Hiện nay trong công nghiệp đường người ta sử dụng hai phương pháp để lấy nước mía ra khỏi cây mía:
- Phương pháp ép: Sử dụng phổ biến từ lâu đời. Nguyên lý chung của phương pháp là xé và ép dập cây mía nhằm phá vỡ các tế bào để lấy nước mía. Ép mía là công đoạn đầu tiên của cả quá trình sản xuất đường, được chia làm các giai đoạn nhỏ như sau: vận chuyển cấp mía vào máy ép, xử lý mía trước khi ép, ép dập và ép kiệt.
- Phương pháp khuếch tán: lấy nước mía bằng phương pháp khuếch tán cho hiệu suất cao, giảm chi phí đầu tư cho thiết bị, cho hiệu quả kinh tế cao. Phương pháp này chủ yếu được áp dụng nhiều ở những nước công nghệ sản xuất cao, tiên tiến, đội ngũ công nhân có trình độ kĩ thuật cao, thao tác giỏi. Nguyên lý của phương pháp này là dựa vào hiện tượng khuếch tán có nghĩa là hai dung dịch có nồng độ khác nhau tập trung lại sát bên nhau, hoặc chẳng hạn chỉ cách nhau một màng mỏng, tự trao đổi với nhau bằng thẩm thấu xuyên qua màng mỏng ấy. Có 2 hệ khuếch tán chủ yếu:
+ Khuếch tán mía: Cây mía được xử lí sơ bộ nhưng giữ nguyên trọng lượng và toàn bộ đường trong đó đi vào thiết bị khuếch tán.
+ Khuếch tán bã: Sau khi xử lý, mía được qua máy ép để ép 65-70% đường trong mía, còn lại 30-35% đường trong mía đi vào thiết bị khuếch tán. Với hệ khuếch tán bã, mía được chuẩn bị tốt hơn và giảm được được tổn thất đường do tác dụng của vi sinh vật, thời gian khuếch tán ngắn hơn vì chỉ cần khuếch tán 30% tổng lượng đường có trong mía.
2.2.2. Quá trình làm sạch nước mía
Mục đích của quá trình làm sạch nước mía:
- Loại tối đa chất không đường ra khỏi hỗn hợp nước mía, đặc biệt là những chất có hoạt tính bề mặt và chất keo.
- Trung hòa nước mía hỗn hợp.
- Loại tất cả những chất rắn dạng lơ lửng trong nước mía.
Cơ sở lý thuyết của làm sạch nước mía:
Tác dụng của pH:
Việc thay đổi pH có các tác dụng sau:
- Ngưng kết chất keo: Ở nước mía có hai điểm pH làm ngưng tụ keo: pH trên dưới 7 và pH trên dưới 11. Điểm pH trước là pH đẳng điện, điểm pH sau là điểm ngưng kết của
protein trong môi trường kiềm mạnh. Trong quá trình làm sạch, ta lợi dụng các điểm pH này để ngưng tụ chất keo.
- Làm chuyển hoá đường sacaroza: Khi nước mía ở môi trường axit (pH < 7) sẽ làm chuyển hoá sacaroza thành hỗn hợp glucoza và fructoza. Đường bị chuyển hóa không chỉ gây tổn thất đường mà còn giảm độ tinh khiết của mật chè ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh.
- Làm phân huỷ sacaroza: Trong môi trường kiềm, dưới tác dụng của nhiệt, sacaroza bị phân huỷ gây tổn thất đường. Khi pH càng cao, lượng chất phân hủy càng lớn. Sản phẩm phân hủy của saccaroza rất phức tạp: fufurol, 5- hidroximetyl – fucfurol, metylglioxan, axit lactic, axit trioxiglutaric,… Những sản phẩm đó có thể tiếp tục bị oxi hóa dưới tác dụng của oxi không khí.
- Làm phân huỷ đường khử: Nếu pH của nước mía hay dung dịch đường vượt quá 7 sẽ phát sinh các phản ứng phân hủy đường khử, sự phân hủy này dựa vào pH hay nhiệt độ.
Sản phẩm phân hủy đường khử tương tự như sacaroza.
- Tách loại các chất không đường: Đối với pH khác nhau, có thể tách các loại chất không đường khác nhau. Khi pH = 7 -10, các muối vô cơ của Al2O3, P2O5, SiO2, MgO, Fe2O3 dễ bị tách loại trong đó Al2O3, P2O5, SiO2 có thể bị loại hơn 95% còn MgO, Fe2O3
có thể bị loại đến 60%. Khi pH khoảng 7 tách loại được 50% chất keo [12].
