá trình lọc bia 67

III.3.2 Sự ảnh hưởng của lớp phủ và lượng độn 73

Phần 2 Các kết quả dựa trên nguồn nguyên liệu lấy từ Phú Yên 83

III.4. Diatomite thô 83

III.5. Xử lý tạp chất trong diatomite Phú Yên thô bằng H 2 SO 4 85

III.5.1 H2SO4 6M 85

III.5.2 Ảnh hưởng của nồng độ H2SO4 lên tính chất diatomite Phú Yên 89

III.5.3 Ảnh hưởng của chất trợ dung NaCl lên chất trợ lọc 91

III.6. Quá trình lọc bia 93

III.6.2 Ảnh hưởng của lớp phủ lên quá trình lọc bia 101

KẾT LUẬN 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

PHỤ LỤC 112

DANH MỤC HÌNH

Hình I.1 Cấu trúc chất trợ lọc cellulose 5

Hình I.2 Cấu trúc chất trợ lọc diatomite (kieselgurhs) 5

Hình I.3 Cấu trúc perlite sau khi thiêu kết 6

Hình I.4 Giản đồ TG-DTA của diatomite thô từ Lâm Đồng 9

Hình I.5 Bảng đồ phân bố diatomite với trữ lượng lớn trên thế giới (1993-2002) 11

Hình I.6 Ứng dụng của diatomite trong các lĩnh vực khác nhau 15

Hình I.7 Quy trình sản xuất chất trợ lọc từ các loại khoáng diatomite 17

Hình I.8 Cấu trúc bề mặt của chất trợ lọc thu được khi thiêu kết diatomite Lâm Đồng sau khi xử lý bằng H2SO4 6M ở 19

Hình I.9 Hình ảnh nấm men S.Carlsbergensis và S.Cerevisiae 23

Hình I.10 Cấu trúc hoá học của k-carrageenan 24

Hình I.11 Sơ đồ biến đổi thù hình của SiO2 ở áp suất thường 29

Hình I.12 Lọc sâu nhờ vào khe trống giữa các hạt vật mang 36

Hình I.13 Lọc sâu nhờ vào sự hấp phụ hạt rắn lên thành mao quản vật mang 37

Hình I.14 Lọc với tấm lớp phủ (a) và lọc với tấm lớp phủ kết hợp lượng độn (b) 38

Hình I.15 Mối quan hệ áp suất lọc và thời gian lọc thích hợp 40

Hình II.1 Sơ đồ sản xuất chất trợ lọc từ khoáng diatomite 45

Hình II.2 Sơ đồ thí nghiệm đo tốc độ lọc bia 48

Hình II.3 Mối quan hệ giữa bước sóng, giá trị x, y và màu sắc tương ứng 54

Hình II.4 Sơ đồ máy ICP – AES 56

Hình III.1 Sự thay đổi hàm lượng SiO2 trong diatomite sau quá trình xử lý bằng axit 58

Hình III.2 Sự biến đổi thành phần Fe2O3 và CaO trong diatomite sau quá trình xử lý bằng axit 59

Hình III.3 Đồ thị biểu diễn phần trăm của SiO2 trong diatomite sau khi thiêu kết 61

thiêu kết 62

Hình III.5 Diatomite sau khi thiêu kết với các chất trợ dung 65

Hình III.6 Hình ảnh cấu trúc bề mặt của diatomite được thiêu kết với chất trợ dung 66

Hình III.7 Đồ thị thể hiện tốc độ lọc tại các thời điểm khác nhau 70

Hình III.8 Ảnh hưởng của lượng độn lên tốc độ lọc 75

Hình III.9 Tốc độ lọc trung bình và màu của bia sau 15 phút lọc, lớp phủ: 500 g/m2 77

Hình III.10 Ảnh hưởng của lớp phủ đến tốc độ lọc (lượng độn: 3 g/l) 80

Hình III.11 Tốc độ lọc trung bình của bia sau 15 phút lọc, lượng độn: 3 g/l 82

Hình III.12 Phổ XRD của diatomite Phú Yên thô 84

Hình III.13 Cấu trúc diatomite thô của a)-Lâm Đồng và b)-Phú Yên 85

Hình III.14 Diatomite Phú Yên 86

Hình III.15 Cấu trúc của chất trợ lọc thu được khi thiêu kết diatomite đã được xử lý bằng H2SO4 6M 88

Hình III.16 Cấu trúc của diatomite sau khi được xử lý bằng H2SO4 2M và 90

Hình III.17 Chất trợ lọc thu được khi thiêu kết diatomite a)-trực tiếp, b)-với 5% NaCl, c)-với 7% NaCl, d)-với 9% NaCl và e)-với 11% NaCl 92

Hình III.18 Ảnh hường của các chất trợ lọc làm từ diatomite Phú Yên đến tốc độ lọc bia (lớp phủ: 300 g/m2; lượng độn: 3g/l) 95

Hình III.19 Ảnh hưởng của lượng độn lên tốc độ lọc bia, lớp phủ: 300 g/m2 99

Hình III.20 Ảnh hưởng của lượng độn đến tốc độ lọc trung bình và độ màu của bia, lớp phủ: 300 g/m2 100

Hình III.21 Ảnh hưởng của lớp phủ lên tốc độ lọc bia, lượng độn: 3 g/l 103

Hình III.22 Ảnh hưởng của lớp phủ lên tốc độ lọc bia trung bình và độ màu của bia, lượng độn: 3 g/l 104

DANH MỤC BẢNG

Bảng I.1 Đặc tính một số loại chất trợ lọc 7

Bảng I.2 Thành phần hoá của diatomite thô lấy từ Lâm Đồng 9

Bảng I.3 Sản lượng khai thác diatomite của các nước vào năm 2010 10

Bảng I.4 Trữ lượng diatomite của một số nước trên thế giới (2004) 11

Bảng I.5 Trữ lượng dự báo và dự án thăm dò quặng diatomite Việt Nam 11

Bảng I.6 Dự án đầu tư khai thác, chế biến diatomite quy mô công nghiệp 12

Bảng I.7 Yêu cầu về thành phần hoá học cho diatomite dùng làm chất trợ lọc trong công nghệ lọc thức uống và dược phẩm 16

Bảng I.8 Thành phần hoá của diatomite sau các lần xử lý bằng axit H2SO4 6M (chưa thiêu kết) 18

Bảng I.9 Thành phần hoá của chất trợ lọc thu được khi thiêu kết diatomite Lâm Đồng sau 6 lần xử lý bằng axit H2SO4 6M 18

