- Nghiền: Hạt cà phê sau phân loại được đưa vào máy nghiền nghiền nhỏ nhằm tăng
diện tích tiếp xúc pha khi trích ly.
- Lọc: Dịch chiết thu được có chứa Axit Clorogenic và một số thành phần hữu cơ
khác được tiếp tục đưa sang thiết bị lọc chân không.
- Cô đặc: Dịch sau lọc được đưa vào thiết bị cô đặc đến nồng độ tối đa nhằm thu hồi
dung môi, tạo dung dịch đặc trước khi sấy.
- Sấy: Dung dịch sau cô đặc được đưa vào tháp sấy phun.
- Đóng gói: Sản phẩm đủ tiêu chuẩn đưa đi bảo quản và đóng gói.
Theo sơ đồ sản xuất đã đề cập ta thấy q trình trích ly là q trình quyết định năng suất sản phẩm. Chính vì thế việc lựa chọn nghiên cứu đi sâu vào quá trình này cùng các yếu tố ảnh hưởng đến q trình trích ly là nhiệt độ, tỉ lệ dung mơi, thời gian trích ly với những dung môi khác nhau giúp ta lựa chọn được dung môi phù hợp nhất ứng với các điều kiện thích hợp để cho ra năng suất sản phẩm cao nhất.
1.4.2. Q trình trích ly rắn – lỏng [11]
1.4.2.1. Khái niệm
Hòa tan chất rắn vào trong chất lỏng là một trong các quá trình được ứng dụng rộng rãi nhất trong cơng nghệ hóa học, cơng nghệ tuyển khống, cơng nghệ thực phẩm và nhiều ngành cơng nghệ khác. Vì ở trạng thái hịa tan thì độ phân tán rất lớn, hoạt tính hóa học, vận tốc chuyển động của các phần tử rất cao.
Q trình hịa tan chọn lọc với một hay một số cấu tử từ chất rắn gọi là q trình trích ly rắn – lỏng. Trong cơng nghiệp dung môi thường được sử dụng là nước hoặc một hỗn hợp của nước. Yêu cầu quan trọng khi chọn dung mơi là phải có tính chọn lọc – nghĩa là chỉ hịa tan cấu tử cần tách.
Bất kì một q trình trích ly rắn – lỏng nào cũng bao gồm các giai đoạn: dung môi thâm nhập vào các mao quản của vật thể rắn. hòa tan các cấu tử cần tách (hoặc tiến hành các phản ứng hóa học) sau đó chất tan và dung môi khuếch tán vào dung dịch từ vật thể rắn. Đơi khi chất hịa tan trong các mao quản của vật thể là chất lỏng thì chất hịa tan sẽ được chuyển trực tiếp vào dung môi bằng khuếch tán.
1.4.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình trích ly a, Bản chất dung môi
Bản chất của dung mơi ảnh hưởng rất nhiều đến q trình trích ly, mỗi dung mơi có độ chọn lọc khác nhau đối với những cấu tử khác nhau và cũng là yếu tố quan trong quyết định đến giá thành sản phẩm. Vì vậy cần nghiên cứu để tìm ra được dung mơi phù hợp với mỗi q trình.
b, Kích thước ngun liệu ( pha rắn )
Kích thước ngun liệu càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc hai pha rắn – lỏng càng lớn hiệu suất trích ly càng cao. Tuy vậy kích thước ngun liệu nhỏ địi hỏi tốn chi phí cho q trình nghiền, nếu q nhỏ sẽ gặp khó khăn trong q trình phân riêng hai pha rắn – lỏng khi q trình trích ly kết thúc. Vì vậy bằng thực nghiệm sẽ xác định được kích thước phù hợp cho từng loại nguyên vật liệu.
c, Nhiệt độ trích ly
Khi tăng nhiệt độ các các cấu tử chuyển động nhanh hơn dẫn đến sự tiếp xúc và va chạm giữa các cấu tử với nhanh mạnh hơn, hơn nữa khi nhiệt độ tăng độ nhớt của dung mơi giảm chính vì thế dung mơi dễ dàng xun qua các lớp vật liệu làm tăng khả nâng tiếp xúc giữa hai pha. Tuy nhiên nhiệt độ lại ảnh hưởng rất lớn đến các chất nhạy cảm dễ phân hủy bởi nhiệt hoặc xảy ra các phản ứng hóa học khơng mong muốn, bên cạnh đó việc gia nhiệt cũng gây tốn năng lượng ảnh hưởng đến giá thành sản phẩm. Vì vậy đây cũng là yếu tố cần được thực nghiệm để xác định nhiệt độ phù hợp cho các quá trình khác nhau.
d, Tỷ lệ dung môi ( nồng độ dung môi)
Cùng một lượng nguyên liệu nếu tăng lượng dung mơi trích ly thì khả năng trích ly cũng tăng lên do chênh lệch nồng độ cấu tử cần tách giữa 2 pha. Tuy nhiên làm như vậy cũng sẽ gây tốn dung môi hoặc đối với một số loại dung môi việc tăng nồng độ hoặc tỷ lệ hiệu suất trích ly sẽ giảm do bị ảnh hưởng bởi các điều kiện làm việc khác của q trình trích ly như nhiệt độ, áp suất.
