5. Bố cục của luận văn
1.5. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRÍCH LY
1.5.1. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình trích ly
Trích ly là quá trình tách chất hòa tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng một chất lỏng khác nhƣng vẫn giữ đầy đủ thành phần và tính chất của nó.[7]
Trích ly chất màu tự nhiên ứng dụng trong công nghệ nhuộm là quá trình trích ly rắn lỏng, là phƣơng pháp tách một hay một số chất ra khỏi nguyên liệu dựa vào đặc tính của chất tan cần chiết và dung môi, là sự phân bố giữa hai pha không trộn lẫn vào nhau: một pha lỏng và một pha rắn tạo cân bằng rắn-lỏng. Dung môi
phân cực sẽ tách đƣợc chất phân cực còn dung môi không phân cực sẽ tách chất không phân cực. Khi nguyên liệu và dung môi tiếp xúc với nhau, lúc đầu dung môi thấm vào nguyên liệu, sau đó hòa tan những chất tan có trong tế bào nguyên liệu rồi đƣợc khuếch tán ra ngoài tế bào. Trong quá trình trích ly sẽ xảy ra một số quá trình nhƣ khuếch tán, thẩm thấu, hòa tan…và chịu sự ảnh hƣởng của nhiều yếu tố nhƣ nhiệt độ trích ly, thời gian trích ly, tỷ lệ rắn-lỏng, độ mịn của nguyên liệu. Quá trình trích ly đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học, thực phẩm cũng nhƣ trong ngành dƣợc [7]. Lựa chọn dung môi để trích ly muốn chiết hợp chất ra khỏi cây cỏ cần lựa chọn dung môi thích hợp. Dung môi đƣợc chọn phải có các điều kiện sau: trung tính, không độc, không quá dễ cháy, hòa tan đƣợc hợp chất cần khảo sát, sau khi chiết tách xong dung môi đó có thể đƣợc loại bỏ hoặc thu hồi dễ dàng. Cơ sở để lựa chọn dung môi trích ly là độ phân cực của các hợp chất chứa trong nguyên liệu và độ phân cực của dung môi [7].
Muốn chiết hợp chất ra khỏi nguyên liệu thô ngoài chọn dung môi phù hợp còn phải chú ý việc sử dụng kỹ thuật trích ly phù hợp (chiết ngâm, soxhlet… ) sao cho đạt hiệu quả chiết hợp chất hữu cơ từ nguyên liệu thô cao nhất. Mỗi phƣơng pháp trích ly có ƣu nhƣợc điểm khác nhau, tùy thuộc hợp chất hữu cơ muốn chiết mà chọn phƣơng pháp phù hợp, dễ tiến hành mà thu đƣợc hiệu quả chiết mong muốn.
1.5.2. Các phƣơng pháp trích ly
a. Phương pháp trích ly ngâm (chiết ngâm)
Phƣơng pháp trích ly chiết ngâm hay còn gọi là đun cách thủy đƣợc tiến hành ở nhiệt độ dƣới 100 oC, ở áp suất 1 atm (hay 101.325 Pa) , là phƣơng pháp tƣơng đối đơn giản và dễ lắp đặt, gia nhiệt gián tiếp qua nƣớc, tránh hiện tƣơng quá nhiệt khi đun nóng, hạn chế đƣợc hiện tƣợng cháy chất cần đun. Bên cạnh đó, sử dụng nhiệt gián tiếp từ nƣớc sẽ góp phần kiểm soát đƣợc nhiệt độ và giảm nhiệt nhanh nếu tăng cao hơn so với nhiệt độ khảo sát [7]. Phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng nhiều trong công nghệ tách chất màu tự nhiên từ thực vật.
Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện trên hệ thống Soxhlex nhƣ hình 1.13: nguyên liệu xay thô đƣợc đặt trực tiếp trong ống (4) hoặc tốt nhất là đặt trong một túi vải để dễ lấy nguyên liệu ra. Lƣu ý đặt vài viên thủy tinh dƣới đáy ống (4) để tránh làm nghẹt lối ra vào của ống thông nhau(6). Rót dung môi đã lựa chọn vào bình cầu bằng cách tháo hệ thống ở chỗ nút mài số (2), nhƣ vậy dung môi sẽ thấm ƣớt nguyên liệu rồi xuống bình cầu, ngang qua ngõ ống thông nhau (6).