Bảng I.10 Thành phần của malt 21

Bảng I.11 Thành phần chính trong hoa bia 22

Bảng I.12 Tiêu chuẩn chất lượng cho bia ở Việt Nam 24

Bảng I.13 Phân giới màu cho bia (Nguồn: wikipida) 26

Bảng I.14 Thành phần cơ bản của haze sau 4 ngày lên men chìm 27

Bảng I.15 Tính chất một số dạng thù hình của SiO2 30

Bảng II.1 Kế hoạch thí nghiệm đo tốc độ lọc bia 50

Bảng II.2 Kế hoạch thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của lượng độn 51

Bảng II.3 Kế hoạch thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của lớp phủ 51

Bảng II.4 Bước sóng và giới hạn đo cho một vài kim loại 55

Bảng III.1 Thành phần hoá của diatomite sau khi xử lý bằng axit H2SO4 6M 57

Bảng III.2 Thành phần hóa của diatomite Lâm Đồng sau một số lần xử lý axit 60

Bảng III.4 Thành phần hoá của diatomite được thiêu kết với chất trợ dung 67Bảng III.5 Thể tích (ml) dịch bia thu được sau khi lọc; lớp phủ: 500g/m2, lượng độn: 2g/l 68Bảng III.6 Các thông số của dịch bia sau 15 phút lọc 72Bảng III.7 Thể tích bia (ml) sau khi lọc; lớp phủ: 500g/m2, lượng độn (g/l bia chưa lọc) 73Bảng III.8 Kết quả quá trình lọc bia sau 15 phút, lớp phủ: 500 g/m2 76Bảng III.9 Thể tích bia (ml) sau khi lọc, lượng độn: 3g diatomite/lít bia chưa lọc 78Bảng III.10 Kết quả quá trình lọc bia sau 15 phút lọc, lượng độn: 3 g/l 81Bảng III.11 Thành phần kim loại nặng có trong bia sau khi lọc, mg/l 82Bảng III.12 Một số oxit trong diatomite Phú Yên thô trước và sau khi thiêu kết, %w 83Bảng III.13 Thành phần hoá của diatomite (chưa thiêu kết) sau 1 lần xử lý bằng axit 85

Bảng III.14 Một vài tính chất của diatomite Phú Yên sau khi xử lý bằng axit H2SO46M và được thiêu kết ở 900oC, 1000oC 87Bảng III.15 Một vài thông số của quá trình lọc bia (lớp phủ: 300 g/m2, lượng độn: 3 g/l) 88Bảng III.16 Chỉ số độ trắng của chất trợ lọc khi thiêu kết diatomite với NaCl 91Bảng III.17 Thành phần hoá của chất trợ lọc thu được khi thiêu kết diatomite sau khi được xử lý trong H2SO4 2M với 9% NaCl 93Bảng III.18 Thể tích bia (ml) sau khi lọc (lớp phủ bằng 300 g/m2, lượng độn bằng 3 g/l) 93Bảng III.19 Một vài thông số của quá trình lọc bia, lớp phủ: 300 g/m2, lượng độn: 3g/l 96Bảng III.20 Thể tích bia (ml) lọc được với chất trợ lọc PY-2M-9 (lớp phủ: 300 g/m2) 97

100Bảng III.22 Thể tích bia (ml) sau những khoảng thời gian 30 giây 101Bảng III.23 Ảnh hưởng của lớp phủ lên một số thông số của bia sau khi lọc, lượng độn: 3g/l 103

ĐẶT VẤN ĐỀ

Rất nhiều lĩnh vực công nghệ hoá học dùng đến quá trình lọc để phân riêng huyền phù Có những huyền phù dễ phân riêng nhưng cũng có những huyền phù rất khó phân riêng Những huyền phù khó phân riêng có pha rắn là những hạt có kích thước nhỏ, dễ nén, dễ kết dính… như nấm men, bã rượu, dầu ăn… Khi lọc những huyền phù này, màng lọc thường nhanh chóng bị tắc nghẽn do bã bị nén và thông lượng giảm rõ rệt Để khắc phục hiện tượng trên, người ta cho vào huyền phù một

chất rắn cứng, xốp và trơ về mặt hoá học gọi là chất trợ lọc Chất trợ lọc thường được

sản xuất từ diatomite, perlite, bentonite, sợi gỗ…, trong đó chủ yếu là diatomite

Diatomite được khai thác từ lòng đất nên thường có lẫn nhiều tạp chất Vì thế, chúng cần phải được trải qua một quá trình xử lý để chất lượng của chúng đạt được yêu cầu trong lĩnh vực cần lọc Tuỳ vào tính chất nguồn nguyên liệu ban đầu, quá trình xử lý có thể tiến hành đơn giản hoặc phức tạp

Với ưu điểm vượt bậc, diatomite là nguyên liệu để sản xuất chất trợ lọc phổ biến nhất hiện nay Diatomite phân bố ở khắp nơi trên thế giới Năm 2010, trên thế giới đã khai thác 1,8 triệu tấn và 52% trong chúng được dùng làm chất trợ lọc Trong khi đó, trữ lượng diatomite chưa khai thác của thế giới là 936,8 triệu tấn Điều này cho thấy tiềm năng khoáng sản và khả năng phát triển ngành khai thác và chế biến diatomite rất lớn

Hiện tại, diatomite được ứng dụng vào trong rất nhiều lĩnh vực: công nghệ lọc, vật liệu xây dựng, hấp phụ… Một lĩnh vực mà đòi hỏi phải có chất trợ lọc diatomite

là công nghệ lọc bia Theo ước tính vào 2010, lượng diatomite dùng trong công nghệ lọc bia trên thế giới là 557 nghìn tấn và Việt Nam là 8 nghìn tấn

Kết quả khảo sát địa chất cho thấy nước ta có trữ lượng diatomite vào khoảng

165 triệu tấn Với lượng diatomite này, Việt Nam có thể tự sản xuất chất trợ lọc từ diatomite để đáp ứng nhu cầu trong nước nhưng thực tế chất trợ lọc diatomite của nước ta hoàn toàn được nhập từ nước ngoài Nước ta chỉ khai thác và sử dụng

diatomite dưới dạng thô nên giá trị diatomite Việt Nam bị hạn chế Ở Phú Yên (mỏ diatomite lớn nhất Việt Nam), người dân khai thác và bán diatomite ra nước ngoài một cách hoang phí

