1.4. Kỹ thuật khai thác dầu
1.4.1. Khai thác dầu bằng phơng pháp trích ly
Quá trình trích ly đợc dựa trên tính hoà tan tốt của dầu thực vật trong dung môi hữu cơ: xăng, hexan, dicloethan, ether ethylic, ethanol …
Đây là một quá trình chuyển khối xảy ra do có sự chênh lệch nồng độ dầu trong nguyên liệu và dòng chảy bên ngoài.
Trích ly là một quá trình ngâm chiết làm chuyển dầu từ nguyên liệu vào - dung môi thực hiện bằng phơng pháp khuếch tán phân tử và khuếch tán đối lu.
* Bản chất hoá lý quá trình trích ly
Chuyển dầu từ trong nội tâm nguyên liệu vào dung môi đợc thực hiện bằng khuếch tán phân tử.
Chuyển dầu từ bề ngoài nguyên liệu vào dung môi chủ yếu bằng khuếch tán đối lu.
Quá trình hoà tan dầu vào dung môi diễn ra cho đến khi đạt đến sự cân bằng nồng độ mixen ở các lớp bên trong và lớp bề mặt ngoài của nguyên liệu - việc tạo ra mức chênh lệch thờng xuyên ổn định giữa nồng độ mixen trong nguyên liệu và bên ngoài nhờ dùng dung môi chuyển động (do bơm) mang nguyên liệu trích ly. Ban đầu dung môi chỉ hoà tan đợc lớp dầu thấm trên bề mặt các tế bào bị phá vỡ cấu trúc do cán, chng sấy, sau đó mới thấm sâu vào các thành tế bào cha bị phá vỡ và hoà tan dầu trong các lớp đó.
Độ hoà tan của các chất phụ thuộc vào lực tơng tác giữa các phân tử dung môi và chất tan. Cờng độ lực tơng tác này do độ thấm điện môi của chúng quyết định thể hiện mức độ phân cực của các thành phần hợp thành phân tử chất đó. Độ thấm điện môi (khả năng khuếch tán dầu vào dung môi
của các loại dầu thực vật 3 – 3,2. Dầu thực vật có độ hoà tan tốt trong các dung môi có độ thấm điện môi gần với độ thấm điện môi của dầu thực vật. Độ thấm điện môi ở 200C của xăng: 2; hexan: 1,8; benzen: 2,2; dicloethan: 10,36 ( ở 250C); axeton: 21,5.
* Những nhân tố ảnh hởng đến hiệu suất trích ly:
- Mức độ phá vỡ cấu trúc tế bào: phá vỡ đến mức độ tối đa cấu trúc tế bào nguyên liệu có dầu.
- Kích thớc và hình dạng của hạt: 0,5 -10 mm.
- Độ ẩm nguyên liệu trích ly: tăng ẩm sẽ làm chậm quá trình khuếch tán, làm tăng sự kết dính của các hạt nguyên liệu. ẩm tăng sẽ làm tơng tác giữa protein và các chất a nớc khác và ngăn cản sự chuyển dịch của dung môi thấm sâu vào bên trong nguyên liệu do đó làm chậm quá trình khuếch tán phân tử và khuếch tán đối lu.
- Vận tốc chuyển động của dung môi: khi tăng vận tốc chuyển động của dung môi làm tăng mức chênh lệch nồng độ của mixen trong lớp nguyên liệu và mixen dội vào. Từ đó rút ngắn quá trình trích ly và tăng năng suất thiết bị.
Ngợc lại giảm vận tốc chuyển động của dung môi, nồng độ mixen đậm đặc, quá trình trích ly chậm lại.
* Các phơng pháp trích ly công nghiệp:
Với qui mô công nghiệp có hai phơng pháp trích ly: trích ly gián đoạn và trích ly liên tục.
