công nghệ và thiết bị sản xuất tinh dầu tràm ở Thừa Thiên huế
2.1. Về nguyên liệu sản xuất
Theo thống kê của một số tác giả thuộc Trường Đại học Nông Lâm Huế, đến trước năm 2002, toàn tỉnh Thừa Thiên Huế có khoảng 13.050ha đất có tràm tự nhiên, trữ lượng khoảng 62.000 tấn nguyên liệu. Hiện nay, diện tích tràm tự nhiên giảm nhanh; diện tích rừng tràm tập trung được trồng và thâm canh ước đạt chưa đến 500ha, phân bố rải rác ở các vùng đất cát chua phèn, nghèo mùn và vùng đất ngập nước (từ Phong Điền đến Phú Lộc) nên rất khó khai thác.
Nguyên liệu thu hái về để chưng cất tinh dầu là phần cành và lá tươi. Sản lượng và năng suất thu hoạch/ha rất khác nhau giữa các vùng nguyên liệu; vùng thâm canh có thể đạt 50 tấn/ha năm. Hàm lượng tinh dầu chứa trong nguyên liệu cũng rất khác nhau theo thổ nhưỡng đất trồng cũng như tuổi thân lá và đặc biệt là thời vụ thu hoạch (chênh lệch đến 40-60%). Thời gian bảo quản nguyên liệu sau thu hái đến khi chưng cất cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thu hồi tinh dầu tràm.
CHUYÊN ĐỀ DẦU TRÀM HUẾ
2.2. Về công nghệ sản xuất tinh dầu tràm trên địa bàn địa bàn
Có 04 phương pháp chung sản xuất tinh dầu tràm: cơ học, tẩm trích, hấp thụ và chưng cất hơi nước. Dù có tiến hành theo bất cứ phương pháp nào, quy trình sản xuất đều có những điểm chung sau đây:
- Tinh dầu thu được phải có mùi thơm tự nhiên như nguyên liệu.
- Quy trình khai thác phải phù hợp nguyên liệu. - Tinh dầu phải được lấy triệt để khỏi nguyên liệu, với chi phí thấp nhất.
Các phương pháp nói trên đều dựa vào những đặc tính của tinh dầu nói chung như dễ bay hơi, lôi cuốn theo hơi nước ở nhiệt độ dưới 1000C; hòa tan dễ dàng trong dung môi hữu cơ; dễ bị hấp thu ngay ở thể khí.
Như trên đã nói, các cơ sở sản xuất dầu tràm trên địa bàn đều có quy mô nhỏ, vốn đầu tư rất hạn chế, do đó hầu hết sử dụng phương pháp chưng cất hơi nước là phù hợp. Trong công nghiệp, người ta chia các phương pháp chưng cất hơi nước ra thành ba loại chính: chưng cất bằng nước; chưng cất bằng nước và hơi nước; chưng cất bằng hơi nước.
Một số yếu tố công nghệ cần lưu ý khi chưng cất hơi nước đó là quá trình khuếch tán, quá trình thủy giải và nhiệt độ.
Đối với quá trình khuếch tán: Ở nhiệt độ nước sôi, một phần tinh dầu tràm hòa tan vào trong nước có sẵn trong tế bào thực vật. Dung dịch này sẽ thẩm thấu dần ra bề mặt nguyên liệu và bị hơi nước cuốn đi. Còn nước đi vào nguyên liệu theo chiều ngược lại và tinh dầu lại tiếp tục bị hòa tan vào lượng nước này. Quy trình này lặp đi lặp lại cho đến khi tinh dầu trong các mô thoát ra ngoài hết. Như vậy, sự hiện diện của nước rất cần thiết, cho nên trong trường hợp chưng cất sử dụng hơi nước quá nhiệt, chú ý tránh đừng để nguyên liệu bị khô. Nhưng nếu lượng nước sử dụng thừa quá thì cũng không có lợi, nhất là trong trường hợp tinh dầu có chứa những cấu phần tan dễ trong nước. Ngoài ra, vì nguyên liệu được làm vỡ vụn ra càng nhiều càng tốt, cần làm cho lớp nguyên liệu có một độ xốp nhất định để hơi nước có thể đi xuyên ngang lớp này đồng đều và dễ dàng.