Nước ta hoàn toàn chưa có một nhà máy nào sản xuất chất trợ lọc từ diatomite

và cũng chưa có một công trình nghiên cứu hoàn thiện nào trong lĩnh vực này Năm

2010, Trần Doãn Minh Đăng đã bước đầu nghiên cứu quá trình sản xuất chất trợ lọc

từ khoáng diatomite Lâm Đồng nhưng vẫn chưa hoàn thiện

Chính vì những lý do trên mà chúng tôi đã chọn đề tài “ Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất chất trợ lọc bia từ khoáng diatomite Lâm Đồng”

Để hoàn thành đề tài, chúng tôi tập trung vào 2 mục tiêu:

 Khảo sát quá trình tiền xử lý diatomite bằng H2SO4 6M,

 Khảo sát quá trình thiêu kết diatomite sau quá trình tiền xử lý khi có và không có chất trợ dung,

Nội dung cụ thể của đề tài là:

o Khảo sát cách thức tiền xử lý bằng axit H2SO4;

o Khảo sát thời gian tiền xử lý bằng axit H2SO4;

o Khảo sát quá trình thiêu kết diatomite sau giai đoạn tiền xử lý khi có

và không có chất trợ dung ở 900oC;

o Đánh giá chất lượng chất trợ lọc thu được thông qua thành phần hoá

lý, cấu trúc bề mặt, độ trắng;

o Đánh giá chất trợ lọc thông qua kết quả quá trình lọc dịch bia;

o So sánh diatomite Lâm Đồng và diatomite Phú Yên

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Để có nền tảng định hướng cho thực nghiệm, chương này trình bày những kiến thức cơ bản về các vấn đề có liên quan tới đề tài Nội dung cụ thể bao gồm: tổng quan về diatomite, silicon, nhu cầu ứng dụng diatomite vào công nghệ lọc bia, lý thuyết quá trình lọc và những nghiên cứu có liên quan đến diatomite Qua chương này, chúng ta sẽ thấy được giá trị to lớn của diatomite Việt Nam mà hiện tại nước ta chưa khai thác được hết Hơn nữa, chúng tôi sẽ trình bày những vấn đề mà thế giới chưa nghiên cứu Từ đó, chúng tôi định hướng những vấn đề cần phải nghiên cứu

để giúp cho người đọc có cái nhìn rõ hơn về diatomite

I.1 Diatomite

Diatomite là một loại khoáng trầm tích có tính chất đặc biệt Diatomite được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau Ứng dụng diatomite như một chất trợ lọc đã được biết đến từ rất lâu và đến ngày nay, ứng dụng này vẫn được cho là phổ biến nhất của diatomite Các mỏ diatomite khác nhau có những tính chất khác nhau,

điều đó càng mở rộng phạm vi ứng dụng của loại khoáng sản này

I.1.1 Chất trợ lọc

Chất trợ lọc là những chất trơ về mặt hoá học, được cho vào cùng với huyền phù trước khi tiến hành lọc nhằm tạo thành lớp bảo vệ vách ngăn và làm tăng tốc độ lọc

Tuỳ thuộc vào lĩnh vực sử dụng mà chất trợ lọc có những yêu cầu về chất lượng khác nhau, về loại khác nhau Nói chung, chất trợ lọc được dùng để lọc các loại huyền phù rất khó lọc hoặc hầu như không lọc được mặc dù động lực quá trình lọc lớn Hiện nay, người ta còn kết hợp cả vai trò làm tăng tốc độ lọc và khả năng hấp phụ một số chất của chất trợ lọc Điều này được thể hiện rõ trong công nghiệp lọc dược phẩm và lọc thức uống

Trên thị trường có rất nhiều thương hiệu chất trợ lọc khác nhau như: perlite, radiolite, celite, supper® Cell… Nhưng nếu xét theo nguồn gốc của chất trợ lọc thì

có thể chia chất trợ lọc thành 2 nhóm: chất trợ lọc hữu cơ và chất trợ lọc vô cơ

Nhìn chung, chất trợ lọc phải thỏa các tính chất sau [1]:

Chất trợ lọc hữu cơ có nguồn góc từ cellulose như sợi gỗ, sợi thực vật hoặc tro của vỏ thóc

Hình I.1 Cấu trúc chất trợ lọc cellulose

(Nguồn: Erbslöh)

Khả năng ứng dụng của loại vật liệu trợ lọc này bị hạn hẹp do chất lượng của chúng không tốt Nếu sử dụng như một chất trợ lọc thì cellulose được dùng nhiều nhất trong công nghệ lọc rượu Xét về giá thành thì cellulose đắt hơn so với diatomite và perlite Vì những lí do đó mà ngày nay người ta ít sử dụng cellulose làm chất trợ lọc Trong thương mại, người ta biết đến chất trợ lọc cellulose với tên Solka-Floc® và Fibra-cel® nhiều hơn

Hình I.2 Cấu trúc chất trợ lọc diatomite (kieselgurhs) [2]

Diatomite được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhưng ứng dụng làm chất trợ lọc là phổ biến nhất (chiếm khoảng 52% trong tổng số các ứng dụng) Diatomite có khả năng không bị nén dưới áp suất cao do đó diatomite được dùng làm chất trợ lọc là phổ biến nhất Diatomite được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ lọc thức uống, nước và dược phẩm

Tuỳ theo chất lượng của diatomite mà sản phẩm có các tên gọi khác nhau như celite, radiolite, supper®Cell…

b Perlite

Perlite được biết đến như một loại đá nham thạch do núi lửa sinh ra khi hoạt động Ở trạng thái tự nhiên, loại đá này ngậm nước nên có màu sắc đặc trưng Khi thiêu kết ở nhiệt độ cao (trên 8700C), nước mất đi (còn lại khoảng 2-6%w) và cấu trúc nở ra tạo thành những lỗ hỏng Sau khi thiêu kết, perlite có màu trắng sáng, xốp (gấp khoảng 15-20 lần so với trước khi thiêu kết) Perlite có những tính năng nổi bậc như cấu trúc lưới, trơ về mặt hoá học, chịu lửa và cách âm tốt

Hình I.3 Cấu trúc perlite sau khi thiêu kết (Nguồn: Wallace P Bolen)

Perlite được dùng trong rất nhiều lĩnh vực: công nghệ lọc; công nghệ luyện kim; làm chất pha trộn trong sơn, thuỷ tinh, cao su… Tuy nhiên, nhiệt độ thiêu kết của perlite không được vượt quá 9000C vì trên 9000C, perlite bị chảy ra và mất cấu trúc [3]

