2. Quy trình cơng nghệ sản xuất Vodka
2.6. Chưng cất và tinh chế
2.6.1. Cơ sở khoa học
Chưng cất là quá trình phân riêng hổn hợp các chất lỏng cĩ khả năng bay hơi khác nhau. Sự khác nhau về khả năng bay hơi thể hiện qua sự chêch lệch nhiệt độ sơi. Chưng cất rượu là quá trình tách rượu và các tạp chất dễ bay hơi ra khỏi giấm chin . Kết quả thu được là cồn thơ hoặc rượu thơ.
Tinh chế hay tinh luyện là quá trình tách các tạp chất ra khỏi cồn thơ và nâng cao nồng độ cồn. Sản phẩm thu được là cồn tinh chế cĩ nồng độ 95,6- 96,5% V.
2.6.2. Mục đích cơng nghệ
Chủ yếu khai thác để tách và nâng cao nồng độ của một cấu tử nào đĩ trong hỗn hợp. Dịch sau khi lên men cĩ nồng độ etanol tương đối thấp khơng vượt quá 20%, do đĩ để thu hồi ethanol cĩ nồng độ cao ta thực hiên quá trình chưng cất.
2.6.3. Phương pháp thực hiện
Muốn tách cồn thơ ra khỏi giấm chin và sau đĩ để nhận được cồn cĩ chất lượng cao người ta cĩ thể thực hiện theo nhiều phương pháp gián đoạn, bán liên tục hay liên tục.
Giấm chín được bơm vào thùng chưng cất 1, sau đĩ mở hơi đun cho tới sơi. Hơi rượu bay lên theo chiều cao tháp 2 được nâng cao nồng độ ra khỏi tháp vào thiết bị ngưng tụ và làm lạnh 3 rồi vào thùng chứa.
Ưu điểm:
- Đơn giản
- Thao tác dễ
Nhược điểm
- Thời gian cất mất 6-8g nên thùng chứa lớn
- Tốn vật liệu chế tạo mà năng suất thấp
- Nồng độ cồn khơng ổn định
Dấm
Hơi rượuBã Cồn
thô
Chưng luyện gián đoạn
Tinh chế cồn : đối với cồn thơ nhận được sau chưng cất, nếu đem tinh chế gián đoạn thì cần phải xử lí hĩa chất.
Giai đoạn 1: xử lý bằng hĩa chất:
- NaOH (khử acid dùng để tạo muối khơng bay hơi)
• RCOOC2H5 + NaOH → RCOONa + C2H5OH
• R1COOH + NaOH → R1COONa + H2O
- KMnO4 và NaOH cĩ tác dụng khử aldehyd.
- 2KMnO4 + 3CH3CHO + NaOH → 2CH3COOK + CH3COONa + 2MnO2 + H2O.
- Cần tính tốn lượng hĩa chất đưa vào vừa đủ khơng dư vì dư thì cồn cũng sẽ bị oxy hĩa theo tạo thành acid và gây tổn thất.
- Pha lỗng cồn thơ tới nồng độ khoảng 50% theo thể tích.
- Dùng dung dịch KMnO4 2% cho vào cồn thơ và khuấy đều cho tới khi xuất hiện màu hồng đậm.
Giai đoạn 2: Tinh chế
- Dùng hơi trực tiếp và gián tiếp đun tới t0 = 80 – 900C → để phản ứng xảy ra 1 – 2 giờ, đồng thời mở nhỏ nước đủ ngưng tụ phần hơi rượu bay lên.
