2.2.1. Địa điểm nghiên cứu
- Phòng thí nghiệm Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên. - CTCP Môi trường và công trình đô thị Thái Nguyên.
2.2.2. Thời gian nghiên cứu
- Từ tháng 9/ 2013 – 9/2014.
2.3. Nội dung nghiên cứu
- Nội dung 1: Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu từ vỏ quả thuộc họ quất, quýt(Citrus).
- Nội dung 2:Nghiên cứu khả năng xử lý rác thải xốp bằng hợp chất có nguồn gốc thiên nhiên được tách triết từ tinh dầu vỏ quả quất, quýt (Citrus)
- Nội dung 3:Đề xuất quy trình xử lý rác thải xốp bằng phương pháp sinh học sử dụng tinh dầu chiết tách từ vỏ quả quất, quýt(Citrus)tại Thành phố Thái Nguyên.
2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp
Số liệu thứ cấp được thu thập dựa trên việc tìm kiếm các tài liệu có sẵn liên quan đến vấn đề nghiên cứu, kế thừa những thông tin, số liệu khoa học đã có phục vụ cho nội dung nghiên cứu của đề tài: các văn bản pháp luật liên quan đến xử lý rác thải xốp bằng biện pháp sinh học, trên sách báo, tạp chí, tài liệu trên mạng Internet...
2.4.2. Phương pháp lấy mẫu
- Mẫu vỏ quả được lấy là những vỏ không bị úa, hỏng. Các mẫu cây được đựng vào các túi riêng và ghi ký hiệu tương ứng với các loại quả.
2.4.3. Phương pháp tách chiết tinh dầu
Sử dụng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước không có nồi hơi riêng:
- Chuẩn bị thiết bị, nguyên vật liệu:
+ Thiết bị chiết xuất tinh dầu, thiết bị nghiền, máy ảnh, đồng hồ đo nhiệt độ và chai, lọ đựng tinh dầu.
+ Nguyên, nhiên vật liệu:Vỏ quất và quýt, nhiên liệu dùng ga ,điện, than.
- Thiết kế nồi chưng cất
Đề tài chọn kiểu nồi chưng cất tinh dầu thân có dạng hình trụ, chóp hình chỏm cầu, ở giữa là cửa thoát hỗn hợp hơi khí, kiểu vòi voi. Nồi chưng cất được thiết kế với những thông số kỹ thuật sau:
+ Chất liệu: Nhôm.
+ Chiều cao: 55cm trong đó thân nồi cao 41cm và chóp nồi cao 14cm. + Đường kính: 40 cm.
+ Vỉ ngăn: Để đỡ khối nguyên liệu, giữ cho nguyên liệu khỏi rơi xuống đáy nồi làm tắc ống dẫn hơi, chiều dày của vỉ nồi 1 mm, bề mặt vỉ được làm bằng 2 lớp lưới inox đan xen nhau, tạo điều kiện cho hơi nước thoát nên dễ dàng. Chiều cao vỉ ngăn so với đáy nồi là 12 cm.
ngoài Φ 30mm, ống ở giữa và dẫn chất lỏng ra Φ10mm, ống dẫn khí vào Φ20mm, ống dẫn nước làm lạnh Φ5mm có độ rộng giáp ống chính Φ20mm. đảm bảo làm giảm nhiệt độ của dịch ngưng xuống khoảng 350C. Để tiết kiệm, nước làm mát được hồi lưu.
- Trình tự chưng cất:
Mục đích của thí nghiệm nhằm thu được tinh dầu quất, quýt bằng phương pháp lôi cuốn hơi nước không có nồi hơi riêng. Thí nghiệm chiết xuất tinh dầu được tiến hành với trình tự như sau:
Bước 1 : Chuẩn bị nguyên liệu vỏ quất, quýt đã được xử lý sơ bộ. Bước 2 : Nghiền nhỏ vỏ quả.
