1. Phễu nạp liệu, 2 Búa, 3 Lưới, 4 Đĩa treo búa, 5 Trục quay
3.2.2.2.3. Hoạt động của máy nghiền búa [7,tr 33]
Sắn lát đưa vào máy nghiền búa qua phễu nạp liệu (1). Sắn lát được nghiền nát nhờ lực va đập của sắn và búa nghiền (2) vào thành trong của máy nghiền và do sự cọ xát giữa các lát sắn với nhau. Búa được lắp trên đĩa treo búa (4) gắn trên trục quay (5), các búa được treo cách đều nhau. Sắn lát sau khi được nghiền đạt kích thước yêu cầu lọt qua lưới (3) ra ngoài và được đưa vào phễu chứa nhờ gàu tải, với những phần nghiền chưa đạt yêu cầu nằm trên lưới và tiếp tục được búa nghiền cho đến khi có kích thước đủ nhỏ lọt lưới ra ngoài. Sau khi nghiền kích thước của bột sắn khoảng 1,5 mm.
3.2.2.3. Nấu [7, tr 36]
3.2.2.3.1. Mục đích
Mục đích của quá trình nấu la nhằm phá vỡ màng tế bào dự trữ tinh bột trong nội nhũ của hạt hay trong phần thịt củ, để phân tán các mạch tinh bột tự do trong nước, tạo điều kiện thuận lợi cho hệ emzym amylaza dễ dàng tác dụng khi đường hóa,biến tinh bột thành đường lên men càng triệt để càng tốt.
Bột sắn nghiền
3.2.2.3.2. Những biến đổi lý hóa xảy ra trong khi nấu nguyên liệu
a) Sự trương nở và hòa tan tinh bột
Trong quá trình nấu, do tác động đồng thời của nước và nhiệt độ mà hạt tinh bột hút nước rất nhanh, tinh bột sau khi hút nước sẽ trương nở, tăng thể tích và khối lượng. Tinh bột được giải phóng ra môi trường thành tinh bột tự do và thu được hồ tinh bột. Nhiệt độ ứng với độ nhớt cực đại gọi là nhiệt độ hồ hóa.
b) Sự biến đổi Xenluloza và Hemixenluloza
Trong quá trình nấu ở môi trường axit nhẹ, xenluloza không bị phân thủy phân. Hemixenluloza được tạo thành bởi các gốc đường pentoza (C5) một phần có thể bị thủy phân. Sự thủy phân này bắt đầu xảy ra khi nấu nguyên liệu và chuẩn bị hỗn hợp (dưới tác dụng của men xitaza) và tiếp tục xảy ra trong quá trình nấu (dưới tác động của ion H+) tạo ra dextrin, các hợp chất cao phân tử (rất ít), và đường pentoza (xyloza, arabinoza).
c) Sự biến đổi của đường, tinh bột và một số chất khác
Sự biến đổi của tinh bột và đường có ý nghĩa rất quan trọng trong sản xuất rượu. Khi nấu, một phần tinh bột bị thủy phân dưới tác động của enzyme amylaza thành dextrin và đường maltoza.
Đường glucoza, frutoza, saccaroza là đường chủ yếu có sẵn trong nguyên liệu, còn đường maltoza được tạo thành trong quá trình nấu. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao đường sẽ bị thủy phân tạo thành melanoidin, các sản phẩm caramen hóa,…gây sẫm màu và giảm chất lượng khối nấu. Protit và chất béo hầu như không bị thay đổi trong quá trình nấu.
3.2.2.3.3. Tiến hành [ 7, tr 52-54]
Hình 3.3. Hệ thống Misurin.
1.Gàu tải hạt, 2.Gàu tải củ, 3.Thiết bị tách tạp chất kim loại, 4.Phểu chứa hạt, 5.Vít tải định lượng hạt, 6.Van điều chỉnh nước, 7.Máy nghiền hạt, 8.Cân định lượng củ, 9. Máy thái củ, 10.Thiết bị trộn và nấu sơ bộ, 11. Bơm chuyển hỗn hợp nấu, 12. Ống góp hơi chính, 13. Bộ tiếp xúc nhiệt, 14. Nồi nấu chín. 15. Nồi Nấu chín thêm, 16. Phao điều chỉnh mức, 17.Thiết bị tách hơi thứ.
