Trích ly dầu được thực hiện dựa trên đặc tính hịa tan tốt của dầu thực vật trong các dung mơi hữu cơ khơng cực như xăng, hecxan, dicloetan ..., chủ yếu là hexan. Việc chuyển dầu phân bố bên trong cũng như mặt ngồi các cấu trúc vật thể rắn như hạt, bột chưng sấy, khơ dầu vào pha lỏng của dung mơi là một quá trình truyền khối xảy ra trong lớp chuyển động, dựa vào sự chênh lệch nồng độ đầu trong nguyên liệu và dịng chảy bên ngồi.
Khai thác dầu bằng phương pháp trích ly đem lại hiệu quả kinh tế cao, được nhiều nước trên thế giới áp dụng do cĩ nhiều ưu điểm:
- Máy mĩc thiết bị được cơ giới hĩa và tự động hĩa hồn tồn nên quy trình sản xuất liên tục, năng suất thiết bị cao, thao tác dễ dàng, hiệu suất lao động cao. - Trích được triệt để hàm lượng dầu từ nguyên liệu, hàm lượng dầu cịn lại trong
bã rất thấp (0,1- 0,3%). Do đĩ, dầu tổn thất trong quá trình sản xuất khơng đáng kể.
- Đối với các loại nguyên liệu cĩ chứa hàm lượng dầu thấp (17- 18%) và loại nguyên liệu chứa dầu quý thì chỉ dùng phương pháp trích ly cĩ hiệu quả khai thác cao.
Tuy nhiên, quá trình trích ly địi hỏi hệ thống trích ly phải đảm bảo, tránh hiện tượng cháy nổ do dung mơi cĩ nhiệt độ sơi thấp, dung mơi sử dụng cĩ chất lượng cao, phù hợp với từng loại nguyên liệu nhằm tránh tổn thất cũng như giảm phất chất của dầu.
3.1.5.1. Bản chất hĩa lý của quá trình trích ly
Bản chất của quá trình trích ly là quá trình ngâm chiết dầu trong dung mơi hữu cơ. Đây là kết quả của 4 quá trình kết hợp:
- Sự di chuyển vật lý của dầu từ hạt,
- Khử dung mơi và hạt đã tách dầu: sản phẩm là khơ dầu được sử dụng trong chế biến thức ăn gia súc,
- Tách loại dung mơi từ dầu đã trích ly,
- Thu hồi dung mơi cho các quá trình sử dụng lại.
Việc chuyển dầu từ nguyên liệu vào dung mơi được thực hiện nhờ vào quá trình khuếch tán, trong đĩ:
- Khuếch tán phân tử (20%): Chuyển dầu từ nội tâm nguyên liệu vào dung mơi.
- Khuếch tán đối lưu (80%): Chuyển dầu từ bề mặt nguyên liệu vào dung mơi. Quá trình trích ly dầu thực vật diễn ra theo 2 giai đoạn:
Giai đoạn đầu(Khuếch tán đối lưu của dầu thực vật vào dung mơi)
Trước tiên diễn ra sự thấm ướt dung mơi trên bề mặt nguyên liệu, sau đĩ đĩ thấm sâu vào bên trong nguyên liệu tạo ra mixen (dung dịch dầu trong dung mơi). Sau khi đẩy các bọc khơng khí trong khe vách tế bào ra ngồi, mixen chiếm đầy các khe vách trống
đĩ và thực hiện hịa tan dầu trên lớp bề mặt. Sau đĩ nhờ dung mơi đã thấm sâu vào các lớp bên trong, tiếp tục hịa tan dầu đã phân bố trong các ống mao dẫn bọc kín. Quá trình hịa tan dầu vào dung mơi tiếp tục diễn ra đến khi đạt sự cân bằng nồng độ mixen ở lớp bên trong với lớp mặt ngồi của nguyên liệu. Việc tạo mức chênh lệch thường xuyên ổn định giữa nồng độ mixen trong nguyên liệu và bên ngồi nhờ dịng dung mơi chuyển động mang nguyên liệu trích ly.
Giai đoạn hai(Khuếch tán phân tử của dầu thực vật vào dung mơi)
Dung mơi tiếp tục thấm sâu qua các thành tế bào chưa bị phá vỡ và hịa tan dầu trong các khe vách tế bào. Lượng dầu cịn sĩt lại trong nội tâm nguyên liệu chỉ chiếm khoảng 20% do đĩ dung mơi thấm rất khĩ khăn vào các tế bào chưa bị phá vỡ này. Độ hịa tan các chất phụ thuộc vào lực tương tác giữa các phân tử dung mơi và chất tan. Cường độ lực tương tác này do độ thấm điện mơi quyết định, thể hiện mức phân cực của các thành phần hợp thành phân tử chất đĩ. Do đĩ các loại dầu thực vật sẽ hịa tan tốt trong các dung mơi cĩ độ thấm điện mơi gần với độ thấm điện mơi của dầu thực vật (Độ thấm điện mơi của các loại dầu thực vật nằm trong khoảng 3,0- 3,2). Các dung mơi cĩ độ thấm điện mơi >20 cĩ khả năng hịa lẫn trong nước (bảng 3.1).