Tác dụng của nhiệt độ
Phương pháp dùng nhiệt độ để làm sạch nước mía là một trong những phương pháp quan trọng. Khi khống chế được nhiệt độ tốt sẽ thu được những tác dụng chính sau:
- Loại không khí trong nước mía, giảm bớt sự tạo bọt, tăng nhanh các quá trình phản ứng hoá học.
- Có tác dụng tiệt trùng, đề phòng sự lên men axit và sự xâm nhập của vi sinh vật vào nước mía.
- Nhiệt độ tăng cao làm tỉ trọng nước mía giảm, đồng thời làm chất keo ngưng tụ, tăng nhanh tốc độ lắng của các chất kết tủa.
Tác dụng của các chất điện ly
▪ Tác dụng của vôi
- Trung hoà các axit hữu cơ và vô cơ.
- Tạo các điểm đẳng điện để ngưng kết các chất keo.
- Làm trơ phản ứng axit của nước mía hỗn hợp và ngăn ngừa sự chuyển hoá đường sacaroza.
- Kết tủa CaCO3 hoặc đông tụ những chất không đường: protein, pectin, chất màu và những axit tạo muối không tan…
- Phân huỷ một số chất không đường, đặc biệt là đường chuyển hoá, amit.
- Tác dụng cơ học: các chất kết tủa tạo thành có tác dụng kéo theo những chất lơ lửng và những chất không đường khác.
- Sát trùng nước mía: Với độ kiềm khi có 0,35% CaO, phần lớn vi sinh vật không sinh trưởng. Tuy nhiên có trường hợp phải dùng đến 0,8% CaO.
▪ Tác dụng của SO2
- Tạo kết tủa CaSO3 có khả năng hấp phụ các chất không đường, chất màu và chất keo có trong dung dịch.
Khi cho SO2 vào nước mía có dư vôi, phản ứng xảy ra như sau:
Ca(OH)2 + H2SO3 = CaSO3 + 2H2O
- Làm giảm độ kiềm, độ nhớt của dung dịch:
Nước mía sau khi trung hòa, một phần chất keo bị loại nên làm giảm độ nhớt mật chè.
Hơn nữa trong nước mía có hàm lượng kali, canxi nhất định. Sau khi thông khí SO2 tạo thành canxi sunfit và kali sunfit:
K2CO3 + H2SO3 = K2SO3 + CO2 + H2O CaCO3 + H2SO3 = CaSO3 + CO2 + H2O
Sự thay đổi từ muối CaCO3, K2CO3 thành K2SO3, CaSO3 có ý nghĩa quan trọng. Muối cacbonat có khả năng tạo mật lớn và có ảnh hưởng đến màu sắc của dung dịch đường. Muối sunfit khả năng tạo mật kém và lại có khả năng làm giảm độ kiềm và độ nhớt của mật chè, có lợi cho thao tác nấu đường và kết tinh, đồng thời hạn chế sự phát triển của sinh vật.
- Tẩy màu và ngăn ngừa sự tạo màu: SO2 là chất khử có khả năng biến chất màu của nước mía hoặc mật chè thành chất không màu sắc hoặc nhạt màu hơn. Có thể biểu diễn sự khử theo sơ đồ sau:
SO2 + H2O = H++ HSO3-
HSO3- + H2O = HSO4- + H2
H2 sinh ra có khả năng khử chất màu thành chất không màu.
SO2 không chỉ làm mất màu mà còn ngăn ngừa sự tạo màu. Cơ chế ngăn ngừa tạo màu là bao vây nhóm cacbonyl.
- Làm tan kết tủa CaSO3 khi dư SO2.
Tính chất của CaSO3 không tan trong nước nhưng tan trong H2SO3. Do đó nếu cho SO2 quá lượng có thể làm CaSO3 kết tủa thành hòa tan.
CaSO3 + SO2 + H2O = Ca(HSO3)2
Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, Ca(HSO3)2 có thể phân giải thành CaSO3 kết tủa đóng cặn trong thiết bị truyền nhiệt và bốc hơi.
▪ Tác dụng của CO2
- Tạo kết tủa CaCO3 với vôi có khả năng hấp thụ các chất không đường cùng kết tủa.
- Phân ly muối sacarat canxi: Khi cho CO2 vào nước mía dư vôi, CO2 phân giải muối sacarat thành sacaroza và CaCO3 kết tủa, lúc nhiệt độ tăng lên đến 70 – 800C tác dụng phân hủy tương đối hoàn toàn.