Mở cho nƣớc chảy hoàn lƣu trong ống ngƣng hơi. Sử dụng bếp điện và điều chỉnh nhiệt sao cho dung môi trong bình cầu sôi nhẹ đều. Dung môi tinh khiết khi đƣợc đun nóng sẽ bốc hơi lên cao, theo ống (3) lên cao hơn, rồi theo ống ngƣng hơi lên cao nữa, nhƣng tại đây hơi dung môi bị ống ngƣng hơi làm lạnh, ngƣng tụ thành thể lỏng, rớt thẳng xuống ống (4) càng nhiều, mức dung môi lên cao trong ống (4) và cũng đồng thời dâng cao trong ống (6), vì đây là ống thông nhau. Đến một mức cao nhất trong ống (6), dung môi sẽ bị hút về bình cầu (1) lực hút này sẽ rút hết lƣợng dung môi đang chứa trong ống (4). Bếp vẫn tiếp tục đun và một quy trình mới vận chuyển dung môi theo nhƣ mô tả lúc đầu. Các hợp chất đƣợc hút xuống bình cầu nằm tại đó, chỉ có dung môi tinh khiết là đƣợc bốc hơi bay lên để tiếp tục quá trình trích ly. Tiếp tục đến khi chiết kiệt chất trong nguyên liệu .
Kiểm tra sự chiết kiệt bằng cách tắt máy để nguội và mở hệ thống chỗ nút mài (8), rút lấy một giọt dung môi và thử trên mặt kiếng, nếu thấy không còn vết gì trên kiếng là đã chiết kiệt. Sau khi hoàn tất, lấy dung môi trích ly ra khỏi bình cầu (1), đuổi dung môi, thu đƣợc cao chiết.
(1)-Bình cầu đặt trong bếp đun có thể điều chỉnh nhiệt độ
(3)-Dẫn dung môi từ bình (1) bay lên đi vào ống (4) chứa nguyên liệu
(6)- Là ống thông nhau để dẫn dung môi từ (4) trả ngƣợc trở lại bình cầu (1) (9)- Ống ngƣng tụ hơi.
Ưu điểm:
- Tiết kiệm dung môi, chỉ một lƣợng ít dung môi mà chiết kiệt đƣợc mẫu cây. Không phải tốn công lọc và châm dung môi mới.
- Không tốn các thao tác lọc và châm dung môi mới nhƣ các kỹ thuật khác.Chỉ cần cắm điện, mở nƣớc hoàn lƣu là máy sẽ thực hiện sự chiết.
- Chiết kiệt hợp chất trong nguyên liệu vì nguyên liệu hữu cơ luôn đƣợc liên tục chiết bằng dung môi tinh khiết.
Nhược điểm:
- Kích thƣớc của máy Soxhlex làm giới hạn lƣợng nguyên liệu cần chiết. Máy loại lớn nhất với bình cầu dung tích 15 lít,có thể chứa một lần đến 10 lít dung môi; ống D có thể chứa 800 gram nguyên liệu xay nhỏ. Với máy nhỏ hơn, chỉ có thể cho vào mỗi lần vài trăm gram nguyên liệu, muốn chiết lƣợng lớn cần phải lặp lại nhiều lần.
- Trong quá trình trích ly, các hợp chất chiết ra từ nguyên liệu hữu cơ đƣợc trữ lại trong bình cầu, nên chúng luôn bị đun nóng ở nhiệt độ sôi của dung môi vì thế các hợp chất kém bền nhiệt có thể bị hƣ hại ví dụ nhƣ carotenoid.