Bảng 3.1. Độ thấm điện mơi của một số dung mơi hữu cơ (nhiệt độ 20oC) Dung mơi hữu cơ Độ thấm điện mơi
Xăng Hexan Benzen Dicloetan Axeton 2,00 1,89 2,20 10,36 21,50
Ngồi ra, trong dầu thực vật cịn cĩ một lượng acid béo tự do, số lượng acid béo tự do tăng, tính hịa tan của dầu trong dung mơi tăng.
Dầu trong các dung mơi hữu cơ tạo thành dung dịch phân tử (dung dịch thật: lipid, acid béo tự do cần thiết, vitamin tan trong dầu,lipid mang sắc tố...), trong lúc đĩ, dầu chiết từ nguyên liệu cĩ dầu trong điều kiện sản xuất bao giờ cũng kéo theo với dầu một lượng các hợp chất khơng cĩ tính béo (phospholipid, sáp, cặn xà phịng) chuyển vào dung mơi làm cho mixen cĩ tính keo. Vì vậy, mixen vừa là dung dịch cĩ đặc tính phân tử vừa cĩ đặc tính keo.
3.1.5.2. Các dạng thiết bị trích ly dầu
Thiết bị trích ly thường cĩ cấu tạo phức tạp do đảm bảo tính an tồn. Tùy thuộc từng loại nguyên liệu mà các quá trình trích ly khác nhau được áp dụng. Hiện tại cĩ hai loại thiết bị trích ly được sử dụng phổ biến: Thiết bị trích ly ngâm chiết (Percolation extractor) và thiết bị trích ly kiểu nhúng (Immersion extractors)
(i) Thiết bị trích ly ngâm chiết (Percolation extractor)
- Dung mơi được bơm vào hệ thống và phân phối thơng qua hệ thống băng
chuyền của bánh dầu, cĩ chiều dày thay đổi theo kiểu trích ly ngược dịng. - Kiểu thiết kế khác nhau tùy thuộc vào hãng thiết kế, quá trình sản xuất.
(ii) Thiết bị trích ly kiểu nhúng (Immersion extractors)
- Hạt được ngâm hồn tồn trong dung mơi.
- Quá trình trích ly cần khuấy đảo liên tục nhằm trách việc hình thành nồng độ dung mơi cục bộ ở một số vị trí. Trong trường hợp này, sự hình thành những phần tử nhỏ tăng.
- Thiết bị hoạt động liên tục hoặc gián đoạn. Thiết bị trích ly Hildebrandt được sử dụng phổ biến nhất trong quá trình trích ly kiểu nhúng (hình 3.3).
Dung mơi Bã dầu sau trích ly Nguyên liệu trích ly Hình 3.3.Thiết bị trích ly Hildebrandt 3.1.5.3. Dung mơi trích ly dầu
(i) Các loại dung mơi thơng dụng
♣Xăng: Cấu tạo gồm một chuỗi những hydrocacbon mạch thẳng, chưa no hay dẫn
xuất của hexobenzen và các đồng đẳng. Ngồi ra, trong thành phần của xăng cịn cĩ các hydrocacbon no. Nhiệt độ sơi khoảng 70- 120oC. Xăng khơng tan trong nước. Khả năng hịa tan dầu mỡ của xăng là 1:5, khả năng hịa tan dầu mỡ tăng khi tăng phần nhẹ cĩ nhiệt độ sơi thấp.
♣n- hexan: Chất lỏng, dễ bay hơi, nhiệt độ sơi từ 66,7- 69,3oC. Khối lượng riêng 663 kg/m3 ở 15oC. n- hecxan là một loại xăng trong thành phần khơng lẫn hydrocacbon chưa no và thơm, cĩ khả năng hịa tan dầu và mỡ ở bất kỳ tỷ lệ nào.
♣Propan và butan: Dung mơi tiên tiến, khi sử dụng dưới áp suất dư 0,4- 1,2 MPa sẽ rút ngắn được quá trình trích ly 2- 3 lần. Dung mơi này chỉ hịa tan một lượng rất nhỏ các chất khơng cĩ đặc tính béo.