Bảng I.1 Đặc tính một số loại chất trợ lọc (nguồn: Svarovsky, 1990)

0,05-30 Thấp Thấp tới cao

Hồng tới trắng

0,4-6 Trung bình Thấp Trắng

Giá thành

590$/tấn sợi cellulose thô

250$/tấn diatomite thô (2010)(*)

52$/tấn perlite thô (2010)(*)

(*): kết quả do trung tâm U.S Department of the Interior và U.S Geological Survey khảo sát

I.1.2 Diatomite

1.1.2.1 Nguồn gốc của diatomite

Diatomite (kieselgurhs) là trầm tích của một số loài tảo đất Chúng là những

đơn bào thân mền thuộc họ Bacillariophyceae trong ngành Chrysophyta [2] (tế bào

chất, giọt dầu và lục lạp), sống ở những vùng nước mặn, lợ và ngọt Tảo đất thích hợp trong điều kiện nhiệt độ thấp, chúng thường sống ở đáy hồ, đầm lầy hoặc đáy

biển với độ sâu khoảng 200m Trong môi trường nhiệt độ và ánh sáng thích hợp,

chúng phát triển nhanh và xây dựng nên một lớp vỏ bao bọc chúng Lớp vỏ này bao gồm các oxit của silic, nitơ, photpho, sắt và cacbon [4] Sau khi các loài tảo đất chết

đi, chúng để lại lớp vỏ này trong lòng đất mà ngày nay người ta gọi là diatomite

Những loài tảo đất đầu tiên sống cách đây khoảng 21 triệu năm, vào kỉ

Miocene-Pleistocene Vào đương thời, diatomite ở gần mặt đất nhưng theo thời

gian, chúng bị vùi lấp vào sâu trong lòng đất do sự biến đổi của địa hình Diatomite (kieselgurhs) thường gắn liền với sự hoạt động của núi lửa Khi núi lửa phun trào, diatomite bị dung nham cuốn đi và đưa lên gần mặt đất hơn Ngày nay, có nhiều khoáng diatomite chỉ cách mặt đất chỉ vài mét

Các loài tảo đất có kích thước và hình dạng rất khác nhau nên diatomite cũng

có hình dạng và kích thước khác nhau Nhìn chung, diatomite có dạng phổ biến là ống trụ, ovan và vĩ, một số ít dạng kim, bán cầu, lông chim [19, 37, 41] Kích thước của diatomite biến đổi trong một vùng rộng từ 1m đến 1mm nhưng thường thấy

nhất là từ 10m đến 200m [8]

1.1.2.2 Tính chất của diatomite (kieselgurhs)

Diatomite có những tính chất nổi bật như cấu trúc tổ ong, khối lượng riêng thấp, hầu như trơ về mặt hoá học với chất lỏng và khí, cách nhiệt và điểm nóng chảy cao Thành phần lớn nhất trong diatomite là oxit silic vô định hình Diatomite tinh khiết có màu trắng sáng nhưng diatomite lấy lên từ mỏ có rất nhiều tạp chất nên chúng thường có màu xám vàng, xám và đen [5] Sau khi thiêu kết, diatomite có màu đỏ gạch, hồng hoặc trắng tuỳ vào hàm lượng của oxit sắt trong diatomite Cấu trúc đặc biệt của diatomite được phát hiện lần đầu tiên vào năm 2003 do công lao của hai nhà khoa học Dolley và Moyle [9]

Diatomite được hình thành trong lòng đất nên chúng có lẫn rất nhiều tạp chất như bùn, hợp chất hữu cơ (rễ cây, gỗ, xác thực vật…), muối silicat và muối khác [7] Tuỳ thuộc vào địa hình ở từng vùng mà khoáng diatomite có chất lượng khác

nhau Diatomite hình thành từ vùng nước ngọt sẽ có thành phần SiO2 thấp, oxit sắt cao; ngược lại, diatomite hình thành từ vùng nước mặn sẽ có thành phần SiO2 cao, oxit sắt thấp Để ứng dụng vào từng lĩnh vực khác nhau, diatomite cần được xử lý theo nhiều cách khác nhau để sản phẩm đáp ứng được yêu cầu của từng lĩnh vực ấy Diatomite đã qua quá trình tiền xử lý sẽ có được những tính chất đặc biệt mà diatomite thô không thể có được [10]:

+ Giảm ứng suất bề mặt,

+ Chia cấu trúc bề mặt ra thành 2 nhóm: nhóm ưa nước và nhóm kị nước,

+ Độ tinh sạch cao

Diatomite có khả năng không chịu nén cao hơn so với perlite và cellulose dưới áp suất cao Do đó, diatomite không chỉ làm tăng tốc độ lọc mà còn kéo dài được chu kì lọc Vì thế mà trên thực tế người ta dùng diatomite làm chất trợ lọc phổ biến hơn perlite mặc dù diatomite có giá thành cao hơn perlite

Diatomite phải được thiêu kết trước khi sử dụng Quá trình thiêu kết nhằm

ổn định cấu trúc của diatomite và có thể làm mất đi một số tạp chất

Trần Doãn Minh Đăng [11] đã khảo sát diatomite từ Lâm Đồng Kết quả cho thấy diatomite Lâm Đồng có lẫn nhiều tạp chất Giản đồ DTA-TG và thành phần hoá của diatomite Lâm Đồng thô cũng đã được xác định Từ đó cho thấy để có thể ứng dụng diatomte như một chất trợ lọc, diatomite cần phải được xử lý bằng một cách thích hợp để loại bỏ các tạp chất

Hình I.4 Giản đồ TG-DTA của diatomite thô từ Lâm Đồng

Bảng I.2 Thành phần hoá của diatomite thô lấy từ Lâm Đồng

Thành phần hoá, % SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 L.O.I 52,9 22,9 5,32 0,43 0,26 0,51 1,25 0,15 19,8

1.1.2.3 Tiềm năng khoáng sản diatomite

Khoáng diatomite có trữ lượng khác nhau tuỳ thuộc vào mỏ Theo khảo sát

địa chất cho thấy ở California, lớp diatomite dày tới 300m và được cho là lớp

diatomite dày nhất thế giới [2] Diatomite phân bố ở khắp nơi Các mỏ diatomite lớn thường tập trung ở những vùng lãnh thổ gần biển và vùng lãnh thổ hình thành từ biển do sự nâng lên của vỏ Trái Đất Nhìn chung, những mỏ diatomite này có chất lượng tốt hơn so với các mỏ ở vị trí khác