Khi thời gian tăng lên thì hiệu suất chiết tăng lên nhưng đến một khoảng thời gian nhất định nào đó nó sẽ chững lại và tăng không đáng kể hoặc không tăng, đối với một số chất sẽ bị phân hủy làm giảm khả năng thu hồi cấu tử cần thiết => Cần thực nghiệm để tìm ra khoảng thời gian tối ưu nhất.
f, Tốc độ khuấy trộn
Tốc độ khuấy trộn tăng làm tăng khả năng tiếp xúc pha làm tăng hiệu suất trích ly tuy nhiên cũng giống như thời gian trích ly đến một tốc độ nhất định thì sự thay đổi hiệu suất trích ly là khơng đang kể, nếu tiếp tục tăng sẽ gây tốn thêm năng lượng ảnh hưởng đến giá thành sản phẩm.
1.4.3. Một số phương pháp trích ly rắn - lỏng [12]
1.4.3.1. Phương pháp trích ly bằng dung mơi
Là phương pháp trích ly rắn – lỏng sử dụng dung mơi hòa tan chọn lọc cấu tử cần tách ra khỏi ngun liệu ban đầu dịch sau q trình trích ly ở dạng lỏng sau đó được tiến hành thu hồi dung môi và sản phẩm thu được ở dạng bột.
Ưu điểm:
+ Dễ dàng thực hiện nghiên cứu cũng như áp dụng vào thực tế
+ Khả năng tách khá cao nếu chọn được dung mơi và điều kiện thích hợp + Là phương pháp ứng dụng rộng rãi hiện nay
Nhược điểm:
+ Khó tách triệt để và tinh khiết cấu tử cần thiết
+ Khó khăn trong việc kiểm sốt điều kiện làm việc của các thiết bị 1.4.3.2. Phương pháp tách bằng CO2 siêu tới hạn
Là phương pháp sử dụng dòng CO2 siêu tới hạn hòa vào mẫu nguyễn liệu. Dòng CO2 siêu tới hạn sẽ liên kết chọn lọc với cấu tử cần tách và mang theo chúng đi ra khỏi bị. Khi ra khỏi thiêt bị dịng CO2 trở lại trạng thái khí và tách khỏi cấu tử cần thiết.
+ Tách triệt để và tinh khiết cấu tử cần thiết + Dễ dàng thu hồi lượng CO2 đã sử dụng
Nhược điểm:
+ Chi phí chế tạo thiết bị và vận hành lớn. + Vận hành đòi hỏi tay nghề cao.
+ Chưa phổ biến trong công nghiệp.
Dựa vào những phân tích về các phương pháp sản xuất và những thơng tin về sản phẩm hiện nay nhóm nghiên cứu đã đưa ra kết luận sau đây:
+ Phương pháp sử dụng CO2 siêu tới hạn mặc dù cho được sản phẩm có độ tinh khiết cao, tuy nhiên cơng nghệ địi hỏi chi phí và u cầu kĩ thuật cao, khó đưa ra quy mô công nghiệp để sản xuất với năng suất lớn.
+ Trong khi đó, phương án sử dụng các dung mơi điển hình (ethanol, methanol, nước) … đơn giản, thiết bị cũng như các điều kiện tiến hành của q trình khơng q phức tạp (thường tiến hành ở nhiệt độ <100oC, và tại áp suất khí quyển). Trong thực tế, cơng nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi trong việc sản xuất các hợp chất thiên nhiên.
Vì vậy phương pháp trích ly sử dụng dung môi thông thường là hợp lý hơn cả, phù hợp với điều kiện kỹ thuật và nhu cầu hiện tại ở cả trong và ngoài nước.
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu
Trong q trình trích ly việc lựa chọn dung mơi phù hợp là vấn đề đầu tiên và quan trọng nhất cho q trình. Với dung mơi có độ chọn lọc cao, sẽ làm tăng hiệu quả trích ly đồng thời tiết kiệm lượng dung mơi sử dụng, từ đó cho phép tiết kiệm năng lượng và chi phí dầu tư thiết bị cho q trình trích ly.
