2. Quy trình công nghệ sản xuất Vodka
2.6. Chưng cất và tinh chế
2.6.1. Cơ sở khoa học
Chưng cất là quá trình phân riêng hổn hợp các chất lỏng có khả năng bay hơi khác nhau. Sự khác nhau về khả năng bay hơi thể hiện qua sự chêch lệch nhiệt độ sôi. Chưng cất rượu là quá trình tách rượu và các tạp chất dễ bay hơi ra khỏi giấm chin . Kết quả thu được là cồn thô hoặc rượu thô.
Tinh chế hay tinh luyện là quá trình tách các tạp chất ra khỏi cồn thô và nâng cao nồng độ cồn. Sản phẩm thu được là cồn tinh chế có nồng độ 95,6- 96,5% V.
2.6.2. Mục đích công nghệ
Chủ yếu khai thác để tách và nâng cao nồng độ của một cấu tử nào đó trong hỗn hợp. Dịch sau khi lên men có nồng độ etanol tương đối thấp không vượt quá 20%, do đó để thu hồi ethanol có nồng độ cao ta thực hiên quá trình chưng cất.
Muốn tách cồn thô ra khỏi giấm chin và sau đó để nhận được cồn có chất lượng cao người ta có thể thực hiện theo nhiều phương pháp gián đoạn, bán liên tục hay liên tục.
• Chưng luyện gián đoạn
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.
Ưu điểm:
- Đơn giản
- Thao tác dễ
Nhược điểm
- Thời gian cất mất 6-8g nên thùng chứa lớn
- Tốn vật liệu chế tạo mà năng suất thấp
- Nồng độ cồn không ổn định
Tinh chế cồn : đối với cồn thô nhận được sau chưng cất, nếu đem tinh chế gián đoạn thì cần phải xử lí hóa chất.
Giai đoạn 1: xử lý bằng hóa chất:
- NaOH (khử acid dùng để tạo muối không bay hơi)
• RCOOC2H5 + NaOH → RCOONa + C2H5OH
• R1COOH + NaOH → R1COONa + H2O
- KMnO4 và NaOH có tác dụng khử aldehyd.
- 2KMnO4 + 3CH3CHO + NaOH → 2CH3COOK + CH3COONa + 2MnO2 + H2O.
- Cần tính toán lượng hóa chất đưa vào vừa đủ không dư vì dư thì cồn cũng sẽ bị oxy hóa theo tạo thành acid và gây tổn thất.
- Pha loãng cồn thô tới nồng độ khoảng 50% theo thể tích.
- Dùng dung dịch KMnO4 2% cho vào cồn thô và khuấy đều cho tới khi xuất hiện màu hồng đậm.
Giai đoạn 2: Tinh chế
- Dùng hơi trực tiếp và gián tiếp đun tới t0 = 80 – 900C → để phản ứng xảy ra 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 để hơi rượu bay lên đi tới bộ phận ngưng tụ. Kết quả đạt khoảng như sau:
• 3 – 5% cồn dầu: nhiều tạp chất
• 6 – 12% tiếp theo : nhiều tạp chất đầu
• 60 – 80% tiếp theo: sản phẩm chính
• 6 – 12% tiếp theo : loại 2
• 3 – 5%: rượu fusel (1030C)
• Chưng luyện bán liên tục
Lên men xong giấm chín được bơm vào thùng chứa 1. Vì làm việc gián đoạn nên phải bố trí hai thùng chứa 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 2 rồi vào thùng chứa 3,tiếp đó được liên tục đưa vào tháp tinh chế 4. ở 4 cũng được đun bằng hơi trực tiếp,từ đĩa tiếp liệu xuống đáy nồng độ cồn giảm dần đến đáy tháp còn 0.015-0.03% rồi ra ngoài. Nhiệt độ đáy tháp phải 103-1050C. hơi rượu bay lên được tăng dần nồng độ, phần lớn được ngưng tụ ở 5 rồi hồi lưu về tháp.Một phần nhỏ chưa kịp ngưng còn chứa nhiều tạp chất được đưa sang ngưng tụ tiếp ở 6 và lấy ra ở dạng cồn đầu. Cồn sản phẩm được lấy ra ở dạng lỏng được làm lạnh ở 7 rồi vào thùng chứa và vào kho.
• Chưng luyện liên tục: Có rất nhiều dạng
- 2 tháp gián tiếp – 1 dòng
- 3 tháp gián tiếp
- 3 tháp + 1 tháp fusel bằng 4 tháp
Sau đây giới thiệu hệ thống ba tháp gián tiếp:
Thuyết minh sơ đồ:
- Giấm chín được bơm lên bồn cao vị 1, sau đó tự chảy vào bình hâm giấm 2. Ở đây giấm chin được hâm trực tiếp bằng hơi rượu ngưng tụ đến nhiệt độ 70-800C rồi chảy qua bình tách CO2 số 3 rồi vào tháp 4.
- Khí CO2 và hơi rượu bay lên được ngưng tụ ở 6 qua 7 rồi ra ngoài. Tháp thô được đun nóng bằng hơi trực tiếp,hơi rượu đi từ dưới lên, giấm chảy từ trên xuống nhờ đó quá trình truyền khối được thực hiện,sau đó hơi rượu được ra khỏi tháp và được ngưng tụ ở 2 rồi 6 qua 7 và đi ra ngoài.
- Chảy xuống tới đáy nồng độ rượu trong cồn trong giấm còn khoảng 0.015- 0.03% V được thải ra ngoài gọi là bã rượu. Muốn kiểm tra rượu sót trong bã ta phải ngưng tụ ở dạng hơi cân bằng với pha lỏng. Hơi ngưng tụ có nồng độ 0.4- 0.6% là đạt yêu cầu. Nhiệt độ đáy 103-1050C.
- Phần lớn rượu thô (90-95%) liên tục đi vào tháp aldehyt số 8. Tháp này cũng dung 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%n gọi là cồn đầu. Một phần rượu thô (5-10%) ở 6 hồi lưu về đỉnh tháp aldehyt vì chứa nhiều tạp chất.
- Sau khi tách bớt tạp chất, rượu thô từ đáy tháp aldehyt số 8 liên tục đi vào tháp tinh 11 với nồng độ 35-45%V . Tháp tinh chế cũng được cấp nhiệt bằng hơi trực tiếp, hơi bay lên được nâng dần nồng độ sau đó ngưng tụ ở 12 rồi hồi lưu về tháp. Bằng cách điều chỉnh lượng nước làm lạnh ta lấy ra 1.5-2% cồn đầu rồi cho hồi lưu về đỉnh 8. Cồn sản phẩm dược lấy ra dạng lỏng,làm lạnh và cho vào bình chứa.
• Các biến đổi xảy ra trong quá trình chưng cất
Các biến đổi chính trong quá trình chưng cất chủ yếu là sự thay đổi về pha diển ra trong suốt quá trình chưng cất. Kèm theo sự thay đổi về pha, sự thay đổi về thành phần hóa học trong hai hai pha diễn ra liên tục trong pha lỏng càng lúc càng nhiều cấu tử khó bay hơi là nước , trong pha khí càng lúc càng nhiều cấu tử dễ bay hơi là rượu. sự thay đổi về thành phần hóa học thường dẫn đến sự thay đổi về các tính chất hóa lí khác như tỷ trọng, độ nhớt …Ngoài ra, trong dịch dấm chin còn xảy ra nhiều phản ứng hóa học khác nhau như phản ứng oxy hóa các aldehude, phản ứng Maillard giữa đường khử sót và acid amin, phản ứng ester hóa giữa rượu và acid, phản ứng phân hủy đường.
2.7. Phối trộn
2.7.1. Mục đích
Phối trộn cồn tinh luyện với nước và các nguyên liệu phụ khác để đạt được nồng độ yêu cầu. Tùy theo tỷ lệ các thành phần phối trộn mà chất lượng Vodka thành phẩm sẽ thay đổi theo. Hai thành phần chính chiếm hàm lượng cao nhất trong quá trình phối trộn là ethanol và nước.
2.7.2. Những biến đổi xảy ra trong quá trình phối trộn
Khi phối trộn ethanol với nước sẽ xảy ra hai hiện tượng vật lý quan trọng là tỏa nhiệt và giảm thể tích. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm của Fertman (1968) cho thấy nhiệt lượng tỏa nhiều nhất khi nồng độ cồn trong hỗn hợp sau phối trộn là 30%m/m – tương đương với 36,25%v/v. Nếu nồng độ cao hơn hoặc thấp hơn thì nhiệt lượng tỏa ra sẽ giảm đi.
Chúng ta cần lưu ý đến vấn đề này vì khi nhiệt độ tăng quá cao trong quá trình phối trộn sẽ làm tăng độ tổn thất rượu. Đối với hiện tượng giảm thể tích, các số liệu thực nghiệm cho thấy với nồng độ cồn trong hỗn hợp sau khi phối trộn là 46%m/m-tương đương với 53,3%v/v- thì sự giảm thể tích phối trộn với nước là cao nhất. Nếu ta tăng hoặc giảm độ cồn thì mức độ giảm thể tích của hỗn hợp sau khi phối trộn sẽ giảm đi.
Chúng ta cần lưu ý đến vấn đề này khi tính toán thể tích các thành phần nguyên liệu sử dụng để có đươc thể tích sản phẩm theo đúng yêu cầu. Hiện tượng tỏa nhiệt và giảm thể tích khi phối trộn cồn với nước chứng tỏ có sự tương tác giữa các phân tử cồn và nước. Tuy nhiên, cồn và nước trong hỗn hợp sau khi phối trộn vẫn không bị mất đi những tính chất ban đầu của chúng và ta có thể tách chúng một cách dễ dàng bằng
phương pháp chưng cất. Theo Mendeleev D.I thì sự tương tác giữa ethanol và nước sẽ tạo ra những “phức chất hydarat” không bền. Mức độ tương tác sẽ phụ thuộc vào nồng độ cồn trong dung dịch, áp suất và nhiệt độ.
2.7.3. Phương pháp thực hiện
Trước khi thực hiện quá trình phối trộn chúng ta cần chuẩn bị từng thành phần nguyên liệu theo một quy trình riêng. Đối với cồn tinh luyện và nước là hai thành phần chính của sản phẩm, chúng ta chỉ cần xác định chính xác thể tích sử dụng của mỗi thành phần. Quá trình phối trộn được bắt đầu từ hai nguyên liệu chính là cồn tinh luyện và nước. Sau đó, người ta mới bổ sung vào hỗn hợp syrup và các dung dịch nguyên liệu phụ khác. Sự phối trộn cồn tinh luyện với nước có thể thực hiện theo phương pháp gián đoạn hoặc liên tục.
• Phương pháp gián đoạn:
- Thiết bị có dạng hình trụ đứng và được làm bằng thép không gỉ. Tỷ lệ giữa đường kính và chiều cao của thiết bị xấp xỉ 1,0-1,2.
- Quy trình phối trộn như sau:
Đầu tiên người ta sẽ cho Cồn tinh luyện vào thiết bị theo cửa (3). Cho cánh khuấy hoạt động, tốc độ tối đa là 500 vòng/phút rồi cho nước vào thiết bị theo cửa (2).
Sau đó, cho lần lượt các dung dịch chứa nguyên liệu phụ vào thiết bị. Do thể tích các dung dịch này nhỏ hơn rất nhiều so với cồn tinh luyện và nước, người ta có thể sử dụng cửa (3) đề bổ sung chúng vào thiết bị.
Bên cạnh việc sử dụng cánh khuấy, chúng ta có thể thực hiện bơm hồi lưu hỗn hợp qua hai cửa (10) và (8) để hỗn hợp đạt đến độ đồng nhất cao. Trước khi quá trình phối trộn kết thúc, công nhân sản xuất sẽ lấy mẫu để kiểm tra lại độ cồn trong hỗn hợp.
Sau khi đã tiến hành kiểm tra độ cồn hỗn hợp trong thiết bị phối trộn, nếu giá trị nằm trong khoảng cho phép thì quá trình phối trộn được xem là kết thúc. Trong trường hợp ngược lại, chúng ta cần bổ sung thêm nước hoặc cồn để hiệu chỉnh. Thông thường tổng thời gian cho một mẻ phối trộn trong phương pháp gián đoạn tại nhà máy kéo dài không quá 2h.
• Phương pháp liên tục:
Ở những nhà máy sản xuất Vodka với năng suất lớn, người ta sử dụng thiết bị hoạt động theo phương pháp liên tục để phối trộn cồn với nước.
Thiết bị có cấu tạo rất đơn giản. Cồn tinh luyện sẽ được nạp thiết bị theo cửa (4), còn nước sẽ được đưa vào theo cửa (3). Người ta sử dụng bơm ly tâm để bơm liên tục cồn tinh luyện và nước vào bên trong thiết bị. Hỗn hợp sẽ đảo trộn bổ sung tại vùng (2) giữa hai tấm chắn dạng lưới (1) rồi thoát ra ngoài thiết bị theo cửa (5).
2.8. Quá trình lọc
2.8.1. Mục đích
Trong quá trình phối trộn cồn tinh luyện với nước và các nguyên liệu phụ, hỗn hợp có thể bị lẫn một ít tạp chất dạng lơ lửng. Chúng ta sẽ sử dụng phương pháp lọc để tách bỏ chúng.
2.8.2. Biến đổi của nguyên liệu
Sau khi lọc dung dịch trong suốt hầu như không thay đổi về thành phần hóa học và các thành phần khác, tuy nhiên có thay đổi về trạng thái, màu sắc, chất lượng tăng do tách hết tạp chất và loại được một số vi sinh vật không có lợi theo cặn.
2.8.3. Phương pháp thực hiện
Phổ biến nhất trong công nghệ sản xuất rượu Vodka là thiết bị lọc sử dụng vật liệu gồm cát và sỏi hoạt động theo nguyên tắc một dòng hoặc hai dòng.
• Thiết bị lọc hoạt động theo nguyên tắc một dòng:
Hỗn hợp sẽ được đưa vào thiết bị tại phía đỉnh và sản phẩm sẽ được tháo ra liên tục tại cửa đáy. Áp suất trong quá trình lọc giao động trong khoảng 0,02 ÷ 0,06 MPa.
Tốc độ chảy của hỗn hợp trong thiết bị từ 2 ÷ 6m/giờ. Sau một khoảng thời gian sử dụng (thường là 200 ÷ 300 giờ), vật liệu sẽ bị tắc nghẽn và làm giảm đáng kể tốc độ lọc. Khi đó, người ta sẽ bơm nước sạch vào thiết bị theo hướng từ dưới lên trên để rửa trôi các cặn bẩn.
• Thiết bị hoạt động theo nguyên tắc hai dòng
Người ta nạp nguyên liệu vào thiết bị hai dòng, một dòng thông qua hệ thống (1) và chảy từ trên xuống và một dòng khác qua hệ thống (3) chảy từ dưới lên.
Sản phẩm được tháo ra ngoài nhờ thiết bị hệ thống (2). Sau khoảng 5.000 ÷ 6.000 giờ làm việc, người ta cần tiến hành vệ sinh vật liệu lọc. Năng suất hoạt động của thiết bị lọc hai dòng thường là 2.000 ÷ 2.500 lít/giờ.
2.9. Xử lý bằng than hoạt tính
2.9.1. Mục đích
Quá trình xử lý bằng than hoạt tính giúp cho Vodka thành phẩm có độ trong suốt. Khi nói đến Vodka, người ta thường nghĩ ngay đến độ trong của sản phẩm. Đây là một trong những chỉ tiêu cảm quan quan trọng hàng đầu của Vodka.
Ngoài ra, các nhà sản xuất còn cho rằng quá trình xử lý bằng than hoạt tính cũng góp phần cải thiện mùi và vị của sản phẩm. Tại CHLB Nga, các nhà sản xuất chỉ sử dụng than hoạt tính có nguồn gốc từ bạch dương hoặc dẻ trong công nghiệp Vodka. Gỗ bạch dương hoặc dẻ đầu tiên được xử lý carbon hóa trong thiết bị không có không khí, sản phẩm tạo thành sẽ được xử lý tiếp bằng hơi quá nhiệt.
Khi đó than sẽ được hoạt hóa. Các tạp chất vô cơ trong than sẽ được loại bỏ và những mao quản trong than sẽ được bão hòa bởi oxy không khí. Kích thước hạt sẽ giao động từ 1,0 ÷ 3,5 µm. Một lít than hoạt tính loại sử dụng trong sản xuất Vodka nặng xấp xỉ 260g. Ngoài chức năng hấp phụ một số tạp chất ảnh hưởng xấu đến mùi vị của sản phẩm, các nhà nghiên cứu còn cho rằng than hoạt tính có khả năng xúc tác phản ứng chuyển hóa ethanol và một số tạp chất khác có trong rượu tạo thành các acid hữu cơ. Những acid này sẽ tác dụng với rượu tạo nên một số ester và ảnh hưởng tốt đến hương vị của Vodka (Fertman, 1968)
2.9.2. Phương pháp thực hiện
Trong sản xuất Vodka, có hai phương pháp xử lý Vodka bằng than hoạt tính.
• Phương pháp thứ nhất
Bổ sung than hoạt tính vào thiết bị đã chứa sẵn hỗn hợp cồn, nước và nguyên liệu phụ. Tiến hành khuấy trộn hỗn hợp trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó sử dụng thiết bị lọc khung bản để tách than. Do các hạt than hoạt tính có kích thước nhỏ nên người ta thường sử dụng thêm bột trợ lọc để đảm bảo thu được dịch lọc trong suốt.
Bơm hỗn hợp cồn, nước và nguyên liệu phụ qua thiết bị dạng cột có chứa than hoạt tính bên trong. Cần tính toán và chọn lưu lượng dòng qua cột cho phù hợp để hỗn hợp có đủ thời gian tiếp xúc với than hoạt tính và có những biến đổi trong quá trình xử lý diễn ra đạt mức độ yêu cầu.
Thiết bị được làm bằng thép không rỉ với thân hình trụ và hai đầu hình chỏm cầu. Chiều cao và đường kính phần thân trụ lần lượt là 4,2m và 0,7m. Tại đỉnh trên của thiết bị có cửa nạp hơi để tái sinh than và cửa để tháo sản phẩm và thoát hơi.Tại phần đáy có