Nguyên liệu sau khi nghiền được hòa trộn với nước theo một tỉ lệ nhất định tại thùng hòa bột rồi đưa vào nồi nấu sơ bộ .Trong quá trình nấu có bổ sung enzyme Termamyl với tỉ lệ 0,03% so với tổng lượng tinh bột. Tại nồi nấu sơ bộ khối nấu được nâng lên 80÷850C trong 10÷15 phút đây là nhiệt độ thích hợp cho hoạt động của enzyme α-amylaza để phân cắt mạch tinh bột. Tiếp đó khối nấu nhờ bơm pittông bơm sang thiết bị phun dịch hóa tại đây khối nấu tiếp xúc với hơi nhiệt ở áp suất cao và nhiệt độ cao làm cho cấu trúc tinh bột bị phá vỡ, làm cho khối cháo mịn hơn, qua thiết bị này nhiệt độ khối nấu đạt 94÷960C. Sau đó khối nấu tiếp tục được bơm sang nồi nấu chín , theo đó dịch cháo chảy từ trên xuống còn hơi chính được
cấp từ dưới lên do đi ngược chiều nên sẽ làm cho dịch cháo được khuấy mạnh và đun nóng tới mức độ cần thiết. Ở mỗi nồi nấu chín thì khối nấu sẽ được giữ ở nhiệt độ 100÷1050C trong khoảng thời gian từ 25÷30 phút. Hệ thống chín gồm 6 nồi nấu chín. Việc điều chỉnh mức khối nấu nhờ phao điều chỉnh . Hơi thứ tách ra ở nồi nấu chín được tách ở thiết bị tách hơi được thu hồi và cung cấp cho nồi nấu sơ bộ.
Ở nồi nấu chín, dịch được cho vào theo cửa (b). Ở giữa nồi nấu có một vách ngăn chia nồi nấu thành 2 phần nhưng ở đáy lại thông nhau. Dịch đi vào phía trên theo cửa (b) của nồi rồi chảy xuống đáy sau đó tràn qua ngăn kia cho đến khi đầy thì chảy chuyền sang nồi khác qua cửa (d). Phía dưới đáy nồi có van xả đáy (e) để xả dịch nấu khi có trường hợp bị sự cố.
Ta có : + Thời gian nấu sơ bộ: 15 phút.
+ Thời gian đem đi phun dịch hóa: 15 phút. + Thời gian nấu chín: 180 phút.
+ Thời gian xông hơi tiệt trùng: 30 phút. Vậy tổng thời gian nấu một mẻ: 240 phút Số mẻ nấu trong một ngày: 6
240 60
24× = mẻ
3.2.2.4. Đường hóa
3.2.2.4.1. Mục đích [7, tr 62]
Dùng enzym amylaza chuyển hóa tinh bột phân tán trong dịch hồ hóa trong quá trình nấu thành đường lên men được, quyết định hiệu suất lên men, khâu này là khâu then chốt trong sản xuất cồn. Muốn đạt hiệu quả cao trong quá trình thủy phân tinh bột thì vấn đề quan trọng trước tiên là chọn tác nhân đường hóa.
3.2.2.4.2. Tiến hành
Quá trình đường hoá dịch cháo nấu có thể thực hiện gián đoạn hay liên tục.
Ta chọn phương pháp đường hóa liên tục tác nhân đường hóa enzyme amylaza.
Ở đây dịch cháo đi trong ống còn nước làm nguội đi bên ngoài ống thực hiện quá trình trao đổi nhiệt làm cho nhiệt độ của dịch cháo giảm xuống to=60÷620C. Sau đó dịch cháo liên tục đưa vào thùng đường hóa. Quá trình đường hóa có bổ sung dịch enzyme Spirit và H2SO4 nhờ bộ phận phân phối. Thời gian đường hóa kéo dài khoảng 30 phút, sau đó dịch đường được làm lạnh đến nhiệt độ lên men. Quá trình làm lạnh dịch đường đến nhiệt độ lên men cũng được thực hiện trong thiết bị làm nguội ống lồng ống. Sau khi đường hoá và làm nguội xong thì 10% dịch đường được đưa sang phân xưởng nhân giống nấm men, 90% còn lại được đưa vào thùng lên men.