Trên thế giới đã có một số những cơng trình nghiên cứu q trình sản xuất CGA theo phương pháp trích ly nghiên cứu của Michel Noirot, and Serge Hamon, 1997[12], Valérie, Martine,Jeanine, 2012 [10]. Tuy nhiên các nghiên cứu trên chủ yếu đi vào quy
trình sản xuất chung mà khơng đi sâu vào từng quá trình hoặc chỉ thực hiện dưới một điều kiện nhất định như của tác giả Mirna Leonor Suarez-Quiroz, 2014 [13].
Chính vì thế cần phải nghiên cứu lựa chọn dung mơi cho q trình trích ly sản xuất CGA để tìm ra được dung mơi phù hợp với ngun liệu với điều kiện làm việc tương ứng theo tiêu chí kinh tế kỹ thuật để góp phần tăng năng suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm, tạo giá trị gia tăng cho cây cà phê Việt Nam. Đồng thời nghiên cứu này là cơ sở cho việc nghiên cứu, thiết kế dây chuyền sản xuất axit clorogenic.
1.5.2. Nội dung nghiên cứu
Để thực hiện mục tiêu trên, đồ án được tiến hành với những nội dung sau: 1.5.2.1. Khảo sát nguyên liệu đầu vào
- Thực hiện các bước phân tích xách định các thơng số của ngun liệu: + Xác định độ ẩm.
+ Hàm lượng CGA tối đa trong mẫu nguyên liệu.
- So sánh với các tiêu chuẩn của nhà nước và tiến hành chọn nguyên liệu cuối cùng. 1.5.2.2. Nghiên cứu q trình trích ly CGA từ cà phê xanh bằng dung môi nước - Thực hiện nghiên cứu 3 u tố chính:
+ Tỉ lệ dung mơi + Thời gian trích ly + Nhiệt độ trích ly
+ Thiết lập mơ hình hồi quy
1.5.2.3. Nghiên cứu q trình trích ly CGA từ cà phê xanh bằng dung môi Etanol - Thực hiện nghiên cứu 3 yếu tố chính:
+ Nồng độ dung mơi + Thời gian trích ly + Nhiệt độ trích ly
+ Thiết lập mơ hình hồi quy
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Phương pháp phân tích
2.1.1. Xác định khối lượng CGA thu được tính trên một đơn vị khối lượng nguyênliệu liệu
H=Mm (mg/g)
Trong đó: m: Khối lượng CGA thu được (mg). M: Khối lượng cà phê phân tích (g).
2.1.2. Phương pháp phân tích bằng HPLC [14]2.1.2.1. Khái niệm 2.1.2.1. Khái niệm
Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) ra đời năm 1967-1968 trên cơ sở phát triển và cải tiến từ phương pháp sắc ký cột cổ điển. HPLC là một phương pháp chia tách trong đó pha động là chất lỏng và pha tĩnh chứa trong cột là chất rắn đã được phân chia dưới dạng tiểu phân hoặc một chất lỏng phủ lên một chất mang rắn, hay một chất mang đã được biến bằng liên kết hóa học với các nhóm chức hữu cơ. Phương pháp này ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến vì nhiều lý do: có độ nhạy cao, khả năng định lượng tốt, thích hợp tách các hợp chất khó bay hơi hoặc dễ phân hủy nhiệt. 2.1.2.2. Phân loại
Trong HPLC, tùy bản chất của quá trình sắc ký của pha tĩnh (SP) trong cột tách mà người ta chia thành:
Sắc ký phân bố
Sắc ký hấp phụ, có 2 loại: + Pha thường (NP-HPLC)
+ Pha ngược hay pha đảo (RP-HPLC)
Sắc ký rây phân tử (FG-HPLC)
Trong đó sắc ký phân bố được ứng dụng nhiều nhất vì có thể phân tích được những hợp chất từ không phân cực đến những hợp chất rất phân cực. hợp chất ion có khối lượng phân tử khơng quá lớn (< 3000)
2.1.2.3 Các đại lượng đặc trưng trong HPLC
a, Các phương trình lưu trữ
- Thời gian lưu giữ :
Các chất tan trong hỗn hợp mẫu phân tích, khi được nạp vào cột sắc ký chúng sẽ bị lưu giữ ở trong một cột tách (trên pha tĩnh) theo một thời gian nhất định. Đó là thời gian lưu của nó trong hệ cột đã cho. Thời gian này được tính từ lúc nạp mẫu vào cột tách sắc ký cho đến lúc chất tan được rữa giải ra khỏi cột ở điểm có nồng độ cực đại. Như vậy, nếu gọi tRi là thời gian lưu tổng cộng của chất tan i thì chúng ta ln có:
Hình 2.1. Hình biểu diễn thời gian lưu
+ t0 : thời gian để cho chất nào đó khơng có ái lực với pha tĩnh đi qua cột; đó cũng là thời gian pha động đi từ đầu cột đến cuối cột và còn gọi là thời gian lưu chế.
