b. Nhận xét về nội dung của luận văn tốt nghiệp
3.2.6 Công đoạn chƣng luyện và tinh chế
Chƣng luyện chia làm hai công đoạn nhỏ là chƣng cất và tinh chế:
Chƣng cất: Là quá trình tách rƣợu và tạp chất dễ bay hơi ra khỏi giấm chín và cuối cùng nhận đƣợc rƣợu thô hoặc cồn thô.
Tinh chế: Là quá trình tách các tạp chất ra khỏi cồn thô và nâng cao nồng độ cồn và cuối cùng sản phẩm thu đƣợc gọi là cồn tinh chế hay cồn thực phẩm có nồng độ trong khoảng 59,5÷96,5%V.
Xét về cảm quan, cồn sau tinh luyện phải trong suốt, không có màu, có mùi đặc trƣng cho từng loại nguyên liệu, không có mùi vị lạ. Các phƣơng pháp chƣng luyện:
SVTH: Trần Trọng Nguyên 22
3.2.6.1 Chưng luyện gián đoạn
Ƣu điểm: Đơn giản, dễ thao tác. Tốn ít thiết bị.
Nhƣợc điểm: Hiệu suất thu hồi rƣợu thấp do xót nhiều lại trong bã .Tốn hơi do giấm chín đƣa vào không đƣợc đun nóng bằng nhiệt ngƣng tụ của cồn thô.Thời gian chƣng kéo dài.
3.2.6.2 Phương pháp chưng luyện bán liên tục
Phƣơng pháp này khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của phƣơng pháp chƣng cất và tinh chế gián đoạn nhƣng chƣa triệt để và hiệu quả kinh tế của hệ thống chƣa cao.
3.2.6.3 Phương pháp chưng luyện liên tục
Chƣng cất liên tục khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm của chƣng cất gián đoạn và hiệu quả kinh tế cao hơn. Chƣng luyện liên tục có thể thực hiện theo nhiều sơ đồ khác nhau: 2 tháp, 3 tháp, 4 tháp… Trên các sơ đồ lại chia thành chƣng luyện theo hệ thống một dòng (gián tiếp) hoặc hai dòng (vừa gián tiếp vừa trực tiếp):
Hệ thống hai tháp gián tiếp 1 dòng:
Hệ thống này tuy có tiên tiến hơn hệ thống chƣng luyện gián đoạn và bán liên tục nhƣng chất lƣợng cồn chƣa cao, muốn thu cồn tốt phải lấy tăng lƣợng cồn đầu.
Hệ thống ba tháp:
Hệ thống cho phép nhận 70÷80% cồn loại I, 30÷20 % cồn loại II, 3÷5% cồn đầu. Với sơ đồ ba tháp gián tiếp một dòng có ƣu điểm là dễ thao tác, chất lƣợng cồn tốt và ổn định, nhƣng tốn hơi. Còn với sơ đồ ba tháp vừa gián tiếp vừa trực tiếp hai dòng có ƣu điểm là tiết kiệm đƣợc hơi nhƣng đòi hỏi tự động hóa tốt và chính xác.
Sơ đồ chưng luyện 3 tháp và một tháp fusel:
Hệ thống này khác với các hệ thống khác là dầu fusel đƣợc lấy ra nhiều hơn rồi đƣa vào tháp riêng gọi là tháp fusel.Tinh luyện theo phƣơng pháp này có ƣu điểm tách dầu fusel triệt để nhƣng có nhƣợc điểm là tổn thất rƣợu etylic trong dầu.
Sơ đồ chưng luyện bốn tháp (thêm một tháp làm sạch):
Cồn thu đƣợc sau khi qua 3 tháp đầu không làm lạnh mà đƣợc đƣa vào tháp làm sạch để tách tạp chất đầu và tạp chất cuối. Do vậy chất lƣợng cồn đƣợc nâng
Chương 3. Dây chuyền công nghệ
SVTH: Trần Trọng Nguyên 23 cao. Ngoài ra ở một số nƣớc, ngƣời ta thiết kế hệ thống chƣng luyện gồm 5 hoặc 6 tháp. Hệ thống có ƣu điểm là tách đƣợc nhiều tạp chất và nhận đƣợc cồn có chất lƣợng cao và ổn định hơn nhƣng gây nhiều tốn kém.
