Dung dịch bão hòa trong kết tinh đường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM MÔN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG BÁNH KẸO TIỂU LUẬN DUNG DỊCH QUÁ BÃO HÒA TRONG KẾT TINH ĐƯỜNG GVHD: Hồ Xuân Hương Lớp hp: 210504401 SVTH: Huỳnh Đỗ Ngọc Huyền MSSV: 09120661 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2, năm 2012 1 MỤC LỤC 2 Mở đầu Kết tinh là quá trình quan trọng trong sản xuất đường. Quá trình kết tinh thì chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố mà chủ yếu và quan trọng nhất đó chính là độ quá bão hòa của dung dịch. Dung dịch saccarose có ở trạng thái quá bão hòa thì mới có thể kết tinh đường. Đây là tổng kết những gì em đã tìm hiểu được về dung dịch quá bão hòa trong kết tinh đường.  Lời cảm ơn Viện công nghệ sinh học – thực phẩm đã trang bi cho chúng em môn công nghệ sản xuất đường bánh kẹo, một môn học bổ ích và cần thiết cho công việc tương lai. Cô Hồ Xuân Hương đã hướng dẫn nhiệt tình, truyền dạy cho chúng em nhiều kiến thức bồ ích. 3 Nội dung I. Kết tinh đường Mục đích chuyển đường saccharose từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn ( kết tinh dạng tinh thể). Kết tinh đường diễn ra trên cơ sở dung dịch bão hòa hay quá bão hòa. Sản phẩm cuối của quá trình kết tinh đường là đường non. II. Một số khái niệm 2.1 Độ hòa tan của dung dịch đường Là số phần chất tan hòa tan trong một phần dung môi ( nước). Đặc trưng bởi hệ số hòa tan: là số gam đường tan trong 100 gam nước. Trong dung dịch không tinh khiết độ hòa tan của đường saccharose phụ thuộc vào nhiệt độ và các chất không đường. Nhiệt độ tăng thì độ hòa tan của đường saccharose trong dung dịch tăng lên và nhiệt độ giảm thì độ hòa tan của đường saccharose trong dung dịch giảm xuống. Đa số chất không đường vô cơ làm tăng độ hòa tan của đường saccharose trong dung dịch và đa số chất không đường hữu cơ làm giảm độ hòa tan của đường saccharose trong dung dịch. 2.2 Dung dịch bão hòa Là dung dịch không thể hòa tan thêm chất tan hay là dung dịch có nồng độ chất tan lớn nhất ứng với một nhiệt độ xác định nào đó. Dung dịch bão hòa là dung dịch bền 2.3 Dung dịch quá bão hòa Là dung dịch có nồng độ chất tan lớn hơn nồng độ chất tan của dung dịch bão hòa ở cùng một nhiệt độ. Là dung dịch không bền có xu hướng tách bớt chất tan để nồng độ giảm đi trở thành trạng thái bão hòa, trạng thái bền của dung dịch. Ví dụ : đường ở 70 0 C , mỗi phần nước thực tế hòa tan 3.5 phần đường, và ở nhiệt độ đó độ hòa tan của đường mía trong nước đường bão hòa là 3.271 phần (bảng 1- 2. độ hòa tan saccharose trong dung dịch đường nguyên chất ở nhiệt độ khác nhau,Luyện đường non và trợ tinh. NXB nông nghiệp 1996). Như vậy nước đường trên, mỗi phần nước hòa tan được một lượng đường ở cùng nhiệt độ vượt quá 3.5 – 3.271 = 0.229. Vậy nước đường trên ở trạng thái quá bão hòa. Để đường saccharose trong dung dịch kết tinh thì dung dịch đường saccharose phải được đưa về trạng thái quá bão hòa. 2.4 Hệ số bão hòa Là tỉ số giữa hệ số hòa tan saccharose trong dung dịch đường không tinh khiết H 1 và hệ số hòa tan saccharose trong dung dịch đường tinh khiết H 0 ở cùng nhiệt độ. Hệ số bão hòa chỉ nêu lên sự khó kết tinh hay dễ kết tinh của dung dịch đường saccharose. α ' = H 1 H 0 4 α ' >1 thì độ hòa tan saccharose trong dung dịch không tinh khiết lớn hơn độ hòa tan trong dung dịch tinh khiết (trong dung dịch đường tồn tại những chất không đường làm giảm đi độ hòa tan của đường saccharose trong dung dịch). α ' =1 độ hòa tan của đường saccharose trong dung dịch tinh khiết bằng trong dung dịch không tinh khiết. α ' <1 sự hòa tan của đường saccharose trong dung dịch không tinh khiết nhỏ hơn trong dung dịch tinh khiết ( trong dung dịch đường tồn tại những chất không đường làm giảm đi độ hòa tan của dung dịch đường saccharose). 2.5 Hệ số quá bão hòa Để đánh giá độ quá bão hòa của nước đường ta dùng độ quá bão hòa. Hệ số quá bão hòa α : đặc trưng cho mức độ quá bão hòa của dung dịch, là tỉ số giữa lượng đường hòa tan trong một đơn vị dung dịch nghiên cứu H so với lượng đường hòa tan trong 1 phần nước của dung dịch bão hòa H 1 ở cùng nhiệt độ. α = H H 1 α = 1 thì tỷ số của hệ thức trên bằng mẫu số, tức lượng đường hòa tan thực tế bằng lượng đường hòa tan khi bão hòa, đây là trạng thái dung dịch bão hòa α < 1 trạng thái dung dịch chưa bão hòa α >1 lượng đường hòa tan thực tế lớn hơn lượng đường hòa tan khi bão hòa, đây là trạng thái dung dịch quá bão hòa Từ công thức trên, cho ta biết số phần đường hòa tan thực tế trong một phần nước của nước đường, có thể được tính dễ dàng dựa vào quan hệ nồng độ. Nhưng khi nấu đường thường gặp là đường không tinh khiết, độ hòa tan của đường tinh khiết và không tinh khiết có khác nhau nên đã nói đến hệ số bão hòa để biểu thị quan hệ về độ hòa tan của đường mía trong nước đường không tinh khiết và nước đường tinh khiết. Khi tính toán độ quá bão hòa nếu dùng độ hòa tan đường mía trong nước đường không nguyên chất làm cở sở để tình toán, thì độ quá bão hòa tính được gọi là độ quá bão hòa thực. 5 độ quá bão hòathự c= ở nhiệ t độ nàođ ó , mỗi phầ nnước thự c tế hòa ta nsố phầnđườngmía hệ sốbão hòa ×độ hòa tanđường míacủađườngtinhkhiế t cùngnhiệ t độ Đo hệ số gặp rất nhiều rắc rối, nên trong sản xuất thường dùng độ hòa tan đường mía của nước đường tinh khiết thay cho độ hòa tan đường mía của nước đường không tinh khiết. Độ quá bão hòa tính được gọi là độ quá bão hòa biểu kiến. độ quábãohòabiểukiến= ở nhệt độ nàođó , mỗ i phầ n nướ cthự c tế hòata n số phầ n đườngmía độ hòata n đườngmíacủa nướ c đườngtinhkhiết cùngnhiệ t độ Độ hòa tan đường mía của đường không tinh khiết nhỏ hơn độ hòa tan đường mía của đường nguyên chất, nên độ quá bão hòa biểu kiến nhỏ hơn độ quá bão hòa thực: độ quá bão hòa thực= độ quá bão hòa biểu kiến hệ số bão hòa Trên thực tế có thể dùng đọ hòa tan của đường tinh khiết làm cơ sở tính toán để tìm ra độ quá bão hòa biểu kiến để so sánh tương đối tiện cho việc nấu đường và thao tác bồi tinh. III. Động học của quá trình kết tinh đường Saccarose là chất rất khó xuất hiện nhân tinh thể trong dung dịch quá bão hoà của nó. Theo thực nghiệm, tinh thể chỉ xuất hiện khi α > 1,3 -1,4. Để tăng tốc độ xuất hiện tinh thể, người ta áp dụng các biện pháp kích thích tạo mầm hay phương pháp tinh chủng, lúc đó tinh thể sẽ xuất hiện ở giá trị α = 1,2 – 1,25. Theo quan điểm động học,quá trình xuất hiện nhân tinh thể trong môi trường lỏng là hiện tượng liên hợp của các phân tử chất hoà tan di động. Điều kiện cần thiết để tạo nhân tinh thể là có sự tập tụ cục bộ của các phân tử chất hoà tan và phân bố các phân tử này vào vị trí của chúng trong lưới tinh thể. Vậy, các tinh thể nằm trên ranh giới của 2 quá trình