3.2.2.5. Lên men
3.2.2.5.1. Mục đích [7, tr 107]
Quá trình lên men chính là quá trình chuyển hoá các chất đường và dextrin thấp phân tử trong dịch lên men thành C2H5OH, CO2 và một số chất hữu cơ khác nhờ hoạt động của nấm men. Đồng thời lên men còn tạo các sản phẩm phụ như este, axit hữu cơ, rượu bậc cao, aldehit, glyxerin… hoà tan vào dịch lên men.
3.2.2.5.2. Tiến hành
Chuẩn bị giống:
+ Từ ống gốc đến 10L thường thực hiện trong phòng thí nghiệm
Môi trường nuôi cấy ở 10mL, 100mL: Môi trường nuôi cấy ở giai đoạn này thường dùng malt đại mạch.
+ Từ 10L thực hiện trong phân xưởng sản xuất
- Thao tác thực hiện: Men giống được nuôi cấy ở môi trường thạch nghiêng. Khi đã có men giống và đã chuẩn bị môi trường xong, ta tiến hành cấy chuyền nấm men giống từ môi trường thạch nghiêng sang môi trường dịch thể 10 ml. Sau đó nuôi trong tủ ấm, duy trì nhiệt độ 28 ÷320C và giữ trong thời gian 20÷24 giờ.
Ống giống gốc ống nghiệm 10mL bình nuôi 100mL bình cầu 1000mL bình 10L thùng 100L thùng 1000L đủ lượng giống yêu cầu
Sau thời gian đó thì ta chuyển nấm men từ ống nghiệm 10ml sang bình 100ml, 1000ml cũng đã chứa môi trường dinh dưỡng đã được chuẩn bị trước, thời gian nuôi cấy 12 giờ.
Tiếp tục, chuyển sang nuối cấy ở bình 10l, sau 10÷12 giờ thì chuyển sang nuôi cấy ở các thiết bị lớn hơn.
-Tiến hành lên men: [7, tr 152] Sử dụng phương pháp lên men liên tục:
Dịch cháo và dịch nấm men giống được cho vào thùng đầu gọi là thùng lên men chính, luôn chứa một lượng lớn tế bào trong 1ml dung dịch. Khi đầy thùng đầu thì dịch lên men sẽ chảy tiếp sang các thùng bên cạnh và cuối cùng là thùng chứa giấm chín.
Sơ đồ gồm hai thùng nhân giống nấm men cấp 1 và một thùng nhân giống nấm men cấp 2, một thùng lên men chính và có khoảng 6÷8 thùng lên men tiếp theo. Thùng nhân giống cấp 1 được đặt trên thùng nhân giống cấp 2 để dễ dàng tự chảy. Thùng nhân giống cấp 2 cũng được đặt cao hơn so với thùng lên men chính.
Khi bắt đầu sản xuất ta chuẩn bị nấm men giống ở 2 thùng cấp 1 lệch nhau khoảng 3÷4 giờ. Khi nấm men giống ở thùng nhân giống nấm men cấp 1 đạt yêu cầu thì tháo xuống thùng cấp 2. Thùng vừa giải phóng cần vệ sinh, thanh trùng và đổ
đầy dịch đường mới. Tiếp đó thanh trùng ở 750C rồi axit hoá tới độ chua 1,8÷2,4g H2SO4/l. Sau đó làm lạnh đến nhiệt độ nhân giống rồi cho 25÷30% lượng nấm men giống ở thùng cấp 1 còn lại vào và để cho lên men đến độ biểu kiến 5÷6%. Lượng nấm men giống còn lại ở thùng cấp 1 tháo hết xuống thùng cấp 2. Sau khi vệ sinh và thanh trùng lại tiếp tục chu kỳ nhân giống khác.