3.2.6.4. Chọn phương pháp chưng luyện
Nhờ sự phát triển khoa học kỹ thuật và qua thực tiễn ngƣời ta nhận thấy rằng: trong sản suất cồn từ nguyên liệu tinh bột, hệ thống chƣng luyện ba tháp cho phép nhận cồn có chất lƣợng cao. Để ổn định chất lƣợng chỉ cần thêm 1 tháp làm sạch khi phải sử dụng nguyên liệu chất lƣợng không tốt. Vì vậy trong đồ án em chọn hệ thống chƣng cất 3 tháp làm việc gián tiếp một dòng. [1, 186]
Hình 3.6: Sơ đồ chƣng cất ba tháp gián tiếp một dòng.
1.Thùng chứa giấm; 2. Bình hâm giấm; 3. Bình tách CO2; 4. Tháp thô; 5. Bình chống phụt giấm; 6. Bình ngưng tụ cồn thô; 7. Bình làm lạnh ruột gà;
8. Tháp aldehyt; 9,10. Bình ngưng tụ; 11. Tháp tinh chế; 12. Bình ngưng tụ hồi lưu; 13. Bình làm lạnh sản phẩm.
Giấm chín đƣợc bơm vào thùng cao vị (1), sau đó tự chảy vào bình hâm (2). Ở đây giấm chín đƣợc hâm bằng hơi rƣợu ngƣng tụ đến nhiệt độ 70÷800C rồi qua bình tách CO2 (3) vào tháp (4). Khí CO2 và hơi rƣợu bay lên đƣợc ở bình ngƣng (6) qua bình làm lạnh (7) rồi ra ngoài. Tháp thô (4) đƣợc đun bằng hơi trực tiếp, hơi rƣợu đi từ dƣới lên, giấm chảy từ trên xuống nhờ đó quá trình truyền khối đƣợc thực hiện, sau đó hơi rƣợu ra khỏi tháp qua (2) đƣợc ngƣng tụ ở (6) qua (7) ra ngoài.
1 2
SVTH: Trần Trọng Nguyên 24 Chảy xuống tới đáy nồng độ rƣợu trong giấm còn khoảng 0,015÷0,030% V đƣợc thải ra ngoài gọi là bã rƣợu. Phần lớn rƣợu thô (90÷95%) liên tục đi vào tháp aldehyt (8) dùng hơi trực tiếp. Hơi rƣợu bay lên đƣợc ngƣng tụ và hồi lƣu đến 95%, chỉ điều chỉnh lƣợng nƣớc làm lạnh và lấy ra khoảng 3÷5% gọi là cồn đầu, một phần rƣợu thô (5÷6 %) ở (6) đƣợc hồi lƣu và tháp aldehyt. Sau khi tách bớt tạp chất, rƣợu thô từ đáy tháp aldehyt liên tục đi vào tháp tinh (11) với nồng độ 35÷45% V.
Tháp tinh chế (11) cũng đƣợc cấp nhiệt bằng hơi trực tiếp (có thể gián tiếp), hơi bay lên đƣợc nâng dần nồng độ sau đó ngƣng tụ ở bình ngƣng (12) rồi hồi lƣu lại tháp. Bằng cách điều chỉnh lƣợng nƣớc ta lấy ra 1,5÷2 % cồn đầu rồi cho hồi lƣu về đỉnh (8). Cồn sản phẩm đƣợc lấy ra ở dạng lỏng cách đĩa hồi lƣu 3÷6 đĩa và làm lạnh ở bình làm lạnh (13).