- Sau đĩ mở van hơi gián tiếp đun tới sơi để hơi rượu bay lên đi tới bộ phận ngưng tụ. Kết quả đạt khoảng như sau:
• 3 – 5% cồn dầu: nhiều tạp chất
• 6 – 12% tiếp theo : nhiều tạp chất đầu
• 60 – 80% tiếp theo: sản phẩm chính
• 6 – 12% tiếp theo : loại 2
• 3 – 5%: rượu fusel (1030C)
• Chưng luyện bán liên tục
Lên men xong giấm chín được bơm vào thùng chứa 1. Vì làm việc gián đoạn nên phải bố trí hai thùng chứa song song nhưng làm việc so le để ổn định phần nào nồng độ cồn thơ trước khi vào tháp tinh. Thùng cất thơ được đun trực tiếp bằng hơi cĩ áp suất 0.8-1 kg/cm2. Hơi rượu bay lên được ngưng tụ ở 2 rồi vào thùng chứa 3,tiếp đĩ được liên tục đưa vào tháp tinh chế 4. ở 4 cũng được đun bằng hơi trực tiếp,từ đĩa tiếp liệu xuống đáy nồng độ cồn giảm dần đến đáy tháp cịn 0.015-0.03% rồi ra ngồi. Nhiệt độ đáy tháp phải 103-1050C. hơi rượu bay lên được tăng dần nồng độ, phần lớn được ngưng tụ ở 5 rồi hồi lưu về tháp.Một phần nhỏ chưa kịp ngưng cịn chứa nhiều tạp chất được đưa sang ngưng tụ tiếp ở 6 và lấy ra ở dạng cồn đầu. Cồn sản phẩm được lấy ra ở dạng lỏng được làm lạnh ở 7 rồi vào thùng chứa và vào kho.
Sơ đồ chưng luyện bán liên tục Ngưng tụ Tạm chứa Thùng cất thô Thùng cất thô Giấm Hơi Bã rượu Ngưng tụ Nước Làm lạnh Hơi Nước thải Dầu fusel Cồn sản phẩm Làm lạnh Cồn đầu Ngưng tụ Tháp tinh chế
• Chưng luyện liên tục: Cĩ rất nhiều dạng
- 2 tháp gián tiếp – 1 dịng
- 3 tháp gián tiếp
- 3 tháp + 1 tháp fusel bằng 4 tháp Sau đây giới thiệu hệ thống ba tháp gián tiếp:
Cồn đầu
Sơ đồ chưng luyện liên tục 3 tháp
Ngưng tụ Cao vị Hơi Bã rượu Tháp cất thô Hơi Cồn sản phẩm Tháp aldehyd Làm lạnh Hâm giấm Tách khí Giấm chín Nước thải Dầu fusel Đến tháp làm sạch Về tháp aldehyd Tháp tinh chế
Thuyết minh sơ đồ:
- Giấm chín được bơm lên bồn cao vị 1, sau đĩ tự chảy vào bình hâm giấm 2. Ở đây giấm chin được hâm trực tiếp bằng hơi rượu ngưng tụ đến nhiệt độ 70-800C rồi chảy qua bình tách CO2 số 3 rồi vào tháp 4.
- Khí CO2 và hơi rượu bay lên được ngưng tụ ở 6 qua 7 rồi ra ngồi. Tháp thơ được đun nĩng bằng hơi trực tiếp,hơi rượu đi từ dưới lên, giấm chảy từ trên xuống nhờ đĩ quá trình truyền khối được thực hiện,sau đĩ hơi rượu được ra khỏi tháp và được ngưng tụ ở 2 rồi 6 qua 7 và đi ra ngồi.
- Chảy xuống tới đáy nồng độ rượu trong cồn trong giấm cịn khoảng 0.015-0.03% V được thải ra ngồi gọi là bã rượu. Muốn kiểm tra rượu sĩt trong bã ta phải ngưng tụ ở dạng hơi cân bằng với pha lỏng. Hơi ngưng tụ cĩ nồng độ 0.4-0.6% là đạt yêu cầu. Nhiệt độ đáy 103-1050C.
- Phần lớn rượu thơ (90-95%) liên tục đi vào tháp aldehyt số 8. Tháp này cũng dung hơi trực tiếp, hơi rượu bay lên được ngưng tụ và hồi lưu đến 95%, chỉ điều chỉnh lượng nước làm lạnh và lấy ra khoảng 3-5%n gọi là cồn đầu. Một phần rượu thơ (5-10%) ở 6 hồi lưu về đỉnh tháp aldehyt vì chứa nhiều tạp chất.
- Sau khi tách bớt tạp chất, rượu thơ từ đáy tháp aldehyt số 8 liên tục đi vào tháp tinh 11 với nồng độ 35-45%V . Tháp tinh chế cũng được cấp nhiệt bằng hơi trực tiếp, hơi bay lên được nâng dần nồng độ sau đĩ ngưng tụ ở 12 rồi hồi lưu về tháp. Bằng cách điều chỉnh lượng nước làm lạnh ta lấy ra 1.5-2% cồn đầu rồi cho hồi lưu về đỉnh 8. Cồn sản phẩm dược lấy ra dạng lỏng,làm lạnh và cho vào bình chứa.
• Các biến đổi xảy ra trong quá trình chưng cất
Các biến đổi chính trong quá trình chưng cất chủ yếu là sự thay đổi về pha diển ra trong suốt quá trình chưng cất. Kèm theo sự thay đổi về pha, sự thay đổi về thành phần
hĩa học trong hai hai pha diễn ra liên tục trong pha lỏng càng lúc càng nhiều cấu tử khĩ bay hơi là nước , trong pha khí càng lúc càng nhiều cấu tử dễ bay hơi là rượu. sự thay đổi về thành phần hĩa học thường dẫn đến sự thay đổi về các tính chất hĩa lí khác như tỷ trọng, độ nhớt …Ngồi ra, trong dịch dấm chin cịn xảy ra nhiều phản ứng hĩa học khác nhau như phản ứng oxy hĩa các aldehude, phản ứng Maillard giữa đường khử sĩt và acid amin, phản ứng ester hĩa giữa rượu và acid, phản ứng phân hủy đường.
2.7. Phối trộn
2.7.1. Mục đích
Phối trộn cồn tinh luyện với nước và các nguyên liệu phụ khác để đạt được nồng độ yêu cầu. Tùy theo tỷ lệ các thành phần phối trộn mà chất lượng Vodka thành phẩm sẽ thay đổi theo. Hai thành phần chính chiếm hàm lượng cao nhất trong quá trình phối trộn là ethanol và nước.
2.7.2. Những biến đổi xảy ra trong quá trình phối trộn
Khi phối trộn ethanol với nước sẽ xảy ra hai hiện tượng vật lý quan trọng là tỏa nhiệt và giảm thể tích. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm của Fertman (1968) cho thấy nhiệt lượng tỏa nhiều nhất khi nồng độ cồn trong hỗn hợp sau phối trộn là 30%m/m – tương đương với 36,25%v/v. Nếu nồng độ cao hơn hoặc thấp hơn thì nhiệt lượng tỏa ra sẽ giảm đi.
Chúng ta cần lưu ý đến vấn đề này vì khi nhiệt độ tăng quá cao trong quá trình phối trộn sẽ làm tăng độ tổn thất rượu. Đối với hiện tượng giảm thể tích, các số liệu thực nghiệm cho thấy với nồng độ cồn trong hỗn hợp sau khi phối trộn là 46%m/m-tương đương với 53,3%v/v- thì sự giảm thể tích phối trộn với nước là cao nhất. Nếu ta tăng hoặc giảm độ cồn thì mức độ giảm thể tích của hỗn hợp sau khi phối trộn sẽ giảm đi.
Chúng ta cần lưu ý đến vấn đề này khi tính tốn thể tích các thành phần nguyên liệu sử dụng để cĩ đươc thể tích sản phẩm theo đúng yêu cầu. Hiện tượng tỏa nhiệt và giảm thể tích khi phối trộn cồn với nước chứng tỏ cĩ sự tương tác giữa các phân tử cồn và nước. Tuy nhiên, cồn và nước trong hỗn hợp sau khi phối trộn vẫn khơng bị mất đi những tính chất ban đầu của chúng và ta cĩ thể tách chúng một cách dễ dàng bằng phương pháp chưng cất. Theo Mendeleev D.I thì sự tương tác giữa ethanol và nước sẽ tạo ra những “phức chất hydarat” khơng bền. Mức độ tương tác sẽ phụ thuộc vào nồng độ cồn trong dung dịch, áp suất và nhiệt độ.
2.7.3. Phương pháp thực hiện
Trước khi thực hiện quá trình phối trộn chúng ta cần chuẩn bị từng thành phần nguyên liệu theo một quy trình riêng. Đối với cồn tinh luyện và nước là hai thành phần chính của sản phẩm, chúng ta chỉ cần xác định chính xác thể tích sử dụng của mỗi thành phần. Quá trình phối trộn được bắt đầu từ hai nguyên liệu chính là cồn tinh luyện và nước. Sau đĩ, người ta mới bổ sung vào hỗn hợp syrup và các dung dịch nguyên liệu
phụ khác. Sự phối trộn cồn tinh luyện với nước cĩ thể thực hiện theo phương pháp gián đoạn hoặc liên tục.
• Phương pháp gián đoạn:
- Thiết bị cĩ dạng hình trụ đứng và được làm bằng thép khơng gỉ. Tỷ lệ giữa đường kính và chiều cao của thiết bị xấp xỉ 1,0-1,2.
- Quy trình phối trộn như sau:
Đầu tiên người ta sẽ cho Cồn tinh luyện vào thiết bị theo cửa (3). Cho cánh khuấy hoạt động, tốc độ tối đa là 500 vịng/phút rồi cho nước vào thiết bị theo cửa (2).
Sau đĩ, cho lần lượt các dung dịch chứa nguyên liệu phụ vào thiết bị. Do thể tích các dung dịch này nhỏ hơn rất nhiều so với cồn tinh luyện và nước, người ta cĩ thể sử dụng cửa (3) đề bổ sung chúng vào thiết bị.
Bên cạnh việc sử dụng cánh khuấy, chúng ta cĩ thể thực hiện bơm hồi lưu hỗn hợp qua hai cửa (10) và (8) để hỗn hợp đạt đến độ đồng nhất cao. Trước khi quá trình phối trộn kết thúc, cơng nhân sản xuất sẽ lấy mẫu để kiểm tra lại độ cồn trong hỗn hợp.
Sau khi đã tiến hành kiểm tra độ cồn hỗn hợp trong thiết bị phối trộn, nếu giá trị nằm trong khoảng cho phép thì quá trình phối trộn được xem là kết thúc. Trong trường hợp ngược lại, chúng ta cần bổ sung thêm nước hoặc cồn để hiệu chỉnh. Thơng thường tổng thời gian cho một mẻ phối trộn trong phương pháp gián đoạn tại nhà máy kéo dài khơng quá 2h.
• Phương pháp liên tục:
Ở những nhà máy sản xuất Vodka với năng suất lớn, người ta sử dụng thiết bị hoạt động theo phương pháp liên tục để phối trộn cồn với nước.
Thiết bị cĩ cấu tạo rất đơn giản. Cồn tinh luyện sẽ được nạp thiết bị theo cửa (4), cịn nước sẽ được đưa vào theo cửa (3). Người ta sử dụng bơm ly tâm để bơm liên tục cồn tinh luyện và nước vào bên trong thiết bị. Hỗn hợp sẽ đảo trộn bổ sung tại vùng (2) giữa hai tấm chắn dạng lưới (1) rồi thốt ra ngồi thiết bị theo cửa (5).
2.8. Quá trình lọc
2.8.1. Mục đích
Trong quá trình phối trộn cồn tinh luyện với nước và các nguyên liệu phụ, hỗn hợp cĩ thể bị lẫn một ít tạp chất dạng lơ lửng. Chúng ta sẽ sử dụng phương pháp lọc để tách bỏ chúng.
2.8.2. Biến đổi của nguyên liệu
Sau khi lọc dung dịch trong suốt hầu như khơng thay đổi về thành phần hĩa học và các thành phần khác, tuy nhiên cĩ thay đổi về trạng thái, màu sắc, chất lượng tăng do tách hết tạp chất và loại được một số vi sinh vật khơng cĩ lợi theo cặn.
2.8.3. Phương pháp thực hiện
Phổ biến nhất trong cơng nghệ sản xuất rượu Vodka là thiết bị lọc sử dụng vật liệu gồm cát và sỏi hoạt động theo nguyên tắc một dịng hoặc hai dịng.
• Thiết bị lọc hoạt động theo nguyên tắc một dịng:
Hỗn hợp sẽ được đưa vào thiết bị tại phía đỉnh và sản phẩm sẽ được tháo ra liên tục tại cửa đáy. Áp suất trong quá trình lọc giao động trong khoảng 0,02 0,06 MPa.
Tốc độ chảy của hỗn hợp trong thiết bị từ 2 6m/giờ. Sau một khoảng thời gian sử dụng (thường là 200 300 giờ), vật liệu sẽ bị tắc nghẽn và làm giảm đáng kể tốc độ lọc. Khi đĩ, người ta sẽ bơm nước sạch vào thiết bị theo hướng từ dưới lên trên để rửa trơi các cặn bẩn.
• Thiết bị hoạt động theo nguyên tắc hai dịng
Người ta nạp nguyên liệu vào thiết bị hai dịng, một dịng thơng qua hệ thống (1) và chảy từ trên xuống và một dịng khác qua hệ thống (3) chảy từ dưới lên.
Sản phẩm được tháo ra ngồi nhờ thiết bị hệ thống (2). Sau khoảng 5.000 ÷ 6.000 giờ làm việc, người ta cần tiến hành vệ sinh vật liệu lọc. Năng suất hoạt động của thiết bị lọc hai dịng thường là 2.000 ÷ 2.500 lít/giờ.
2.9. Xử lý bằng than hoạt tính
Quá trình xử lý bằng than hoạt tính giúp cho Vodka thành phẩm cĩ độ trong suốt. Khi nĩi đến Vodka, người ta thường nghĩ ngay đến độ trong của sản phẩm. Đây là một trong những chỉ tiêu cảm quan quan trọng hàng đầu của Vodka.
Ngồi ra, các nhà sản xuất cịn cho rằng quá trình xử lý bằng than hoạt tính cũng gĩp phần cải thiện mùi và vị của sản phẩm. Tại CHLB Nga, các nhà sản xuất chỉ sử dụng than hoạt tính cĩ nguồn gốc từ bạch dương hoặc dẻ trong cơng nghiệp Vodka. Gỗ bạch dương hoặc dẻ đầu tiên được xử lý carbon hĩa trong thiết bị khơng cĩ khơng khí, sản phẩm tạo thành sẽ được xử lý tiếp bằng hơi quá nhiệt.
Khi đĩ than sẽ được hoạt hĩa. Các tạp chất vơ cơ trong than sẽ được loại bỏ và những mao quản trong than sẽ được bão hịa bởi oxy khơng khí. Kích thước hạt sẽ giao động từ 1,0 ÷ 3,5 µm. Một lít than hoạt tính loại sử dụng trong sản xuất Vodka nặng xấp xỉ 260g. Ngồi chức năng hấp phụ một số tạp chất ảnh hưởng xấu đến mùi vị của sản phẩm, các nhà nghiên cứu cịn cho rằng than hoạt tính cĩ khả năng xúc tác phản ứng chuyển hĩa ethanol và một số tạp chất khác cĩ trong rượu tạo thành các acid hữu cơ. Những acid này sẽ tác dụng với rượu tạo nên một số ester và ảnh hưởng tốt đến hương vị của Vodka (Fertman, 1968)
2.9.2. Phương pháp thực hiện
Trong sản xuất Vodka, cĩ hai phương pháp xử lý Vodka bằng than hoạt tính.
• Phương pháp thứ nhất
Bổ sung than hoạt tính vào thiết bị đã chứa sẵn hỗn hợp cồn, nước và nguyên liệu phụ. Tiến hành khuấy trộn hỗn hợp trong một khoảng thời gian nhất định, sau đĩ sử dụng thiết bị lọc khung bản để tách than. Do các hạt than hoạt tính cĩ kích thước nhỏ nên người ta thường sử dụng thêm bột trợ lọc để đảm bảo thu được dịch lọc trong suốt.
• Phương pháp thứ hai
Bơm hỗn hợp cồn, nước và nguyên liệu phụ qua thiết bị dạng cột cĩ chứa than hoạt tính bên trong. Cần tính tốn và chọn lưu lượng dịng qua cột cho phù hợp để hỗn