Chương 3 KHÁI QUÁT CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT DẦU THƠ
3.1. Sản xuất dầu từ hạt chứa dầu
3.1.2. Giai đoạn tiền xử lý hạt dầu
Các hạt cĩ dầu thường chứa từ 1/ 4 đến 3/ 4 lipid. Thành phần lipid này khơng nằm ở dạng tự do mà được kết hợp chặt chẽ với các thành phần khác trong nguyên liệu như protein, glucid và được giữ lại trong nội bào hạt. Chính vì nguyên nhân này, hạt dầu trước khi được tách chiết cần phải trải qua quá trình chuẩn bị nhằm mục đích:
- Tăng hiệu suất quá trình trích ly: Dầu được di chuyển ra ngồi bề mặt hạt qua các cơng đoạn chuẩn bị.
- Giúp nguyên liệu cĩ cấu trúc tính chất phù hợp cho quá trình tiếp theo. - Giảm hao tốn nguyên liệu.
Hai cơng đoạn chủ yếu trong quá trình tiền xử lý là tách vỏ hạt và nghiền hạt dầu.
3.1.2.1. Tách vỏ hạt
(i) Mục đích
- Tăng hàm lượng dầu của nguyên liệu chế biến: Dầu trong mơ tập trung chủ yếu ở nhân hạt, vỏ quả và vỏ hạt cĩ một lượng rất ít với thành phần khơng giống thành phần lipid ở nhân. Vì vậy khi chế biến hầu hết các loại hạt dầu cần tiến hành tách nhân, mơ chứa dầu chủ yếu khỏi lớp vỏ ngồi của hạt chứa ít dầu. Ngồi ra, vỏ quả và vỏ hạt cĩ tính xốp, hấp thu dầu, hình thành liên kết giữ dầu lại ở vỏ, tăng tổn thất dầu.
- Nâng cao năng suất thiết bị cơng nghệ: Vỏ quả và vỏ hạt cĩ độ bền cơ lớn hơn rất nhiều so với nhân sẽ gây giảm hiệu suất làm việc của máy, thiết bị, gây chĩng mịn các bộ phận làm việc của máy.
- Tăng chất lượng dầu: Lipid của vỏ hạt với thành phần chủ yếu là sáp và các chất tương tự lẫn vào dầu sẽ làm giảm giá trị cảm quan cũng như chất lượng dầu.
(ii) Phương pháp tách vỏ hạt
Quá trình tách vỏ hạt bao gồm các bước chính: phá vỡ vỏ hạt, xay xát và phân ly hỗn hợp sau xay.
Tùy thuộc tính chất cơ lý của các mơ hạt dầu, máy xay xát vỏ được thiết kế quy trình làm việc theo các nguyên lý khác nhau. Yêu cầu đối với các máy xát vỏ là chỉ phá vỡ
vỏ, giữ cho nhân khơng xay xát. Khi xát vỏ, cơng được chi dùng cho phá vỡ vỏ và giải phĩng nhân. Dưới tác động của tải trọng đập lên vỏ hạt, vỏ sẽ bị phá vỡ.
Các phương pháp phá vỡ vỏ hạt thường được sử dụng trong cơng nghệ sản xuất dầu:
- Phá vỡ vỏ hạt do ma sát với bề mặt nhám
Sử dụng thiết bị cĩ vành nhám trên thân hay máy xát khí động học, chuyển hạt vào máy với vận tốc xác định, tiếp xúc bề mặt hạt với bề mặt nhám hình thành lực cản hãm chuyển động của hạt, vỏ sẽ trĩc ra khỏi nhân.
- Phá vỡ vỏ hạt do sự va đập lên bề mặt rắn
Nguyên lý: Vỏ hạt chuyển động với vận tốc nào đĩ (khơng cố định) va đập lên bề mặt rắn chuyển động, vỏ hạt vỡ ra tách khỏi nhân.
Tùy thuộc loại hạt mà vận tốc dịng hạt khác nhau. Thí dụ như trong tách quá trình tách vỏ hạt hướng dương, với vận tốc 10 m/s, vỏ bắt đầu trĩc khỏi hạt, khi tăng vận tốc 65 m/s, vỏ bị phá vỡ hồn tồn, tuy nhiên với vận tốc này, tỷ lệ hạt bể là 25%.