Nếu sơ đồ trên có lấy một phần hơi rƣợu thô ở đỉnh (4) (theo đƣờng nét đứt) để cấp nhiệt cho đáy tháp tinh (11) thì sẽ biến thành sơ đồ liên tục ba tháp vừa gián tiếp vừa trực tiếp hai dòng. Sơ đồ gián tiếp một dòng có ƣu điểm là dễ thao tác, chất lƣợng cồn tốt và ổn định nhƣng tốn hơi. Còn sơ đồ vừa gián tiếp vừa trực tiếp hai dòng tiết kiệm đƣợc hơi nhƣng đòi hỏi sự tự động hoá tốt và chính xác.
Bảng 3.1: Thông số cần đảm bảo ở các tháp. [1, 187]
Tháp thô Tháp aldehyt Tháp tinh
Đỉnh tháp 93÷970 C 78÷790 C 78,3÷78,50 C
Chương 4. Cân bằng vật chất
SVTH: Trần Trọng Nguyên 25
CHƢƠNG 4. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
4.1 Tính hiệu suất lý thuyết
C6H10O5 + nH2O n C6H12O6 (4.1) 162 180
C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 (4.2)
180 92 88
Từ phƣơng trình (4.2), ta có:
Cứ 180 kg glucozơ tạo ra 92 kg cồn khan. Vậy 100 kg glucozơ tạo ra 100 x 92 = 51,111
180 kg cồn khan.
Mặt khác, theo phƣơng trình (4.1) ta xác định đƣợc hệ số chuyển tinh bột thành đƣờng là: k = 180 1,111
162
Vậy từ 100 kg tinh bột sẽ tạo ra: 51,111 x 1,111 = 56,784 kg cồn khan. Tƣơng đƣơng:56,784
0,789 71,969 lít cồn khan (0,789 khối lƣợng riêng của cồn ở 200C).
4.2 Tính hiệu suất thực tế
Hiệu suất thực tế luôn nhỏ hơn hiệu suất lý thuyết vì có tổn thất trong các công đoạn sản xuất. Các dạng tổn thất trong quá trình sản xuất:
Tổn thất do nghiền, vận chuyển nội bộ: 0,2%÷0,3%. Tổn thất do nấu, đƣờng hóa và lên men giấm: 6%÷12%.
Tổn thất không xác định, đổ ra ngoài, đọng lại thiết bị, đƣờng ống: 1%÷2%. Tổn thất do chƣng cất, do bay hơi, cồn còn trong bã rƣợu, nƣớc thải: 5%÷10%.
SVTH: Trần Trọng Nguyên 26 Bảng 4.1: Tổn thất nguyên liệu trong các công đoạn sản xuất
Tổn thất do nghiền, vận chuyển nội bộ 0,2%
Tổn thất do nấu 0,8% Tổn thất do đường hóa 2 % Tổn thất do lên men 6 % Tổn thất do chưng cất 5% Tổn thất không xác định 1 % Tổng tổn thất 15 %
Do vậy hiệu suất thu hồi rƣợu thực tế là 100 – 15 = 85%. Có nghĩa là trong sản xuất cứ 100 kg tinh bột thu đƣợc:
71,969 x 85
100 = 61,173 lít cồn khan.
4.3 Tính cân bằng cho nguyên liệu
Lƣợng tinh bột cần thiết để sản xuất ra 2000 lít rƣợu khan: Cứ 100 kg tinh bột tạo ra 61,173 lít rƣợu khan.
Vậy mTB kg tinh bột tạo ra 2000 lít rƣợu khan. m 2000 x 100 = 3269,416kg
61,173
TB
Hàm lƣợng tinh bột trong gạo tấm dùng để sản xuất rƣợu là: 77,38% (Bảng 2.2). Từ đó ta tính đƣợc lƣợng gạo tấn dùng để sản xuất 2000 lít rƣợu khan:
m gạo tấm = 3269, 416 100 77,38
x
= 4225,143 kg.
Độ ẩm của gạo tấm là 11,8 % (Bảng 2.2). Vậy lƣợng nƣớc có trong gạo tấm:
mnƣớc = 4225,143 11,8
100
= 498,566 kg.