Đối với quá trình thủy giải: những cấu phần ester trong tinh dầu tràm thường dễ bị thủy giải cho
ra acid và alcol khi đun nóng trong một thời gian dài với nước. Do đó, để hạn chế hiện tượng này, sự chưng cất hơi nước phải được thực hiện trong một thời gian càng ngắn càng tốt.
Đối với chế độ đun và nhiệt độ: nhiệt độ cao làm phân hủy tinh dầu tràm. Do đó, khi cần thiết phải dùng hơi nước quá nhiệt (trên 1000C) nên thực hiện việc này trong giai đoạn cuối cùng của sự chưng cất, sau khi các cấu phần dễ bay hơi đã lôi cuốn đi hết. Thực ra, hầu hết các tinh dầu đều kém bền dưới tác dụng của nhiệt nên vấn đề là làm sao cho thời gian chịu nhiệt độ cao của tinh dầu càng ngắn càng tốt.
Trong chưng cất hơi nước, nước phải phủ kín nguyên liệu, nhưng phải chừa một khoảng không gian tương đối lớn phía bên trên lớp nước, để tránh khi nước sôi mạnh làm văng chất nạp qua hệ thống hoàn lưu. Nhiệt cung cấp có thể đun trực tiếp bằng bếp củi (khống chế được nhiệt độ trong nồi chưng cả quá trình) hoặc bằng hơi nước dẫn từ nồi hơi vào (sử dụng bình có hai lớp đáy).
Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp chưng cất hơi nước:
- Ưu điểm: Quy trình kỹ thuật tương đối đơn giản; thiết bị gọn, dễ chế tạo; không đòi hỏi vật liệu phụ như các phương pháp tẩm trích, hấp thụ; thời gian chưng cất tương đối nhanh.
- Nhược điểm: không có lợi đối với những nguyên liệu có hàm lượng tinh dầu thấp; chất lượng tinh dầu có thể bị ảnh hưởng nếu trong tinh dầu có những cấu phần dễ bị phân hủy; không lấy được các loại nhựa và sáp có trong nguyên liệu; trong nước chưng luôn có một lượng tinh dầu hòa tan tương đối; những loại tinh dầu có nhiệt độ sôi cao thường cho hiệu suất thu rất kém; bộ phận ngưng tụ phải được khống chế lưu lượng hơi và nhiệt độ phù hợp.
Hầu hết các lò chưng cất dầu tràm trên địa bàn sử dụng công nghệ chưng cất hơi nước, trừ một vài phòng thí nghiệm ở viện nghiên cứu hoặc trường đại học có sử dụng phương pháp trích li kiểu Pilot. Do đó, với tình hình sản xuất dầu tràm hiện nay ở Thừa Thiên Huế, sử dụng công nghệ chưng cất hơi nước là phù hợp cả về nguyên liệu, quy mô, vốn đầu tư và hiệu quả kinh tế.
CHUYÊN ĐỀ DẦU TRÀM HUẾ
Sơ đồ thiết bị - công nghệ Các thiết bị cơ bản chưng cất dầu tràm
Sơ đồ công nghệ và các thiết bị cơ bản chưng cất dầu tràm quy mô nhỏ
2.3. Về thiết bị sản xuất tinh dầu tràm trên địa bàn địa bàn
- Về lò đốt: Là bộ phận cấp nhiệt cho nồi chưng cất tinh dầu. Có 2 loại phổ biến là lò đất đào ngay tại rừng và lò xây bằng gạch thường, không có ống khói. Rất nhiều lò không có ghi lò. Nhiên liệu dùng cho việc đốt chủ yếu là củi, một số nơi dùng than cám trộn bùn đất sét. Lò đun trực tiếp bằng củi hoặc than cám, do đó việc điều tiết nhiệt độ nồi chưng cất chủ yếu bằng thủ công, theo kinh nghiệm và thiếu chính xác về nhiệt độ theo từng giai đọan, chưa có một chế độ nhiệt cho chưng cất tối ưu. Hầu hết kết cấu lò đốt chưa phù hợp do đó hiệu suất thu nhiệt dưới 17%, tiêu tốn nhiều nhiên liệu, thậm chí gây ô nhiễm môi trường.
