Chưng cất là quá trình tách rượu và các tạp chất dễ bay hơi khỏi giấm chín. Kết quả ta nhận được rượu thô hoặc cồn thô. Tinh chế hay tinh luyện là quá trình tách các tạp chất khỏi cồn thô và nâng cao nồng độ cồn. San phẩm thu được gọi là cồn tinh chế hay cồn thực phẩm có nồng độ trong khoảng 95.5% - 96.5% V. Cồn thực phẩm có chứa rất ít các tạp chất. Xét về cảm quan, cả ba loại cồn đều phải trong suốt, không có màu, có mùi đặc trưng cho từng loại nguyên liệu, không được có mùi vị lạ.
Cồn thô nhận được sau khi chưng cất còn chứa rất nhiều tạp chất (trên 50 chất), có cấu tạo và tính chất khác nhau. Trong đó gồm các nhóm chất như: aldehyt, este, slcol cao phân tử và các acid hữu cơ. Hàm lượng chung của các tạ chất không vượt quá 0.5% so với khối lượng cồn etylic.
Theo quan điểm tinh chế cồn, người ta chia tạp chất thành ba loại: tạp chất đầu, tạp chất trung gian và tạp chất cuối:
- Tạp chất đầu gồm các chất dễ bay hơi hơn alcol etylic ở nồng độ bất kì, nghĩa là hệ số bay hơi lớn hơn hệ số bay hơi của rượu. Các chất có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của alcol etylic gồm: aldehyt axetic, axetat etyl, axetat metyl, formiat etyl, andehyt butyric.
- Tạp chất cuối gồm các alcol cao phân tử như alcol amylic, acol izoamylic, izobutyric, propylic, izopropylic. Ở khu vực nồng độ cao của etylic, các tạp chất cuối có độ bay hơi kém hơn so với độ bay hơi của alcol etylic. Ở khu vực nồng độ etylic thấp, độ bay hơi của tạp chất cuối có thể nhiều hơn so với alcol etylic. Tạp chất cuối điển hình nhất là acid axetic, vì rằng độ bay hơi của nó kém hơn alcol etylic ở tất cả mọi nồng độ.
- Tạp chất trung gian có hai tính chất, vừa có thể là tạp chất đầu vừa có thể là tạp chất cuối. Ở nồng độ cao của alcol etylic nó là tạp chất cuối. Ở nồng độ alcol thấp chúng có thể trở thành tạp chất đầu. Đó là các chất: izobutyrat etyl, izovalerat etyl, izovalerat, izozmyl và axetat izoamyl.
Muốn tách cồn thô khỏi giấm chín và sau đó tinh chế nó để nhận được cồn có chất lượng cao, người ta có thể thực hiện theo phương pháp gián đoạn, bán liên tục hoặc liên tục trên các sơ đồ thiết bị khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp, tùy theo điều kiện vốn đầu tư và yêu cầu chất lượng đề ra của cơ sở sản xuất.
a.Chưng luyện gián đoạn :
Theo sơ đồ ở hình, giấm chín được bơm vào thùng chưng cất 1, sau đó mở hơi đun cho tới sôi, hơi rượu bay lên theo chiều cao tháp 2 được nâng cao nồng độ ra khỏi tháp vào thiết bị ngưng tụ và làm lạnh 3 rồi vào thùng chứa. Chưng gián đoạn có ưu điểm là đơn giản, dễ thao tác nhưng bộc lộ nhiều nhược điểm. Do thời gian cất phải mất 6 đến 8 giờ nên thùng chứa lớn, tốn vật liệu chế tạo mà năng suất lại thấp. Mặt khác giấm chín đưa vào không được đun nóng bằng nhiệt ngưng tụ của cồn thô nên tốn hơi. Nồng độ cồn không ổn định và giảm dần theo thời gian. Lúc đầu có thể đạt 75 đến 80% V, cuối chỉ còn 5 đến 6% V. nồng độ trung bình khoảng 20 đến 30%. Tổn thất rượu theo bã nhiều gấp 3 đến 4 lần so với chưng liên tục.