♣Rượu etylic: Chất lỏng, nhiệt độ sơi 78,3oC, nhiệt độ bắt lửa 404oC. Rượu tan trong nước ở bất kỳ tỷ lệ nào. Tuy nhiên, cĩ thể dùng rượu etylic 96% để trích ly dầu nành.
♣Axeton: Chất lỏng, cĩ mùi đặc trưng, nhiệt độ sơi 56oC. Hơi aceton trong khơng khí cĩ thể bắt lửa, axeton hịa tan tốt trong nước ở bất kỳ tỷ lệ nào, khả năng hịa tan dầu mỡ là 1:5. Axeton là dung mơi chuyên dùng đối với nguyên liệu chứa dầu cĩ lẫn nhiều phospholipid.
(ii) Yêu cầu chung đối với dung mơi trích ly dầu
- Đáp ứng yêu cầu kinh tế, đảm bảo vận tốc quá trình trích ly, ít tổn thất khi thu hồi, trích kiệt dầu trong nguyên liệu.
- Thành phần đồng nhất, khơng xảy ra sự phân ly dung mơi thành các hợp phần. - Dung mơi cần cĩ độ sạch cao, khơng hịa tan các hợp chất lạ cĩ trong nguyên liệu
ngồi dầu, khơng tham gia phản ứng với các nguyên liệu thành các hợp chất mới, trung tính đối với nguyên liệu.
- Nhanh chĩng hịa tan dầu với bất kỳ tỷ lệ nào ở nhiệt độ thấp, dễ cất ra khỏi bã dầu, dễ ngưng tụ.
- Khơng cĩ tác dụng phá hoại thiết bị, khơng cĩ độc chất khi cịn lại trong dầu và bã dầu, khơng gây mùi vị lạ cho sản phẩm.
- Độ nhớt thấp nhằm tạo thuận lợi cho quá trình ngâm chiết đạt hiệu quả cao. - Dễ cất ra khỏi bã dầu, dễ ngưng tụ.
3.1.5.4. Những nhân tốảnh hưởng đến vận tốc và độ kiệt dầu khi trích ly
(i) Nhiệt độ trích ly
Dưới tác động của nhiệt độ tăng, các phân tử dung mơi và dầu xảy ra sự chuyển động hỗn loạn làm tăng vận tốc chuyển dầu từ nguyên liệu vào dung mơi, nhờ đĩ quá trình trích ly đạt hiệu quả cao. Tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu, hiệu suất thu được dao động khác nhau, tuy nhiên ứng với mỗi loại, hiệu suất trích ly thường gia tăng theo sự gia tăng nhiệt độ (hình 3.4).
Hiệu suất trích ly (%) Nguyên liệu được trích ly A: Bánh đậu nành B: Bánh đậu phộng C: Hạt hướng dương D: Bánh hạt cải dầu E: Bánh hạt thầu dầu Nhiệt độ trích ly (oC) Hình 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độđến hiệu suất trích ly
(ii) Mức độ phá vỡ cấu trúc tế bào
Đây là một trong các yếu tố cơ bản thúc đẩy nhanh quá trình trích ly. Việc phá vỡ tối đa cấu trúc tế bào nguyên liệu chứa dầu tạo điều kiện cho sự tiếp xúc triệt để dung mơi với dầu.
(iii) Độẩm nguyên liệu trích ly
Khi tăng độ ẩm sẽ làm chậm quá trình khuếch tán, bột quá ẩm sẽ tăng sự kết dính các hạt bột nguyên liệu trích ly, làm tắc đường thốt dầu, giảm tốc độ trích ly. Độ ẩm thích hợp cho các nguyên ly trích ly khoảng 8%. Ẩm trong nguyên liệu trích ly sẽ tương tác với protein và các chất ưa nước khác, ngăn cản sự thấm sâu của dung mơi vào bên trong nguyên liệu làm chậm quá trình khuếch tán phân tử và đối lưu.
(iv) Kích thước và hình dạng hạt
Kích thước và hình dạng hạt ảnh hưởng đến vận tốc chuyển động của dung mơi qua lớp nguyên liệu. Nguyên liệu trích ly bền, khơng bị vỡ vụn, trong quá trình trích ly sẽ tạo các hạt mịn lắng đọng trên những phần nguyên liệu chưa bị phá vỡ cấu trúc, làm tắc các ống mao dẫn, dung mơi sẽ lưu thơng trên tồn bề mặt lớp nguyên liệu. Mặt khác, các hạt mịn này sẽ bị dịng dung mơi cuốn vào mixen, làm cho mixen ra khỏi thiết bị cĩ nhiều thành phần phân tán, gây phức tạp cho quá trình làm sạch mixen.
