Thông số
Nhiệt độ Thời gian
Nồng độ y-Hiệu suất
Bảng 4.12. Các giải pháp tối ưu đối với q trình trích ly CGA bằng etanol
STT
1 2 3 4
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Kết quả cho thấy, tổ hợp yếu tố nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ L/R có số thứ tự 9 thu được hiệu suất trích ly CGA mong đợi cao nhất. Để kiểm tra tính đúng đắn của mơ hình tối ưu, ta tiến hành thí nghiệm kiểm chứng. Kết quả thu được dưới đây:
Bảng 4.13. Kết quả kiểm tra hiệu suất trích ly CGA với dung mơi etanol từ mơ hình và
thực tế
STT Nhiệt độ
mơ (oC)
hình
MH 12
MH: thơng số của mơ hình; TN: thơng số trong thực nghiệm.
Kết quả cho thấy sai số giữa mơ hình và thực nghiệm là 1,44% (<5%). Từ kết quả kiểm chứng này, mơ hình thống kê thu được hồn tồn phù hợp với thực nghiệm. Do đó giá trị tối ưu cho các biến như sau: nhiệt độ 68oC, thời gian 134 phút, nồng độ etanol 56 %thể tích thu được hiệu suất trích ly CGA cao nhất là 85,639%.
4.3. Ảnh hưởng của dung mơi nước đến hiệu suất trích ly CGA
Bảng 4.14. Kết quả thí nghiệm trích ly CGA từ hạt cà phê xanh với dung môi nước
Khối lượng STT mẫu (g) 1 50 2 50 3 50 4 50 5 50 6 50 7 50 8 50 9 50 10 50
11 12 13 14 15 16
4.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly CGA từ hạt cà phê xanh
Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly đến hiệu suất trích ly CGA
H
,
Đồ thị 4.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly CGA
Khi tăng nhiệt độ thì khả năng hịa tan và khuếch tán của các hợp chất sẽ tăng lên, làm giảm độ nhớt dung môi, tăng khả năng truyền khối và xâm nhập của dung môi vào hạt cà phê.
Từ bảng 4.14 và đồ thị 4.4 ta thấy hàm lượng CGA thu được tăng dần khi ta tăng dần nhiệt độ và hàm lượng CGA đạt được cao nhất tại 65 oC với 70,35% và giảm
70
xuống cịn 65,98% khi thực hiện q trình trích ly ở 75oC. Kết quả này được giải thích là do khi nhiệt độ tăng đến một mức nhất định có thể sẽ làm phân hủy CGA mà ta mong muốn.
Như vậy có thể chọn nhiệt độ 65oC cho các khảo sát tiếp theo.
4.3.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung mơi trên ngun liệu đến hiệu suất trích ly CGA từ hạt cà phê xanh
%
H
,
Đồ thị 4.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung mơi trên ngun liệu đến hiệu suất trích ly CGA
Động lực của q trình trích ly là do sự chênh lệch gradient nồng độ giữa cấu tử trích ly trong nguyên liệu và dung môi. Sự vận chuyển chất tan từ bên trong tế bào thực vật ra bên ngồi dung mơi qua con đường khuếch tán là chủ yếu. Sự khuếch tán này sẽ giúp cho quá trình chiết rút các cấu tử cần trích ly từ trong ngun liệu vào dung mơi xảy ra nhanh và triệt để hơn. Do đó lượng dung mơi khác nhau sẽ dẫn đến hàm lượng chất tan được chiết rút ra là khác nhau. Vì vậy ta cần khảo sát tỉ lệ nguyên liệu và dung mơi để chọn tỉ lệ thích hợp nhất cho ra hiệu suất trích ly cao nhất.
Từ bảng 4.14 và đồ thị 4.5 ta nhận thấy hàm lượng CGA thu được tăng lên khi ta tăng dần tỷ lệ dung môi trên nguyên liệu và tại ba điểm trên đồ thị ta thấy hàm lượng
71
CGA không thay đổi nhiều. Điều này được giải thích rằng : khi lượng dung mơi ít dẫn đến q trình trích ly chưa triệt để và khi tăng lượng dung mơi thì sự chênh lệch gradiant nồng độ càng lớn làm cho các cấu tử trích ly bên trong nguyên liệu tiếp xúc với dung môi nhiều hơn dẫn đến khả năng khuếch tán tăng cao. Tuy nhiên, khi quá trình trích ly đạt trạng thái cân bằng, sự chênh lệch gradient nồng độ giữa chất tan và dung mơi khơng cịn nhiều cho nên hàm lượng CGA khơng có sự thay đổi nhiều nữa.