+ t’Ri : là thời gian lưu giữ thực của chất i ở trong cột sắc ký. Nếu hai chất A và B kế tiếp nhau trong sắc đồ thì chúng ta có :
α = ( t’B / t’A )
α được gọi là thời gian lưu tương đối của hai chất A và B, hay hệ số tách của hai chất đó. Đại lượng α càng lớn thì sự tách của hai chất A và B càng rõ ràng. Cịn khi đại lượng này bằng 1, thì khơng có sự tách sắc ký của hai chất A và B, lúc này hai chất A và B nằm trong một pic sắc ký. Cịn nếu α gần bằng 1, thì pic sắc ký của hai chất A và B có chung một vùng. Nghĩa là chúng chập nhau không thể tách thành hai pic riêng biệt đặc trưng cho hai chất đó.
- Thể tích lưu :
Thể tích lưu của một chất là thể tích của pha động chảy qua cột sắc ký trong khoảng thời gian kể từ lúc mẫu được bơm vào cột cho đến khi chất tan được rửa giải ra ở thời điểm có nồng độ cực đại; nghĩa là tương đương với thời gian lưu t’Ri. Nếu chất tan khơng bị lưu giữ trong cột tách thì thể tích lưu của nó sẽ bằng thể tích Vm của pha động chảy qua cột. Như vậy, nếu gọi F (ml/pH) là tốc độ của pha động được bơm qua cột sắc ký, thì chúng ta có:
VRo = Vm = tRo . F VRi = F . tRi Hay VRi = VRo ( 1 + K’i) Mặt khác ta có :
( Vs + Vm ) = V0
Trong đó V0 là thể tích trống tồn phần của cột sắc ký, Vs là thể tích thực của pha tĩnh trong cột. Nhưng vì Vm = F . tRo nên chúng ta có :
Vs = ( V – F.tRo )
Như vậy, nhờ cơng thức này chúng ta có thể tính được thể tích thực Vs của pha
tĩnh ở trong cột sắc ký.
b, Hệ số phân bố và hệ số dung tích
Q trình tách sắc ký của các chất là dựa trên sự phân bố của chất tan giữa pha động và pha tĩnh xảy ra liên tục trong quá trình sắc ký. Sự phân bố này được đặc trưng bởi một đại lượng đươc gọi là hệ số phân bố Ki của chất i. Hệ số này được định nghĩa là tỷ số nồng độ của chất tan i ở trong pha tĩnh và pha động và được tính bằng cơng thức :
Ki = Ci(sp) / Ci(mp)
Trong đó Ci(sp) và Ci(mp) là nồng độ của chất tan i trong pha tĩnh và trong pha động. Hệ số Ki cho ta biết khả năng phân bố của chất i như thế nào trong mỗi pha (pha động và pha tĩnh).
Nhưng hệ số Ki chưa nói lên được sức chứa (dung tích) của cột sắc ký. Vì thế người ta phải đưa thêm vào hệ số dung tích K’i
. Hệ số dung tích K’i (hay hệ số dung lượng: Capacity coefficient) là chỉ cho ta biết tỷ số khối lượng của chất tan i phân bố trong mỗi pha là bao nhiêu nghĩa là ta có :
K’i = m(Sp) / m(Mp)
Nếu trong hỗn hợp mẫu có hai chất A và B thì cũng tương tự như trong khái niệm lưu
giữ chúng ta cũng có :
α = K’B / K’A = ( tB – t0 ) / ( tA – to )
Như vậy, từ tỷ số của hệ số dung tích (α) của hai chất cũng cho ta biết khả năng tách
tách của hai chất càng rõ ràng.
c, Tốc độ tuyến tính của pha động
Trong kĩ thuật HPLC, tốc độ thể tích F (ml/phút) của pha động luôn liên quan đến tiết diện của cột tách. Vì thế người ta ít dùng khái niệm này, khi xem xét sự di chuyển của một đĩa chất tan trong cột tách, mà thường dùng tốc độ tuyến tính (cm/giây). Khái niệm tốc độ này cho ta biết trong một đơn vị thời gian (1 giây hay 1 phút), thì pha động, hay một đĩa sắc ký của chất tan dịch chuyển được bao nhiêu cm trong cột. Tốc độ này không phụ thuộc vào tiết diện của cột tách và cũng không phụ