Thiết bị sử dụng cho quá trình tách vỏ hạt theo phương pháp này cĩ thể là máy xát kiểu cánh búa, máy xát ly tâm.
- Phá vỡ vỏ hạt do cắt hạt bằng cơ cấu dao
Nguyên lý: Hạt rơi vào khe giữa các dao chuyển động và dao tĩnh, các lưỡi dao bố trí trên đĩa quay sẽ xát vỏ, giải phĩng nhân.
Thiết bị: Máy xay dĩa, xay dao.
- Phá vỡ vỏ hạt do nén ép trong khe giữa các trục quay
Hạt rơi vào khe trục quay của máy cán 1 đơi trục, cĩ 2 bề mặt nhẵn và mặt nhám, rãnh khía sẽ bị nén, vỏ bị xé nứt ra và tách khỏi nhân.
(iii) Các nhân tốảnh hưởng đến xay xát vỏ hạt
- Độẩm
Trong trường hợp độ ẩm vỏ < độ ẩm nhân: khi phá vỡ vỏ khơ giịn, nhân ẩm dai, giữ nguyên được hình dạng nhân và dễ dàng tách khỏi vỏ.
Với độ ẩm khối hạt khác nhau, vỏ sẽ trĩc khơng đều trong quá trình xay xát. Tùy thuộc loại hạt, yêu cầu độ ẩm khác nhau. Nhìn chung, độ ẩm phù hợp nằm trong khoảng từ 7%- 8%. Độ ẩm hạt thấp, chi phí điện năng giảm nhưng hạt quá khơ, dễ vỡ.
Khi độ ẩm hạt tăng: Nếu cỡ hạt được chỉnh phù hợp với vận tốc, vỏ dễ bị phá vỡ, lượng nhân nguyên cao, nhưng chi phí điện năng tăng. Trường hợp cỡ hạt khơng phù hợp với vận tốc, lượng nhân nguyên giảm rõ rệt.
- Kích thước hạt
Khối hạt đồng đều về kích thước, hiệu quả xát vỏ tăng, dễ dàng điều chỉnh chính xác chế độ làm việc của máy xát.
Với khối hạt cĩ cùng độ ẩm, hạt lớn dễ trĩc vỏ hơn hạt bé, đồng thời việc tiêu thụ điện năng cũng ít hơn. Thí dụ: Hạt hướng dương cĩ độ ẩm 6-7 %, với cỡ hạt 6 mm, vận tốc xát 31m/s; với cỡ hạt < 6mm, vận tốc xát 34 m/s.
- Đặc điểm hạt
Hạt cĩ phẩm chất khác nhau như kích thước, độ dày vỏ, tỷ lệ vỏ/nhân khác nhau, hiệu quả xát sẽ khác nhau.
Hạt cĩ độ bền lớn, cỡ hạt nhỏ, khối lượng nhỏ, nhân nhiều, vận tốc phá vỡ vỏ tăng.
- Động lực phá vỡ vỏ hạt
Vỏ hạt chịu tác dụng của ngoại lực do cánh búa của tay quay va đập lên hạt- lực nén đẩy, lực ma sát giữa các hạt với nhau, ma sát giữa hạt và thiết bị. Ngồi ra, hạt cịn chịu tác động của nội lực là lực uốn cong, lực biến dạng đàn hồi của hạt. Hạt chịu nén động học mất đi mối liên hệ bền vững giữa nhân và vỏ, hạt bị rạn nứt, nhân tách khỏi vỏ hạt.
Vỏ hạt cịn do cạnh biên của các cánh búa làm vỡ hoặc bị vỡ trong lúc bay từ mặt cánh búa vào thành trong lịng máy.
Những hạt khi búa đập khơng đủ lực làm vỡ vỏ, khi văng vào mặt ráp của lịng máy sẽ bị vỡ tiếp tục.
(iv) Phân ly hỗn hợp xay
Thành phần hỗn hợp sau xay chủ yếu gồm:
- Nhân nguyên, nhân nửa,
- Mảnh nhân vỡ lớn, nhỏ, trung bình, - Vỏ nguyên, nát,
- Bụi dầu (cám).