c. Phương pháp có sự hỗ trợ của vi sóng
Vi sóng ( Microwave) là sóng điện từ lan truyền trong không gian với vận tốc ánh sáng, có độ dài sóng từ 1cm đến 1m ( tƣơng ứng với tần số 300Mhz đến 32 Ghz). Vi sóng gồm hai thành phần điện trƣờng và từ trƣờng, nhƣng chỉ có điện trƣờng là có thể chuyển thành nhiệt để đun nóng; mọi tƣơng tác với từ trƣờng trong trƣờng hợp này đều không có nhiều ý nghĩa quan trọng. Bản chất của điện trƣờng là có hƣớng nên có tác dụng rất lớn lên các phân tử có cực và làm các phân tử này thay đổi hƣớng theo sự biến đổi của điện trƣờng tạo ra sự quay phân tử. Sự quay này làm các phân tử va chạm vào nhau và nóng lên. Các phân tử phân cực thì càng
dễ bị làm nóng. Nƣớc có độ phân cực lớn, nó là dung môi lý tƣởng để làm nóng bởi vi sóng. Ngoài các nhóm phân cực trong hợp chất hữu cơ nhƣ –OH, -NH2,- COOH,…cũng chịu tác động tƣơng tự của điện trƣờng [21].
Hình 1.14. Mô tả sóng trong Microwave [28]
Vi sóng cung cấp một kiểu đun nóng không dùng sự truyền nhiệt thông thƣờng. Với kiểu đun nóng bình thƣờng, nhiệt truyền từ bề mặt của vật chất lẫn vào bên trong, còn trong trƣờng hợp sử dụng vi sóng, vi sóng xuyên thấu vật chất và làm nóng vật chất ngay từ bên trong. Vi sóng tăng hoạt những phân tử phân cực, đặc biệt là nƣớc. Nƣớc bị đun nóng do hấp thụ vi sóng bốc hơi tạo ra áp suất cao tại nơi bị tác dụng, đẩy nƣớc đi từ tâm vật đun ra đến bề mặt của nó [28]. Nhiệt độ và áp suất phụ thuộc vào năng lƣợng vi sóng, vào sự phân cực, tính bay hơi của dung môi, thể tích chiếm của dung môi trong bình và cả khí đƣợc sinh ra trong phản ứng. Chúng có khả năng làm giảm đáng kể thời gian phản ứng.
Đối với dung môi không phân cực thì sự gia tăng nhiệt độ và áp suất rất kém, chúng đặc trƣng bởi hằng số điện môi.
Trong các phản ứng hóa học bình thƣờng, vi sóng cung cấp động lực để tất cả các phân tử đủ năng lƣợng vƣợt qua hàng rào năng lƣợng. Thông thƣờng, năng lƣợng hoạt hóa cho các phản ứng trong tổng hợp hữu cơ vào khoảng 50kcal/mol [30]. Phƣơng pháp gia nhiệt truyền thống trong tổng hợp hữu cơ là đun nóng bình
thƣờng. Khi nguồn nhiệt bên ngoài, nhiệt sẽ truyền qua thành thiết bị, đối lƣu qua dung môi rồi mới truyền tới đối tƣợng mong muốn. Đây là quá trình chậm và không có hiệu quả. Đun nóng bằng vi sóng thì khác hẳn: vi sóng truyền nhiệt trực tiếp đến từng phân tử, sự gia tăng nhiệt độ đạt đƣợc nhanh chóng vì sự dẫn nhiệt không phụ thuộc vào thành vật chứa [28].
Quá trình chuyển hóa năng lƣợng điện từ thành năng lƣợng nhiệt gồm 2 cơ chế: Cơ chế quay phân tử: khi có một điện trƣờng thì phân tử quay theo chiều của điện trƣờng, đầu (+) của phân tử quay về cực (-) của điện trƣờng. Cơ chế chuyển dần ion: nhiệt sinh ra do sự chuyển dần ion, là kết quả của sự gia tăng trở kháng của môi trƣờng chống lại sự dịch chuyển các ion trong trƣờng điện từ. Một hỗn hợp vật chất khi bị chiếu xạ bởi vi sóng, nếu vật chất đó càng phân cực thì sự chuyển động của ion càng nhiều, nhiệt sinh ra càng lớn [21].