Chương 4. Cân bằng vật chất
SVTH: Trần Trọng Nguyên 27 mchất khô = 4225,143 – 498,566 = 3726,577 kg.
Lƣợng chất khô không phải tinh bột có trong lƣợng gạo tấm trên là: ,
ck
m = 3726,577 – 3269,416 = 457,161kg chiếm 12,3 % tổng lƣợng chất khô.
4.4 Tính cân bằng sản phẩm cho công đoạn nấu và công đoạn đƣờng hóa hóa
4.4.1 Tính lƣợng dịch cháo sau khi nấu
Ta giả sử rằng lƣợng nƣớc đƣa vào nồi nấu gấp 4 lần lƣợng bột tấm: mnƣớc nấu = 4× mbột tấm = 4 x 4225,143 = 16900,572 kg.
Do vậy tổng lƣợng dịch bột trong nồi là:
mdịch bột = mnƣớc + mbột tấm = 16900,572 + 4225,143 = 21125,715 kg.
Trong quá trình nấu, khi nhiệt độ tăng từ nhiệt độ dịch bột lên nhiệt độ 1000C thì sẽ có một lƣợng nƣớc ngƣng hòa vào dịch bột và đƣợc tính nhƣ sau: mnƣớc ngƣng = (mdịch bột x C x (t2-t1)) / i (4.3)
Trong đó, C: nhiệt dung riêng của dịch bột (lấy bằng 0,9 kcal/kgđộ)
i: nhiệt hàm hơi của nƣớc ở 1000
C ( 560 kcal/kg) t2: nhiệt độ sôi của dịch bột (1000
C) t1: nhiệt độ ban đầu của dịch bột (400
C)
Thay các giá trị vào công thức (4.3) ta đƣợc: mnƣớc ngƣng = 2037,123 kg. Lƣợng dịch cháo sau khi nấu là:
mdịch cháo = m dịch bột + mnƣớc ngƣng = 23162,838 kg.
Với tỷ trọng thực tế của dịch cháo thƣờng lấy là d 1,055 (kg/l), nên thể tích dịch cháo là:
Vdịch cháo 23162,838= 21955,297
SVTH: Trần Trọng Nguyên 28
4.4.2 Tính lƣợng dịch đƣờng hóa (lƣợng chất khô hòa tan)
Sau khi nấu lƣợng tinh bột bị hao hụt đi do có tổn thất, bao gồm: Tổn thất do nghiền, vận chuyển nội bộ: 0,2 %.
Tổn thất do công đoạn nấu: 0,8 % . Vậy lƣợng tinh bột mất mát sau nấu là:
m tổn thất = 3269, 416 0, 2 0,8
32, 694 100
kg
Lƣợng tinh bột hòa tan sau khi nấu là: mtbt =3269,416 – 32,694 = 3236,722 kg
Giả sử sau khi nấu và đƣờng hóa có khoảng 60 % tinh bột đã hòa tan chuyển hóa thành đƣờng glucoza, với hệ số chuyển hóa từ tinh bột thành glucoza là k = 1,111. Và 40 % chuyển hóa thành dextrin, với hệ số chuyển hóa từ tinh bột thành dextrin là k’ = 1,0526. Lƣợng glucoza tạo thành là: mglucoza = mtbt× 60 100k = 3236,722× 60 1,111 100 = 2157,599 kg Lƣợng dextrin tạo thành là: , extrin 40 40 3236, 722 1, 0526 1362, 789 100 100 d m k kg Tổng lƣợng đƣờng tạo thành: extrin 2157,599 1362, 789 2520,388 duong glucoza d m m m kg
Mặt khác, sau khi nấu có một lƣợng chất khô không phải là tinh bột sẽ hòa tan vào dịch nấu, chiếm khoảng 20 % so với lƣợng chất khô không phải tinh bột.
Lƣợng chất khô không phải tinh bột hòa tan vào trong dịch bột là: mkht’= , 20 100 ck m = 457,161 20 91,522 100 kg
Lƣợng chất khô không phải tinh bột không hòa tan vào trong dịch bột là: m’’= ,
ck
Chương 4. Cân bằng vật chất
SVTH: Trần Trọng Nguyên 29 Tổng lƣợng chất khô hòa tan trong dịch cháo:
, 2520,388 91,522 2611,91 ckt duong kht m m m kg Lƣợng dịch hòa tan: mdungdịch =mdịchcháo-(m’’+ mtổnthất) = 22764,505 kg Thể tích lƣợng dịch trên: dungdich dungdich m 22764,505 V = = = 21577,730 lít d 1,055 Từ đó ta xác định đƣợc các nồng độ: Nồng độ dịch đƣờng hóa: 1 dungdich 2611,910 100% 100% 11, 47% 22764,505 ckt m N m Nồng độ đƣờng: 2 dung dich 2520,388 100% 100% 11, 07% 22764,505 duong m N m
Độ thuần khiết của dung dịch: 2520,388 100% 100% 96,50% 2611,910 duong x ckt m N m 4.5 Tính lƣợng chế phẩm [7, 88÷109]
4.5.1 Lƣợng Termamyl SC ( enzym dịch hóa )
Bảng 4.2: Tỷ lệ sử dụng enzym dịch hóa Termamyl SC trên nguyên liệu gạo
Các chỉ tiêu 0,1 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,5 Đƣờng khử sau khi đƣờng hóa 60 phút (g/l) 31,6 32,1 33,4 34,7 34,7 34,7 34,7 Độ Brix (%) 16,2 16,4 16,8 17,5 17,5 17,5 17,5 Độ Ball (%) 15,0 15,1 15,5 16,4 16,4 16,4 16,4
SVTH: Trần Trọng Nguyên 30 Qua bảng 4.2 ta thấy rằng lƣợng enzym dùng đủ để hồ hóa 1kg tinh bột gạo là 0,3ml, với lƣợng enzym nhiều hơn thì các chất khô và lƣợng đƣờng tạo ra vẫn không tăng nhƣng tiêu tốn enzym.
Cứ 1kg tinh bột cần sử dụng 0,3ml Termamyl SC.
Vậy 3269,416 kg tinh bột cần sử dụng VTer Termamyl SC. → VTer= 980,83ml 1 lít.
Bảng 4.3: Ảnh hƣởng của pH đến hoạt động của enzym Termamyl SC
pH Các chỉ tiêu 4,5÷4,9 5,0÷5,4 5,5÷5,9 6,0÷6,4 6,5÷6,9 7,0÷7,5 7,6÷8,0 Độ Brix (%) 16,5 16,9 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 Độ Ball (%) 15,4 15,9 16,4 16,4 16,4 16,4 16,4 Hàm lƣợng đƣờng sau 1 giờ đƣờng hóa (g/l) 33,6 33,8 34,7 34,7 34,7 34,7 34,7
Enzym Termamyl SC có khả năng hoạt động trong 1 khoảng pH rộng , điều này rất thuận lợi cho việc sản xuất. Trong sản xuất rƣợu, nếu pH của nƣớc có biến đổi trong khoảng 5,5÷8,0 thì cũng không cần điều chỉnh pH khi tiến hành dịch hóa.
4.5.2 Lƣợng Spyrizym Plus ( enzym đƣờng hóa )
Bảng 4.4: Chỉ tiêu của dịch đƣờng hóa khi sử dụng các loại enzym khác nhau cùng liều lƣợng ( 0,65 lít/1000kg tinh bột).
Chương 4. Cân bằng vật chất
SVTH: Trần Trọng Nguyên 31 Qua bảng 4.4 cho ta thấy, khi sử dụng cùng liều lƣợng enzym, kết quả enzym Spyrizym Plus cho hiệu quả cao nhất. Đây là loại enzym mới, dƣới tác động của kỹ thuật di truyền ngƣời ta đã chuyển gen giúp cho quá trình đƣờng hóa tốt hơn.
Bảng 4.5: Chỉ tiêu đƣờng hóa khi sử dụng tỷ lệ enzym Spyrizym Plus khác nhau
Qua bảng 4.5, ta thấy lƣợng enzym phù hợp cho quá trình đƣờng hóa của enzym này là 0,7 ml cho 1 kg tinh bột.
Cứ 1 kg tinh bột cần sử dụng 0,7 ml Spyrizym Plus.
Vậy 3269,416 kg tinh bột cần sử dụng VSpy ml Spyrizym Plus
3269, 416 0, 7 2288,59 1 Spy V ml 2,3 lít.
Enzym Spyrizym Plus hoạt động tốt ở khoảng nhiệt độ 55÷650C, nếu ở nhiệt độ cao hơn 650C, một lƣợng enzym sẽ bị biến tính và giảm khả năng đƣờng hóa. Khi sử dụng biện pháp đƣờng hóa liên tục và kết hợp làm lạnh bằng chân không để làm giảm nhiệt độ đƣờng hóa thì việc dùng enzym Spyrizym Plus là thích hợp.
Các chỉ tiêu
0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80
Đƣờng khử sau khi đƣờng hóa 60 phút (g/l)
67,1 67,8 68,5 69,3 70,0 70,0 70,0
Độ Brix (%) 17,6 17,7 17,8 17,9 18,0 18,0 18,0
SVTH: Trần Trọng Nguyên 32 Bảng 4.6: Ảnh hƣởng của pH đến hoạt động của enzym Spyrizym Plus
Qua bảng 4.6, ta thấy enzym Spyrizym Plus lại có thể hoạt động trong 1 khoảng pH rất rộng (4,6÷5,9). Theo kinh nghiệm, sau khi đƣờng hóa xong pH của dịch cháo thông thƣờng là 5,5÷5,9. Do vậy không cần phải điều chỉnh pH về 4,0÷4,5 nhƣ một số enzym đƣờng hóa trƣớc đây, nhằm tránh sử dụng một lƣợng lớn axit, giảm chi phí sản xuất và không gây ô nhiễm môi trƣờng,
4.5.3 Tính lƣợng nấm men Angel Trung Quốc
Loại men này có những ƣu điểm sau:
Chịu đƣợc nhiệt độ cao và hoạt động đƣợc trong khoảng nhiệt độ rộng. Chịu đƣợc những điều kiện bất lợi trong quá trình lên men nhƣ pH thấp và hoạt động đƣợc trong khoảng pH rộng .
Bảng 4.7: Ảnh hƣởng nhiệt độ đến sự lên men của nấm men Angel Trung Quốc
Chương 4. Cân bằng vật chất
SVTH: Trần Trọng Nguyên 33 Đây là một thuận lợi cho sản xuất cồn vì khi sử dụng loại nấm men này sẽ giảm chi phí trọng việc giải nhiệt dịch cháo sau khi đƣờng hóa. Với loại enzym này trong quá trình lên men nên khống chế nhiệt độ trong khoảng 30÷400C, nếu nhiệt độ tăng đến 43÷440C một số tế bào nấm men bị sốc nhiệt và yếu đi nên hiệu quả kém. Trong trong sản xuất với công nghệ nấu và dịch hóa liên tục lƣợng men khô cần thiết cho lên men 1,5g/1kg tinh bột.
mmen = 3269,416 × 1,5 = 4904,12 g 5 kg 4.6 Tính lƣợng chất sát trùng Na2SiF6 Trong đƣờng hóa sử dụng chất sát trùng có tỷ lệ 2 0 /000 so lƣợng dịch cháo : 2 23162,838 4, 633 10000 sattrung m kg.
4.7 Tính cân bằng cho công đoạn lên men
Với lƣợng men giống là 10% nhƣng lấy từ dịch đƣờng hóa ra nên khối lƣợng của dịch lên men xem nhƣ không đổi và bằng khối lƣợng dịch sau đƣờng hóa. Lƣợng dịch sau khi đƣờng hóa là:
mlênmen = mdungdich + mTer + mSpy + msattrung