Ở thùng nhân giống nấm men cấp 2 tiếp tục cho dịch đường tới đầy và axit hoá tới độ chua 1÷1,25g H2SO4/l rồi để cho lên men tiếp tới độ lên men biểu kiến còn 5÷6%. Cho toàn bộ dịch ở thùng cấp 2 vào thùng lên men chính rồi liên tục cho dịch đường vào. Dịch lên men sẽ tiếp tục chảy từ thùng lên men chính sang các thùng bên cạnh và đến thùng cuối cùng ta thu được giấm chín. Tổng thời gian lên men là 70÷72 giờ, nhiệt độ lên men ở thùng lên men chính ( 25÷270C), hai thùng tiếp theo (27÷300C), các thùng còn lại ( 27÷280C).
Ưu điểm lớn nhất của phương pháp lên men này là dùng một lượng men giống lớn ở thùng lên men chính nên lên men xảy ra nhanh, hạn chế sự tạp nhiễm.
Nhược điểm: Yêu cầu công nghệ cao, ổn định các điều kiện sản xuất như dịch đường, men giống, kĩ thuật thao tác cao. Phương pháp lên men này dễ nhiễm khuẩn hoàng loạt dẫn đến giảm hiệu suất lên men.
3.2.2.6. Chưng cất và tinh chế 3.2.2.6.1. Mục đích
Chưng cất: Chưng cất là quá trình tách cồn cùng các chất dễ bay hơi ra khỏi giấm chín để thu được cồn thô và bã rượu.
Tinh chế là quá trình tách các tạp chất ra khỏi cồn thô và nâng cao nồng độ cồn và cuối cùng nhận được cồn tinh chế.
3.2.2.6.2. Tiến hành
Hình 3.5.Sơ đồ chưng ba tháp gián tiếp một dòng. Ghi chú : 1.Thùng chứa dấm chín. 7.Bình làm lạnh ruột gà.
2.Bình hâm dấm. 8.Tháp trung gian ( tháp aldehyt). 3.Bình tách CO2 9,10.Bình ngưng tụ.
4.Tháp thô. 11.Tháp tinh chế.
5.Bình chống phụt giấm. 12. Bình ngưng tụ hồi lưu. 6.Bình ngưng tụ cồn thô. 13.Bình làm lạnh sản phẩm. * Thuyết minh qui trình chưng cất và tinh chế:
Giấm chín được bơm lên thùng chứa giấm chín (1), sau đó tự chảy vào các bình hâm giấm (2). Ở đây giấm chín được hâm nóng 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 ngoài. Tháp thô được đun bằng hơi trực tiếp, hơi rượu đi từ dưới lên, giấm chảy từ trên xuống nhờ đó quá trình chuyển khối
được thực hiện, sau đó hơi rượu ra khỏi tháp và được ngưng tụ ở (2) và (6) rồi qua (7) ra ngoài. Chảy xuống tới đáy nồng độ rượu trong giấm còn khoảng 0,015 ÷ 0,03%V được thải ra ngoài gọi là bã rượu. Muốn kiểm tra rượu sót trong bã ta phải ngưng tụ dạng hơi cân bằng với pha lỏng. Hơi ngưng tụ có nồng độ 0,4÷0,6% là đạt yêu cầu. Nhiệt độ của tháp thô 103 ÷ 1050C.
Phần lớn rượu thô (90 ÷ 95%) liên tục đi vào tháp aldehyt số (8). Tháp này cũng dùng hơi trực tiếp, hơi ruợu bay lên được ngưng tụ và hồi lưu đến 90%, chỉ điều chỉnh lượng nước làm lạnh và lấy ra khoảng 3 ÷ 5% gọi là cồn đầu. Một phần rượu thô (5 ÷ 10%) ở (6) hồi lưu vào đỉnh tháp aldehyt vì chứa nhiều tạp chất.
Sau khi tách bớt tạp chất, rượu thô từ đáy tháp aldehyt số (8) liên tục đi vào tháp tinh (11) với nồng độ 35 ÷ 40%V. Tháp tinh chế (11) cũng được cấp nhiệt bằng hơi trực tiếp (có thể gián tiếp), hơi bay lên được nâng dần nồng độ sau đó ngưng tụ ở (12) rồi hồi lưu lại 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 lấy ra ở dạng lỏng cách đĩa hồi lưu 3 đến 5 đĩa và được làm lạnh ở (13).