Chưng liên tục phép khắc phục các nhược điểm kể trên và đảm bảo hiệu quả kinh tế cao hơn. Hiện nay ở các nước tiên tiến không tồn tại sơ đồ chưng gián đoạn. Ở nước ta nhiều xí nghiệp nhỏ và các xưởng tư nhân cũng đang bỏ dần kiểu chưng lạc hậu và kém hiệu quả kinh tế này. Tinh chế cồn Cồn thô nhận được sau chưng cất còn chứa rất nhiều tạp chất. Do đó cần tinh chế nhằm tách tạp chất để nâng cao chất lượng và đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Đối cồn thô nhận được sau chưng cất, nếu đem tinh chế gián đoạn thì cần xử lý bằng hoá chất và dựa trên các phản ứng sau
Ngoài ra các acid tự do trong cồn thô cũng phản ứng với NaOH để tạo thành các muối không bay hơi và nước:
R1COOH + NaOH R1COONa + H2O RCOOC2H5 + NaOH RCOONa + C2H5OH
Để giảm bớt aldehyt và các hợp chất không no khác người ta dùng KMnO4 làm chất oxy hoá. Phản ứng có thể xảy ra trong môi trường kiềm yếu có pH = 8 – 9. trong điều kiện đó hai phân tử KMnO4 sẽ giải phóng 3 nguyên tử oxy sau đó oxy sẽ tham gia vào phản ứng oxy hoá:
Lượng NaOH và KMnO4 chỉ nên đủ, vì nếu thừa thì dễ dẫn đến alcol etylic bị oxy hoá thành acid và gây tổn thất. Muốn tránh cần định lượng tạp chất và tính toán cụ thể lượng hoá chất đưa vào. Trong thực tế ở các nơi không có điều kiện phân tích, có thể làm đơn giản như sau: pha loãng cồn thô tới nồng độ khoảng 50% V, sau đó dùng dung dịch NaOH 10% cho vào rồi khuấy đều, điều chỉnh pH = 8.5 – 9%; tiếp theo dùng dung dịch KMnO4 2% cho vào cồn thô và khuấy đều cho tới khi xuất hiện màu hồng đậm.
b. Chưng luyện gián đoạn.
2KMnO4 + 3CH3CHO + NaOH 2CH3COOH + CH3COONa + 2MnO2 + 2H2O
1. Thùng cất 2. Thân tháp
3. Bình ngưng tụ hồi lưu 4. Bình ngưng tụ làm lạnh
I. Cồn đầu II. Cồn 2a + 2b III. Sản phẩm chính IV. fusel
Để tinh chế ta cho cồn thô vừa xử lý vào thùng 1, dùng hơi trực tiếp và đun tới 80 – 90oC. đóng van hơi và để cho phản ứng 1 – 2 giờ, đồng thời mở nhỏ nước đủ ngưng tụ phần hơi rượu bay lên. Sau đó mở van hơi gián tiếp đun tới sôi, đồng thời mở nước đủ ngưng tụ toàn bộ hơi rượu đi vào 3, phần khí không ngưng qua 4 ra ngoài, nếu có rượu cần thu lại. Sau 30 đến 60 phút sôi và hồi lưu, với thời gian này các tạp chất dễ bay hơi được đẩy lên đỉnh tháp. Ta điều chỉnh hơi và nước làm lạnh lấy ra khoảng đầu. Lượng này còn chứa nhiều tạp chất đầu để riêng. Tiếp theo lấy ra khoảng 6 – 12% cồn 2a, cũng vẫn lẫn tạp chất đầu. Sau khi lấy cồn 2a ta điều chỉnh chỉ số hồi lưu và lấy sản phẩm chính II. Tùy theo chất lượng cồn ban đầu và mức chất lượng định ra của nhà máy, lượng sản phẩm chính có thể từ 60 – 80% so với tổng lượng cồn đưa vào tháp.
cùng ta lấy rượu fusel với số lượng 3 – 5%. Sơ đồ tinh chế gián đoạn tuy cho phép nhận được cồn có chất lượng nhưng hiệu suất thu hồi thấp, tốn và công sức lao động do phải cất lại, do đó hiện nay ít dùng. Để khắc phục các nhược điểm của chưng cất và tinh luyện gián đoạn, chúng ta có thể thực hiện theo sơ đồ bán liên tục sau đây:
1. Thùng cất thô 2. Thùng ngưng tụ cồn thô 3. thùng tạm chứa cồn thô 4. Tháp tinh chế 5. Bình ngưng tụ 6. Bình ngưng tụ 7. Bình làm lạnh 8. Bình làm lạnh
Lên men xong giấm chín được bơm vào thùng chứa 1. Vì làm việc gián đoạn nên phải bố trí hai thùng song song nhưng làm việc so le để ổn định phần nào nồng độ cồn thô trước khi vào tháp tinh. Thùng cất thô được đun trực tiếp bằng hơi có áp suất 0.8 – 1 kg/cm2. Hơi rượu bay lên được ngưng tụ ở hai rồi vào thùng 3, tiếp đó liên tục đi vào tháp tinh chế 4. Ở 4 cũng được đun bằng hơi trực tiếp, từ đĩa nhiên liệu xuống đáy nồng độ cồn giảm dần đến đáy tháp còn 0.015 – 0.03% rồi ra ngoài. Nhiệt độ đáy tháp phải 103 – 105oC. Hơi rượu bay lên được tăng dần nồng độ, phần lớn được ngưng tụ ở 5 rồi hồi lưu trở lại tháp. Một phần nhỏ chưa ngưng kịp còn chứa nhiều tạp chất đầu được đưa sang ngưng tụ tiếp ở 6 và lấy ra ở dạng cồn đầu. Cồn đầu chỉ để dùng pha vecni, làm cồn đốt, sát trùng hoặc đem xử lý và cất lại. Cồn sản phẩm lấy ra ở dạng lỏng cách đĩa hồi lưu khoảng 3 – 6 đĩa, được làm lạnh ở 7 rồi vào thùng chứa rồi vào kho. Cồn lấy ra ở đây tuy có nồng độ thấp hơn (0.3 – 0.5% V) so với hơi ở đỉnh nhưng ít este và aldehyt. Chất lượng cồn thu được hoàn toàn có thể thoả mãn TCVN – 1971.