Sản lượng diatomite đã khai thác của các nước trên thế giới vào năm 2010

được trung tâm phân tích khoáng sản, địa chất của Mĩ (United States Geological Survey (USGS) Minerals Resources Program) thống kê và được trình bày trong

bảng 1.3

Tổng sản lượng diatomite đã khai thác là 1,8 triệu tấn Trong khi đó, trữ lượng diatomite chưa khai thác còn rất lớn Nhóm khảo sát địa chất thế giới

(Mineral Commodity Summaries) đã nghiên cứu trữ lượng khoáng diatomite ở một

số nước và đã thống kê như trong bảng 1.4

Bảng I.3 Sản lượng khai thác diatomite của các nước vào năm 2010

Bảng I.4 Trữ lượng diatomite của một

số nước trên thế giới (2004)

Tên nước Trữ lượng

Hình I.5 Bảng đồ phân bố diatomite

với trữ lượng lớn trên thế giới

(1993-2002)

Ở Việt Nam, diatomite được cho là có trữ lượng khá lớn và chất lượng khá tốt Bộ trưởng bộ công thương Vũ Huy Hoàng, đã thống kê trữ lượng diatomite Việt Nam và vạch ra kế hoạch khai thác trong tương lai như sau:

Bảng I.5 Trữ lượng dự báo và dự án thăm dò quặng diatomite Việt Nam

(triệu tấn)

Vốn đầu tư thăm dò (VNĐ)

Tỉnh Lâm Đồng

Tỉnh Kon Tum

Tỉnh Phú Yên

Hoà Lộc Tuỳ Dương

37,8 3,4

15-20 tỷ 10-15 tỷ

Bảng I.6 Dự án đầu tư khai thác, chế biến diatomite quy mô công nghiệp

cấp quặng

Công Suất (t/n)

Vốn đầu tư (VNĐ) Giai đoạn đến năm 2015

3

Chế biến diatomite chất

lượng cao ở Phú Yên

Mỏ Hoà Lộc, Tuỳ Dương

45.000

3

Chế biến diatomite chất

lượng cao ở Phú Yên

Mỏ Hoà Lộc, Tuỳ Dương

250.000

240.000-Đầu tư mở rộng (230-250 tỷ)

Trữ lượng diatomite của Việt Nam được dự đoán vào khoảng 90,5 triệu tấn Trong đó, tỉnh Phú Yên có trữ lượng lớn nhất (khoảng 60 triệu tấn) Ngoài ra, diatomite còn phân bố rời rạc ở một vài tỉnh khác Mỏ diatomite Phú Yên đã phát hiện và khai thác từ lâu nhưng mỏ diatomite Lâm Đồng chỉ mới vào giai đoạn thăm

dò

Phần lớn diatomite Việt Nam được khai thác để làm chất lắng trong nước trong các ao hồ thuỷ sản Một lượng rất nhỏ dùng trong xây dựng, gốm sứ và nghiên cứu Tuy diatomite có tác dụng như một chất trợ lọc nhưng Việt Nam vẫn chưa sản xuất được chất trợ lọc từ khoáng diatomite Trong khi đó, nhu cầu chất trợ lọc của Việt Nam ngày càng cao mà tất cả chất trợ lọc phải nhập từ nước ngoài như Trung Quốc, Nhật

Diatomite Việt Nam dễ khai thác do gần mặt đất Vì thế, diatomite (Phú Yên) đã bị người dân khai thác một cách hoang phí và sử dụng vào những lĩnh vực không hợp lý Diatomite Việt Nam ngày càng mất đi giá trị thực tế của nó

a Diatomite dùng làm chất trợ lọc

Đây là lĩnh vực mà diatomite được áp dụng rộng rãi nhất Điều kiện về thành phần hoá học để có thể dùng diatomite làm chất trợ lọc được Theune và Bellet (1988) đưa ra như sau: SiO2 > 85%, CaO < 1%, Fe2O3 < 1,5%, các hợp chất muối <

500 ppm

Một số mỏ diatomite có thành phần hoá ban đầu khá tốt, điển hình như mỏ diatomite lấy từ Shasta, CA, USA được Burney phân tích và cho kết quả như sau: SiO2 (91,39%), CaO (0,51%), Fe2O3 (0,48%), mất khi thiêu kết (4,18%) [4] Đối với những loại mỏ này, người ta chỉ cần khai thác chúng lên từ lòng đất và mang đi thiêu kết là có thể cho được sản phẩm trợ lọc Tuy nhiên, một số mỏ khác lại có thành phần không được tốt như mỏ diatomite ở Bảo Lộc tỉnh Lâm Đồng (Việt Nam)

có SiO2 (52,9%), CaO (0,43%), Fe2O3 (5,30%), mất khi nung (18,9%) [11] Do đó, diatomite thô của Bảo Lộc tỉnh Lâm Đồng không thể dùng làm chất trợ lọc được

Đối với những mỏ diatomite có lẫn nhiều tạp chất, người ta cần phải có phương pháp loại bỏ bớt tạp chất một cách thích hợp

Diatomite được dùng để lọc các loại thức uống (bia, rượu, nước trái cây…), lọc dầu, lọc nước và lọc dược phẩm [15] Diatomite tinh khiết được dùng trong công nghệ lọc vô trùng

b Diatomite dùng làm phụ gia trong xi-măng

Chất phụ gia trong xi-măng có thể là tro núi lửa, zeolite hoặc diatomite Khi trộn diatomite vào xi-măng có thể làm cho xi-măng tăng thêm độ cứng, chống ăn mòn hoá học và cách âm tốt hơn Độ cứng của xi-măng tăng theo độ tăng hàm lượng diatomite Tuy nhiên hàm lượng diatomite trong xi-măng không được vượt quá mức cho phép để xi-măng vẫn còn giữa nguyên được tính kết dính [16]

c Diatomite dùng làm chất hấp phụ

Dựa vào cấu trúc tổ ong đặc biệt của diatomite mà người ta dùng diatomite

để hấp phụ một số chất Tuỳ thuộc vào chất cần hấp phụ mà có các cách hoạt hoá diatomite khác nhau Trong công nghệ hấp phụ, diatomite có thể không cần hàm lượng SiO2 cao Yêu cầu đặt ra là SiO2 trong diatomite phải được hoạt hoá để tăng thêm khả năng hấp phụ

Khi dùng diatomite để hấp phụ phenol thì diatomite cần phải được hoạt hoá bằng NaOH hoặc axit HF để tạo ra gốc hấp phụ phenol (SiO32- và SF32-) [17] Trong quá trình hoạt hoá, bề mặt trong của lỗ tổ ong bị biến tính và chuyển sang trạng thái lưỡng cực, do đó nó có thể bắt được một số chất phân cực có cấu tạo cồng kềnh như phenol [17]

Hình I.6 Ứng dụng của diatomite trong các lĩnh vực khác nhau [8]

Để hấp phụ các kim loại nặng như chì (Pb), cadmium (Cd), Chromium (Cr), mercury (Hg), diatomite được hoạt hoá bằng manganese (IV) oxit (MnO2) trên nền chất mang nhôm Trong quá trình thiêu kết diatomite đã hoạt hoá, một phần nhỏ

SiO2 chuyển sang cấu trúc siloxane1 Tuy cấu trúc này hình thành với số lượng ít nhưng chúng là cấu trúc hấp phụ rất hiệu quả Đó là một trong những nguyên nhân làm tăng tính hấp phụ của diatomite đã được hoạt hoá [16, 47]

I.2 Công nghệ sản xuất chất trợ lọc từ khoáng diatomite

Nhìn chung, quy trình sản xuất chất trợ lọc từ khoáng diatomite có những giai đoạn sau:

- Sấy khô mỏ thô

- Nghiền mịn diatomite thô

- Xử lý diatomite thô Giai đoạn này có thể có hoặc không, tuỳ thuộc vào

thành phần hoá ban đầu của diatomite

1 Cấu trúc sicloxane được hình thành từ sự liên kết các phân tử H 2 SiO3 lại với nhau bởi liên kết -Si-O-Si-O-

Sự liên kết này tạo thành vòng kín đều 4 đỉnh, 5 đỉnh, 6 đỉnh Tại các đỉnh, các ion H+ thừa là các tâm hoạt động hấp phụ

Bảng I.7 Yêu cầu về thành phần hoá học cho diatomite dùng làm chất trợ lọc trong

công nghệ lọc thức uống và dược phẩm Thành phần Lọc thức uống2 Lọc dược phẩm3 SiO2

Al2O3CaO

Fe2O3 MgO ZnO CuO MnO

(Lọc dược phẩm gồm: lọc kháng sinh, vitamin, mĩ phẩm, men răng, bán thành phẩm dược)

Những mỏ diatomite có thành phần hoá đạt yêu cầu được khai thác và thiêu kết để trở thành chất trợ lọc mà không cần phải qua quá trình xử lý Đối với những

mỏ diatomite lẫn nhiều tạp chất, người ta phải loại bỏ tạp chất bằng một cách thích

hợp Mục đích cuối cùng của quá trình xử lý là giải phóng cấu trúc tổ ong của diatomite khỏi tạp chất, làm giảm lượng một số chất không cần thiết hoặc độc hại

Có nhiều phương pháp xử lý diatomite như xử lý bằng axit, bằng kiềm Tuy nhiên, xử lý diatomite bằng axit được áp dụng rộng rãi hơn do hiệu quả của quá trình xử lý cao Các axit thường dùng là HCl [5], H2SO4 [1],[14], hỗn hợp HCl với HNO3 [18]

Quy trình sản xuất chất trợ lọc từ khoáng diatomite có chất lượng cao và khoáng diatomite có chất lượng thấp được S.C.A Franca (2002) và Trần Doãn Minh Đăng (2011) đưa ra và được trình bày trên hình 1.7

Bằng thực nghiệm theo các bước ở sơ đồ b), Trần Doãn Minh Đăng [11] đã loại bỏ tạp chất trong diatomite Lâm Đồng bằng nhiều loại axit khác nhau với những nồng độ khác nhau Kết quả cho thấy, tạp chất được loại bỏ nhiều nhất khi quá trình xử lý diatomite thô dùng H2SO4 6M

Hình I.7 Quy trình sản xuất chất trợ lọc từ các loại khoáng diatomite

a) diatomite thô ít tạp chất; b) diatomite thô có nhiều tạp chất

Thành phần hóa của diatomite Lâm Đồng sau quá trình xử lý bằng H2SO46M được trình bày trong bảng 1.8

Bảng I.8 Thành phần hoá của diatomite sau các lần xử lý bằng axit H2SO4 6M

(chưa thiêu kết)

Thành phần

Số lần xử lý axit

3 lần (18 giờ)

4 lần (24 giờ)

5 lần (30 giờ)

6 lần (36 giờ)

Theo kết quả từ bảng 1.8, Trần Doãn Minh Đăng đã chọn mẫu diatomite sau

6 lần xử lý axit để thiêu kết trực tiếp ở các nhiệt độ khác nhau tạo thành chất trợ lọc Thành phần hóa và cấu trúc của các chất trợ lọc được trình bày trong bảng 1.9 và hình 1.8

Bảng I.9 Thành phần hoá của chất trợ lọc thu được khi thiêu kết diatomite Lâm

Hình I.8 Cấu trúc bề mặt của chất trợ lọc thu được khi thiêu kết diatomite Lâm

Đồng sau khi xử lý bằng H2SO4 6M ở a)-900oC, b)-1000oC, c)-1100oC và d)-1250oC

Khi thành phần hoá của diatomite đã đạt tiêu chuẩn của chất trợ lọc thì diatomite được thiêu kết (nung) để trở thành chất trợ lọc Có hai phương pháp thiêu

kết: thiêu kết trực tiếp và thiêu kết với chất trợ dung Trong công nghiệp, quá trình

thiêu kết thường được thực hiện bằng thiết bị lò thiêu kết quay Khi thiêu kết với chất trợ dung, chất trợ dung được cho đều vào thiết bị trong giai đoạn đầu của quá trình thiêu kết [18] Trong quá trình gia nhiệt, chất trợ dung chảy ra và được trộn đều với bột diatomite

Thiêu kết trực tiếp: Diatomite được cho vào thiết bị và được thiêu kết Thông thường, tốc độ quay của lò thiêu kết là 3 – 5 rpm [7] và nhiệt độ thiêu kết từ 800 –

1200oC Tuy nhiên, nhiệt độ thiêu kết cao quá sẽ không tốt cho chất lượng sản phẩm Sản pẩm sau khi thiêu kết trực tiếp thường có màu đỏ gạch (diatomite Lâm Đồng) [11] tới trắng hồng (diatomite Bahia State) [7] Hàm lượng sắt trong diatomite càng nhiều thì diatomite thu được có màu càng đỏ, sẫm

b

d

Thiêu kết với chất trợ dung: Các điều kiện thiêu kết cũng giống như trường

hợp thiêu kết trực tiếp nhưng trong quá trình thiêu kết, chất trợ dung được cho vào Chất trợ dung thường là muối của kim loại kiềm Chất trợ dung thường dùng là