kết tinh và hoà tan. Theo Silin: Trên bề mặt tinh thể và dung dịch luôn xảy ra hai quá trình: - Lắng chất hoà tan trên bề mặt tinh thể vào dung dịch, khi đó các phân tử hay các nhóm phân tử tách ra khỏi bề mặt tinh thể, nếu điều kiện quá bão hoà đủ lớn những nhóm phân tử này sẽ là những nhân tinh thể mới. - Nếu điều kiện quá bão hoà chưa đủ lớn thì những mầm sẽ hoà tan vào dung dịch (do độ hoà tan của nó lớn hơn đường bình thường rất nhiều). Lúc này chỉ những tinh thể sẵn có lớn lên mà thôi, không xuất hiện mầm tinh thể mới. IV. Tính chất và vai trò của dung dịch quá bão hòa trong kết tinh đường 4.1 Dung dịch quá bão hòa ảnh hưởng đến sự tạo mầm tinh thể Khi đường hòa tan trong nước tạo thành dung dịch đường saccharose, phân tử đường phân bố đều trong không gian của phân tử nước hình thành một dung dịch đồng nhất. Ở nhiệt độ nhất định trở thành nước đường bão hòa, các phân tử đường ổn định vào không gian của phân tử nước, kết hợp với phân tử nước tạo trang thái cân bằng ổn định. Khi số lượng phân tử đường vượt quá số lượng phân tử lúc bão hòa tạo thành trạng thái quá bão hòa thì sự cân bằng bị phá vỡ. Khi phân tử đường nhiều đến một số lượng nhất định ( nồng độ đạt tới độ quá bão hòa làm xuất hiện mầm tinh thể) thì khoảng cách giữa chúng ngắn lại, sự va 6 chạm tăng lên, vận tốc giảm đi tương ứng và đạt tới mức lực hút giữa các phân tử lớn hơn lực đẩy, khi đó các phân tử đường kết hợp với nhau hình thành tinh thể đường rất nhỏ tách khỏi nước đường, từ đường ở trạng thái hòa tan thành đường ở thể rắn. Đó là các mần tinh thể đường được hình thành sớm nhất. Nếu tiếp tục duy trì mức quá bão hòa để mầm tinh thể tiếp tục xuất hiện . Phương pháp kết tinh là đưa dung dịch đến trạng thái quá bão hòa để đường saccharose kết tinh. Vậy làm thế nào để tạo ra được độ quá bão hòa của nước đường trong nồi nấu? Trong nồi nấu, nước đường hòa tan một lượng đường nhất định, khi nước bốc hơi mất một phần nước thì mỗi phần nước hòa tan được số phần đường sẽ tăng lên tương đối theo mức giảm của lượng nước, tức là nồng độ tăng, độ quá bão hòa tăng. Nếu cho thêm nguyên liệu hoặc nước vào nước đường thì nồng độ và độ qua bão hòa giảm. Do đó phải điều chỉnh lượng hơi cho vào và lượng hơi nước bốc lên để cô dặc nước đường hoặc cho thêm nước hoặc nguyên liệu làm loãng nước đường làm cho lượng nước trong nồi thay đổi, từ đó có thể khống chế độ quá bão hòa cần thiết để tiến hành các thao tác tạo mầm tinh thể, và nuôi dưỡng mầm tinh thể. 4.2 Đặc tính của đường ở các độ quá bão hòa khác nhau Trạng thái quá bão hoà của đường Saccharose có thể có thể chia thành 3 vùng với những đặc tính khác nhau: • Khi α <1 nước đường chưa bão hòa , tinh thể đường bị hòa tan trong dung dịch. • Khi α =1 nước đường vừa đủ bảo hòa, không hòa tan các tinh thể đang tồn tại, cũng không sinh ra các tinh thể mới. • Khi α = 1.1 – 1.15 giai đoạn này tương đối ổn định, do α > 1 nên vẫn có quá trình kết tinh, chỉ có khả năng kết tinh trên những mầm tinh thể đã có, không có mầm tinh thể không thể kết tinh được. • Khi α = 1.2 – 1.25 đây là vùng trung gian độ quá bão hòa đã cao nên có khả năng xuất hiện mầm tinh thể mới và vừa có khả năng kết tinh trên những mầm tinh thể đã có. Ở giai đoạn này ta có thể kích thích như khuấy, hút không khí lạnh vào, hút đường hạt vào hoặc giao động sóng âm đều có khả năng xuất hiện nhân kết tinh. Phương pháp khởi tinh được khống chế ở khu vực này. • Khi α = 1.3 – 1.4 đây là vùng biến động có độ bão hòa rất cao nên có xu hướng kết tinh càng nhanh càng tốt để giảm độ quá bão hòa xuống trạng thái bền tạo trạng thái bão hòa và chỉ xuất hiện một trạng thái kết tinh, hình thành nên rất nhiều mầm tinh thể. Nếu khống chế thao tác nấu đường trong phạm vi này sẽ sinh ra rất nhiều tinh thể. Phương pháp khởi tinh khống chế phạm vi này, 7 • Khi α > 1.4 không được sử dụng để kết tinh đường vì nồng độ dung dịch quá cao, phải gia nhiệt ở thời gian dài. Nhưng khi gia nhiệt như vậy sẽ làm cho đường bị biến màu tạo ra hệ caramen làm ảnh hưởng đến chất lượng đường. 4.3 Tốc độ kết tinh • Là lượng đường kết tinh trong 1 phút trên 1m 2 bề mặt tinh thể, đơn vị (mg/m 2 .phút) K= S F ×τ • Trong đó S: lượng đường kết tinh trong dung dịch quá bão hoà, (mg) F: bề mặt tinh thể, (m 2 ) τ: thời gian kết tinh, (phút) Bề mặt tinh thể phụ thuộc vào số lượng của chúng, nếu lượng tinh thể càng nhiều, kích thước càng nhỏ, bề mặt tinh thể càng lớn, lượng đường kết tinh nhiều. Bề mặt mỗi tinh thể phụ thuộc vào khối lượng của nó theo công thức. f =4,12× 3 √ p 2 • Trong đó • f: bề mặt một tinh thể, (cm 2 ) • p: khối lượng một tinh thể, (g) • 4,12 là hệ số thực nghiệm cho tinh thể saccarose Tốc độ kết tinh tỷ lệ thuận với nồng độ dư so với dung dịch bão hòa, hay tỷ lệ với hệ số bão hòa dư ( α - 1). Ví dụ dung dịch có nồng độ bão hòa α = 1.1, thì độ quá bão hòa dư ( α - 1) = 1.1 -1 = 0.1. Một dung dịch khác có độ bão hòa α = 1.05, thì độ bão hòa dư ( α - 1) = 0.05. Dung dịch trước kết tinh nhanh hơn hai lần so với dung dịch sau ( 0.1/ 0.05 = 2) . Như vậy khi độ quá bão hòa dư ( α - 1) tăng , tốc độ kết tinh tăng , nhưng nếu độ quá bão hòa dư tăng lên quá thì độ nhớt dung dịch sẽ tăng lên, do đó tốc độ kết tinh sẽ giảm đi. Do vậy trong quá trình sản xuất thường khống chế độ quá bão hòa ở mức độ thích hợp. 4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh - Độ quá bão hoà dư: hệ số bão hòa tăng thì tốc độ kết tinh tăng nhưng độ nhớt của dung dịch tăng và tốc độ kết tinh giảm. Trong thực tế sản xuất thường khống chế α < 1.2-1.25. 8 - Nhiệt độ - Độ tinh khiết của dung dịch: độ tinh khiết giảm thì tốc độ kết tinh giảm - Độ nhớt - Sự khuấy trộn - Kích thước tinh thể - Số lượng tinh thể trong đường non 9 Tài liệu tham khảo 1. Bài giảng công nghệ sản xuất đường bánh kẹo – giảng viên Hồ Xuân Hương – Trường ĐH Công Nghiệp TP. Hồ Chí Minh. 2. Công nghệ sản xuất đường, ĐH Công Nghiệp TP. Hồ Chí Minh, 2004 3. Công nghệ sản xuất đường và các sản phẩm từ đường, Nguyễn Đình Thức, Trường cao đẳng cộng đồng Hà Tây, 2010 4. Luyện đường non và trợ tinh, Bùi Lê Thiện, Nguyễn Mộng Hùng, Phạm Lương Tuệ, …- NXB Nông Nghiệp Hà Nội-1996. 5. http://tailieu.vn/tag/tai-lieu/k%E1%BA%BFt%20tinh%20%C4%91%C6%B0%E1%BB %9Dng.html 6. http://www.docs.vn/vi/nhiet-lanh-37/35770-cong-nghe-san-xuat-duong-mia.html 7. http://hau1.info/forum/showthread.php?t=13819 8. http://www.youtube.com/watch?v=a0GQ02KLOkI 10 . của dung dịch quá bão hòa trong kết tinh đường 4.1 Dung dịch quá bão hòa ảnh hưởng đến sự tạo mầm tinh thể Khi đường hòa tan trong nước tạo thành dung dịch. nào đó. Dung dịch bão hòa là dung dịch bền 2.3 Dung dịch quá bão hòa Là dung dịch có nồng độ chất tan lớn hơn nồng độ chất tan của dung dịch bão hòa ở cùng