Kiểu lò xây hoặc đào hầm lò cải tiến bao kín đáy nồi, có ghi lò xả tro, cửa lò cấp nhiên liệu và ống thoát khói phía sau cao trên 3-4m (sử dụng đối lưu tự nhiên) sẽ tiết kiệm củi hơn do ít tổn hao nhiệt ra môi trường và tập trung trao đổi nhiệt trực tiếp phần đáy nồi chưng cất (hình nón ngược) sẽ có hiệu suất nhiệt cao hơn đồng thời ít gây ô nhiễm khói…
- Về nồi chưng cất tinh dầu tràm: Trong hệ thống thiết bị thì nồi chưng cất là quan trọng nhất. Về dung tích nồi chưng cất tùy thuộc công suất nguyên liệu và ước/mẻ; đa số là loại nồi tự chế dưới 600kg/ mẻ. Hình dáng nồi chưng thông thường dạng hình trụ đứng có đáy hình chóp nón hoặc đáy bằng. Tất cả các loại nồi đều có nắp để nạp liệu và xả liệu cũng như ống dẫn hơi đến bộ ngưng tụ. Chỉ một số
ít nồi đơn giản mới có bộ ngưng tụ đặt trực tiếp trên nồi chưng. Đối với nồi chưng có áp (áp suất dư từ 0,1 đến 0,5 atmosphere) sẽ cho khả năng gia nhiệt, bay hơi và hiệu suất ngưng tụ, thu tinh dầu tốt hơn.
Các loại vật liệu làm nồi chưng cất gồm nồi chưng cất cổ truyền có vật liệu làm bằng thùng phuy (để chứa xăng, dầu); đáy bằng chảo gang, nồi bằng tôn hàn, nồi hợp kim nhôm, nồi thép không rỉ, nồi bằng thép tấm inox 304 hàn… Vật liệu làm nồi chưng cất tốt nhất là thép không rỉ, bảo đảm an toàn thực phẩm, bền và ít ảnh hưởng nhất đến chất lượng tinh dầu tràm, tuy nhiên giá thành đắt hơn nhiều.
- Về thiết bị ngưng tụ dung dịch dầu tràm: Hỗn hợp hơi tinh dầu và nước từ thiết bị chưng cất qua vòi voi vào thiết bị ngưng tụ, ở đây hỗn hợp hơi sẽ truyền ẩn nhiệt bốc hơi cho nước lạnh và ngưng tụ thành nước. Thiết bị ngưng tụ thực hiện hai nhiệm vụ: ngưng tụ hỗn hợp hơi thành lỏng và hạ nhiệt độ hỗn hợp lỏng vừa ngưng xong đến nhiệt độ yêu cầu. Hai quá trình này thường không có ranh giới rõ rệt nhưng để tiện cho việc tính toán ta xem hai quá trình này nối tiếp nhau. Theo thực tế sản xuất, người ta rút ra những số liệu thực nghiệm sau:
+ 1m3 thể tích của thiết bị chưng cất cần 2÷2,5m2 diện tích làm lạnh.
+ 1m2 diện tích làm lạnh sẽ ngưng tụ khoảng 25 lít hỗn hợp tinh dầu + nước.
+ 1 lít hỗn hợp tinh dầu + nước ngưng tụ được cần 10÷28 lít nước dùng làm lạnh.
CHUYÊN ĐỀ DẦU TRÀM HUẾ
Trong sản xuất tinh dầu tràm, người ta thường dùng các loại thiết bị ngưng tụ kiểu ống xoắn ruột gà, ống chùm, thiết bị ngưng tụ loại đĩa. Các đĩa được thường được chế tạo bằng đồng lá hay nhôm. Cần chú ý khi chọn nhiệt độ nước làm lạnh nên chọn nhiệt độ nước ở mùa nóng nhất. Hỗn hợp lỏng sau ngưng tụ phải có nhiệt độ không lớn hơn 4000C, nếu lớn hơn nhiệt độ này thì khả năng hòa tan tinh dầu trong nước lớn, nếu nhiệt độ hỗn hợp quá thấp thì sẽ tốn nước làm nguội đồng thời một số tinh dầu sẽ bị đông đặc gây tắc ống truyền nhiệt, do đó nên chọn trong khoảng 35÷4000C.