Nếu thông CO2 vào nước mía quá lượng sẽ làm CaCO3 kết tủa hoàn tan.
CaCO3 + SO2 + H2O = Ca(HCO3)2
Muối Ca(HCO3)2 dưới tác dụng của nhiệt sẽ tạo thành CaCO3 đóng cặn trong thiết bị truyền nhiệt và bốc hơi.
Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + H2O
▪ Tác dụng của P2O5
P2O5 dạng muối hoặc axit sẽ kết hợp với vôi tạo thành kết tủa Ca3(PO4)2, kết tủa này có tỷ trọng lớn có khả năng hấp thụ chất keo và chất màu cùng kết tủa. Khi vôi làm sạch nước mía có đủ lượng P2O5 nhất định thì hiệu quả làm sạch tăng rõ rệt.
2.2.3. Quá trình cô đặc
Mục đích quá trình: Tạo dung dịch bão hòa nồng độ 60-65Bx.
Cô đặc dung dịch nước mía từ nồng độ 13-15Bx đến 60-65Bx gọi là mật chè. Nước trong dung dịch bị bốc hơi một lượng lớn và thực hiện bốc hơi nhiều hiệu để tiết kiệm hơi thứ. Hơi thứ hiệu trước làm hơi đốt cho hiệu sau. Hơi thứ hiệu cuối dùng làm đun nóng nước mía hoặc trực tiếp vào thiết bị ngưng tụ. Có 3 phương án nhiệt của hệ bốc hơi:
- Phương án bốc hơi áp lực - Phương án bốc hơi chân không
- Phương án bốc hơi áp lực chân không
Trong quá trình bốc hơi, dưới tác dụng của nhiệt độ cao nên sẽ xảy ra nhiều phản ứng hoá học và hoá lý dẫn đến sự thay đổi thành phần và đặc tính của dung dịch đường:
- Sự chuyển hoá sacaroza.
- Sự phân huỷ sacaroza và tăng màu sắc.
- Độ tinh khiết tăng cao.
- Sự thay đổi độ kiềm.
- Sự tạo cặn.
2.2.4. Quá trình nấu đường và kết tinh
Quá trình nấu đường được thực hiện trong nồi nấu chân không để giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, tránh hiện tượng caramen hoá và phân huỷ đường. Nhiệt độ nấu đường trong khoảng 70-80 0C. Đối với các sản phẩm cấp thấp, quá trình kết tinh còn tiếp tục thực hiện trong các thiết bị kết tinh làm lạnh bằng phương pháp giảm nhiệt độ. Mục đích quá trình kết tinh làm lạnh: Cuối quá trình nấu một nồi đường, tinh thể đã lớn lên nhất định nhưng độ nhớt đường non lớn, nếu tiếp tục nấu thì tốc độ kết tinh rất chậm và để lâu gây biến đổi đường. Vì vậy khi nấu đến nồng độ nhất định đối với mỗi nồi, đường non cho vào thiết bị làm lạnh để kết tinh thêm.
Quá trình kết tinh đường gồm 2 giai đoạn: Sự xuất hiện của nhân tinh thể hay sự tạo mầm và sự lớn lên của tinh thể.
+ Sự xuất hiện nhân tinh thể được biểu diễn theo đồ thị:
Trạng thái của dung dịch sacaroza chia làm 3 vùng quá bão hòa:
- Vùng ổn định: Hệ số bão hòa thấp = 1,1 - 1,15. Trong vùng này tinh thể chỉ lớn lên mà không xuất hiện các tinh thể mới.
- Vùng trung gian: = 1,2 – 1,25. Trong vùng này, không chỉ tinh thể lớn lên mà còn xuất hiện một lượng nhỏ tinh thể mới
- Vùng biến động: >1,3. Ở đây, tinh thể sacaroza tự xuất hiện mà không cần tạo mầm hoặc kích thích.
+ Sự lớn lên của tinh thể: Các phân tử đường khuếch tán đến bề mặt mầm tinh thể và kết tinh làm tăng kích thước của tinh thể đường. Quá trình kết tinh có ý nghĩa rất quan trọng, do đó chúng ta cần kiểm soát tốt quá trình này để nấu đường đạt hiệu suất cao [12].
2.2.5. Ly tâm – sấy
− Ly tâm: là giai đoạn tách tinh thể ra khỏi mật bằng lực ly tâm trong các thùng quay với tốc độ cao.
− Sấy: nhằm mục đích làm cho màu sắc thành phẩm được bóng sáng, đường khô và đường không bị biến chất khi bảo quản.