Bước 3 : Cho hỗn hợp nước và vỏ qủa vào thiết bị chưng cất. Bước 4 : Tiến hành chưng cất và thu hỗn hợp tinh dầu. Bước 5 : Tách tinh dầu và bảo quản.
2.4.4. Phương pháp bố trí thí nghiệm
Để xác định được thời gian tối ưu khi sử dụng tinh dầu quất, quýt xử lý rác thải xốp ta tiến hành làm thí nghiệm với công thức hiệu quả nhất (10ml tinh dầu và 5g rác thải xốp).
Tổng lượng tinh dầu sử dụng cho thí nghiệm này là 50ml tinh dầu quất và 50ml tinh dầu quýt chia mỗi loại thành 5 phần, ghi lại hiệu suất xử lý tại các thời điểm khác nhau. Kết thúc các thời điểm ta vớt lượng rác xốp còn lại đem sấy khô, cân và tính được lượng rác thải xốp đã được xử lý. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.4.5. Phương pháp phân tích thí nghiệm
Phân tích các thành phần trong tinh dầu bằng phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ để xác định các thành phần hóa học trong mẫu.
2.4.6. Phương pháp bố trí thí nghiệm
Thí nghiệm 1: Xử lý xốp bằng tinh dầu đã chưng cất 1. Chuẩn bị thiết bị, nguyên vật liệu:
Thiết bị: Gồm cân điện tử, cốc đong thể tích 500ml, pipet, đồng hồ bấm giở Nguyên vật liệu: Xốp hộp cơm, tinh dầu quất, quýt
2. Thiết kế thí nghiệm
Mục đích của thí nghiệm là xác định khả năng xử lý xốp của tinh dầu và đưa ra công thức tối ưu. Thí nghiệm được thiết kế với 3 công thức và 3 lần nhắc lại.
Bảng 2.1: Thể tích tinh dầu được chọn nghiên cứu để xử lý 5g xốp. Loại tinh dầu Thể tích tinh dầu (ml)
Tinh dầu quất 5 ml (CT1) 10 ml (CT2) 15 ml (CT3) Tinh dầu quýt 5 ml (CT1) 10 ml (CT2) 15 ml (CT3)
Thí nghiệm 2: So sánh khả năng xử lý xốp của tinh dầu với acetone 1. Chuẩn bịthiết bị, nguyên vật liệu.
- Thiết bị: Gồm cân điện tử, cốc đong thể tích 500ml, pipet, đồng hồ bấm giờ.
- Nguyên vật liệu: Xốp hộp cơm, acetone. 2. Thiết kế thí nghiệm.
Mục đích của thí nghiệm là so sánh khả năng xử lý xốp ở mức tối ưu của tinh dầu quất, quýt với acetone.
Sử dụng một lượng acetone bằng với thể tích tinh dầu ở mức xử lý xốp tối ưu là 10ml để xử lý 5g xốp, thí nghiệm được tiến hành với 3 lần nhắc lại. Thời gian xử lý xốp của acetone sẽ được tổng hợp và so sánh với thời gian xử lý của tinh dầu quất, quýt.
2.4.7. Phương pháp xử lý số liệu
Các số liệu được xử lý số liệu thống kê bằng phần mềm Excel 2003, SAS 9.0.
Chương 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Chiết xuất tinh dầu từ vỏ quả thuộc họ quất, quýt (Citrus)
3.1.1. Thiết kế thiết bị chưng cất tinh dầu
Về nguyên lý làm việc: Trong thực tế sản xuất tinh dầu trên thế giới hiện đang sử dụng hai công nghệ chưng cất: Chưng cất liên tục và chưng cất gián đoạn. Thiết bị chưng cất làm việc theo nguyên lý liên tục, thường có công suất lớn, sản xuất có quy mô công nghiệp, giá thành đầu tư cao, nên chỉ được áp dụng cho những vùng nguyên liệu tập trung, sản lượng lớn. Còn để sản xuất tinh dầu từ những nguồn nguyên liệu có sản lượng vừa và nhỏ, thì người ta thường sử dụng công nghệ và thiết bị chưng cất đơn giản, nguyên lý làm việc gián đoạn, có giá thành đầu tư thấp (từ vài chục đến hàng trăm lần) so với công nghệ chưng cất liên tục. Hệ thống thiết bị chưng cất tinh dầu quy mô nhỏ của đề tài được thiết kế làm việc theo nguyên lý gián đoạn. Phương pháp chưng cất được sử dụng là phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước có vách ngăn, và không có nồi hơi riêng.