Khi làm việc với thiết bị ngưng tụ cũng cần phải tuân thu theo những chế độ về vệ sinh và bảo dưỡng thiết bị như đối với thiết bị chưng cất. Ngoài ra, nước làm nguội sau khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ giảm độ cứng nên cho về nồi hơi để tiết kiệm nước.
- Về quy trình và chế độ chưng cất dầu tràm: có 3 công đoạn cơ bản của quá trình chưng cất hơi nước: nạp liệu, chưng cất, tháo bả.
+ Nạp liệu: Nguyên liệu từ kho bảo quản được nạp vào thiết bị, có thể làm ẩm nguyên liệu trước khi nạp vào thiết bị để thuận lợi cho quá trình chưng cất. Việc nạp liệu có thể thực hiện bằng thủ công hoặc cơ giới, có thể nạp trực tiếp vào thiết bị hoặc nạp gián tiếp qua một giỏ chứa rồi cho vào thiết bị bằng tời hoặc cẩu. Nguyên liệu nạp vào thiết bị không được 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. Đối với nguyên liệu lá, cành… khi cho vào thiết bị có thể nén chặt, trước khi nén nên xổ tung để tránh hiện tượng rỗng cục bộ. Nạp liệu xong đóng chặt mặt bích nối thiết bị với nắp, nên vặn chặt theo nguyên tắc đối nhau để nắp khỏi vênh.
- Chưng cất: Khi bắt đầu chưng cất, mở van hơi cho hơi vào thiết bị, lúc đầu mở từ từ để đuổi không khí trong thiết bị và làm cho hơi phân phối đều trong toàn bộ khối nguyên liệu. Ngoài ra, mở từ từ van hơi để nguyên liệu không bị cuốn theo hơi gây tắc ống dẫn hỗn hợp hơi.
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 người ta có thể dùng một tấm kính hứng một ít dịch ngưng, nếu thấy trên tấm kính còn váng dầu thì quá trình chưng cất chưa kết thúc. Phải khống chế nhiệt độ quá trình chưng qua đồng hồ nhiệt độ hoặc người có kinh nghiệm nấu lò nhiều lần.
- Tháo bả: Tháo nắp thiết bị, tháo vỉ trên rồi dùng tời kéo giỏ chứa bã ra, kiểm tra và châm thêm nước nếu cần thiết (nước châm thường là nước sau khi phân ly tinh dầu) rồi cất mẻ khác.
- Một số ưu, nhược điểm của các hệ thống chưng cất công suất nhỏ:
+ Vốn đầu tư cho hệ thống thiết bị ít, công nghệ chưng cất hơi nước đơn giản và quy trình vận hành không phức tạp.
+ Các loại vật liệu làm nồi chưng cất gồm nồi chưng cất cổ truyền có vật liệu làm bằng thùng phuy hoặc đáy bằng chảo gang, nồi bằng tôn hàn… tuy đơn giản, đầu tư thấp nhưng có hiệu suất chưng cất thấp và chất lượng dầu tràm bị ảnh hưởng, không bảo đảm.
+ Không có bộ phận phân ly và không có biện pháp xử lý sản phẩm, nên sản phẩm tinh dầu làm ra có chất lượng thấp, không đủ tiêu chuẩn dùng cho xuất khẩu.
+ Thiết bị làm lạnh không đảm bảo, tiết diện bề mặt trao đổi nhiệt bé, lại không có các loại vật liệu làm đệm kín phù hợp, vừa đảm bảo độ kín, vừa chịu nhiệt lại chịu dầu nên đã làm thất thoát một lượng lớn tinh dầu ra môi trường xung quanh, hiệu suất chưng cất thấp.
+ Đối với các lò chưng cất có các thiết bị càng đơn giản thì càng cần người có kinh nghiệm đứng lò để khống chế từ nhiệt độ, thời gian chưng cất, chọn thời vụ thu hái nguyên liệu cũng như nạp liệu và sơ chế sản phẩm.