Na2CO3, K2CO3, NaCl và KCl Khi thiêu kết với chất trợ dung, quá trình thiêu kết

có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn so với quá trình thiêu kết trực tiếp Sản phẩm sau khi thiêu kết có màu trắng hơn so với sản phẩm thu được bằng cách thiêu kết trực tiếp dù diatomite ban đầu có cùng hàm lượng sắt do sắt không còn tồn tại ở

trạng thái tự do (sắt oxit) mà đi vào liên kết kiềm – nhôm – sắt phức tạp (T E Day,

1989) Cho đến nay, liên kết này vẫn chưa được nghiên cứu tỉ mỉ

I.3 Ứng dụng diatomite trong công nghệ lọc bia

I.3.1 Quy trình sản xuất bia

Bia là một loại thức uống chứa cồn được sản xuất nhờ quá trình lên men đường lơ lửng trong môi trường lỏng và không có quá trình chưng cất sau khi lên men Một lượng khổng lồ bia đang được tiêu thụ trên thế giới và gần như nó luôn tăng qua các năm Ở Việt Nam, tuy bia mới xâm nhập cách đây khoảng 100 năm nhưng nhu cầu và tốc độ tăng sản lượng bia ở Việt Nam khá lớn So với năm 2009, sản lượng bia ở Việt Nam vào năm 2010 tăng 15.2% và đứng hàng thứ hai trên thế

giới sau Brazil (18%) Nếu trung bình cần 3 g chất trợ lọc diatomite để lọc được 1

lít bia thì năm 2010, Việt Nam phải nhập khẩu 7950 tấn và trên thế giới phải dùng

556 866 tấn chất trợ lọc diatomite để đủ cho việc sản xuất bia

Quy trình sản xuất bia gồm các bước cơ bản sau: Tạo malt → tạo dịch đường

→ nấu dịch đường với hoa bia → lên men → tách nấm men → thành phẩm [19]

Malt

Malt là loại nguyên liệu có chứa tinh bột dùng để sản xuất bia Malt có thể là các loại đại mạch, gạo, ngô [19]… Trong số các loại malt thì đại mạch được sử

dụng rộng rãi nhất do trong đại mạch có chứa nhiều amylaza, một loại enzym có tác

dụng chuyển hoá tinh bột thành đường Malt phải được ủ ẩm cho lên mầm với độ

ẩm thích hợp Thời gian lên mần phụ thuộc vào từng loại malt, yêu cầu chất lượng

của bia và môi trường xung quanh Malt cung cấp một lượng lớn protein và có chứa

hệ enzym proteaza giúp thuỷ phân chúng Trong quá trình ươm mầm, enzym này tăng trưởng mạnh mẽ Trong giai đoạn nấu malt, enzym này phân huỷ protein thành

những hợp chất có khả năng giữa CO2 tạo hương vị bia đặc trưng

Bảng I.10 Thành phần của malt (Nguồn: wikipidia)

10 Protein hoà tan 4,0-4,7%

Hoa bia (Hops hay houblon)

Hoa bia là hoa của loài thực vật dây leo, sống lâu năm thuộc loài Humulus lupulus Cây hoa bia trưởng thành có thể cao tới 15m Cây hoa bia có giống đực và

cái riêng Để sản xuất bia, người ta dùng hoa bia cái chưa thụ phấn Hoa bia được trồng ở nhiều nơi trên thế giới nhưng nhiều nhất là các nước thuộc châu Âu, do đó ở các nước này người ta dùng hoa bia tươi để nấu bia nên hương vị của bia sản xuất tại các nước này tốt hơn ở các nước dùng hoa bia khô

Hoa bia có 3 thành phần quan trọng cho bia là chất đắng, tinh dầu thơm và polyphenol

Chất đắng là thành phần có giá trị nhất của hoa bia Chất đắng được tạo

thành từ các axit hữu cơ phức tạp Chất đắng có tác dụng cung cấp vị đắng dịu cho bia để cân bằng với vị ngọt của dịch đường Chất đắng có tính sinh học cao, chúng tạo ra các hợp chất giúp tăng sức căn bề mặt làm cho bia giữ được bọt lâu hơn

Bảng I.11 Thành phần chính trong hoa bia (Nguồn: wikipia)

Tinh dầu thơm chứa khoảng 200 chất thuộc loại terpen, ester, xeton và các

hợp chất chứa lưu huỳnh Tinh dầu thơm có tác dụng tạo mùi thơm nhẹ nhàng, dễ chịu đặc trưng cho bia Ở nhiệt độ cao, một số hợp chất trong tinh dầu thơm có thể

bị oxi hoá và tạo thành những hợp chất gây ra mùi khó chịu Do đó, người ta phải lên men bia ở nhiệt độ thấp để thu được bia có chất lượng cao

Polyphenol có tác dụng làm trong và ổn định thành phần cho bia Trong dịch

bia, polyphenol liên kết với các protein có kích thước lớn tạo thành kết tủa làm cho dịch bia trong hơn Khi nhiệt độ hạ xuống, polyphenol có thể liên kết với các protein có kích thước nhỏ hơn, do đó, người ta cần lọc bia ở nhiệt độ thấp để bia được trong Tuy nhiên, nếu nhiệt độ quá thấp, protein sẽ bị mất đi nhiều làm cho bia trở nên ít bọt

Nấm men

Nấm men dùng cho quá trình lên men bia thuộc loài Saccharomyes (S.)