Một trong những ƣu điểm nổi bật của vi sóng là tốc độ gia nhiệt rất nhanh. Sự truyền năng lƣợng của vi sóng gián đoạn với thời gian 10-9 giây. Năng lƣợng đó nếu một phân tử hấp thu đƣợc phải mất 10-5 giây mới có thể đƣa về trạng thái bình thƣờng. Nhƣ vậy, năng lƣợng đƣợc cung cấp với tốc độ lớn hơn tốc độ giải phóng sẽ tạo một trạng thái không cân bằng về năng lƣợng, kết quả là nhiệt độ tăng lên nhanh chóng và phản ứng sẽ dịch chuyển. Thời gian tồn tại của phức chất hoạt động thƣờng ngắn hơn 10-9
giây nên không gây ảnh hƣởng đến cơ chế phản ứng. Những chất trung gian có thời gian tồn tại lớn hơn 10-9 giây sẽ hấp thu vi sóng do đó sẽ thúc đẩy chuyển đến trạng thái tạo sản phẩm, ngoài ra các chất trung gian thông thƣờng không phân cực hoặc các hợp chất ion nên chúng dễ dàng hấp thu năng lƣợng vi sóng. Việc sử dụng vi sóng còn có thể làm thay đổi thành phần hóa học của sản phẩm tạo thành. Nhƣ vậy, sự đun nóng của lò vi sóng là sự đun nóng nội tại từ bên trong khối vật chất, nên có thể đạt đƣợc nhiệt độ cao trong thời gian ngắn [24],[29].
Hình 1.15. Cấu tạo của lò vi sóng [28]
Lò vi sóng có hai loại: Lò vi sóng gia dụng (Multimode) thƣờng dùng để nấu nƣớng vì sóng tỏa rộng khắp lò. Sự chiếu xạ bên trong lò không đồng đều nên trƣớc khi thực hiện phản ứng trong lò cần phải dò tìm vị trí bức xạ tập trung nhiều nhất. Và lò vi sóng chuyên dùng (Monomode) thì bức xạ vi sóng chiếu thẳng hội tụ vào mẫu phản ứng nhờ một ống dẫn sóng. Việc chuyển đổi lò vi sóng cũng nhƣ quá trình nghiên cứu trong công nghệ hóa học nói chung. Lò vi sóng do Percy Spencer phát minh đầu tiên 1947 [10]. Tuy nhiên, mãi đến năm 1978 Michael.J.Collin mới thiết kế lò vi sóng đầu tiên áp dụng cho phòng thí nghiệm phân tích. Sau đó hàng loạt thiết bị vi sóng đƣợc phát minh để phục vụ vào nghiên cứu cũng nhƣ phục vụ sản xuất công nghiệp [21].
Việc áp dụng năng lƣợng vi sóng hỗ trợ thực hiện phản ứng hóa học và chiết hợp chất tự nhiên hiện đang rất đƣợc quan tâm [30]. Các thiết bị vi sóng chuyên dụng rất đắt tiền nên việc trang bị các loại thiết bị này không đơn giản đối với các phòng thí nghiệm ở Việt Nam. Trong điều kiện đó, lò vi sóng gia dụng trở thành lựa chọn ƣu tiên vì chi phí trang bị và chuyển đổi công năng thấp. Hiện nay, nhiều phòng thí nghiệm ở Việt Nam đã bắt đầu đƣa lò vi sóng vào phục vụ cho nghiên cứu, tuy nhiên chỉ một vài phòng thí nghiệm tham gia cải tiến lò vi sóng gia dụng thành những thiết bị chuyên dùng phục vụ cho những mục đích chuyên ngành.
Hình 1.16. Hệ thống lò vi sóng gia dụng sử dụng trích ly hợp chất màu tự nhiên.
Trên cơ sở “ Nghiên cứu chuyển đổi lò vi sóng gia dụng thành thiết bị chiết hợp chất tự nhiên và thực hiện tổng hợp hữu cơ”[10] tiếp tục nghiên cứu chuyển đổi lò vi sóng gia dụng thành thiết bị chiết ngâm có sự chiếu xạ vi sóng. Lò vi sóng gia dụng đƣợc chuyển đổi thành thiết bị chiết- vi sóng, sử dụng vào việc hợp chất tự nhiên. Các quá trình trích ly nói trên cũng đƣợc thực hiện song song trên hệ thống chiết ngâm và hệ thống soxhlet.
Ưu điểm: Giảm đáng kể thời gian trích ly xuất, chỉ khoảng vài giây đến vài
phút, sản phẩm trích ly chất lƣợng tốt, giảm lƣợng dung môi sử dụng, cải thiện hiệu suất chiết, khả năng tự động hóa và độ chính xác cao, thích hợp với các chất kém bền nhiệt, thiết bị dễ sử dụng, an toàn và bảo vệ môi trƣờng, có tác dụng đặc biệt với các phân tử phân cực.
Nhược điểm: Nhiệt độ sôi của các dung môi đạt đƣợc rất nhanh có thể gây
nổ, không áp dụng cho các phân tử không phân cực, khó áp dụng cho quy mô công nghiệp vì đầu tƣ cho thiết bị vi sóng là không nhỏ để có đủ công suất.
1.5.3. Trích ly chất màu tự nhiên từ hạt cau- ứng dụng trong công nghệ nhuộm vải vải
Trích ly chất màu từ hạt cau là quá trình trích ly rắn lỏng. Trong quá trình này, dung môi tiếp xúc trực tiếp với nguyên liệu, hòa tan và vận chuyển chất màu vào dung môi, thƣờng xảy ra các hiện tƣợng hòa tan, khuếch tán, thẩm thấu.Vì vậy
tốc độ của quá trình này phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố nhƣ: hình dạng, kích thƣớc, thành phần, cấu trúc bên trong của vật thể rắn, tính chất hóa lý và chế độ thủy động của dung môi, kiểu thiết bị, phƣơng pháp trích ly, tỷ lệ rắn lỏng, thời gian và nhiệt độ trích ly.
Động lực của quá trình trích ly chất màu là sự chênh lệch nồng độ của các hợp chất mang màu trên bề mặt nguyên liệu và nồng độ của chúng trong dịch chiết . Trạng thái cân bằng đạt đƣợc khi thế hóa của cấu tử hòa tan ở trong chất rắn bằng thế hóa của nó ở trong dung dịch ở cùng nhiệt độ. Khi đó nồng độ của dung dịch tƣơng ứng với nồng độ bão hòa gọi là độ hòa tan. Phƣơng trình cấp khối hay tốc độ của quá trình trích ly có dạng:
(1.4)
Trong đó: M là lƣợng cấu tử phân bố, F là bề mặt tiếp xúc pha tại thời điểm t; β là hệ số cấp khối; Cbh là nồng độ cấu tử hòa tan ở bề mặt chất rắn, tại nồng độ này cân bằng đƣợc thiết lập rất nhanh; Co là nồng độ trung bình chất rắn hòa tan trong dung dịch.
Cơ chế của quá trình chuyển khối trong hệ rắn lỏng rất phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Nếu gọi D là hệ số khuếch tán phân tử thì hệ số cấp khối β=D/δ tỷ lệ nghịch với chiều dày của lớp màng chảy dòng δ ở sát bề mặt vật thể rắn, tức là phụ thuộc vào chế độ thủy động của dung môi.
Hình 1.17. Sự thay đổi nồng độ của các cấu tử mang màu gần bề mặt nguyên liệu (a) và xác định tốc độ quá trình trích ly rắn- lỏng (b).[2]
Ngoài ra, kích thƣớc của hạt rắn càng giảm thì tốc độ của quá trình trích ly càng tăng, do tăng bề mặt tiếp xúc pha và giảm đoạn đƣờng khuếch tán trong các hạt rắn. Tuy nhiên, kích thƣớc của các hạt rắn càng giảm thì năng lƣợng tiêu tốn cho quá trình nghiền càng tăng, do đó phải chọn kích thƣớc hạt rắn thích hợp. Tỷ lệ giữa lƣợng dung môi và lƣợng chất rắn ảnh hƣởng lớn đến tốc độ khuếch tán. Tỷ lệ này