Vật liệu chế tạo:Vì tinh dầu quất, quýt, có chứa một số thành phần có tính oxi hóa mạnh nên các loại vật liệu được sử dụng để chế tạo các bộ phận trong dây chuyền thiết bị chưng cất của đề tài đều được làm bằng các loại vật liệu bền, không han rỉ: Thép không gỉ, inox, nhôm, thủy tinh… Các khớp nối, chỗ nối được làm kín bằng các zoăng teflon, là loại vật liệu chịu dầu, chịu nhiệt.
Về công suất:Do hạn chế về nguồn kinh phí cũng như trang thiết bị kỹ thuật, quy mô nghiên cứu, đề tài quyết định chọn thiết bị chưng cất với công suất 10kg vỏ nguyên liệu/mẻ.
Lòđốt:Sử dụng bếp than tổ ong 2 viên.
Nồi chưng cất:
- Đối với nồi chưng cất kiểu cũ: Nồi có đường kính là 25cm và có chiều cao là 50cm. Dung tích của nồi quá nhỏ nên lượng nguyên liệu của mỗi
mẻ chưng cất là rất ít. Để giữ kín cho phần nắp ráp giữa phần thân nồi và nắp nồi được gia cố bằng ốc vít. Không có vỉ ngăn cách với đáy nồi.
- Đối với nồi chưng cất kiểu mới: Đề tài chọn kiểu nồi chưng cất tinh dầu thân có dạng hình trụ, chóp hình chỏm cầu, ở giữa là cửa thoát hỗn hợp hơi khí, kiểu vòi voi. Nồi chưng cất được thiết kế với những thông số kỹ thuật sau:
+ Chất liệu: Nhôm.
+ Chiều cao: 55cm trong đó thân nồi cao 41cm và chóp nồi cao 14cm. + Đường kính: 40 cm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Vỉ ngăn: Để đỡ khối nguyên liệu, giữ cho nguyên liệu khỏi rơi xuống đáy nồi làm tắc ống dẫn hơi, chiều dày của vỉ nồi 1 mm, bề mặt vỉ được làm bằng 2 lớp lưới inox đan xen nhau, tạo điều kiện cho hơi nước thoát nên dễ dàng. Chiều cao vỉ ngăn so với đáy nồi là 12 cm.
Bộ phận làm lạnh: Là thuỷ tinh trung tính, không có bọt, đường kính ngoài Φ 30mm, ống ở giữa và dẫn chất lỏng ra Φ10mm, ống dẫn khí vào Φ20mm, ống dẫn nước làm lạnh Φ5mm có độ rộng giáp ống chính Φ20mm. đảm bảo làm giảm nhiệt độ của dịch ngưng xuống khoảng 350C. Để tiết kiệm, nước làm mát được hồi lưu.
3.1.2. Quy trình chưng cất tinh dầu
Công đoạn cơ bản của quá trình chưng cất tinh dầu quất, quýt:
Bước 1:Chuẩn bị nguyên liệu:
Nguyên liệu sử dụng cho quá trình chưng cất là vỏ quất từ nguồn quất cảnh tết tại các hộ dân và vỏ quýt được tách từ quả thu mua tại các chợ trên địa bàn thành phố Thái Nguyên. Một mẻ chưng cất tinh dầu cần khoảng 10kg vỏ nguyên liệu.
Bước 2: Nghiền, ngâm nguyên liệu:
+Nghiền:Tinh dầu trong thực vật thường nằm trong các mô của tế bào, vì thế nghiền nhằm mục đích để giải phóng tinh dầu ra khỏi mô để khi tiến
hành chưng cất thì tinh dầu đễ thoát ra ngoài, từ đó rút ngắn thời gian quy trình chưng cất giúp đạt hiệu quả cao. Nghiền càng nhỏ thì hiệu suất phá vỡ các mô tế bào càng cao nhưng dễ gây tắc ống dẫn hơi (tinh dầu + nước) và độ xốp bé làm ảnh hưởng đến quá trình chưng cất. Vì vậy cần nghiền nguyên liệu với kích thước phù hợp để đạt được hiệu suất cao nhất.
+Ngâm nguyên liệu: Nguyên liệu vỏ quất, quýt sau khi nghiền sẽ được ngâm vào dung dịch NaCl (10%) trong 3 giờ đồng hồ. Mục đích của công đoạn này là làm cho tinh dầu thẩm thấu đi từ túi tiết ra bên ngoài, giúp cho quá trình chưng cất tinh dầu được triệt để hơn.
Bước 3: Cho hỗn hợp nước và vỏ quất/quýt vào nồi chưng cất:
Nguyên liệu sau khi ngâm sẽ được đưa vào thiết bị chưng cất. Sao cho nguyên liệu nằm trên ở trên vỉ đỡ, ngăn cách với lớp nước bên dưới đáy nồi. Nguyên liệu chứa trong thiết bị không vượt quá 85% dung tích thiết bị để tránh hiện tượng trào bọt, không được nạp nguyên liệu chặt quá làm cho hơi khó phân phối đều trong toàn bộ khối nguyên liệu và không được quá lỏng, quá xốp sẽ làm cho hơi dễ dàng theo những chỗ rỗng đi ra mà không tiếp xúc với toàn khối nguyên liệu. Khi nạp nguyên liệu xong, phải đậy nắp nồi thật kín để tránh sự thất thoát tinh dầu trong quá trình chưng cất. Sau đó lắp đặt hệ thống làm lạnh.
Bước 4: Tiến hành chưng cất và thu hỗn hợp tinh dầu:
Khi bắt đầu chưng cất có thể cung cấp nhiệt lượng lớn để làm sôi nước chưng cất. Sau đó hạ nhiệt độ, duy trì nước ở nhiệt độ sôi vì khi ở nhiệt độ tinh dầu dễ dàng bị phân hủy. Vì vậy, cần theo dõi đồng hồ đo nhiệt độ nồi hơi và duy trì ở mức 95-1000C. Khi sôi, hơi nước bốc lên len lỏi qua lớp nguyên liệu sẽ kéo theo tinh dầu. Hỗn hợp hơi này sẽ được dẫn vào hệ thống làm lạnh bằng đường ống dẫn, tại đây chúng ta sẽ thu được hỗn hợp nước, tinh dầu vào một bình thủy tinh. Trong quá trình chưng cất, cần chú ý điều chỉnh nhiệt độ dịch ngưng sao cho nằm trong khoảng
30-400C (bằng cách điều chỉnh tốc độ nước làm lạnh) vì nếu dịch ngưng quá nóng sẽ làm tăng độ hòa tan của tinh dầu vào nước và làm bay hơi tinh dầu. Để kiểm tra quá trình chưng cất kết thúc chưa có thể dùng một tấm kính hứng một ít dịch ngưng, nếu thấy trên tấm kính còn váng dầu thì quá chưng cất chưa kết thúc.
Sau khi chưng cất xong, đóng van cung cấp nước làm lạnh, tắt lửa, để nguội từ 15 - 30 phút, mở nắp và tháo bã, sau đó dùng nước sạch vệ sinh thiết bị trước khi nạp liệu để chưng cất mẻ mới.
Bước 5: Tách tinh dầu và bảo quản:
+ Tách tinh dầu: Sau chưng cất ta sẽ thu được một hỗn hợp nước và tinh dầu. Do có tỉ trọng nhỏ hơn, tinh dầu tạo lớp phân tách rõ rệt với nước và nổi nên trên. Vì vậy có thể dùng thiết bị hút tinh dầu hoặc bình chiết để tách tình dầu một cách dễ dàng. Thông thường tinh dầu quất/quýt là chất lỏng trong suốt, có màu vàng nhạt và mùi thơm đặc trưng.
+ Bảo quản: Tinh dầu đã loại bỏ nước cần đóng trong các chai lọ có màu, tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng, không khí.
Cho vỏ quất, quýt với khối lượng 10 kg, lượng nước chưng cất 200ml vào bình cất của hệ thống chưng cất lôi cuốn hơi nước bằng thiết bị Clevenger. Mẫu được gia nhiệt bằng bếp điện, khi hỗn hợp sôi hơi nước tạo thành sẽ lôi cuốn tinh dầu đi lên và đi vào hệ thống ngưng tụ. Sau khi ngưng tụ, hỗn hợp lỏng gồm tinh dầu và nước được phân li ta sẽ được tinh dầu thô, tiếp tục làm khan tinh dầu thô bằng muối Na2SO4khan để thu hồi được tinh dầu.
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chưng cất và thời gian để héo của vỏ quất, quýt ảnh hưởng đến lượng tinh dầu thu hồi được.
Phân tích các thành phần trong tinh dầu bằng phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) trên máy HP 5890GC/5972MS, cột mao quản: RTX 5 (30,0 m x 250 mm x 0,25 mm), nhiệt độ in- jector: 250oC, tốc độ dòng: 3 ml/phút.
Hình 3.1. Quy trình chưng cất tinh dầu
Nguyên liệu vỏ quả
Xay nhỏ
Ngâm trong dung dịch NaCl 10% trong 3 giờ
Chưng cất lôi cuốn hơi nước trong 3 giờ
Ngưng tụ
Phân ly
Thu được tinh dầu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.1.3. Kết quả khảo nghiệm
3.1.3.1. Kết quả chưng cất tinh dầu quất, quýt
Bảng 3.1. Xác định thể tích (ml) lượng tinh dầu thu hồi trong quá trình chưng cất vỏ quả quất, quýt
Thời gian chưng cất tinh dầu Kiểu nồi chưng cất cũ
Kiểu nồi chưng cất mới chưa có đồng hồ đo nhiệt
Kiểu nồi chưng cất mới có đồng hồ đo nhiệt Tinh dầu quất Tinh dầu quýt Tinh dầu quất Tinh dầu quýt Tinh dầu quất Tinh dầu quýt 20 phút 6 7 - - - - 40 phút 9 13 30 45 60 92 60 phút 14 19 50 72 85 105 80 phút 16 26 65 90 99 135 100 phút 20 31 82 111 115 151 120 phút 23 33 98 132 132 190 140 phút 25 34 110 155 140 210 160 phút 115 170 149 212 180 phút 116 178 150 214 Tổng lượng tinh dầu 25 34 116 178 150 214
(Nguồn: Kết quả thí nghiệm 2014) Nhận xét: Qua bảng số liệu trên ta thấy:
- Đối với kiểu nồi chưng cất cũ: thực hiện với các lần nhắc lại thì thời gian cần thiết để làm sôi lượng nước trung bình đạt 19 – 210C. Thời gian cất
kiệt tinh dầu là 120 phút, lượng tinh dầu thu được rất thấp lượng tinh dầu từ vỏ quất thu được là 25 ml, tinh dầu quýt thu được là 34 ml và có mùi khét do phần nguyên liệu dính ở đáy nồi bị cháy.
- Đối với kiểu nồi mới chưa có đồng hồ đo nhiệt độ: Do không có đồng