4.3.3. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất trích ly CGA từ hạt cà phê xanh
Ảnh hưởng của thời gian trích ly đến hiệu suất trích ly CGA % H , T = 65oC TL = 16 ml/g
Đồ thị 4.6. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất trích ly CGA
Thời gian trích ly cũng gây ảnh hưởng đến hiệu quả trích ly CGA. Từ bảng 4.13 và đồ thị 4.6 cho ta thấy hàm lượng CGA tăng dần khi ta tăng thời gian trích ly lên. Hàm lượng CGA đạt được cao nhất khi ta thực hiện thí nghiệm với thời gian là 120 phút đạt hiệu suất 78,49%, thí nghiệm với 150 phút thì hàm lượng CGA bị giảm xuống còn 77,23%. Điều này được giải thích là vì khi tăng thời gian trích ly thì khả năng thu được CGA sẽ tốt hơn nhưng thời gian quá dài sẽ làm cho CGA bị phân hủy.
72
4.3.4. Thiết lập mơ hình hồi quy q trình trích ly sử dụng dung mơi nước.
Q trình trích ly chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố tỉ lệ dung môi và nguyên liệu,nhiệt độ, thời gian, loại dung môi. Các yếu tố khi kết hợp với nhau lại có tác động ít hay nhiều theo từng mức độ khác nhau, do đó để có được điều kiện tối ưu nhất về kinh tế cũng như thời gian chế biến, cần khảo sát mức độ ảnh hưởng này để có thể chọn chế độ thích hợp nhất.
Ba yếu tố ảnh hưởng đến q trình trích ly bao gồm: nhiệt độ xử lý (Z1 – oC), thời gian trích ly (Z2 – phút), tỷ lệ dung mơi/ngun liệu (Z3 – ml/g) .
Hàm mục tiêu cần đạt được là hiệu suất trích ly CGA từ hạt cà phê xanh.
4.3.4.1. Quy hoạch thực nghiệm bậc một
Mức trên, mức dưới và khoảng biến thiên các yếu tố được trình bày ở bảng sau:
Bảng 4.15. Giá trị thực nghiệm và mã hóa của các yếu tố
Các yếu tố
Z1 – oC Z2 – phút
Z3 –ml/g
Lập ma trận quy hoạch: với 3 yếu tố tác động đã nêu, mỗi yếu tố có hai mức là mức trên và mức dưới. Vậy số thí nghiệm được tiến hành là N = 23= 8 thí nghiệm. Phương án tiến hành, ma trận quy hoạch thực nghiệm được trình bày ở bảng dưới đây:
Bảng 4.16. Ma trận quy hoạch thực nghiệm cấp 1
TN Z1 1 55 2 75 3 55 4 75 5 55 6 75 7 55 8 75 9 65 10 65 11 65
4.3.4.2. Phân tích sự có nghĩa của mơ hình với thực nghiệm
Phân tích sự phù hợp và có nghĩa của mơ hình được đánh giá qua kết quả phân tích ANOVA (bảng 4.17) và kết quả phân tích sự phù hợp của mơ hình với thực nghiệm (bảng 4.18)
Bảng 4.17. Kết quả phân tích ANOVA cho mơ hình bậc 1
Yếu tố
A B C AB AC BC ABC Sự thiếu phù hợp
Bảng 4.18. Kết quả phân tích sự phù hợp của mơ hình với thực nghiệm
Thơng số Độ lệch chuẩn Giá trị trung bình Hệ số biến thiên % Độ chính xác phù hợp
Nhận xét: Từ bảng kết quả phân tích ANOVA cho mơ hình bậc 1 ta thấy giá trị p
của sự thiếu phù hợp của mơ hình bằng 0,0027< 0,05. Có nghĩa là mơ hình này khơng phù hợp với thực nghiệm. Do vậy ta cần phải tiến hành quy hoạch thực nghiệm bậc 2. 4.3.4.3. Quy hoạch thực nghiệm bậc hai
Bảng 4.19. Giá trị thực nghiệm và giá trị mã hóa của các yếu tố
Biến thực (Z1) 55 75 65 51,47 78,53
Số thí nghiệm được tiến hành là N = 2k + 2k + no = 23 + 2*3 + 3 = 17 thí nghiệm. Phương án tiến hành, ma trận quy hoạch thực nghiệm được trình bày ở bảng dưới đây:
Bảng 4.20. Ma trận quy hoạch thực nghiệm cấp 2
Các yếu tố theo tỉ lệ thực TN
Z1
2 75 3 55 4 75 5 55 6 75 7 55 8 75 9 51,45 10 78,53 11 65 12 65 13 65 14 65 15 65 16 65 17 65
4.3.4.4. Phân tích sự có nghĩa của mơ hình với thực nghiệm
Các hệ số quy hồi được kiểm định bởi chuấn F, với các giá trị p < 0,05 cho biết các hệ số hồi quy có nghĩa. Từ bảng 4.21 cho thấy giá trị của mơ hình là F=14,02; các yếu tố ảnh hưởng là thời gian, nhiệt độ, tỷ lệ L/R và sự tương tác giữa hai yếu tố có giá trị p<0,05. Điều này được minh họa rõ hơn khi quan sát bề mặt đáp ứng ở hình 421.a,
77
b, c. Kết quả thực nghiệm cho thấy các yếu tố: thời gian, nhiệt độ, tỷ lệ L/R đều ảnh hưởng q trình trích ly thu hồi CGA. Bảng 4.22 chỉ ra kết quả phân tích sự phù hợp và có ý nghĩa của các hệ số mơ hình với thực nghiệm.
Bảng 4.21. Kết quả phân tích ANOVA cho mơ hình bậc 2
Yếu tố Mơ hình A B C AB AC BC A2 B2 C2 ABC Sự thiếu phù hợp
Bảng 4.22. Kết quả phân tích sự phù hợp của mơ hình với thực nghiệm
Độ lệch chuẩn Giá trị trung bình Hệ số biến thiên % Độ chính xác phù hợp Từ các giá trị phân tích có ý nghĩa ở trên, giá trị hàm mục tiêu được biểu
diễn theo phương trình cụ thể sau:
Phương trình biến mã hóa: y = 75,6 + 3,83x1 + 5,59x2 + 2,73x3 – 3,5x12 – 4,52x22
Phương trình biến thực: y = -248,682+ 4,512Z1 + 1,612Z2 + 5,443Z3 – 0,035Z12
– 0,005Z22
Các hệ số hồi quy đối với các biến Z1, Z2, Z3 từ phương trình đều có giá trị lớn hơn 0, chứng tỏ y là hàm đồng biến đối với Z1, Z2, Z3 hay nói cách khác khi nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ L/R tăng thì hiệu suất trích ly CGA tăng, phù hợp với thực nghiệm. Nhưng hệ số hồi quy của Z12, Z22 lại mang giá trị nhỏ hơn 0, y là hàm nghịch biến đối với Z12, Z22. Có thể thấy khi nhiệt độ, thời gian tăng thì lượng CGA một phần đã bị phân hủy.
4.3.4.5. Bề mặt đáp ứng
79
4.2a. Thời gian và nhiệt độ 4.2b. Tỷ lệ L/R và thời gian
80
4.2c. Tỷ lệ L/R và nhiệt độ
Hình 4.2. Bề mặt đáp ứng của từng cặp yếu tố ảnh hưởng q trình trích ly
CGA với dung mơi nước.
4.3.4.6. Tối ưu hóa hàm mục tiêu
Bằng cách sử dụng công cụ tối ưu số học của phần mềm Design Expert V7 dựa trên mơ hình đề xuất, phần mềm đưa ra các giải pháp nhằm xác định điều kiện tối ưu cho quá trình. Dựa trên những số liệu của phần mềm ta sẽ đưa ra được giải pháp tối ưu cho q trình chiết tách CGA.
Bảng 4.23. Các tiêu chí tối ưu đối với q trình trích ly CGA với dung môi nước
Thông số
Nhiệt độ Thời gian Tỷ lệ L/R y-Hiệu suất
Bảng 4.24. Các giải pháp tối ưu đối với q trình trích ly CGA bằng dung mơi nước STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
được hiệu suất trích ly CGA mong đợi cao nhất. Để kiểm tra tính đúng đắn của mơ hình tối ưu, ta tiến hành thí nghiệm kiểm chứng. Kết quả thu được dưới đây:
Bảng 4.25. Kết quả kiểm tra hiệu suất trích ly CGA với dung mơi nước từ mơ hình và
thực tế Nhiệt độ STT (oC) mơ hình MH 12 68,404
MH: thơng số của mơ hình; TN: thơng số trong thực nghiệm. Kết quả cho thấy sai số giữa mơ hình và thực nghiệm là 0,302% (<5%). Từ kết
quả kiểm chứng này, mơ hình thống kê thu được hồn tồn phù hợp với thực nghiệm. Do đó giá trị tối ưu cho các biến như sau: nhiệt độ 69oC, thời gian 134 phút, tỷ lệ L/R 18 ml/g thu được hiệu suất trích ly CGA cao nhất 78,685%.
4.4. So sánh để lựa chọn dung môi theo tiêu chí kinh tế
Đánh giá để lựa chọn dung mơi theo tiêu chí kinh tế có nghĩa là sự so sánh giá thành của 1 kg sản phẩm CGA với việc sử dụng hai dung mơi cho q trình trích ly. Giá thành của 1 kg sản phẩm CGA được tính theo các chi phí sau:
1. Chi phí nguyên liệu.
2. Chi phí dung mơi tiêu tốn.
3. Chi phí năng lượng tiêu tốn.
4. Chi phí cho nhân cơng vận hành.
5. Chi phí cho khấu hao máy móc, thiết bị.
6. Chi phí sửa chữa, bảo dưỡng máy móc, thiết bị. Giả thiết:
1. Tất cả hiệu suất của các quá trình trong quy trình sản xuất là như nhau (trừ q trình trích ly).
2. Chi phí cho ngun liệu, năng lượng, nhân cơng, bảo dưỡng thiết bị là như nhau.
3. Hệ thống thiết bị sử dụng như nhau.
4. Khối lượng cà phê nguyên liệu là 1000 kg.
4.4.1. Dự tốn chi phí sản xuất sản phẩm CGA từ cà phê xanh việt nam sử dụng dung mơi Etanol
Sơ đồ khối:
84
4.4.1.1. Tính cân bằng vật chất cho các quá trình
Quá trình nghiền cà phê hạt: Hiệu suất của q trình nghiền được tính theo khối
lượng cà phê sau nghiền trên khối lượng cà phê trước khi nghiền. Giả thiết H = 95%. Khối lượng cà phê sau khi nghiền là: m=1000 × 95%=950(kg )
Trong q trình nghiền thành phần các chất trong cà phê không thay đổi nên ta có bảng kết quả sau:
Bảng 4.26. Bảng khối lượng các chất trong cà phê trước và sau quá trình nghiền
STT 1 2
Q trình trích ly: Q trình trích ly được tiến hành ở điều kiện tối ưu đã được
tính tốn ở phần 4.2 ( nhiệt độ 68 oC, thời gian 134 phút, nồng độ etanol 56%, tỷ lệ dung môi trên nguyên liệu là 10 ml/g, hiệu suất trích ly CGA H= 85,639%)
Thể tích dung mơi sử dụng là : V =10× 950=9500(lít)
Khối lượng riêng của etanol 56% là: d=
0,56 ×800+
0,44 ×1000=
888( kg
m3
)
Dung môi etanol 56% được trộn từ nước cất và etanol 96%
Thể tích etanol 96% sử dụng là: V etanol 96%=0,56 ì10000 ữ 0,96=5833,33(lớt) Th tớch nc s dng l: V nước=10000−5833,33=4166,67(lít)
Trong q trình trích ly các chất Glucides, Trigonelline, Caffein, Nước và CGA được tách ra khỏi cà phê. Giả thiết hiệu suất chiết của các chất này bằng với hiệu suất chiết của CGA
Bảng 4.27. Bảng khối lượng các chất trước và sau q trình trích ly
86
STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Q trình lọc: Hiệu suất q trình lọc được tính bằng lượng dịch chiết thu được
sau quá trình lọc trên cho lượng dịch chiết sau q trình trích ly.
Giả thiết hiệu suất bằng 99%. Ta có kết quả tính tốn khối lượng các chất như sau:
Bảng 4.28. Bảng khối lượng các chất trước và sau quá trình lọc
STT 1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11
Quá trình cơ đặc: Do độ bay hơi tương đối của etanol tốt hơn nước nên trong
q trình cơ đặc thì etanol sẽ bay hơi hết trước. Giả thiết q trích cơ đặc thu hồi được 98% khối lượng dung mơi, có nghĩa là chỉ có 2% khối lượng dung mơi là nước cịn lại ở dịch sau cơ đặc.
Ta có: detanol 56% = 888 (kg/m3 )suy ra thể tích etanol 56% trước cơ đặc bằng: Vetanol 56% = 8351,64 / 888 = 9,405 (m3)
Khối lượng etanol trước cô đặc là: metanol = 56% × 9,405 × 800 = 4213,44 (kg)
Khối lượng nước trước cô đặc là: mnước = (1-56%) × 9,405 × 1000 + 96,65 = 4234,85 (kg)
Bảng 4.29. Bảng khối lượng các chất trước và sau quá trình cơ đặc
STT Tên chất 1 Glucides 2 Trigonelline 3 CGA 4 Caffein 5 H2O 6 Etanol 7 Tổng
Q trình sấy: dung dịch sau cơ đặc ở dạng bùn nhão sẽ được sấy phun để thu