3.1.2.2. Phương pháp tách vỏ khỏi nhân
Sau quá trình xay, để cĩ thể tách riêng từng thành phần trong hỗn hợp ra khỏi nhau, quá trình phân ly bằng sàng phân loại kích thước hay sử dụng tính chất khí động học của các thành phần để phân ly nhờ quạt giĩ được ứng dụng.
Các thiết bị phân ly thường dùng như:
- Sàng quạt
Nhiệm vụ chủ yếu của máy sàng quạt là loại bỏ triệt để vỏ khỏi nhân với tổn thất dầu theo vỏ ít nhất.
Máy sàng quạt làm việc bình thường khi sản xuất khơ dầu cĩ độ vỏ thấp, tỷ lệ vỏ cho phép trong nhân khơng lớn hơn 1,6%, thơng thường khơng vượt quá 3%. Khi dùng nhân để trích ly, tỷ lệ vỏ cho phép trong nhân khơng lớn hơn 8% nhằm trợ giúp cho
quá trình khuếch tán dầu. Hàm lượng dầu trong vỏ thải khơng vượt quá 0,5%. Năng suất: 50-60 tấn hạt/ngày.
- Sàng điện
Máy sàng điện gồm 2 phần: phần tĩnh điện (điện cực) và phần khung sàng phân tách nhân và vỏ dựa trên sự khác biệt tính chất vật lý và điện lý của chúng. Năng suất 200 tấn hạt/ngày. Tỷ lệ nhân lẫn theo vỏ <0,26%. Hiệu suất phân ly 97,6- 98,2%.
- Sàng đập
Máy sàng đập làm việc theo nguyên lý tác động cơ học lên hỗn hợp xay. Quá trình tách nhân khỏi vỏ, hạt nguyên vỏ, hạt bị cắt dập được thực hiện theo 2 bước:
- Đầu tiên đập tung nhân ra khỏi các hạt đã bị vỡ và vỏ. - Tách riêng nhân ra khỏi vỏ bằng sàng.
Lượng hạt nguyên vỏ lẫn theo vỏ thải ≤ 1%. - Sàng tinh
Máy làm sạch liên hợp giữa máy sàng lắc kép và quạt giĩ. Hỗn hợp xay được phân đều lên mặt sàng trên. Nhân và các phần vỏ vụn lọt sàng rơi xuống mặt sàng dưới. Hạt nguyên vỏ, nhân nguyên và vỏ khơng lọt sàng rơi vào vùng hộp giĩ. Quạt hút lấy vỏ dẫn theo dịng khơng khí vào xylon, sau đĩ vào máy sàng đập, hạt khơng lọt sàng trên, rơi xuống hộc chứa, từ đĩ đem xay lại. Nhân và vỏ vụn rơi xuống mặt sàng dưới được chia 2 thành phần: nhân lọt sàng rơi xuống tấm hứng , vỏ khơng lọt sàng trượt trên bề mặt sàng xuống hộp giĩ. Dịng khơng khí do quạt gây ra tiếp tục hút một phần vỏ, phần vỏ cịn lại trên mặt sàng dưới rơi chung với dịng nhân lọt mặt sàng dưới.
Năng suất máy sàng tinh 70 tấn hạt/ ngày.
Nhân ra khỏi sàng dưới của máy sàng tinh cĩ lượng vỏ khơng lớn hơn 10- 12%.
3.1.2.3. Nghiền nguyên liệu chứa dầu
(i) Mục đích
- Phá vỡ cấu trúc tế bào nguyên liệu chứa dầu để dầu dễ dàng thốt khỏi phần protein khi ép hoặc trích ly.
- Tạo tính đồng đều cho khối bột nghiền, đây là điều kiện thuận lợi cho quá trình chưng sấy sau này. Nếu khối bột nghiền cĩ hình dạng và kích thước khơng đều, hiệu suất ép tách dầu chỉ ở mức độ thấp.
(ii) Kỹ thuật nghiền
Muốn phá vỡ tế bào của một vật thể cứng thường phải sử dụng lực cơ học. Tùy thuộc độ bền cơ học của từng loại nguyên liệu mà sử dụng các loại lực nghiền khác nhau. Do đĩ việc chọn một loại thiết bị nghiền phải dựa vào tính chất cơ học của nguyên liệu kết hợp với yêu cầu bột nghiền.
Các loại máy nghiền thường sử dụng: nghiền trục (máy cán trục), nghiền búa, nghiền đĩa... Trong đĩ, máy nghiền trục được sử dụng phổ biến nhất.
Tùy thuộc loại nguyên liệu, điều kiện nghiền khác nhau:
- Đậu phộng
- Độ ẩm trước khi nghiền < 8,5%. - Sử dụng máy nghiền 2 đơi trục.
- Mức độ phá vỡ nhân (lượng bột lọt sàng ở các đường kính khác nhau): Với đường kính d= 1mm là 10-15%, d= 2 mm đạt 70-80%.
- Dừa
Cùi dừa cĩ hàm lượng dầu cao, kích thước dày và dài. Do đĩ, trước khi nghiền cần cắt cùi dừa thành từng mảnh cĩ chiều dài 20- 25 mm.
Nghiền qua 2 thiết bị :
- Nghiền búa đến kích thước lọt qua lỗ rây d=1 mm là 15%. - Nghiền nhỏ bằng máy nghiền 2 đơi trục.
- Đậu nành (đậu tương)
Đậu nành cĩ hàm lượng dầu tương đối cao, kích thước hạt nhỏ, thường sử dụng máy nghiền 2 đơi trục hay 1 trục, cĩ rãnh khía. Mức độ phá vỡ nhân ở d= 1mm xấp xỉ 60%.
(iii) Sự biến đổi tính chất của nguyên liệu trong quá trình nghiền
- Sự phá hủy cấu trúc tế bào
Ưu điểm khi tiến hành nghiền các hạt chứa dầu là cấu trúc các mơ tế bào bị phá vỡ, dầu từ bên trong nội bào giải phĩng ra ngồi bề mặt, tăng hiệu suất quá trình ép hay trích ly. Tuy nhiên, quá trình này làm cho bề mặt tự do của nguyên liệu trở nên lớn, dầu trên bề mặt nguyên liệu tiếp xúc với khơng khí, quá trình oxy hĩa dầu (ơi hĩa) diễn ra nhanh chĩng.
Trong quá trình nghiền, một phần dầu trong tế bào được thốt ra trên bề mặt và nằm lại đĩ dưới tác dụng của lực liên kết phân tử, một phần dầu cịn sĩt lại sẽ nằm yên trong các mảnh tế bào bị phá hủy, gây tổn thất dầu. Nếu lực nghiền càng nhỏ thì hàm lượng dầu giữ lại trong nguyên liệu càng nhiều.
- Biến đổi hĩa học và sinh hĩa của hạt khi nghiền
Dầu trong nội bào sau khi giải phĩng ra do việc phá vỡ cấu trúc tế bào khi nghiền, hấp phụ trên một diện tích rộng lớn ở bề mặt các hạt bột. Trong quá trình đĩ, nguyên liệu nguyên liệu cĩ những biến đổi hĩa học và sinh hĩa nhất định.
Nguyên nhân chủ yếu do:
- Tác động cơ học của lực nghiền.
Sự biến đổi sinh hĩa thường xảy ra trong quá trình nghiền chủ yếu là do sự biến tính protein với mức độ khác nhau do tác động cơ cũng như tác động nhiệt. Tuy nhiên, sự biến tính này khơng sâu sắc do thời gian tác động của lực nghiền và nhiệt lên nguyên liệu khơng dài. Ngồi ra, quá trình nghiền hạt cịn là nguyên nhân làm cho các hệ enzyme trong tế bào bị phá vỡ đã giảm một phần hoạt tính, sau khi bị phá vỡ cấu trúc, tạo khả năng tiếp xúc giữa dầu và oxy, khơng khí ẩm của khí quyển, các quá trình oxy hĩa và thủy phân dầu sẽ diễn ra, cường độ hơ hấp của hạt tăng. Trên bề mặt bột, cĩ sự phát triển mạnh các hệ vi sinh vật, gây mất dầu và các thành phần khác như protein, glucid.
Cường độ các quá trình phá hủy xảy ra trong bột càng mạnh khi dầu được giải phĩng ra dưới dạng một lớp màng mỏng, phủ ở bề mặt bên trong cũng như mặt ngồi hạt bột.
(iv) Các yếu tốảnh hưởng đến quá trình nghiền
- Độẩm nguyên liệu
Hạt ẩm dẻo hơn nhưng ít dịn hơn hạt khơ, làm cho sự biến dạng dẻo tăng khi độ ẩm hạt tăng. Hạt ẩm, khi nghiền sẽ bị cán dẹp, khơng bị đập vỡ, dễ bết vào trục nghiền, bột nghiền thốt ra khỏi khe trục cĩ dạng dẹt, trong khi đĩ từ hạt khơ sẽ thu được bột tơi mịn, nhiều cám, tấm.
Độ ẩm của hạt và nhân ảnh hưởng lớn đến hiệu suất nghiền: Độ ẩm thích hợp cho quá trình nghiền tùy thuộc vào loại nguyên liệu, hàm lượng dầu trong từng loại nguyên liệu. Đối với hạt cĩ chứa hàm lượng dầu cao, độ ẩm nguyên liệu càng thấp, và ngược lại, hạt cĩ hàm lượng dầu thấp, độ ẩm cĩ thể cao hơn.
Thí dụ : Đối với đậu phộng, độ ẩm giới hạn là 6- 7%. Đối với dừa, độ ẩm giới hạn là 7-8 %.
- Hàm lượng dầu trong nguyên liệu
Hạt cĩ hàm lượng dầu cao, độ nhớt cao, khi vào khe trục, đều tiên bị các trục nén dầu thốt ra và bơi trơn bề mặt nghiền, giảm ma sát nguyên liệu và bề mặt nghiền, các trục cuốn bột vào khe rất khĩ, làm giảm hiệu suất nghiền.
- Nhiệt độ nghiền
Khi nhiệt độ tăng, tính dẻo của nguyên liệu cũng tăng, khĩ nghiền đạt yêu cầu thích hợp. Với độ ẩm thích hợp, nhiệt độ nghiền khơng lớn hơn nhiều so với nhiệt độ khơng khí. Nhiệt độ nghiền thích hợp 25-45oC.
(v) Các chỉ tiêu về bột nghiền
- Độ nhỏ và mỏng: Bột nghiền càng mỏng càng nhỏ, dầu trong nguyên liệu dễ dàng tách ra khi ép hay trích ly, khối bột dễ tiếp xúc với nhiệt và hơi
nước trong nồi chưng. Bột quá vụn dễ vĩn cục, cánh khuấy khĩ làm việc, hơi khơng thốt ra khi chưng và sấy.
- Tỷ lệ vỏ lẫn trong bột: Vỏ càng nhiều tỷ lệ tổn thất dầu theo khơ dầu càng lớn, chất lượng dầu và khơ dầu càng kém. Tỷ lệ vỏ lẫn trong bột được xác định hàm lượng xơ trong bột nghiền và nhân hạt.
- Độ acid và mùi: Đây là chỉ tiêu quan trọng trong trường hợp bột nghiền khơng được sử dụng ngay. Bột cĩ độ acid, mùi mốc hắc cần đem chế biến riêng (thành phẩm cĩ chất lượng xấu).
Mặc dù vậy, khối bột sau khi nghiền rất khĩ đạt được sự đồng đều cao. Nguyên nhân chủ yếu do độ bền của bản thân vật thể phân bố khơng đều nhau trên tồn bộ cấu trúc của hạt. Chính vì thế, khi cĩ ngoại lực tác động vào thì sự phân hủy xảy ra ở những khu vực cĩ sự phản kháng yếu hơn. Mặt khác, ngoại lực tác động lên vật thể cũng phân bố khơng đều nhau về cường độ và phương của lực. Ở những gĩc cạnh, vật thể rắn chịu tác dụng của lực lớn, do đĩ, sự phân hủy xảy ra mạnh. Ở máy nghiền trục, hiện tượng này diễn ra phức tạp hơn vì khi hạt rơi vào giữa khe trục thì vị trí của hạt