Nhiệt độ đáy tháp aldehyt duy trì ở nhiệt độ 78÷790C. Nhiệt độ thân tháp tinh ở vị trí cách đĩa tiếp liệu 3÷4 đĩa về phía trên khống chế ở 82÷830C.
Sơ đồ trên được gọi là gián tiếp một dòng vì sản phẩm đi vào các tháp chỉ có một dòng chất lỏng duy nhất. Còn gọi là gián tiếp vì bản thân dòng chất lỏng không chứa ẩn nhiệt bay hơi.
Sơ đồ gián tiếp một dòng có ưu điểm là đễ thao tác, chất lượng cồn tốt và ổn định nhưng tốn hơi.
CHƯƠNG 4 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 4.1. Biểu đồ nhập liệu
Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Nguyên liệu x x x x x x x 0 x x x x
Nhà máy làm việc 11 tháng trong năm, tháng 8 ngừng hoạt động để vệ sinh, sửa chữa thiết bị hư hỏng và bảo dưỡng các thiết bị khác nhằm làm cho quá trình sản xuất được hiệu quả hơn. Trong năm nghỉ các ngày chủ nhật và các ngày lễ lớn (1/1, 4 ngày tết âm lịch, 10/3 âm lịch, 30/4, 1/5, 2/9).
4.2. Biểu đồ sản xuất của nhà máy
Do đặc điểm của quá trình sản xuất nên nhà máy làm việc một ngày 3 ca, số ngày sản xuất 1 năm được tính bằng số ngày trong năm trừ đi các các ngày lễ, tết.
Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Số ngày sản xuất 26 28 31 29 30 30 31 0 29 31 30 31 Số ca sản xuất 78 84 93 87 90 90 93 0 87 93 90 93
Tổng số ngày sản xuất: 326 ngày, tổng số ca sản xuất: 978 ca.
4.3. Tính cân bằng sản phẩm
4.3.1. Các thông số ban đầu
- Năng suất: 60.000 lít cồn 96o/ ngày.
- Thành phần nguyên liệu: 100% sắn lát khô.
- Nồng độ chất khô của dịch sau khi nấu: 18%, nồng độ dịch lên men: 16%.
- Hiệu suất đường hoá: 98%.
- Hiệu suất lên men: 98%.
- Hiệu suất chưng cất tinh chế: 97%.
- Hiệu suất thu hồi:
η =ηdh×ηlm×ηcc =0,98×0,98×0,97=0,931=93,1%
Bảng 4.1. Bảng hao hụt và tổn thất qua các công đoạn
STT Công đoạn Hao hụt và tổn thất
1 Làm sạch 2% 2 Nghiền 0,5% 3 Nấu sơ bộ 1% 4 Phun dịch hóa 0,5% 5 Nấu chín 1% 6 Tách hơi 0,5% 7 Làm nguội 0,5% 8 Đường hóa 2% 9 Làm lạnh 0,5% 10 Lên men 2% 11 Chưng cất 1% 12 Tinh chế 1%
Bảng 4.2. Bảng độ ẩm và hàm lượng tinh bột trong nguyên liệu
Nguyên liệu Độ ẩm Chất khô Tinh bột
Sắn 13% 87% 73%
4.3.2.Tính toán cân bằng vật chất
4.3.2.1. Công đoạn làm sạch
Khối lượng nguyên liệu đem vào làm sạch: M (kg) Lượng nguyên liệu thu được sau làm sạch:
m = M × − =0,98×M 100 ) 2 100 ( 1 (kg)
Khối lượng chất khô có trong nguyên liệu sau làm sạch:
M M m mCK = × = × × =0,853× 100 87 98 , 0 100 87 1 1 (kg)
Khối lượng tinh bột có trong nguyên liệu sau làm sạch:
M M m mTB = × = × × =0,715× 100 73 98 , 0 100 73 1 1 (kg)
Khối lượng nước có trong nguyên liệu sau làm sạch:
M M m mHO = × = × × =0,127× 100 13 98 , 0 100 13 1 ) 1 ( 2 (kg)
4.3.2.2. Công đoạn nghiền
Khối lượng nguyên liệu thu được sau khi nghiền: