MỞ ĐẦU
Đường có ý nghĩa rất quan trọng đối với dinh dưỡng của cơ thể người. Đường
là hợp phần chính không thể thiếu được trong thức ăn của người. Đường còn là hợp
phần quan trọng của nhiều ngành công nghiệp khác như:đồ hộp, bánh kẹo, dược, hoá
học... Chính vì vậy mà công nghiệp đường trên thế giới và nước ta không ngừng phát
triển.
Ở nước ta thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa nên thích nghi cho việc trồng và phát triển
cây mía. Đây là tiềm năng về mía, thuận lợi cho việc sản xuất đường. Nhưng trong
những năm gần đây, ngành mía đường đang gặp tình trạng mất ổn định về việc quy
hoạch vùng nguyên liệu , về đầu tư chưa đúng mức và về thị trường của đường.Vì
thế sản phấm đường bị tồn đọng, sản xuất thì cầm chừng làm cho nông dân trồng mía
không bán được phái chuyến giống cây trồng khác làm thu hẹp dần nguồn nguyên liệu
mía.
Nhưng ngành công nghiệp mía đường vẫn là một ngành quan trọng. Bởi đường không
thể thiếu được trong cuộc sống con người. Mặc khác, nhu cầu về đường cũng ngày
càng tăng bởi một số ngành công nghiệp thực phẩm khác như
: bánh kẹo, đồ hộp,
nước giải khát, sữa...y học ngày càng mở rộng hơn nên nhu cầu lại tăng.
Vì vậy nên việc thiết kế một nhà máy đường hiện đại là rất cần thiết. Nó giải quyết
được nhu cầu tiêu dùng của con người, giải quyết được vùng nguyên liệu, tạo công ăn
việc làm cho người nông dân trồng mía, góp phần phát triển nền kinh tế nước nhà.
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.
Lịch sử của nghành mía đường
1.1.1. Lịch sử của nghành mía đường thế giới
Chính những người đi khai phá thuộc địa của Anh là những người đầu tiên tìm ra
đường và gọi
trắng”.
nó là “vàng
Đường trắng tinh luyện
Phát hiện tình cờ và khởi nguồn của nạn buôn nô lệ
Năm 1492, trong chuyến du ngoạn đến nước cộng hòa Dominica, nhà thám hiểm
Christopher Columbus đã vô tình phát hiện ra một loài cây có thân mập, đặc biệt có vị
rất ngọt và mát. Columbus chưa từng thấy giống cây này trong các chuyến thám hiểm
trước đây của ông nên cảm thấy rất tò mò về loại cây này. Người dân nơi đây gọi loại
cây này là mía. Chính môi trường nhiệt đới ấm áp của Dominica là điều kiện rất tốt
giúp mía phát triển mạnh.
Thực tế, Columbus không phải là người đầu tiên phát hiện ra cây mía. Những ghi chép
lịch sử về mía cho biết, mía được phát hiện từ năm 510 trước Công nguyên. Thời đó,
dưới triều vị vua vĩ đại Darius I, Đế quốc Ba Tư rất hùng mạnh. Khi chinh phạt Ấn
Độ, ông đã thấy mía mọc um tùm, người dân Ấn Độ thường ép lấy nước của mía để
tạo vị ngọt cho các món ăn. Sau khi được nếm thử nước mía, vua Darius I ghi lại:
"Đúng là loại cây kỳ lạ. Nó có thể cho mật ong mà không cần một con ong nào". Vua
Darius I đã ra lệnh cho quân lính mang số mía dại về tìm hiểu.
Tuy nhiên, do mía chỉ sinh trưởng ở những vùng có điều kiện thời tiết ấm ở những
vùng nhiệt đới nên không có vị
ngọt khi được trồng ở khu vực khác. Vua Darius I
không biết điều này nên không trồng được giống cây "ngọt như mật ong", ông cho
rằng loại cây này không thể trồng nên đã bỏ giống lại cộng hòa Dominica, nơi ông
từng đi qua. Nhưng người dân ở nước cộng hòa Dominica không hề biết giống cây
này là gì nên bỏ mặc cho mọc hoang, cho đến khi Columbus phát hiện ra giá trị thực sự
của cây mía.
Sau này, Columbus đã mang giống mía về trồng trên các nước thuộc địa thuộc vùng
biển Caribbean. Bắt đầu từ đây, mía được trồng rộng rãi trong các đồn điền trên vùng
biển Caribbean, Nam Mỹ và các nước miền nam Châu Mỹ. Vào đầu thế kỷ 16, mía đã
trở thành loài cây biểu trưng của các siêu cường quốc châu Âu. Người Bồ Đào Nha đã
mua một ít giống cây mía đến Brazil và ngay sau đó, mía đường được trồng rộng rãi ở
Anh, Hà Lan và các nước thuộc địa của Pháp như Barbados và Haiti.
Giữa thế kỷ 16, người Ấn Độ khám phá ra cách tạo ra tinh thể đường và từ đây, một
cuộc cách mạng mới bắt đầu nổ ra. Các nhà khai phá nước Anh gọi đường là "vàng
trắng" không chỉ bởi tính chất đặc biệt của nó mà còn vì lợi nhuận do đường mang
lại. Lợi nhuận từ việc buôn bán đường lớn đến mức nạn buôn nô lệ ngày càng lan
rộng. Hàng triệu nô lệ châu Phi đã bị bán vào Mỹ để làm việc trong các đồn điền mía,
phục vụ cho các xưởng sản xuất đường.
Do lượng nô lệ châu Phi quá lớn nên các chủ đồn điền ở Anh liên tục sống trong lo
lắng, sợ các cuộc nổi dậy của người nô lệ nên đã phải nhờ cậy đến sự bảo vệ của
lực lượng vệ binh triều đình. Thậm chí, các cuộc chiến cũng bắt đầu nổ ra tranh giành
kỹ thuật chế tạo thứ "vàng trắng" quý giá này. Không chỉ vậy, đường còn đưa các
nước thuộc địa đi lên và có nền kinh tế độc lập.
Trong cuộc cách mạng nông nghiệp Hồi giáo, các công ty Ả Rập đã thực hiện kỹ thuật
sản xuất đường của Ấn Độ và sau đó điều chỉnh và biến nó thành một ngành công
nghiệp lớn. Ả Rập đã thành lập nhà máy đường và đồn điền lớn nhất đầu tiên trên thế
giới.
Vào những năm 1540, sản lượng mía thu được tăng gấp đôi, đẩy ngành sản xuất
đường trở thành ngành công nghiệp chính tại các nước châu Mỹ. Các cơ sở và nhà
máy sản xuất đường liên tiếp mọc lên như đảo Santa Catarina có 800 xưởng sản xuất
đường và bờ biển phía bắc Brazil, Demarara và Surinam có 2000 cái nữa.
Ước chừng có 3000 xưởng nhỏ được xây dựng trước năm 1550 ở Tân Thế Giới, tạo
ra một nhu cầu lớn chưa từng có về bánh răng gang, đòn bẩy, trục xe và các thiết bị
khác. Các nghề chuyên về chế tạo khuôn và luyện gang được phát triển ở châu Âu do
sự bùng nổ về sản xuất đường. Như vậy, các nhà máy đường phát triển chính là giai
đoạn mở đầu cần thiết cho cuộc cách mạng công nghiệp vào đầu thế kỷ 17 sau này.
1.1.2.
Lịch sử phát triển nghành mía đường Việt Nam
Mía đường ở Việt Nam đã có từ xa xưa, nhưng nghành công nghiệp mía đường mới
được bắt đầu từ thế kỷ thứ XX.
Đến năm 1994, cả nước mới có 9 nhà máy đường mía, với tổng công suất gần 11.000
tấn mía/ ngày và 2 nhà máy đường tinh luyện công suất nhỏ, thiết bị và công nghệ lạc
hậu. Hàng năm phải nhập khẩu từ 300.000 đền 500.000 tấn đường.
Năm 1995. Ở những vùng nguyên liệu tập trung lớn, xây dựng các nhà máy có thiết bị
công nghệ tiên tiến hiện đại, kể cả liên doanh với nước ngoài, sản lượng năm 2000
đạt khoảng một triệu tấn.
Sau 5 năm (19952000) đã có bước tiến đột phát. Đầu tư mở rộng công suất 9
nhà máy cũ, xây dựng mới 33 nhà máy, tổng số nhà máy đường của cả nước là 44,
tổng công suất là 81,500 tấn (so với năm 1994 tăng thêm 33 nhà máy và trên 760.000
tấn công suất), năm 2000 đã đạt mục tiêu 1 triệu tấn đường. Miền Nam: 14 nhà máy,
Miền Trung và Tây Nguyên: 15 nhà máy, và Miền Bắc : 13 nhà máy.
Tóm lại, hơn một thập kỷ qua (19952006) tuy thời gian chưa nhiều, được sự hỗ trợ và
bằng sự tác động có hiệu quả bởi các chính sách của Chính phủ, ngành mía đường non
trẻ của Việt Nam đã góp một phần vào tăng trưởng nền kinh tế quốc dân, và phần
quan trọng hơn là góp phần lớn về mặt xã hội, giải quyết việc làm ổn định hàng triệu
nông dân trồng mía và hơn 2 vạn công nhân ổn định làm việc trong các nhà máy, có đời
sống vật chất tinh thần ổn định ngày một cải thiện, góp phần chuyển dịch cơ
cấu kinh tế tạo nên các vùng sản xuất hàng hóa lớn, bộ mặt nông thôn các vùng mía
được đổi mới…
Theo Quy hoạch phát triển mía đường năm 2010, định hướng năm 2020, chỉ tiêu về
diện tích mía là 300.000 ha, năng suất đạt 65 tấn/năm.
1.2.
Nguồn gốc và phân loại cây mía
1.2.1.
Nguồn gốc
Mía là tên gọi chung của một số loài trong chi Mía (Saccharum), bên cạnh các Hoa
thảo (Poaceae), bản địa khu vực nhiệt đới và ôn đới ấm. Chúng có thân to mập, chia
đốt, chứa nhiều đường, cao từ 26 m. Tất cả các dạng mía đường được trồng ngày nay
đều là các dạng lai ghép nội chi phức tạp.
1.2.2.
Phân loại
Cây mía có nguồn gốc từ ấn Độ.Các nước trồng nhiều mía như: Cuba, Braxin, Ấn độ,
Mehico, Trung Quốc, Australia, Hawaii, Philippin, Nam Phi, Indonesiavà Dominica.
Ở nước ta mía được trồng nhiều ở Miền Nam đến miền Bắc.Vùng trồng mía
chủ yếu hiện nay là Miền Bắc bao gồm các tỉnh Hà Sơn Bình, Hà Nam Ninh, Hải
Hưng, một phần Hà Bắc và Vĩnh Phú. Mía được trồng tập trung ven các con sông
chính như hạ lưu sông Hồng, sông Châu Giang, sông Đáy, sông Thái Bình v.v…ở miền
trung mía được trồng nhiều ở tỉnh Nghĩa Bình, Phú Khánh, Tây Nguyên.ở miền Nam,
mía tập trung chủ yếu ở Tây Ninh, Sông Bé, Đồng Nai, Bến Tre, Long An, Hậu Giang,
Cửu Long, An Giang, v.v…
Cây mía thuộc họ hòa thảo (Graminée) giống saccharum. Theo Denhin giống
saccharum có thể chia làm ba nhóm chính:
Nhóm Saccharum officinarum là giống thường gặp và bao gồm phần lớn các
chủng đang trồng phổ biến trên thế giới .
Nhóm Saccharum violaceum: lá màu tím, cây ngắn cứng và không trổ cờ.
Nhóm Saccharum simense: cây nhỏ, cứng, thân màu vàng pha nâu nhạt, trồng từ
lâu ở Trung Quốc.
Chương 2
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG SACCHAROSE TỪ MÍA
1.
1.1. Giai đoạn khai thác nước mía
Mục đích công nghệ: mục đích công nghệ của giai đoạn khai thác nước mía nhằm lấy
kiệt nước mía trong cây mía. Giai đoạn khai thác nước mía là giai đọan đầu tiên và
quan trọng của dây chuyền sản xuất đường. Chỉ tiêu quan trọng của giai đoạn này là
năng suất ép mía và hiệu suất ép mía.
Năng suất ép mía: năng suất của hệ máy ép là số tấn mía ép được trong một đơn vị
thời gian với hiệu suất ép nhất định. Đơn vị
của năng suất thường dùng là tấn
mía/ngày hoặc tấn mía/giờ.
Hiệu suất ép mía: hiệu suất ép là số liệu quan trọng để đánh giá khả năng làm việc
của phân xưởng ép. Hiện nay hiệu suất ép thường đạt từ 9296%.
Công thức tính hiệu suất ép (H):
H=
Nguyên tắc thực hiện
Để lấy nước mía, cần phá vỡ các tế bào của cây mía bằng cách dùng lực cơ học xé tơi
và ép dập thân cây. Giai đoạn khai thác nước mía chia làm hai bước: xử lý và ép mía.
Cây mía vừa dài vừa cong, vỏ mía lại có một lớp sáp trơn nên gây khó khăn cho việc
ép lấy nước. Vì vây để năng cao năng suất ép và hiệu suất ép, đầu tiên mía cần chặt
băm nhỏ. Cây mía sau khi đổ vào băng tải sẽ được san bằng, đi qua các dao chặt hai
lần. Ở lần thứ nhất: mía được chặt thành từng khúc nhỏ 2025 mm. Sau đó mía được
chuyển đến máy ép dập hay vào búa đập để xé mía thành từng sợi nhỏ có đường kính
từ 12 mm. Mía xé tơi sẽ được băng chuyền chuyển đến hệ máy ép hay còn gọi là hệ
các che ép mía. Mục đích chủ yếu của quá trình ép là chiết rút tới mức tối đa cho phép
lượng đường saccharose có trong cây mía. Vì nước mía nằm trong các tế bào, do đó
nếu chỉ sử dụng lực ép cơ học thuần tuý thì sẽ không tách triệt để lượng đường có
trong cây mía. Bổ sung thêm một lượng nước vào trong quá trình ép sẽ giúp tăng hiệu
suất tách đường. Dựa vào phương thức bổ sung nước mà quá trình ép mía được chia
làm hai nhóm: ép thẩm thấu và ép khuếch tán.
Phương pháp ép thẩm thấu
Trong phương pháp ép thẩm thấu, nước (hay dung dịch nước đường) có nhiệt độ xấp
xỉ 600C được tưới vào bã trước khi bã vào che ép tiếp theo. Nước dùng để thẩm thấu
có thể sử dụng “nước ngọt” lấy từ nước ngưng tụ của các thiết bị đun nóng và cô
đặc. Lượng nước được sử dụng khoảng 200% so với lượng sơ mía. Có nhiều
phương án để bổ sung nước vào các trục ép mía như ép thẩm thấu đơn, ép thẩm thấu
lặp lại hay ép thẩm thấu hỗn hợp.
Phương pháp thẩm thấu đơn: sử dụng nước ấm phun vào bã sau mỗi che ép, không
dùng nước mía loãng để tưới cho bã, nước mía hỗn hợp được thu từ các máy ép sẽ
được gộp chung lại.
Phương pháp thẩm thấu lặp lại: trong phương pháp này, nước ấm mới sẽ được phun
vào bã mía của che ép áp cuối. Còn bã mía của các che ép trước đó sẽ được phun ẩm
bằng nước mía của các che ép phía sau.
Trong các phương pháp thẩm thấu trên, phương pháp thẩm thấu thẩm thấu lặp lại hai
lần đạt hiệu suất trích ly cao nhất.
Phương pháp ép khuếch tán
Trong công nghiệp sản xuất đường, khuếch tán có hai dạng: khuếch tán mía và
khuếch tán bã. Trong phương pháp khuếch tán mía, cây mía được xử lý sơ bộ, sau đó
toàn bộ mía được đưa vào thiết bị khuếch tán. Nước mía hỗn hợp bao gồm nước thu
từ thiết bị khuếch tán và nước mía sau quá trình ép kiệt bã. Còn trong phương pháp
khuếch tán bã mía thì mía sau khi xử lý được đưa qua máy ép sơ bộ để thu được
khoảng 6065% lượng nước mía có trong cây mía. Bã mía sau quá trình ép sơ bộ được
đưa vào ngâm trong thiết khuếch tán. Sau đó sẽ qua máy ép kiệt để thu lượng
bị
đường còn sót trong bã. Lượng nước cho khuếch tán khoảng 260280% so với sơ có
trong cây mía. Thông thường, nước vào máy khuếch tán có nồng độ loãng, nhiệt độ 65700C và thời gian lưu trong thiết bị khuếch tán khoảng 2530 phút. Nếu nhiệt độ cao
hơn, lượng đường saccharose trích ly ra được nhiều hơn nhưng đồng thời tạp chất
không đường tan ra cũng nhiều, mặt khác sự chuyển hoá đường cũng tăng lên đáng kể.
Các biến đổi xảy ra trong quá trình khai thác nước mía
Từ khi đốn chặt đến khi ép lấy nước mía, cây mía và nước mía phải tiếp xúc với
nhiều hệ vi sinh vật rất phức tạp. Với độ đường 1014%, pH = 5,05,5, nhiệt độ 20 230C
thì nước mía là môi trường thích hợp cho vi sinh vật sinh trưởng. Một số vi sinh
vật thường gặp trong nước mía như giống Leuconostoc, Micrococcus, loài
Leuconostoc mesenteroides, Bacillus subtilis, B.cereus, B. mensentericus… và nhiều
loại nấm men sẽ sinh ra khối nhầy bẩn, sinh ra dextran, phân huỷ đường… Dưới tác
dụng của nhiệt độ,
ứng thuỷ phân đường cũng diễn ra làm giảm hàm lượng
phản
đường saccharose có trong nước mía.
Thiết bị chính sử dụng trong giai đoạn khai thác nước mía
Máy ép mía có cấu tạo bốn trục, trong đó có ba trục làm việc chính, một trục dùng để
tiếp mía cưỡng bức và chống nghẹt mía. Trên mỗi trục đều có rãnh răng để bã mí
được xé nát hơn. Ở trục dưới có thêm các đường rãnh để nước mía thoát ra dễ dàng
hơn. Răng của các trục cần phải khớp với nhau. Máy ép có hệ thống “lược chải”bã và
được gắn ở sau các trục ép để tránh nghẹt bã mía trong các rãnh. Các vành chắn nước
mía, chắn bã được lắp ở hai đầu trục.
2.2. Giai đoạn hoà đường thô
Mục đích công nghệ: chuẩn bị cho quá trình tinh sạch nước mía trong công nghệ tinh
luyện đường.
Phương pháp thực hiện: đường thô có lớp mật bên ngoài chứa nhiều tạp chất, vì vậy,
trước khi hoà tan đường thô để thực hiện quá trình tinh lọc, cần rửa lớp mật này. Quá
trình rửa mật được thực hiện bằng cách trộn đường thô với nước đường tạo thành
một hỗn hợp sệt và hỗn hợp được gọi là magma. Ly tâm tách bỏ lớp mật rửa sẽ thu
được đường sạch lớp mật. Đường này sẽ được hoà tan với nước thành dung dịch
nước đường 600Bx để bắt đầu vào quá trình tinh lọc các chất keo và các chất không
đường hoà tan.
2.3. Giai đoạn làm sạch nước mía
Mục đích công nghệ chung
Hoàn thiện: loại bỏ các chất không đường
Chuẩn bị cho quá trình kết tinh đường
Tùy thuộc vào quy trình sản xuất đường thô hay tinh lọc đường mà nguyên liệu đầu
vào của giai đoạn làm sạch nước mía có thể là nước mía hỗn hợp hay dung dịch nước
đương 60%Bx.
Nước mía sau khi ra khỏi cây mía có tính axitd với pH = 4,05,5 và chứa nhiều tạp chất
không đường khác. Các tạp chất trong nuocs mía hỗn hợp có thể chia thành ba nhóm là
các tạp chất thô không hòa tan, các chất keo và các chất không đường hòa tan. Do đó,
làm sạch nước mía nhằm trung hòa nước mía hỗn hợp và loại bỏ tối đa chất không
đường, đặc biệt là những chất hoạt động bề mặt và chất keo.
Nguyên tắc thực hiện
Để loại bỏ những tạp chất thô không hòa tan, đơn giản là có thể sử dụng các loại rây
có kích cỡ khác nhau. Để loại bỏ chất keo, cần tạo các điều kiện để keo tụ hay sử
dụng các chất hấp phụ lôi kéo các chất keo đồng kết tủa sau đó lắng, lọc để loại các
kết tủa này để các chất tan kết tụ và phân riêng tủa bằng các biện pháp lắng hoặc lọc.
để loại các chất màu hòa tan, phương pháp hữu hiệu nhất là hấp thụ bằng than và đât
hoạt tính. Cuối cùng, để loại các chất hòa tan không keo tụ như cation kim loại kiềm
hay các anion dễ tan thì sử dụng các cột trao đổi ion.
2.3.1.Các quá trình hóa chế
Mục đích công nghệ
Chuẩn bị cho các quá trình lắng hoặc lọc tiếp theo.
Hoàn thiện: nâng cao chất lượng đường thành phẩm
Nguyên lý tạo tủa: keo trong nước mía hỗn hợp chủ yếu mang điện tích âm, tồn tại ở
hai dạng: keo ưa nước ( protein, potesan, pectin,…) và keo không tan trong nước( chất
màu, chất béo, sáp mía…). Ở trạng thái ổn định, keo mang điện tích hay có lớp bao
bọc bên ngoài, nếu mất các tính chất trên thì keo sẽ bị ngưng kết. Do đó, gia nhiệt và
cho vào nước mía những chất điện ly để thay đổi pH của môi trường sẽ làm ngưng
kết chất keo có sẵn trong nước mía. Hơn nữa, khi pH thay đổi cũng làm một số ion
trong nước mía kết tủa nên sẽ tách được phần lớn các ion này.
Chất điện ly truyền thống sử dụng trong ngành sản xuất mía đường là vôi
sữa[Ca(OH)2] có nồng độ trong khoảng 810oBe. Trong nước, sữa vôi sẽ phân ly thành
dạng ion Ca2+ và ion OH. Ion OH có hai tác dụng chính là trung hòa acid tự do, ngăn
ngừa sự chuyển hóa đường saccharose và tạo môi trường thích hợp cho một số chất
tan có khả năng kếp hợp với một số các anion tạo ra kết tủa như sulfur dioxide (SO2),
carbon dioxide (CO2), photphate pentaoxyde (P2O5) nên có thể tách loại dễ dàng.
Sulfur dioxide (SO2) được lấy từ lò đốt lưu huỳnh và bổ sung vào dung dịch
đường ở dạng khí. Khí SO2 cho vào nước mía hoặc “mật chè” sẽ tạo thành acid
sulfurous có tác dụng trung hòa lượng vôi dư trong nước mía theo phản ứng:
H2SO3 + Ca(OH)2 = CaSO3 + H2O
Muối CaSO3 là chất kết tủa có khả năng hấp phụ các chất không đường, chất màu và
chất keo trong dung dịch. Tuy nhiên, muối CaSO3 kết tủa trong môi trường trung tính
nhưng tan trong acid, vì vậy khi xông SO2 nhiều quá sẽ
là cho CaSO3 hòa tan theo
phương trình:
CaSO3 + H2SO3
Ca(HSO3)2 ( muối tan)
Khí CO2 được sử dụng trong sản xuất đường saccharose lấy từ khói lò hơi và
khói lò vôi có hàm lượng CO2 trong khoảng 3235%. Khi xông CO2 vào nước mía sẽ
phản ứng tạo vôi để tạo ra chất kết tủa:
Ca(OH)2 + H2CO3 = CaCO3 + H2O
Khí CO2 có khả năng phân hủy muối calcium carbonate (CaCO3) kết tủa. Phản ứng
được xảy ra hoàn toàn khi nhiệt độ của dung dịch trong khoảng 7080oC
C12H22O11.CaO + CO2 = C12H22O11 + CaCO3
C12H22O11.2CaO + 2CO2 = C12H22O11 + 2CaCO3
C12H22O11.3CaO + 3CO2 = C12H22O11 + 3CaCO3
Cũng như muối CaSO3, kết tủa CaCO3 có khả hấp phụ các chất không đường, chất
keo và cặn lơ lửng để làm sạch nước mía. Kết tủa CaCO3 cũng tan trong môi trường
acid. Vì vậy khi xông CO2 quá lượng sẽ làm cho muối CaCO3 hòa tan theo phản ứng
CaCO3 + H2CO3
Ca(HCO3)2
P2O5 giữ vai trò quan trọng trong giai đoạn làm sạch nước mía. Trong nước
mía đã vôi hóa, P2O5 phản ứng tạo ra kết tủa Ca3(PO4)2.
4H3PO4 + 2Ca(OH)2 = 1Ca(H2PO4)2 + 4H2O
Ca(H2PO4)2 + 2Ca(OH)2 = Ca3(PO4)2 + 4H2O
Chất kết tủa này có khả năng hấp phụ rất lớn các chất keo, chất màu và các cặn lơ
lửng nên nước mía thu được trong hơn. Khi kết hợp với chất hoạt động bề mặt và sục
khí thì kết tủa Ca3(PO4) không lắng xuống mà nổi lên và được gạt bỏ trong thiết bị
long trong. Bản thân nước mía nguyên liệu đã chứa một hàm lượng P2O5 nhất định.
Hàm lượng đó phụ thuộc vào điều kiện canh tác, đất đai, phân bón… Muốn đạt hiệu
quả làm trong tốt hơn thì nên bổ sung photphate dưới dạng acid photphoric hay các
muối photphate. Lượng P2O5 thích hợp để làm sạch nước mía khoảng 300400mg/lít.
Phương pháp phosphate có nhược điểm là tăng lượng bùn, tốn nhiều vôi, giá thành
cao,
tốn nhiều thời gian do các phản ứng tạo kết tủa xảy ra chậm. Chính và lý do đó,
phương pháp này hiện nay chỉ còn dùng làm sạch sơ bộ, sau đó sẽ kết hợp với một
trong hai phương pháp sulfite hay carbonat để tinh lọc nước mía.
2.3.2. Quá trình lắng – lóng
Mục đích công nghệ
Chuẩn bị cho các quá trình lọc
Hoàn thiện: tách loại các kết tủa và keo ngưng tụ phân tán lơ lửng sinh ra trong
các giai đoạn tạo tủa.
Cuối quá trình này, khoảng 8085% nước mía trong được lấy ra và 1520% nước bùn
được đưa vào máy lọc.
Nguyên tắc của lắnglóng là dựa vào độ chênh lệch khối lượng riêng của các hạt kết
tủa và nước mía để phân lớp. Vận tốc lắng hay nổi của các chất kết tủa phụ thuộc
vào độ nhớt, kích thước của tủa và độ chênh lệch khối lượng riêng giữa tủa và dịch
nước mía hỗn hợp. Để làm giảm độ nhớt, nước mía được gia nhiệt tới 100105oC. Để
làm tăng kích thước của các hạt kết tủa, ngay từ giai đoạn tạo tủa, cấu tạo điều kiện
thích hợp để bông tủa kết tụ lớn. Trong giai đoạn lắng, cần bổ sung một số chất trợ
lắng có khả năng tạo dạng keo và quện các chất tủa lơ lửng thành khối lớn.
Hai dạng thiết bị chính trong quá trình tách tủa là bàn lóng và các dạng máy lắng.
Bàn lóng có cấu tạo dạng hình hộp chữ nhật, đáy nghiêng một góc 30o, được
gia nhiệt thông qua vách truyền nhiệt. Phía trên của hộp có hệ thống gạt bọt gồm
những tay bằng thép, mắc trên dây xích. Vận tốc quay chậm để hạn chế xáo trộn.
Phương pháp hoạt động cho bàn lóng như sau: thổi không khí vào trong đường ống
dẫn dung dịch đường đến bể lóng, tạo áp suất khí cao hơn áp suất khí trời. khi ra khỏi
đường ống, dưới tác dụng của áp suất sẽ tạo thành các bọt khí nhỏ li ti phân tán đều
trong dung dịch. Các bọt khí này sẽ bị hấp thụ lên bề mặt các kết tủa rắn và cặn bẩn.
trong quá trình nổi lên mặt thoáng, các bọt khí sẽ kéo theo các trầm hiện và được tay
gạt bọt gạt ra ngoài. Phần kết tủa có trọng lượng riêng nặng hơn sẽ chìm xuống đáy
bàn lóng, sau đó được đưa qua bàn lọc bùn bắng đường ống xả bùn ở đáy bàn lóng.
Các thiết bị lắng đều có dạng thân hình trụ, và đáy hình nón. Để tăng diện tích
mặt thoáng, phần thân có thể được chia thành nhiều ngăn. Nước mía sau khi tạo kết
tủa và trung hòa đến pH trung tính sẽ
được gia nhiệt rồi đi vào đỉnh thiết bị
lắng.
Nước mía từ đỉnh thiết bị theo ống trung tâm phân phối đến các ngăn. Tại mỗi ngăn,
quá trình lắng sẽ xảy ra. Nước bùn đặc lắng ở đáy sẽ chảy vào đường ống chứa bùn
và thoát ra ở đáy thiết bị. Để bùn dễ chảy vào ống thoát, cấu tạo của đáy ngăn lắng
cần có độ dốc lớn hay gắn thêm các cánh cào bã. Phần nước mía trong ở phía trên cùng
của mỗi ngăn sẽ chảy tràn vào đường ống gắn ở vành ngăn đến bể chứa nước mía
trong. Riêng ngăn ở đỉnh, do nước mía chảy vào làm xáo trộn nên quá trình lắng xảy ra
chưa tốt, vì vậy ngăn này được xem là ngăn dự bị, chỉ có tác dụng tập chung chất kết
tủa và không lấy nước mía trong.
Để tăng năng suất lắng, có thể sử dụng thùng lắng nhanh. Thùng lắng có thân hình trụ
tròn, đáy hình nón. Nước mía được nhập vào máng tròn có bán kính bắng 2/3 bán kính
thùng, chảy tràn qua một máng có mép hình răng cưa vào ống tròn trung tâm, đến nửa
chiều cao thùng gặp tấm chuyển hướng có hai mặt dốc phân phối nước mía sang hai
bên thiết bị. Bùn lắng tích tụ lại ở đáy thùng được gom vào giêngs bùn và được đưa ra
khỏi thùng và được đưa ra khỏi thùng. Các thanh được bắt chặt và chuyển động theo
các tay quay. Nước mía trong chảy tràn qua hai máng thoát hình trụ tròn đồng tâm, có
mép cắt răng cưa. Máng thứ nhất nằm phía trong có bán kính khoảng giữa máng thứ
nhất nói trên và vách ngoài thùng. Do thời gian nước mía lưu lại trong thiết bị ngắn,
nên giảm nguy cơ nước mía bị biến đổi về thành phần hóa học và vi sinh vật.
2.3.3. Quá trình lọc
Mục đích: khai thác, tận thu phần đường còn sót trong nước bùn. Trong quá trình lọc
nước bùn, cần bổ sung một phần các xơ mịn dể làm chất trợ lọc. các dạng thiết bị lọc
thường được sử dụng trong sản xuất đường mía là thiết bị lọc khung bản và lọc chân
không thùng quay. Ngoài ra còn sử dụng thiết bị lọc dĩa và thiết bị lọc ống
2.3.4. Các quá trình loại bỏ chất hòa tan không tạo tủa
Các chất hòa tan không tạo tủa trong nước bao gồm các chất màu, cation kim loại
kiềm và một số anion của muối tan. Các chất gây màu được loại bỏ bằng một trong
hai cách: tẩy màu hóa học và hóa lý. Các ion tan được loại bằng cách cho dung dịch
vào nước mía đi qua các cột trao đổi ion. Để tiết kiệm hóa chất và giảm thể tích thiết
bị, trước khi vào giai đoạn loại bỏ các chất hòa tan, cần cô đặc nước mía loãng đến
nồng độ 60 – 640 Bx
Tẩy màu
Mục đích công nghệ: hoàn thiện, loại bỏ chất màu trong dung dịch. Các chất màu này
có sẵn trong nguyên liệu hay sinh ra trong quá trình chế biến. tẩy màu còn chuẩn bị để
dung dịch nước đường được trong suốt và quá trình kết tinh tiếp theo diễn ra dễ dàng
hơn.
Phương pháp thực hiện:
Tẩy màu bằng phương pháp hóa lý: nước đường được bổ sung than hoạt tính.
Than sẽ hấp thụ chất màu phân tán trong dung dịch ở dạng keo. Lượng than hoạt tính
được pha sẵn ở dạng huyền phù rồi cho vào thùng khuấy trộn theo tỷ lệ khoảng 1 3%
khối lượng nước đường. nhiệt độ thích hợp là 800C, pH của nước mía là 7,0 – 7,2.
Thời gian hấp thụ 30 40 phút.
Tẩy màu bằng phương pháp hóa học: dựa vào khả năng oxy hóa các chất mang
màu của khí SO2. Bằng cách sục khí vào dung dịch nước mía cô đặc, các gốc mang
màu sẽ bị oxy hóa làm cho nước mía trở nên mất màu. Khuyết điểm của phương pháp
này là đường thành phẩm có khả năng bị vàng trở lại sau một thời gian bảo quản
Trao đổi ion
Mục đích công nghệ: hoàn thiện, thay thế ion không có lợi cho quá trình kết tinh
đường bằng ion khác không hay ít ảnh hưởng hơn.
Phương pháp thực hiện: nhựa trao đổi ion là hợp chất cao phân tử, không tan trong
nước, có khả năng trao đổi các ion trong dung dịch.
Chất trao đổi ion có hai dạng:
+ Chất trao đổi ion dương có tính axit thường chứa nhóm:
Nhóm – SO3 có tính acid mạnh có thể trao đổi dễ dàng H+ của mình ở tất cả
các giá trị pH
Nhóm – COOH có thể trao đổi ion của mình với các ion trong môi trường trung
tính và môi trường kiềm
Nhóm – OH có tính acid yếu có thể trao đổi ion của mình trong dung dịch kiềm
+ Chất trao đổi ion có tính kiềm thường chứa các nhóm hoạt động tiêu biểu là –NH2,
=NH, ..
2.3.
Quá trình cô đặc
Mục đích công nghệ: làm bốc hơi nước mía có nồng độ từ 13 150Bx đến nồng độ
mật chè 60 650Bx. Mục đích nhằm loại nước, giảm khối lượng thành phẩm trước
khi tẩy màu, và là quá trình chuẩn bị kết tinh đường .
Các biến đổi nguyên liệu: ở nhiệt độ cao và nước bốc hơi saccharose sẽ bị biến đổi
thành glucose và fructose. Quá trình diễn ra nhanh chóng nếu trong dung dịch đường có
tính acid. Khi nước mía bốc hơi, một phần khoáng chưa loại bỏ hết sẽ tạo cặn gây
hạn chế khả năng truyền nhiệt
Phương pháp thực hiện: quá trình cô đặc được thực hiện ngay sau qúa trình lắng – lọc
và trước khi qua quá trình loại các chất không đường hòa tan. Do nồng độ đương
trước và sau khi cô đặc khác nhau nhiều nên để giảm bớt các biến đổi của đườngcũng
như tiết kiệm năng lượng cần sử dụng hệ thống cô đặc nhiều nồi liên tiếp nhau. Hơi
thứ củ nồi trước sẽ được tận thu làm hơi đốt cho nồi sau. Dung dịch nước đường đi
qua mỗi nồi được tách đi một phần nước, do đó nồng độ đường tăng dần
Trong quá trinh cô đặc nước mía, nhiệt độ sôi của dung dịch đường thay đổi phụ
thuộc vào áp suất, nồng độ đường saccharose và tinh độ của nước mía hỗn hợp. ngoài
ra trong các nhà máy công nghiệp, cần lưu ý đến tổn thất do áp suất thủy tĩnh gây ra
bởi chiều cao cột nước. điều này dẫn đến sự chênh lệch về điểm sôi giữa bề mặt và
dưới đáy cột nước
Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt ở các hiệu là có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hơi
đốt và dung dịch đường. thông thường, các nhà máy ở nước ta thường sử dụng hệ cô
đặc cùng chiều để bốc hơi. Chênh lệch áp suất giữa các nồi được tính toán sao cho
nước mía có thể dễ dàng di chuyển từ nồi trước ra nồi sau. Thêm nữa, để đảm bảo
cho nồi cuối nước vẫn bốc hơi, trong công nghiệp thường sử dụng hệ nồi bốc hơi áp
lực chân không
2.4.
Giai đoạn kết tinh đường
Mục đích công nghệ: khai thác
Tạo điều kiện thuận lợi để đường saccharose từ mật chè kết tinh lại thành các tih thể
đường. yêu cầu các tinh thể đường tạo ra phải đồng đều về mặt kích thước và hàm
lượng đường còn lại trong dung dịch càng ít càng tốt
Cơ sở lý thuyết
Tại một nhiệt độ, lượng đường tôi đa có thể hòa tan trong một đơn vị thể tích nước
được gọi là nồng độ bão hòa. Nếu nồng độ lớn hơn nồng độ bão hòa sẽ xuất hiện quá
trình kết tinh. Vậy để đường có thể kết tinh, nồng độ củ dung dịch đường cần lớn
hơn nồng độ bão hòa ở cùng một nhiệt độ. Dung dịch như vậy còn gọi là dung dịch
quá bão hòa. Tỷ số giữa lượng đường hòa tan trong dung dịch quá bão hòa với lượng
đường hòa tan trong dung dịch bão hòa ở cùng nhiệt độ gọi là hệ số quá bão hòa, kí
hiệu là α. Trong sản xuất đường saccharose, quá báo hòa được hia làm 3 vùng:
Vùng quá bão hòa thấp khi α = 1,10 – 1,15. Trong vùng này tinh thể không tự
xuất hiện được nhưng khi mầm tinh thể đường trong dung dịch thì xảy ra úa trình kết
tinh. Như vậy tại vùng này, mầm tinh thể sẽ lớn lên và không sinh hạt mới
Vùng quá bão hòa trung bình khi α = 1,20 – 1,25. Trong vùng này tinh thể có thể
tự xuất hiện nếu có sự kích thích. Như vậy tại vùng này khi có một biến động nhỏ sẽ
làm phát sinh ra nhiều tinh thể khác, đồng thời những tinh thể đã có sẽ lớn lên với tốc
độ nhanh
Vùng quá bão hòa cao khi α > 1,3. Trong vùng này tinh thể tự xuất hiện không
cần kích thích và lớn lên rất nhanh
Các giai doạn của quá trình nấu đường
Mật chè sau khi bốc hơi đạt đến nồng độ 60 650 B. với nồng độ này, dung dịch chưa
bão hòa, mầm tinh thể chưa xuất hiện, do đó cần tiếp tục bốc hơi trong thiết bị nấu
đường chân không để dung dịch đạt đến nồng độ quá bão hòa và tạo tinh thể. Sản
phẩm thu được sau khi nấu gọi là đường non gồm tinh thể đường và mật cái. Quá
trình nấu đường – kết tinh gồm 4 giai đoạn chủ yếu: cô đặc đầu, hình thành tinh thể,
phát triển tinh thể và cô đặc cuối
Cô đặc đầu: giai đọa cấp nhiệt làm bay hơi nước để đưa dung dịch đạt đến trạng thái
quá bão hòa, chuẩn bị cho sự tạo mầm tinh thể. Tùy theo phương pháp gây mầm mà
khống chế nồng độ quá bão hòa thấ, trung bình hay cao.
Sự tạo mầm tinh thể: để tạo tinh thể, có thể sử dụng một số phương pháp sau:
Phương pháp tạo mầm tự nhiên: dung dịch đường được cô đặc đến vùng quá
bão hoà cao để các tinh thể đường tự xuất hiện trong dung dịch. Khó khan của phương
pháp này là cách nhận biết thời điểm tinh thể để ngưng quá trình cô đặc đầu. Thông
thường các nhà máy đều dựa vào kinh nghiệm của công nhân tham gia sản xuất.
Phương pháp kích thích: cô dặc dung dịch đường đến vùng quá bão hoà trung
bình, làm lạnh đột ngột để kích thích tạo mầm, sau đó chuyển về vùng quá bão hoà
thấp để nuôi tinh thể. Cũng giống như phương pháp tạo mầm tự nhiên, việc xác định
thời điểm kích thích hợp lý phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của công nhân vận hành.
Phương pháp gieo mầm: cô đặc dung dịch đường đến vùng quá bão hoà thấp và
bổ sung mầm. Có 3 cách tạo mầm là:
Phương pháp tinh chủng: mầm là đường bột. Lượng bột đường cho vào chính
là lượng tinh thể cần thiết. Để các hạt bột đường không dính vào nhau và dễ phân tán
trong nồi đường, bột đường được phân tán trong ethanol.
+
Phương pháp nấu giống (hay phân cắt): “giống” được tạo ra bằng cách nấu 1
nồi đường nhỏ và tạo mầm bằng phương pháp tự nhiên hay kích thích.
+
+ Phương pháp đường hồ (magma): mầm được tạo ra bằng cách trộn đường hạ
phẩm đã li tâm với “mật chè”.
Nuôi tinh thể: khi đã đủ lượng tinh thể cần thiết, đưa dung dịch triwr về vùng quá bão
hoà thấp và duy trì liên tục ở vùng này để tinh thể lớn lên và tránh hiện tượng nguỵ
tinh. Ở gia đoạ này có 2 phương pháp nấu:nấu gián đoạn và nấu liên tục.
Nấu gián đoạn: khi vừa cho nguyên liệu vào, độ quá bão hoà của “đường non”
giảm, độ nhớt giảm, một số tinh thể tạo thành bị hoà tan. Lúc này hệ số truyền nhiệt
tăng lên làm nước bay hơi nhanh, dung dịch tăng độ quá bão hoà, đường bắt đầu kết
tinh nhanh. Khi đó, lượng mật giảm, lượng đường trong mật tăng lên, độ hớt tăng, hệ
số truyền nhiệt giảm và quá trình bay hơi nước cũng giảm. Song tốc độ quá trình bay
hơi nước nhanh hơn tốc độ kết tinh, do đó đọ quá bão hoà tăng. Nếu thời điểm này
không cho nguyên liệu vào kịp thời sẽ sinh ra tinh thể mới. Phải mất thời gian và nhiệt
lượng để chỉnh tinh thể lại. Trong quá trình chỉnh lí, cố gắng duy trì hàm lượng tinh
thể trong nồi nấu cố định.
Nấu liên tục: nấu liên tục cho hiệu quả cao vì độ quá bão hoà luôn luôn được
giữ cố định, các quá trình truyền nhiệt, bay hơi, kết tinh không bị đứt đoạn, do đó hạn
chế sự tạo thành các tinh thể dại.
Cô đặc cuối: khi tinh thể đường đạt kích thước nhất định thì ngừng cho nguyên liệu
vào, duy trì và theo dõi đọ quá bão hoà thấp của dung dịch để đường tiếp tục kết tinh.
Đến khi kích thước hạt gần đạt yêu cầu thì tiến hành cô đặc “đường non” đến độ Bx
quy định cho mỗi loại đường. Tránh cô dặc quá nhanh có thể tao tinh thể dại. Nêuú
thấy lượng nước bốc hơi ít dần thì nên đóng từ từ van cung cấp hơi lại, tránh nhiệt độ
trong nồi nấu quá cao. Khi “đường non” trong nồi nấu đạt yêu cầu về nồng độ và kích
thước hạt đường, “đường non” sẽ được tháo khỏi nồi nấu đường để đến thiết bị li
tâm hay đến các máng bồi tinh. Tại máng bồi tinh, quá trình kết tinh đường sẽ tiếp tục
nhằm nâng cao hiệu suất kết tinh, hạ thấp AP mật.
Các biến đổi nguyên liệu
Sau khi được tạo thành, tinh thể saccharose rất bền, ở nhiệt độ dưới 700C hầu như
không có sự thay đổi nào về cấu trúc cũng như các thay đổi đặc biệt khác nên những
thay đổi của “đương non” trong quá trình kết tinh chủ yếu phụ thuộc vào thành phần
mật. Nếu mật có pH acid thì nhiệt độ nấu đường cao là điều kiện thích hợp cho sự
chuyển hoá đường saccharose, do đó cần phải khống chế pH và ổn định nhiệt độ thích
hợp (pH= 5,76,8; nhiệt độ từ 60650C). Trong trường hợp quá trình tinh sạch đường
diễn ra không hoàn toàn, các chất không đường có nồng độ cao sẽ có khả năng đồng
kết tinh với đường saccharose làm tinh thể đường có màu. Khi độ kiềm cao sẽ làm
tăng độ nhớt dẫn đến bốc hơi chậm, mật bị dẻo khó kết tinh.
Chế độ nấu đường
Do hàm lượng đường saccharose ban đầu trong mật chè khá cao, nếu chỉ kết tinh 1 lần
sẽ kéo dài thời gian và lượng đường còn sót lại trong mật sau quá trình kết tinh cao. Vì
vậy cần phải nấu – kết tinh đường nhiều lần. Chế độ nấu đường là thứ tự của các
loại dung dịch đường tham gia vào quá trình nấu đường – kết tinh. Lựa chọn chế độ
nấu đường nào tuỳ thuộc vào độ tinh khiết của “mật chè” sau khi tinh sạch và tiêu
chuẩn chất lượng của đường thành phẩm. Nếu tinh độ của mật chè thấp, lượng
đường saccharose trong mật không cao và tạp chất nhiều thì số lần nấu sẽ ít. Ngược
lại, tinh độ càng cao thì số lần nấu càng nhiều. Thông thường, nếu tinh độ mật chè
nhỏ hơn 80% thì sẽ chỉ nấu 2 lần, hệ nấu A – C (H.3.2.1.12a). Đường thành phẩm là
đường kết tinh từ lần nấu đầu tiên, còn đường kết tinh từ lần nấu thứ 2 sẽ được hoà
tan để tái kết tinh lại. Nếu tinh độ mật chè cao hơn 80% và dưới 90% sẽ nấu đường 3
lần, hệ nấu A – B – C (H.3.2.1.12b). Nếu tinh độ mật chè cao hơn thì sẽ nấu nhiều nồi
hơn nữa. Thí dụ khi tinh độ mật chè lên đến 99% thì có thể sử dụng hệ nấu 7 nồi như
trong bảng 3.2.1.2
a)
- Xem thêm -