Chúng tồn tại ở thể đơn bội và lưỡng bội với đường kính trong khoảng 5 – 10m

Trong quá trình sinh sống, thể lưỡng bội có thể phân chia thành thể đơn bội Cơ thể

chúng là tế bào chứa chuỗi AND và một vài chất khoáng Loài nấm men S được cho là có nguồn gốc từ vỏ của quả nho Chúng có khả năng phân huỷ sacarozo,

galactozo và frutozo Chúng còn có một khả năng đặc biệt nữa là chuyển hoá photpho và lưu huỳnh về các dạng hợp chất muối Nấm men dùng trong ngành sản xuất bia hiện nay có hai loài là S.Carlsbergensis và S.Cerevisiae Tương ứng với hai

loại nấm men này là hai phương pháp lên men: lên men chìm và lên men nổi

Lên men chìm là sự lên men trong đó nấm men lắng xuống đáy thiết bị trong

và cuối quá trình lên men Lên men chìm chia thành hai loại là lên men chìm bụi và lên men chìm bông Lên men chìm bụi có các nấm men không liên kết với nhau

thành khối mà lơ lửng trong dịch đường và lắng chậm xuống đáy thiết bị Ngược lại, lên men chìm bông có các nấm men kết lại với nhau thành khối và lắng nhanh xuống đáy thiết bị Do đó, khả năng chuyển hoá đường bằng phương pháp lên men chìm bông kém hơn so với phương pháp lên men chìm bụi và phương pháp lên men nổi Nhiệt độ lên men chìm từ 4 đến 12oC Các loại bia được sản xuất bằng phương

pháp lên men chìm có tên chung là lager

Lên men nổi là sự lên men trong đó nấm men kết thành chùm và bị hấp thụ vào các bọt khí CO2 rồi nổi lên mặt chất lỏng tạo thành màng bọt nấm men Nấm

men nổi có hàm lượng enzym và sinh khối cao hơn nấm men chìm Nhiệt độ lên

men nổi từ 14 đến 25oC, với nhiệt độ này, người ta không thể lên men bia theo phương pháp lên men chìm Các loại bia được sản xuất bằng phương pháp lên men

nổi có tên chung là ale Các ale có hàm lượng ester lớn do nhiệt độ lên men cao, vì thế, ale thường có lẫn mùi thơm của hoa, quả

Hình I.9 Hình ảnh nấm men S.Carlsbergensis và S.Cerevisiae

Nấm men bia có tác dụng chuyển hoá các hợp chất disacarit thành glucozo Sau quá trình đường hoá, thành phần dịch thu được chứa phần lớn là chuỗi k- carrageenan (Hình 1.10), chúng được sinh ra từ chuỗi polisacarit bằng cách kết hợp vòng galatose và galatose sulphate Trong quá trình sinh sống, men bia sẽ chuyển cấu trúc của k-carrageenan về dạng kettle làm xuất hiện hai nhóm –OH ở vị trí 3 và

6 Chính những hợp chất kettle này làm cho bia thu được có màu đỏ nâu đặc trưng Quá trình chuyển hoá cấu trúc phụ thuộc vào nhiệt độ, pH, hàm lượng k- carrageenan và nồng độ các ion có trong dịch đường [20]

Hình I.10 Cấu trúc hoá học của k-carrageenan [20]

Quá trình lọc bia được tiến hành sau khi len men Bia sau khi lọc phải thoã mãn một số yêu cầu về tính chất và cảm quan Theo tiêu chuẩn của Việt Nam, các yêu cầu đặt ra như sau:

Bảng I.12 Tiêu chuẩn chất lượng cho bia ở Việt Nam

Về cảm quan

1 Màu sắc Đặc trưng cho từng loại sản phẩm

2 Mùi Đặc trưng cho bia sản xuất từ hoa bia và đại mạch, không có

4 Chất hoà tan ban

1 Tổng số vi sinh vật hiếu khí, số khuẩn lạc trong 1ml sản phẩm 103

5 Cl.perfringens, số vi khuẩn trong 1ml sản phẩm 0

6 Tổng số nấm men-nấm mốc, số khuẩn lạc trong 1ml sản phẩm 102

Màu là một yếu tố cảm quan quan trọng Bia đạt chất lượng là bia phải có màu trong suốt, vàng rơm, không đậm, không nhạt Độ màu của bia có thể tính theo nhiều đơn vị khác nhau như EBC, SRM, Lovibond, FTU, NTU Mối quan hệ giữa chúng như sau:

SRM = 1,3546.Lovibond – 0,76 (1.1)

Đơn vị được dùng phổ biến để chỉ độ màu của bia là EBC Độ màu của bia được xác định từ sự hấp thụ sóng khi cho sóng này xuyên qua lớp bia Theo TCVN 6061:2009 thì việc xác định độ màu của bia như sau:

 Khi cuvet dày 1cm thì độ màu của bia được tính theo công thức

D là hệ số pha loãng

A430nm là độ hấp thụ bước sóng của bia ở 430nm

 Khi cuvet dày 1,27cm thì

+ Nếu A430nm.0,039 > A700nm thì bia không đục và độ màu tính theo công thức

+ Nếu A700nm.0,039 > A430nm thì bia bị đục

Đánh giá cảm quan cho bia được quy định trong TCVN 6063:1995

Bia sau khi lọc thường có màu đạt yêu cầu Đối với các loại bia thường có độ màu nhỏ hơn 20EBC Sự phân giới màu cho bia được trình bày trong bảng 1.9

Bảng I.13 Phân giới màu cho bia (Nguồn: wikipida)

Ngoài ra, bia còn được chia ra thành 4 cấp bậc: bia trong, sáng (< 35 FTU); sáng (35 – 69 FTU); hơi đục (69 – 138 FTU); đục (138 – 276 FTU) và rất đục (>276 FTU) [21]

Bia có độ màu càng cao thì càng đục

I.3.2 Ứng dụng của diatomite trong công nghệ lọc bia

Bia được lọc là bia sau khi lên men, gọi là dịch hèm bia (haze) Tuỳ thuộc

vào điều kiện lên men như: thành phần hèm bia, loại nấm men, thành phần dịch đường và điều kiện lên men (thời gian, nhiệt độ, thể tích, áp suất, hình dáng và kích

thước thiết bị) mà haze có thành phần khác nhau Haze bao gồm huyền phù rắn

(yeast) và pha lỏng (dịch bia) Pha rắn có chứa phần lớn là nấm men, pha lỏng chủ

yếu là protein, polyphenol và các khoáng Haze sau 4 ngày lên men có thành phần

tương đối như sau [22]:

Bảng I.14 Thành phần cơ bản của haze sau 4 ngày lên men chìm

Haze được lọc qua hai lần

+ Lọc sơ bộ (lọc lần 1) Haze vừa lên men có chứa hàm lượng pha rắn lớn nên

thường được lọc sơ bộ bằng những thiết bị lọc đơn giản Đôi khi người ta không cần lọc mà loại bỏ phần rắn bằng cách gạn (đối với phương pháp lên men nổi) hay tháo đáy (đối với phương pháp lên men chìm) Sau khi loại bỏ bớt phần rắn, phần còn lại

của bia gọi là dịch bia Dịch bia thường hay bị đục do có nhiều polyphenol nằm lơ

lửng trong dịch bia