Trích ly gián đoạn:
Trích ly gián đoạn hay còn gọi là phơng pháp ngâm chiết - đó là cho nguyên liệu vào thiết bị, cho dung môi vào ngâm sau một thời gian nhất định chiết mixen ra, cho dung môi mới vào ngâm chiết lần thứ hai, rồi lần thứ ba…, cho đến khi dầu đợc chiết hoàn toàn. Nhợc điểm của phơng pháp này là quá trình ngâm chiết kéo dài, nồng độ mixen thấp, tốn nhiều diện tích thùng chứa.
Trích ly liên tục:
Trên thế giới hiện nay phổ biến là phơng pháp trích ly liên tục. Trích ly liên tục có thể thực hiện bằng cách ngâm nguyên liệu trong dòng chuyển động ngợc chiều của dung môi hoặc dội tới liên tục, với dung môi hoặc mixen loãng lên lớp nguyên liệu chuyển động.
Ưu điểm của phơng pháp tới so với phơng pháp ngâm là: Nồng độ mixen cao hơn, điều đó cho phép giảm tỷ lệ giữa lợng dung môi và nguyên liệu trích ly; mixen thu đợc sạch hơn do nó đợc tự lọc bởi lớp nguyên liệu trÝch ly.
Nhợc điểm của phơng pháp tới là: Hệ số sử dụng dung tích có ích của thiết bị thấp (không quá 45%) và có thể tạo thành hỗn hợp cháy nổ của dung môi và không khí ngay trong thiết bị, hệ thống tuần hoàn dung môi phức tạp, phải dùng một số lợng bơm lớn.
Trong công nghiệp có khi dùng hỗn hợp cả hai phơng pháp ngâm và tới. Quá trình trích ly sẽ chia ra làm hai giai đoạn: Giai đoạn đầu là ngâm nguyên liệu trong dòng dung môi chuyển động, giai đoạn hai là giai đoạn tới nguyên liệu hỗn hợp này cho phép tận dụng những mặt u và khắc phục những mặt nhợc của hai phơng pháp trên.
Trong quá trình trích ly dầu từ nguyên liệu có dầu không phụ thuộc vào kết cấu thiết bị do xảy ra tơng tác giữa dung môi và dầu. Dầu tan vào dung môi thành dung dịch gọi là mixen. Mixen sau khi trích ly đem cất thu hồi dung môi, sản phẩm thu đợc là dầu trích ly và dung môi tái sinh. Nguyên liệu sau khi đợc chiết khấu hết dầu gọi là bã trích ly.
Sản xuất dầu bằng phơng pháp trích ly cần lợng hơi rất lớn để bốc hơi và ngng tụ dung môi trong dầu và trong bã nhng tiêu hao điện ít hơn so với phơng pháp ép, hiệu suất thu hồi dầu cao hơn.
1.4.2. Phơng pháp enzim.
Phơng pháp trích ly dầu bằng enzim đã thực hiện trên một số loại dầu thực vật nh dầu dừa, dầu hớng dơng .
Hiện nay ở Việt Nam mới chỉ có khảo sát quá trình trích ly dầu gấc bằng phơng pháp enzim quy mô phòng thí nghiệm. Dựa vào thành phần hoá
học của màng gấc và chức năng thuỷ phân của mỗi loại enzim mà chúng tôi tiến hành khảo sát trên một số loại enzim: Viscozym, Pectinex, Cellulast, Alcalase. Sử dụng một số loại enzim để phá vỡ các mô thực vật, thuỷ phân một số chất không tan, làm giảm độ nhớt của nguyên liệu, để dễ dàng trích ly đợc dầu gấc và nâng cao hiệu suất thu hồi [10].
1.4.3. Phơng pháp ép dầu 1.4.3.1. Cơ chế quá trình ép
Khi ép dới tác dụng của ngoại lực từ nguyên liệu xảy ra sự liên kết bề mặt thoáng bên trong cũng nh bên ngoài của các phân tử. Vì vậy làm xuất hiện nhiều quá trình khác nhau nhng có thể chia ra làm hai quá trình chủ yÕu:
a. Quá trình xảy ra đối với phần lỏng (dầu)
Đây là quá trình làm thoát dầu ra khỏi các khe vách giữa các bề mặt bên trong cũng nh bên ngoài.
Quá trình xảy ra nh sau: dới tác động của lực nén cơ học, các phần tử chứa nguyên liệu bắt đầu biến dạng. Các khoảng trống chứa dầu bị hẹp dần và
đến khi lớp dầu dồn lại có chiều dày không đổi thì bắt dầu bắt đầu thoát ra.
Những lớp dầu nằm trên bề mặt bị giữ lại bởi trờng lực phân tử, cho nên chúng không linh động. Những lớp dầu nằm cách xa bề mặt các phân tử, lực liên kết càng yếu. Vì vậy tốc độ ở giữa dòng dầu bao giờ cũng mạnh hơn ở sát bề mặt phân tử. Tốc độ thoát dầu trung bình của dòng dầu phụ thuộc độ nhớt của các lớp dầu và áp suất chuyển động, độ nhớt càng bé và áp suất chuyển động của các lớp dầu càng lớn, dầu từ thoát ra từ các khe vách càng
nhanh. Nhng cần thấy rằng độ nhớt của dầu chỉ có khả năng làm chậm chứ không làm ngấc sự thoát dầu, do đó đoạn đờng chảy dầu càng dài, dầu thoát ra càng chậm. Sau khi phần lớn lợng dầu trong các ống thoát ra, đờng kính ống bị hẹp lại và nhỏ dần, cho đến khi các phân tử không biến dạng nữa khi
đó dầu cũng không thoát ra nữa mặc dù lực ép có tăng lên.
Lợng dầu còn lại trong khô là do chúng định hớng vững chắc, giống nh một lớp màng hấp thụ bền vững. Chính lợng dầu này đặc trng cho hàm lợng dầu của khô dầu. Trong quá trình ép, các ống chứa dầu sẽ có thể xảy ra các hiện tợng sau:
ℓ/2 /2 ℓ
L L 2L L (b) (c) (d)
(a)
Hình 1.5. Biểu diễn sự thoát dầu ra từ các ống chứa dầu
Trong đó:
(a): trờng hợp ống dầu thông 2 đầu (b): trờng hợp ống dầu bị tắc một đầu
(c): trờng hợp hai ống dầu xít vào nhau và 2 đầu thông (d): trờng hợp hai ống dầu xít nhau và 1 đầu bị tắc.
b. Quá trình xảy ra đối với phần rắn
Khi các phân tử bắt đầu bị biến dạng thì nếu áp lực nén tăng lên, sự biến dạng xảy ra càng mạnh. Nhng khi các phân tử liên kết chặt chẽ với nhau, sự biến dạng không xảy ra nữa.
Nếu nh trong các khe vách không bị giữ lại một ít dầu và áp lực còn có thể tăng lên nữa thì các phần tử nguyên liệu riêng biệt sẽ tạo thành một khối chắc, dính liền nhau.
Nhng trên thực tế thì áp lực chỉ đạt đến một giới hạn nhất định, một lợng nhỏ dầu còn nằm lại giữa các chỗ tiếp giáp nhau cho nên khô dầu vẫn có tính xốp, đặc biệt khi ra khỏi máy ép, tính xốp lại tăng lên do sự giãn nở của các phần tử sau khi không bị nén nữa.
Trong quá trình ép, khi lực nén càng cao sự biến dạng của các phân tử rắn xảy ra càng nhiều, dầu thoát ra càng nhanh và càng kiệt. Tuy nhiên khi áp lực ép tăng lên làm tăng áp suất chuyển động của dòng dầu, các ống dẫn dầu nhanh chóng hẹp đi, trở lực của dòng dầu tăng lên làm nảy sinh hiện tợng bịt kín đờng thoát dầu. Hiện tợng này xảy ra càng rõ rệt đối với trờng hợp ép bằng các loại máy ép thủ công và máy ép thủy lực vì nguyên liệu ép luôn luôn ở trạng thái tĩnh, không đợc đảo trộn. Điều đó cho ta thấy rằng đối với cơ cấu máy ép nhất định, khi áp lực ép vợt qua phạm vi thích hợp đều không đem lại một hiệu quả tách dầu nào.
Thí dụ đối với máy ép thủ công, sau khi áp lực đạt đến mức nhất định, dầu chảy ra rất mạnh. Nếu tiếp tục tăng áp lực, dầu tiếp tục chảy ra, nhng đến khi áp lực tăng quá giới hạn chảy dầu, dù cho nguyên liệu còn dầu, dầu cũng không thoát ra nữa. Đối với máy ép vít liên tục, vì nguyên liệu trong máy ép luôn đợc đảo trộn, hiện tợng tắc ống dẫn dầu hầu nh không xảy ra, nên giới hạn thích hợp cho việc chảy dầu rất cao.
1.4.3.2. Các biến đổi xảy ra trong quá trình ép
- Vật lý: nhiệt độ nguyên liệu tăng lên, cấu trúc vật liệu thay đổi (mao quản bị phá vỡ).
- Hóa lý: protein bị biến tính sâu sắc do nhiệt độ cao, áp suất cao và sự có mặt của hơi nớc, enzym bị vô hoạt.
- Hóa học: phân hủy protein, phản ứng Maillard, phản ứng giữa protein và lipid, phản ứng khử COOH của protein, phản ứng giữa protêin và gluxit,- phản ứng giữa lipit với gluxit và protêin.
- Cảm quan: các sản phẩm sinh ra từ các phản ứng hóa học trên tạo ra màu sắc, mùi vị cho dầu (sản phẩm Melanoidin,…)
1.4.3.3. Các yếu tố ảnh hởng đến hiệu suất ép dầu
Hiệu suất ép dầu đối với các máy ép khác nhau phụ thuộc vào các yếu tố chÝnh sau:
- Đặc tính cơ học của nguyên liệu ép, những đặc tính kỹ thuật này do các công
đoạn chuẩn bị quyết định nh: mức độ nghiền hạt, lợng vỏ lẫn trong nhân, nhiệt độ, độ ẩm, tính dẻo, tính đàn hồi của bột chng sấy
- Điều kiện tiến hành quá trình ép: những điều kiện này bao gồm cơ cấu máy ép, áp lực ép, nhiệt độ ép…
1.4.3.4. Thiết bị ép vít a. Cấu tạo:
- Trục vít: gồm nhiều đoạn vít khác nhau. Mỗi đoạn vít có bớc vít, đờng kính trục khác nhau.
- Lòng ép: gồm hai nửa giống nhau, đặt úp vào nhau. Trên ranh giới hai nửa
đợc đặt hai con dao gạt giữ cho chuyển động của nguyên liệu dọc theo trục mà không quay tròn tại chỗ.Theo chiều dài, lòng ép đợc chia làm nhiều cấp,
đờng kính khác nhau.
b. Nguyên tắc hoạt động:
Khi làm việc, trục vít quay còn lòng ép cố định. Do tiết diện tại cửa ra nhỏ hơn tất cả các điểm trên lòng ép, lại do trục vít có sự thay đổi bớc vít,
đờng kính trục, và sự thay đổi đờng kính lòng ép, nghĩa là dung tích của bớc vít trớc bé hơn dung tích của bớc vít sau theo chiều chuyển động của nguyên liệu, cho nên, muốn tiếp nhận lợng nguyên liệu của đoạn sau chuyển tới phải xảy ra sự nén, do đó áp lực đợc tạo thành. áp lực này giúp dầu thoát ra khỏi bột, sau đó dầu sẽ đi qua khe hở giữa các thanh căn của lòng ép rồi chảy dồn vào máng hứng dầu. Để tăng thêm lực nén của nguyên liệu, tại cửa
ra của dầu thô còn bố trí một bộ chắn có thể xê dịch đợc để thay đổi chiều dày của lớp khô dầu lọt qua.
Hình 1.6. Thiết bị ép GP
H×nh 1.7. Trôc vÝt
1.4.4. Các tiến bộ trong công nghệ khai thác dầu
Nghiên cứu ứng dụng ảnh hởng của vi sóng đến hạt phỉ Brazil (Gevuina avellana Mol) xử lý trớc khi ép. Các mẫu hạt đợc xử lý ở tần số 2.450Mhz bằng lò vi sóng với công suất 400W và 600W và 3 mức thời gian 120, 180 và 240giây. Kết quả thử nghiệm cho thấy ở mẫu xử lý với 400W và
240giây cải thiện hiệu suất thu hồi dầu của phơng pháp ép. Chất lợng dầu (chỉ số axit, peroxyt) và hàm lợng alpha-tocotrienol cũng nh khả năng bền oxy hóa của dầu tăng cao hơn so với mẫu không xử lý [24].
Hai phơng pháp thay thế có triển vọng trong công nghệ khai thác dầu thực vật là trích ly bằng CO2 siêu tới hạn (SCE) và gần đây phơng pháp ép thủy lực có bổ sung (GAME). Trong phơng pháp trích ly bằng CO2 siêu tới hạn dầu đợc hòa tan trong CO2 sau đó đợc tách ra khỏi nguyên liệu chứa dầu. Tuy nhiên khả năng hòa tan dầu trong CO2 là rất hạn chế chỉ một vài phần trăm và ở một số điều kiện nhất định do đó phơng pháp này không khả
thi trong công nghiệp khai thác dầu thực vật. Sử dụng GAME tận dụng đợc khả năng hòa tan của CO2 trong dầu thực vật có thể lên đến 50% trọng lợng nguyên liệu và do đó làm giảm lợng CO2 [30]. Trong công nghệ này CO2
đợc hòa tan vào trong nguyên liệu trớc khi ép. Trong đó việc hòa tan CO2
làm giảm độ nhớt của dầu nên nâng cao hiệu suất ép. Sau khi ép CO2 dễ dàng
đợc loại ra khỏi dầu bằng quá trình giảm áp. Ưu điểm phơng pháp khai thác bằng ép thủy lực có bổ sung CO2 lỏng với phơng pháp khai thác dầu bằng CO2 siêu tới hạn đợc trình bày ở bảng 1.2.
Bảng 1.2. Ưu điểm của phơng pháp khai thác dầu bằng ép thủy lực có bổ sung CO2
TT Các điều kiện
công nghệ Đơn vị CO2 lỏng siêu tới hạn
ép thủy lực có bổ sung CO2
1 áp suất CO2 mpa 40 70- 10 2 Lợng CO2 trên
nguyên liệu kg 100 1
Sử dụng công nghệ khai thác dầu bằng máy ép thủy lực có bổ sung CO2
tăng hiệu suất thu hồi dầu hơn 30% so với phơng pháp ép thông thờng.
Trong phơng pháp này thì hiệu suất đối với nguyên liệu tách vỏ và nguyên
liệu cha tách vỏ là tơng tự nhau. Phơng pháp ép thủy lực có bổ sung CO2
đạt hiệu suất cao nhất ở 1000C và ở áp suất ép 10Mpa [28].
Piston Thành máy ép Lực ép
Ðp truyÒn thèng
GAME
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý ép thủy lực có bổ sung CO2(GAME)
Dầu màng gấc có chứa nhiều chất dinh dỡng nh beta-caroten, lycopen, vitamin E… Các chất này đều bị biến đổi với mức độ khác nhau tùy thuộc vào chế độ công nghệ trong quá trình sản xuất, cho nên nhiệm vụ của công nghệ sản xuất dầu gấc cần đảm bảo hiệu suất thu hồi dầu cao nhất nhng không làm ảnh hởng đến các chất có hoạt tính sinh học trong gấc. Hai yếu tố này có quan hệ mật thiết với nhau, nhng trong quá trình thực hiện có khi lại mâu thuẫn nhau. Muốn lấy kiệt dầu cần phải gia công cơ nhiệt thật kỹ và áp dụng chế độ ép “mạnh” nhng dới ảnh hởng của lực ép, nhiệt độ, áp suất …
Khô
DÇu
Khô
DÇu
Khô
DÇu CO2