(v) Vận tốc chuyển động của dung mơi
Tăng vận tốc chuyển động của dung mơi tức làm tăng nồng độ mixen, tăng tốc độ khuếch tán, rút ngắn thời gian trích ly. Tuy nhiên, nồng độ mixen thu được lỗng, hao tốn nhiều dung mơi.
(vi) Tỷ lệ dung mơi và nguyên liệu
Lượng nguyên liệu trích ly tỷ lệ thuận với lượng dung mơi, tùy thuộc vào đặc tính hịa tan dầu của từng loại dung mơi. Tỷ lệ phù hợp xúc tiến nhanh quá trình trích ly, tách kiệt dầu trong nguyên liệu, giảm thấp hàm lượng dầu trong bã.
3.1.5.5. Phương pháp trích ly dầu thực vật trong cơng nghiệp
Để trích ly dầu từ nguyên liệu cĩ dầu người ta cĩ thể áp dụng 2 phương pháp trích ly dầu gián đoạn và trích ly liên tục. Tuy nhiên, phương pháp trích ly gián đoạn khơng hồn chỉnh nên hiện nay ít được sử dụng.
Trích ly liên tục là phương pháp cơ bản để tách dầu thực vật hiện nay. Trong quá trình trích ly, nguyên liệu và dung mơi cĩ thể chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều (quá trình trích ly ngược chiều, cùng chiều).
Phương pháp tiến hành:
- Ngâm nguyên liệu trong dịng chuyển động ngược chiều chuyển động của
dung mơi.
- Dội tưới liên tục nhiều đợt dung mơi (hoặc mixen lỗng) lên lớp nguyên liệu chuyển động. Trên đường chuyển động của nguyên liệu ra khỏi thiết bị trích
Quá trình trích ly dầu từ nguyên liệu cĩ dầu khơng phụ thuộc vào kết cấu thiết bị mà xảy ra chủ yếu do tương tác giữa dung mơi và dầu tạo thành dung dịch mixen. Mixen sau khi ra khỏi khu vực trích ly, đem phân ly thành dầu vào dung mơi bằng cách làm bốc hơi dung mơi sẽ thu được bã dầu sạch dung mơi. Hơi dung mơi bốc ra đem ngưng tụ - tái sinh hay phục hồi từ trạng thái hơi thành trạng thái lỏng, thu được dung mơi gọi là dung mơi thu hồi hoặc dung mơi hồi lưu.
Sản xuất dầu bằng phương pháp trích ly cần một lượng lớn hơi nước làm chất tải nhiệt (sử dụng để bốc hơi dung mơi từ mixen và bã trích ly), điện năng cần sử dụng ít hơn so với ép.
3.1.5.6. Làm sạch mixen
Mixen thu được sau trích ly, ngồi thành phần dầu hịa tan trong đĩ cịn kéo theo các chất màu, phức phospholipid, các hạt bã dầu và các tạp chất cơ học khác. Các tạp chất này cĩ thể hịa tan trong mixen ở dạng keo và khơng tan trong mixen. Dưới tác động của nhiệt khi chưng cất sẽ cĩ phản ứng tương tác mixen, làm giảm phẩm chất dầu, tạo ra lớp cặn đĩng kết trên bề mặt thiết bị. Các chất này cịn làm cho dầu tăng chỉ số acid, sẫm màu.
Do đĩ, để thu được dầu trích ly cĩ chất lượng tốt, cần phải làm sạch các tạp chất hịa tan và khơng hịa tan trong mixen trước khi đem chưng cất dung mơi.
Các phương pháp làm sạch mixen chủ yếu hiện nay:
(i) Lắng
Đây là giai đoạn đầu tiên được sử dụng nhằm tách sơ bộ các hạt tạp chất khơng tan trong mixen. Khi lắng các hạt này tự tách ra dưới ảnh hưởng của trọng lượng bản thân.
(ii) Lọc
Lọc mixen là quá trình tách tạp chất khơng tan trong mixen bằng cách cho mixen chảy qua một bề mặt vật liệu lọc. Các loại vải lọc khác nhau cĩ khả năng lọc sạch tạp chất của mixen với mức độ khác nhau.
(iii) Ly tâm
Đây là quá trình tách tạp chất rắn cĩ kích thước nhỏ ra khỏi mixen dưới tác động của lực ly tâm.
3.1.5.7. Chưng cất mixen
Chưng cất mixen là quá trình phân ly dung dịch mixen trong dung mơi bằng cách cất cho dung mơi bay hơi ra khỏi dầu khơng bay hơi. Thực hiện bằng cách đun mixen đến nhiệt độ bay hơi của dung mơi, tiến hành cho đến khi hơi dung mơi bốc ra khỏi mixen hồn tồn. Hơi dung mơi khi bay hơi được đưa qua thiết bị ngưng tụ để thu hồi lại.