c. Chưng luyện liện tục.
Chưng luyện liên tục có thể thực hiện theo nhiều sơ đồ khác nhau: 2 tháp, 3 tháp hoặc 4 tháp. Trên các sơ đồ này người ta lại chia thành chưng luyện theo hệ thồng 1 dòng (gián tiếp) hoặc 2 dòng (vừa gián tiếp vừa trực tiếp).
Hệ thống ba tháp làm việc gián tiếp:
Giấm chín được bơm lên thùng cao vị 1, sau đó tự chảy vào bình hâm 2. Ở đây giấm chín được hâm nóng bằng hơi rượu ngưng tụ đến nhiệt độ 70 – 80oC rồi chảy qua bình tách CO2 số 3 rồi vào tháp 4. Khí CO và hơi rượu bay lên
được 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 vào 6 rồi qua 7 rồi ra ngoài. Chảy xuống tới đáy nồng độ rượu trong giấm còn khoảng 0.015 – 0.030% V được thải ra ngoài gọi là bã rượu. Muốn kiểm tra rượu sót trong bã 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 đáy 103 – 105oC. Phần lớn rượu thô (90 – 95%) liên tục đi vào tháp aldehyt số 8. Tháp này dùng hơi trực tiếp, hơi rượu bay lên được ngưng tụ và hồi lưu đến 95%, chỉ điều chỉnh lượng nước làm lạnh và lấy ra khoảng 3 – 5% gọi là cồn đầu (tuỳ chất lượng nguyên liệu). Một phần rượu thô (5 – 10%) ở 6 hồi lưu vào aldehyt vì chứa nhiều tạp chất. Sau khi tách bớt tạp
35 – 45% 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 ta lấy ra 1.5 – 2% cồn đầu rồi cho hồi lưu về đỉnh 8. cồn sản phẩm được lấy ra ở dạng lỏng cách đĩa hồi lưu 3 – 6 đĩa và đoạn làm lạnh ở 13. Nhiệt độ đáy luôn đảm bảo 103 – 105oC và đỉnh tháp thô vào khoảng 93 – 97oC, tháp tinh khống chế vào khoảng 78.3 – 78.5oC. Nếu sơ đồ trên có lấy một phần hơi rượu thô ở đỉnh 4 (theo đường nét đứt) để cấp nhiệt cho đáy tháp tinh 11 thì sẽ biến thành sơ đồ liên tục ba tháp vừa gián tiếp vừa trực tiếp hai dòng. Sơ đồ gián tiếp một dòng có ưu điểm là dễ thao tác, chất lượng cồn tốt và ổn định, nhưng tốn hơi. Còn sơ đồ vừa gián tiếp vừa trực tiếp hai dòng có ưu điểm là tiết kiệm được hơi nhưng đòi hỏi sự tự động hoá tốt và chính xác. Trường hợp muốn nâng cao chất lượng cồn tốt hơn thì nên tiến hành chưng luyện theo sơ đồ 4 tháp (có thêm tháp làm sạch). Sự khác biệt giữa sơ đồ ba tháp và bốn tháp là ở chỗ cồn tinh chế lấy ra ở dạng lỏng không đưa làm lạnh mà đi vào thap làm sạch để tinh chế tiếp nhằm loại bỏ tạp chất đầu và tạp chất cuối. Cồn đầu cho quay lại tháp aldehyt, cồn cuối ở đáy tháp làm sạch đi vào trên đĩa nhiên liệu của tháp tinh. Chú ý: cấp nhiệt cho tháp làm sạch phải thực hiện bằng truyền nhiệt gián tiếp.
Cồn tuyệt đối hay còn gọi là cồn khan hoặc cồn không nước được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ, thuốc súng không khói hoặc trong các phòng thí nghiệm. Ở một số nước cồn khan còn dùng làm nhiên liệu trong giao thông vận tải, làm chất đốt … Yêu cầu cồn tuyệt đối phải đạt: nồng độ alcol etylic lớn hơn hoặc bằng 99.8%, hàm lượng aldehyt nhỏ hơn hoặc bằng 5mg/l, hàm lượng acid (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
hữu cơ nhỏ hơn hoặc bằng 10 mg/l. cồn không được chứa cặn, các acid vô cơ, kiềm và furfurol. Có độ trong suốt không màu và không mùi vị lạ.
Cồn khan có thể nhận trực tiếp từ giấm chín hoặc từ cồn tinh chế; cũng có thể nhận cồn khan trong điều kiện tinh chế dưới áp suất chân không cao. Trong sản xuất công nghiệp thường dùng hỗn hợp ba cấu tử và dự trên cơ sở sau: đưa một chất mới vào cồn tinh chế (ví dụ benzen) để tạo hỗn hợp đẳng phi 3 cấu tử gồm: nước, alcol và benzen có nhiệt độ sôi 64.85oC. Trong tháp hỗn hợp 3 cấu tử này đóng vai trò của tạp chất dầu – chứa 18.5% khối lượng alcol, 7.4% nước, 74.1% benzen. Hỗn hợp này khi ngưng tụ và làm lạnh sẽ phân lớp, lớp trên là benzen, lớp dưới là nước và alcol etylic. Tinh chế cồn khan được thực hiện như sau: cồn tinh chế có nộng độ 95 – 96% cùng với benzen được tính trước, đi vào tháp 1 được đun bằng hơi gián tiếp ở đáy. Hỗn hợp 3 cấu tử bay lên kéo theo lượng nước chứa trong cồn và benzen vào, sau khi ngưng tụ và làm lạnh ở 2, hỗn hợp đi vào bình phân ly. Ở đây benzen được phân lớp và quay trở lại tháp còn alcol và nước đi vào tháp tinh chế.
Phần 4: Ứng Dụng Cồn Etylic
Trong thực phẩm
Làm vang quả hỗn hợp, vang cẩm, vang nếp.
Sản xuất rượu mạnh: Lúa mới, Hoàng đế.
Sản xuất rượu phổ thông.
Sử dụng trong y học, dược phẩm.
Sử dụng làm dung môi hưu cơ.
Sử dụng trong công nghệ sản xuất nước hoa.
Dùng làm nguyên liệu sản xuất acid acetic, aldehyd acetic, etylacetat, etylclorua, và các hợp chất hữu cơ khác.
Sử dụng trong sản xuất cao su tổng hợp.
Ngày nay, người ta cịn dùng cồn tuyệt đối (trên 99,5%V) để thay thế một phần nhiên liệu cho động cơ ơ tơ. Cồn cĩ thể thay thế 20% - 22% trong tổng lượng xăng thành "gasohol" để sử dụng trong ơtơ và các phương tiện khác dùng động cơ xăng (ví dụ: xăng E5). Đây là một hướng phát triển mới và đầy triển vọng của ngành cơng nghiệp vì việc sử dụng cồn thay thế một phần cho xăng sẽ làm giảm bớt sự ơ nhiễm mơi trường, để tiết kiệm năng lượng của các loại động cơ. Nĩ làm tăng chỉ số octan của xăng, ngăn cản sự cháy kích nổ và dẫn đến cĩ thể thay thế tetra etyl chì là một chất độc.
Tài liệu tham khảo:
1. Lê Bạch Tuyết, Hà Văn Thuyết, Nguyễn Đình Thưởng, … Những quá trình cơ bản trong Công nghệ thực phẩm - Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội - 1994
2. Lê Ngọc Tú, La Văn Chư, Đặng Thị Thu, … Hoá sinh công nghiệp - Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội – 1997
3. Mai Lê, Bùi Đức Hội – Bảo quản lương thực – Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội - 1987
4. Quản Văn Thịnh – Kỹ thuật sản xuất cồn etylic – Đại học Bách Khoa Hà Nội - 1968
5. Nguyễn Đình Thưởng, Nguyễn Thanh Hằng – Công nghệ sản xuất và kiểm tra cồn etylic – Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật