NGUYÊN NĂNG VINH - NGUYÊN THỊ MINH TÚ
CÔNG NGHỆ
CHẤT THƠM THIÊN NHIÊN
NGƯYẺN NĂNG V IN H - NGUYỀN THỊ M INH TÚ
CÔNG NGHỆ CHÁT THƠM THIÊN NHIÊN m
NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NỘI
MỤC LỤC • ♦ ChưoTig I. MỞ ĐÀU............................ ......................................................................... 5 ỉ. Giới th iệ u .................................................................................................................................. 5
II. Tình hình sản xuất chất thơm.......................................................................... 6 Chưong II. Nguyên ỉiệu sản xuất chất thơm......................................................... 11 I. Giới th iệ u .................................................................................................................................11
II. Sự tạo thành và biến đồi chất thơm trong thực vật..........................................14 III. Yêu cầu đối với nguyên l i ệ u .......................................................................................... 15 IV. Thời gian vận chuyên nguyên liệu............................................................................... 15
V. Yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chat lượng nguyên liệu khi bảo quản............... 16 Chương III. Phương pháp tách tinh dầu..................................................................18 I. Phân loại các phương pháp tách chất thơm..................................................... 18 II. Phương pháp chưng cất.................................................................................20 III. Nguyên nhân ảnh hưởng chi phí hơi nước chưng cất tinh dầu.......................28 IV. Nhiệt độ chưng cất.......................................................................................30 Chương IV. Thiết bị chưng c ấ t.................................................................................32 I. Thể tích thiết bị chưng cất.............................................................................. 33 II. Các phần của thiết bị chưng cất..................................................................... 34 t III. Vật liệu làm nồi cất......................................................................................37 IV. Các thiết bị chumg cất gián đoạn.................................................................. 38 V. Thiết bị chưng cất bằng phương pháp liên tục............................................... 45 Chương V. Tính toán thể tích và thiết bị chưng cất, truyền nhiệt và phân ly .51 I. Thể tích của thiết bị chưng Gất.........................................................................51 II. Thiết bị truyền nhiệt......................................................................................62 III. Thiết bị phân ly............................................................................................74 IV. Xử lý tinh dầu thô........................................................................................ 81 V. Đóng gói........................................................................................................85
3
Chương VI. Thu hồi tinh dầu từ nước chung......................... ........ ..................... 87 Chương VII. Các phương pháp khác tách chất thơm thiên nhiên.................... 96 ỉ. Phương pháp tách nhựa dầu bằng trích ly............................... ................... 96 II. Phương pháp tách dầu thơm/sáp thơm bằng dung môi không bay hơi và bằng phương pháp cơ học...........................................................................105 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................... ....................................i 13
4
Chương I
MỞ ĐẦU I. GIỚI THIỆU Trong thiên nhiên hâu như liên tục xảy ra thay đổi, được gọi là những quá trình. Nếu những quá trình đỏ tự xảy ra mà không có sự tham gia hoặc theo ý muốn của con người thì được gọi là nhừng quá trình tự nhiên. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, con người cần thiết phải đi sâu vào nghiên cứu một cách tương đối có hệ thống và phân tích cụ thể những hiện tượng đã thu thập được. Nhàm mục đích đó, cần phải tiến hành thực hiện bằng cách tạo ra những quá trình đã xảy ra trong thiên nhiên, ở điều kiện phòng thí nghiệm để có thể nghiên cứu những yếu tố cá biệt, điều kiện tiến hành và hướng đi của các quá trình. Những minh họa bằng cách nhân tạo như vậy được gọi là quá trình thực nghiệm. Những minh họa nếu được thực hiện trong phạm vi lớn, nhằm mục đích chế biến được nhừng sản phẩm của thiên nhiên hoặc phẩm vật cần thiết cho xã hội thì được gọi là những quy trình kỹ thuật. Một trong những môn khoa học nghiên cứu các quy trình kỹ thuật và những phương pháp chế biến từ nguyên liệu thiên nhiên thành những sản phẩm cần thiết cho nhu cầu xã hội, với điều kiện tiết kiệm được nguyên liệu và lao động, có hiệu quả kinh tế là môn Công nghệ chất thơm thiên nhiên. Cán bộ kỹ thuật của ngành kỹ thuật công nghiệp này cần phải biết chi tiết về nguyên Hệu, nhằm khai thác triệt để những chất thơm có trong nguyên liệu và nhất là không làm thay đổi hương vị tự nhiên của nguyên liệu, do tính chất của chất thơm hay các hợp chất thiên nhiên nói chung dưới tác dụng của ánh sáng, không khí, nhiệt độ và các yếu tố khác thì tinh chất của chúng sẽ bị thay đồi đo bị nhựa hoá và oxy hoá... Nhiệm vụ chù yếu của công nghiệp sản xuất chất thơm và các hợp chất tự nhiên nhằm cung cấp một cách tương đối ttiòả mằn cho những ngành công nghiệp cần thiét đến chất thơm và các hợp chất khài thác từ thiên nhiên như công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, hóẩ mỹ phẩm, hoá chất, giấy, môi trường... Trong số đó, có thể kể đến một số ngành quan trọng như sau: Tổng hợp các chất thơm, Hương phẩm, Xà phòng, Đồ hộp, Gia vị, Bánh kẹo, Bánh mì, Rượu, Nước giải khát, Chè, Cà phê, Thuốc lá, Thuốc chữa bệnh. Mỗi ngành công nghiệp kể trên lại cần có những yêu cầu về chất thơm và hợp chất thiỗh nhiên khác nhau. Tổng hợp chất
5
thơm cần đến nhừng loại chất thơm thiên nhiên để làm nhiên liệu trung gian, từ đó có thể sản xuất ra những chất thơm khác hiếm hoặc khồng có trong thiên nhiên. Hương phẩm cần có những chất thơm thể hiện được mùi của nguyên liệu thiên nhiên ban đầu một cách tinh khiết hơn. Đáp ứng yêu cầu này tương đối khó vì mùi vị thường được đánh giá do chủ quan của con người, chưa có tiêu chuẩn cụ thể và chi tiết để so sánh như đối với thành phần và tính chất của chất thơm. Để đánh giá mùi vị cần có những chuyên gia đặc biệt có nhiều kinh nghiệm. Một số ngành công nghiệp khác cũng cần bổ sung chất thơm, nhưng yêu cầu tương đối đơn giản hơn, chỉ cần có chất thơm của nguyên liệu là đủ. Và ở đây cũng không yêu cầu đánh giá cùa những chuyên gia kinh nghiệm, mà chỉ cần sự đánh giá của người sản xuất. Ngoài các ứng dụng trên của chất thơm, hiện nay các nghiên cứu đang đi sâu vào thành phần, tính chất đặc trưng của chất thơm và hom thế nữa nghiên cứu hoạt tính có lợi đáp ứng yêu cầu của sản phẩm phục vụ nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng. Nhiều công trình khoa học đã chứng minh chất thơm và các hợp chất thiên nhiên có nhiều tính chất quí giá như khả năng chống oxi hóa, kháng khuẩn, chống ung thư... Với những két quả này, ngày nay nghiên cứu ứng dụng chất thơm và các sản phẩm thiên nhiên cho các sản phẩm như thực phẩm chức năng, thuốc tăng lực, thuốc chữa bệnh;., đang được đầu tư và quan tâm. Trong các ngành công nghiệp sản xuất hàng hoá phục Vụ đời sống riói chung và công nghiệp thực phẩm nói riêng, tinh dầu - sản phẩm chất thơm thu được từ phương pháp chưng cất và sàn phẩm thu được từ trích ly là các sản phẩm được nghiên cửu và ứng dụng rộng rãi nhất.
II. TÌNH HÌNH SẢN XUÁT CHÁT THƠM Chất thơm được biết đến từ lâu. Ngay từ thời thượng cổ người ta đã đùng đến các loại cây có chất therm ở dạng phơi khô, Đến giai đoạn trung cồ khoảng thế kỷ XV, người ta đã biết dùng các loại rẹ cây có cỊiất thơm để thờ cúng. Từ thế kỷ XV - XVII, chất thom đã được dùng để làm các chất thơm cho tóc và da mặt, làm thuốc và trong đời sống hàng ngày. Từ thế kỷ XVII - XIX, chất thơm được dùng để trang điểm, làm thuốc và dùng trong công nghiệp với phạm vi rộng hơn. Trong giai đoạn này các chất thơm cũng được các nhà hoá học nghiên cứu và áp dụng vào sản xuất với phạm vi cộng nghiệp. Đến thế kỷ XX, chất thơm được phát triển rộng rẵi, chiếm vị trí quan trọng trọng sặn Ẩuất nguyên liệu hoạ học phục vụ công nghiệp hương phẩm, thực phẩm, dệt luyện kim... Đầu thế kỷ XVI, khoa học đẳ ĩígbiệiỉ cứu đựợợ, 14 loại chất thơm khác nhau như: cánh kiến, hỗng* thông, iỊuề, ròsinannr muskat,. . Đến cuối thế kỷ XVI, đã biết thêm được 62 loại chất thqrạ nprạ, và. tv^ thế Jcỵ XỊẸXÍ, đjến nay, hầụ nhu các loại chất thơm đã được nghiện cứy lặd rnột each CQ hệ thống. Từ những thàntL tựu nghiên cứu?ịchất thom đẫdần 4ầo <Ị^cứnạ4ụỊì|Ịvàotrọqg san xuất, V
6
Các loại cầy cỏ chứa chất thơm phô biến ở Việt Nam Như chúng ta đã biết, nước ta thuộc vùng Á nhiệt đới có gió mùa, gần đường xích đạo, nhiệt độ trung bình hàng năm khá cao, mưa nhiều trong những tháng 5 - 7 dương lịch. Lượng nước mưa trung bình từ 1500 - 3000 mm, độ ẩm tương đối cao về mùa hè từ 85 - 95%, với điều kiện ấm và ẩm như vậy rất thuận lợi cho việc phát triển các loại thực vật nói chung trong đó có các loại cây có chất thơm ở nước ta. 1. Hồi ựỉỉicium verum Hoocker): tập trung chủ yếu tại tỉnh Lạng Sơn, với diện tích 29.841 ha, sản lượng 3.717 tấn (năm 2004). Tinh dầu thu được chiếm đến khoảng 90% thành phần trans - anetol. Năm 2005, La Roche đã chiết tách thành công acidshikimic chiếm khoảng 10% từ hồi, thành phần chính trong chuyển hoá sàn xuất thuốc oseltamivỉr (tên thương mại tamiflu), loại thuốc hữu hiệu nhất hiện nay cỏ tác đụng ức chế virus H5N1. 2. Sả: bao gồm sả Java (Cymbopogon winterianus\ sả chanh (Cymbopogon Jlexuosus/citratus), sả hoa hồng (Cymbopogon martini Stapj) và một số giống khác. Sả Java được trồng phổ biến tại tỉnh Tuyên Quang, mỗi năm sản xuất trên 400 tấn. Hợp tác xã Hải Hà, huyện Chiêm Hoá, Tuyên Quang, mỗi nãtn có thể sản xuất 30 tẩn tinh dầu. Sả còn được trồng tại Hàm Yếri, Sơn Dương, Yên Som, Hà Giang, Đắc Nông, Nghệ An, Hà Tĩnh. Thành phần chính trong tinh dầu sà Java là citronellal, citronellol, geraniol. Trong thương mại tỷ số citronellal/geraniol được sử dụng để đánh giá chất lượng tinh dầu sả. Sả có thể phát triển tốt trên-'cấc loại đất cằn cỗi, bạc màu, có khả năng chống xói mòn cũng như cải tạo đất, phát triển tốt từ miền núi tới vùng biển. Thành phần sả chanh khác với cáé loại sả khác ở hàm lượng citral khả cao. Sả hoa hồng cho tinh dầu rất tham và cỏ giả trị kinh tế cao dó thành phần chính là geraniol lên tới 80%. 3. Màng tạng (Litsea cubbeba): tìm thấy phổ biến ở các tỉnh Lào Cai, Hòa Bình, Tuyên Quang, Phú Thọ, Sơn La, Lai Châu hàng năm khai thác 20 - 30 tấn tinh đầu! Thằnh phần chính là citral lên đến 75%. 4. Bạch đàn {Eucalyptus): bặch đàn chanh (Eucalyptus citrìođora), bạch đàn xanh (Eucalyptus gỉổbuỉủs) mọc hầú hết ở các tỉnh nhưng nhiều nhất là ở Móng Cái (Quàng Ninh). Tinh dầu bạch đàn chanh có đến 70 - 80% citronellal trong khi đó tỉnh dầu bạch đàn xarih cỏ tới 63 - 73% òíneol. 5. Quế (Cinnamomum cassia): được trồng nhiều ở Ỷên Bái, Quàng Ninh, Thanh Hóa, Quảng Nam, Quảng Ngãi. Tinh dầu quế có mặt trong lá, cành, rễ, vó với thành phần rất khác nhau. Tinh dầu qùế thu hồi từ vỏ cồ thành phần chính là cinamaldehyde (70 - 90%) ngoài ra cồn cò các chất ktìác như cinamyl acetate, octo - methoxy cinnamaldehyde, cumarin với hàm lượng trong giới hạn yêu cầu. Khi chưng cất phân đoạn tinh dầu quế cần giữ nhỉệt độ sôi thấp vì ở nhiệt độ 150°c tinh đầu phân hủý itiặnh tạo acid ácetic.
7
6. Xá xị: còn gọi là cây vù hương, re hương. Tinh dầu thu được từ gốc cây xá xị đà khai thác gỗ lâu ngày thường có chất lượng cao, hàm lượng safrol có thể đạt đến 96%. 7. Pơ mu (Ngọc Am, Tokienỉa hadginsie): trồng nhiều tại các vùng Tây Nguyên và các tỉnh phía Bắc, thi trường tiêu thụ của tinh dầu pơ mu khá lớn tại Việt Nam và trên thế giới. Thành phần chính tìm thấy trong tinh dầu pơ mu là foukienol và nerolidol, với hàm lượng 60 - 70%, 8. Dó bầu (Aquilaria crassna Piere ex Lecomte thuộc họ Thymelaeaceae): là loài cây có giá trị kinh tế cao, các mảnh gỗ từ cây dó bầu gọi là Trầm hương, sử dụng trong các hoạt động tâm linh, hiện nạy được mua bán, trao đồi và sừ dụng rộng rãi tại Ả Rập, Hồng Kông, Ai Cập, Nhật, Trung Quốc, riêng Đài Loan từ 1993 - 1998 nhập về 4500 tấn. Cây dó bầu phân bố ở Đông Dương, tập trung nhiều ở Campuchia và ở Việt Nam, tìm thấy nhiều ở các tỉnh Khảnh Hòa, Phú Yên, Bình Định, Lâm Đồng, Phú Quốc. Hiện nay cây dó còn được trồng nhiều ở các tỉnh Nghệ An và Hà Tình. Trầm hương, được cho là tác nhân gây kích thích, tiêu trừ nhiều chứng bệnh như ứ khí, đầy hợi trong cơ thể, sốt rệt. Theo con .đường tự nhiên chỉ 10% cây dó trưởng thành có thể sinh trầm sau khi đã trải qua thời gian mạng bệnh từ 1 0 - 2 0 Dăm. Các thành phần chất thơm ịCỦa trầm hương được coi là hợp chất thứ cấp sinh ra do những loại nấm kỵ sinh trên vật chủ là cây dó. Tù’ đầu những năm 80 ở Việt Nam đã bắt đầụ cọ những nghiên cứu Cấy tạo trầm hương, kích cảm bằng các phương pháp cơ gỉới, hóa học và sinh học, nhưng phổ biến là dùng phương pháp sinh học với các chủng nấm gây kích cảm là Aspergillus phoenịcis (Cda)Thom, Pénicỉỉỉium citrinum Thom và Pénicỉỉỉỉum sp. Trầm hương hiện nay được dùng rộng rãi trong công nghiệp mỹ phẩm, thực phẩm chức năng và dược phẩm. Chất lượng tinh dầu trầm Việt Nam được đánh giá cao trên thị trường, giá ban từ 10.000- 14.000 USD/lit con Kỳ Nam từ 30.000 -35.0Ọ0 USD/kg. Nghiên cứu về thành phần hóa học của Ịinh dầu trầm hương cho thấy sesquiterpene chiếm hàm lượng lớn, các khụng selinane, guaiane, vetivane, eudesmane và valencane tạọ nẹn tảng hình thành lên số lượng cấu tử sesquiterpen vớị thàỉih phần ancohọl, aldehyde, ketone đa dạng. Các cấu tử a-(p)-agarofuran, jinkoh - elemol, eudesmol, selinol, cùng rất nhiều guainol, guainal là các cấu tử tiêu biểu tạo thành một tổ hợp hương đặc trưng cho tinh dầu trầm và tăng thêm khả n ^ Ẹ b |jỉinu i mà hỉếm loại tinh dầu khác itóọ đạt được. : ^ ^ ^ $ w jụ ứ e la ỉẹ u c a ccụepịịti Roxb ): Tinh dầu tràm được sản xụẫt hàng nặm tại các tinh Nạm bộ và Trung họ. Hàpi itrpng cinẹọl cùạ tinh đầu tràm chiếm khoảng 55 - 65%. „ ir . , .K . 10. Hựơng bài (Hương lau, Vẹntiveria zizanoidẹr);. loại cậy này được trồng ven sông, ven biển Tiền Hải (Thái Bình). Thành phầ& chính trong tinh dầu và concret
hương bài chiết tách bằng phương pháp trích ly bàng CO2 siêu tới hạn là humulene, caryophylỉene, cedrene, cadinene, khusimone, khusimol, zizanol và vetivone. 11. Hương nhu (Ocỉmum gratissimum) trồng nhiều ở Hải Dương và Hưng Yên. 12. Hoắc hương (Pogostemon patchouli). 13. Bạc hà íMenthepìperita) trồng ở một số hợp tác xã và mọc hoang dại ở một số tỉnh Lào Cai, Lai Châu, Sơn La. 14. Hương diệp (phong lừ) Geranium roseum. 15. Keo (Acacỉaparnrsiana) mọc nhiều ở Móng Cái (Quảng Ninh). 16. Cánh kiến (Styrax benzoides, Styrax Tonkinesis) tìm thấy ở Hòa Bình và các tinh Vĩnh Phú (cũ)ị, Tuyên Quang. 17. Sau sau (Nhựa thau, Tô hạp hương, Liquidambar Formosa) mọc ợ Lạng Sơn, Hòa Bình. 18. Chồi xể (Thanh hao, Baeckeafrustes censỉ) có ở Thái Nguyên, Quáng Ninh, Hòa Bình. Nguyên liệu hiện đang được trồng và khai thác phục vụ sản xuất thuốc chống sốt rét. 19. Trảm (Canarium lupteronaỉba) mọc ở Thái Nguyên, Phú Thọ. 20. Khuynh diệp (Melaleuca cajeput) mọc ở Quảng Bình, Thái Nguyên. 21. Hoàng đàn (Dactydium bỉatum) mọc ở Lạng Sơn. 22. Gừng (Zingiber officinalis) có hầu hết các nơi, nhiều nhất ở Hòa Bình, Yên Bải, Lạng Sơn. 23. Thiên niên kiện (Hoỉbuelĩia angustissina dieỉs) mọc ở Phú Thọ, Quảng Ninh, Hà Bác (cũ) 24. Xuyên tiêu (Xanthosylum nitidux). 25. Thông (Pinus): Loài cây trồng được trồng suốt từ Nam ra Bắc, đặc biệt là ở Quảng Ninh. Tại đây cũng có nhà máy sản xuất tinh dầu thông và tùng hương (colophan) lớn nhất nước ta. Ngoài ra còn cỏ các loại tinh dầu như dầu thông Pinus merkusii loại 2 lá đang khai thác ở Quảng Ninh, Nghệ An, Thái Nguyên và Pinus massoniana (mã vì) mọc ở các vùng biên giới Việt Trung. 26. Còn rất nhiều loại cây hoa quả khác như thảo quả ở Lào Cai; cam, chanh, quýt, bưởi ở vùng nào cũng có và đang được khai thác nhất ở các nông trường; các loại như hoa nhài, hoa hồng, huệ, Ylang - Ylang; các loại thú rừng như cầy hương, cá voi. Nhin chung khí hậu và đất đai của nước ta rất thuận lợi, tạo điều kiện phát triển các loại cây có chất thơm một cách dễ dàng, đây cũng là một trong những nguồn thu nhập ngoại tệ của nhà nước. Hiện nay nhiều dự án, đầu tư được tập trung vào hướng khai thác các nguồn nguyên liệu thiên nhiên, thân thiện môi trường, phục vụ sức khỏe cộng đồng.
9
Tuy vậy sán xuất chất thơm ở nước ta còn nhỏ lẻ, dưới dạng thủ công, trình độ kỹ thuật còn thấp, đầu tư chưa cao và dội ngù cán bộ khoa học kỹ thuật so với các ngành khác còn thấp. Trong phát triên chưa có sự phối hợp giữa các cơ quan liên quan như ngoại thương, nông trường, lâm nghiệp... chưa có kế hoạch phát triến một cách toàn diện từ khâu điều tra cơ bản về nguyên liệu sau đó tiến hành điều tra kế hoạch có trọng tâm nghiên cứu và phát triển gây trồng các loại cây đặc sản. Các loại nguyên liệu từ hoa có giá trị kinh tế cao chưa được chú ý phát trien, chưa có kế hoạch và phương hướng nghiên cứu cụ thể. Việc chuyển hoá tổng hợp một số chất thơm cần thiết cho thực phẩm và hương phẩm, cũng như nâng cao giá trị của sản phẩm còn hạn chế. Chưa có đủ thiết bị dụng cụ chính xác đáng tin cậy để có thể nghiên cứu một cách hoàn chỉnh và đánh giá đúng mức các sản phẩm.
10
Chương II
NGUYÊN LIỆU SẢN XUÁT CHÁT THƠM ■
I. GIỚI THIỆU Nguyên liệu có chứa chất thơm phần lớn được khai thác từ các loại thực vật hoặc động vật khác nhau. Mỗi loại nguyên liệu có một mùi hương khác nhau tùy thuộc vào thành phần. Chất thơm ở trong nguyên liệu thực vật thường ở dạng tự do vì vậy rất dễ dàng tách bằng các phương pháp chưng cất với hơi nước hoặc các phương pháp khác. Một số chất thơm ở dạng liên kết với các nhóm glucozit hoặc với một số chất khác, vì vậy trước khi lấy cần phái áp dụng phương pháp lên men.
về thành phần hoá học tinh dầu là một hồn họp phức tạp bao gồm hầu hết các loại hợp chất hừu cơ thuộc loại mạch thẳng, mạch vòng. Những mạch này lại được chia ra thành các hợp chất có chứa hydro như tecpen, dẫn xuất của tecpen, những hợp chất thơm là dẫn xuất của benzen... Nhừng cấu tử của tinh dầu ta th ường gặp là hydrocacbon, alcol, keton, aldehyde, ether và ester... Các chất hữu cơ có giá trị trong chất thơm đứng đầu về mặt hương phẩm là ester và những hợp chất có chứa oxy, tecpen thường ít cỏ giá trị, do vậy phải tách bớt ra để tăn^ cao phẩm chất của chất thơm. Mùi thơm của chất thơm chính là do sự bay hơi và khả năng tác động nhất định của các cấu tử bay hơi lên các tế bào thần kinh khứu giác. Mức độ bay hơi của các cấu tử này có thể xác định được bằng trọng lượng của chất đó bay đi ở một nhiệt độ nhất định, trên một đơn vị diện tích, trong một đơn vị thời gian. Theo Henry: nếu lấy một chất để ở nhiệt độ bình thường trên một diện tích là lmm2 trong thời gian ls, lượng bay hơi là 0,00 lmg làm đơn vị so sánh thì độ bay hơi của một số chất thơm cụ thể được biểu diễn bằng các số liệu sau: Bảng 1. Độ bay hơi của một số tinh dầu STT
Tinh dầu
Độ bay hơi (mg)
1
Rosmarin
0,0446
2
Bạc hà
0,0354
3
Cam đắng (bergamot)
0,0331
4
Oải hương
0,0292
5
Ylang - ylang
0,0176
11
Mặc dù lượng chất thơm trong không khí ít như vậy, nhưng băng khứu giác chúng ta dề dàrm nhận thấy nếu ta ngửi ở gần bề mặt bay hơi cua tinh dâu. Thí dụ: tinh dầu lonií nào chỉ cần 0,2 X 10 6 gam đà đủ bào hòa trong 5cnr không khí, lg muskus đủ làm thơm cho một phòng có kích thước 5m X 100m X 1000m. Vì tinh dầu rất dễ bay hơi như vậy nên đòi hỏi các thiết bị đựng tinh dầu phải thật kín. Người ta tính rằng: nếu cất linh dầu Geranium trong nhừng thiết bị chưng cất gián đoạn đóng mơ nắp bình thường chỉ trong 1 ngày đêm, nếu nhà máy có 50 nôi cât 2 kg tinh dầu sé bị bay hơi. Mồi một loại cây thường cho chất thơm đặc trưng, và chất thơm được phân bổ hầu như đến khắp ở các phần cây. Nhưng cùng có một số loại cây lại cho chât thơm khác nhau ở mồi phần khác nhau của cây. Ví dụ: vỏ cây quế chứa nhiều cinamic aldehyde, lá cây chứa eugenol, rễ cây chứa camphor. Tương tự như vậy, rất dễ nhặn thấy ở một số loại cây ở họ cam, chanh. Chất thơm chủ yếu phân bố trong vỏ quả. Trong công nghiệp người ta chỉ chú ý sử dụng những phần của cây mà trong đỏ có chứa nhiều chất thơm. Do đó nguyên liệu chất thơm được chia ra thành các nhóm: 1. Loại nhóm quả, hạt: Bao gồm các loại chứa chất thơm trong quả và hạt. 2. Nhóm cỏ lá: Bao gồm các loại có chứa chất thơm trong các lá hoặc các phần xanh của cây mọc trên mặt đất. 3. Nhóm hoa: Chất thơm từ các loại hoa nói chung là nhừng tinh dầu có giá trị hơn cả. Người ta nhận thấy ràng do sự biển đôi màu hoa có ảnh hưởng đến mùi thơm. 4. Nhóm rễ, củ, vở: bao gôm các loại có chứa chất thơm trong rề, và các chôi, búp.
CU,
vở cây
Bảng 2. Phân bố chất thơm (tinh dầu) trong một số nguyên liệu Nhóm nguyên liệu
Hồng
Lavarì
Hồi
Hoa
***
***
**
-
*
*
*
Lá Cành
-
Rễ
-
Quả
-
-
Mùi
Hương bài
Hương nhu
**
-
**
*
-
***
***
*
-
-
★**
***
■***
★
-
***: tinh dầu có lượng lớn đủ dùng trong kỹ thuật **: tinh dầu có ít nhưng phẩm chất vẫn bảo đảm - : hâu như không có
12
-
■k-k
Sả
-
Chất thơm phân bố trong nguyên liệu phụ thuộc vào các cơ quan tạo ra chất thơm. Những cơ quan này được chia ra như sau: 1. Cơ quan bên ngoài hay cơ quan ngoại sinh, là những cơ quan được phân bô trong tế bào hoặc nhừng hạch ở phía bên ngoài của thực vật, có liên kết với nhừng nguồn gốc sinh ra của biểu bì. Nhừng cơ quan ngoại sinh bao gồm các tuyến cỏ vêt hay tóc hoặc tuyên vây. 2. Cơ quan bên trong hay còn gọi là cơ quan nội sinh, là nhừng cơ quan phát triên bên trong những tế bào của thực vật và được chia ra thành các hạch tế bào, túi tế bào... Sự phân bố các cơ quan tạo ra chất thơm trong các loại cây có chất thơm trên trái đất nói chung thường ở dạng tuyến tóc. Những tuyến này đặc trưng cho các họ cây chứa chất thơm quan trọng trong công nghiệp như họ gê - ran, họ hoa hỉnh môi... còn các loại tuyến gian bào phân sinh thì đặc trưng cho các ỉoại hoa hình tán, họ các hoa phức tạp.
Hình 1. Phân bố chất thơm (tinh dầu) trong nguyên liệu
Bàng 3. Hàm lượng chất thơm (tinh dầu) trong một số nguyên liệu STT
Nguyên liệu
Hàm lượng tinh dầu (%)
1.
Đinh hương
1 6 -2 4
2.
Quả hồi
7 -1 4
3.
Lá sả
0 ,4 -1 ,5
4.
Hoa hồng
0,20 - 0,30
5.
Hoa huệ
0,05-0,10
13
II. s ự TẠO THÀNH VÀ BIÉN ĐỐI CHÁT THƠM TRONG THỰC VẠT Sự tạo thành chất thơm trong cây cho đến nay chưa có một lý thuyết nào chứng minh bằng thực nghiệm thật đầy đủ. Vì vậy việc đi đến một kết luận chăc chắn còn gặp nhiều khó khăn. Một số giả thuyết cho rằng đầu tiên protit và gluxit được tạo thành và sau đó từ những chất này tạo ra chất thơm, các cấu tứ chất thơm thường tác dụng kết hợp di truyền, bởi vậy thường gặp ở trong chất thơm các loại alcohol, aldehyd, ester, keton tương ứng với các loại alcohol no và không no tương tự. Đối với chất thơm là tinh dầu geraniol và citronelol, citral thường gặp trong một số loại tinh dầu họ quả có múi (Citrus). Trong tinh dầu hồi có thể tìm thấy anetol, acitalnic anicaldehyde. Trong tinh dầu bạc hà có menthol, ester jeovanlerianat, menthone và mentol acetate... Đã có nghiên cứu trên sự biến đổi của tinh dầu trong các giai đoạn phát triến của cây cũng như trong các phần cây có chứa tinh dâu, kêt quả cho thấy những biến đổi đó có tính chất quy luật luôn giống nhau. Trong quá trình phát triển của cây chỉ số chiết quang và trọng lượng riêng của tinh dầu thìa là tăng dần, đồng thời độ quay cực giảm dần, hiện tượng xảy ra hoàn toàn ngược lại đối với lá, chỉ số chiết quang và trọng lượng riêng giảm dần và độ quay cực tăng. Neu xét về sự biến đổi hoá học trong quả có xu hướng tích lũy dần các hợp chât chứa oxy còn trong lá có xu hướng tích lũy dần các hydrocarbon. Nhiều kết quả nghiên cứu Viện di thực Trung ương Liên xô cũ cho ta một số kêt luận sau: 1. Tinh dầu tạo thành luôn luôn thay đổi tùy thuộc vào mức độ phát triển của cây, kết hợp với các chức năng của chúng ở từng giai đoạn (ra hoa, kết quả hoặc mất đi các chất dinh dường dự trữ...) và sự thay đổi đó chịu ảnh hưởng của hàng loạt những định luật cân bằng liên tục. 2. Thay đổi của tinh dầu trong cây có xu hướng tích lũy dần những hợp chất oxy nhiều hơn các hợp chất khác. 3. Cấu trúc khác nhau trên cùng một loại cây tạo tinh dầu khác nhau do vậy ta thường thu được những loại tinh dầu khác nhau trong cùng một loại cây. 4. Quá trình biến đổi tinh dầu ở các cơ quan khác nhau của cây trong suốt thời gian phát triển cũng không giống nhau, mà chỉ đặc trưng cho cơ quan đó mà thôi. Trên cơ sở đă nêu trên, ta có thể xác định được thời gian thu hoạch tinh dầu của mỗi loại cây nhằm vào lúc cây có nhiều tinh dầu nhất. Cũng như tiêu chuẩn hoá được các loại tinh dầu theo giai đoạn phát triển của cây, để có thể thu được tinh dầu có phẩm chất thuần nhất. Bảng 3.4 là một vài số liệu về sự thay đổi hàm lượng tinh dầu có trong một số loại cây qua từng giai đoạn phát triển và các cơ quan khác nhau của cây đó.
14
Bảng 4. Hiệu suất tách chất thơm (tỉnh dầu) từ một số nguyên liệu Hiệu suất tinh dầu tính theo trọng lượng khô tuyệt đói Cuộng hoa và các chùm hoa Lả từ cây đă nở hoa Cành từ cây đã nở hoa Oải hương
2,49
0,27
0,04
Mùi
1,32
0,32
-
Hạt thìa là
0,04
1,90
-
Qua bảng trên ta thấy trong trường hợp chất thơm là tinh dầu được tích luỹ nhiều hơn ở trong các cơ quan tạo ra quả như là hoa, ít hơn ở trong lá và ít hơn nữa ở trong cành. Nhưng đôi khi cũng có trường hợp ngược lại như ở cây Geran tinh dầu có nhiều trong lá, ít hơn trong hoa và hoàn toàn không có trong nhị hoa. Ngoài ra điều kiện địa lý, khí hậu thời gian thu hoạch cùng có ảnh hưởng đến hàm lượng tinh dầu hình thành trong cây. Tinh dầu xả hoa hồng trên 1 ha năm đầu thu được 20 kg tinh dầu, trong khi đó năm thứ 2 thu được lên 60 kg và trong năm thứ 3, năm thứ 4 mỗi năm thu được 70 kg.
III. YÊU CÀU ĐỐI VỚI NGUYÊN LIỆU Khi sử dụng một loại nguyên liệu nào đó, cơ sở sản xuất cần phải chú ý tới độ tươi của nguyên liệu, vì phần lớn nguyên liệu càng tươi thì càng có nhiều chất thơm hơn, đặc biệt đối với loại nguyên liệu có mùi thơm như hoa. Nếu nguyên liệu sau khi thu hái về không có điều kiện chế biến ngay, cần tìm biện pháp để bảo quản tránh cho nguyên liệu khỏi bị tự bốc nóng, lên men, mốc và hỏng, Muốn vậy nguyên liệu cần phải rải từng ỉớp mỏng, tránh bết dính. Nguyên liệu cần thu hoạch đúng lúc khi hàm lượng chất thơm và phẩm chất chất thơm tốt nhất. Mức độ chín của nguyên liệu thường không đồng đều, khác nhau tùy thuộc vào mỗi loại nguyên liệu, nhưng riêng đối với các loại hoa, thời điểm tốt nhất là lúc hoa nở hoàn toàn, đối với các loại quả ìà lúc vừa chín tới... Ngoài ra khi thu nhận nguyên liệu còn phải xét đến độ sạch, lưu ý những tạp chất lẫn trong khi thu hoạch. Ví dụ đối với nguyên liệu hoa, lá cành, với các loại cỏ là những tạp chất không mong muốn, vì phần lớn các tạp chất cùng có chứa chất thơm, khi chế biến thì làm giảm mất phẩm chất của sản phẩm chính. Bởi vậy, khi thu hái nguyên liệu cần hết sức chú ý loại tạp chất ngay ở ngoài đồng nơi thu hoạch, tránh tình trạng chuyên chở về cơ sở sản xuất tốn kém thời gian và công sức.
IV. THỜI GIAN VẬN CHUYẾN NGUYÊN LIỆU Một Số lớn nguyên liệu chất thơm không thể bảo quản được lâu vì vậy thời gian chuyên chở càng ngắn càng tốt. Đẻ làm tốt công việc này cần phải có lịch rô ràng và phân công cụ thể theo đúng thời gian thu hái và vận chuyển, lịch thu hoạch
15
cần phải phù hợp với công suất và phương tiện vận chuyến của nhà máy. Với lý do này nhà máy không nên bô trí ở xa vùng nguyên ỉìệu và tính toán, thiêt kê dựa trên các phương tiện sẽ sử dụng để vận chuyển nguyên liệu. Trong thực tế, nếu nguyên liệu cần chế biến ở dạng tươi, nếu vận chuyển bằng ôtô và đường giao thông tôt, nhà máy có thê xây dựng cách vùng nguyên liệu 1 0 -2 5 km; nêu vận chuyến băng xe cơ giới thì không nên xa quá 3 - 6 km. Đối với các loại nguyên liệu như hoa hồng, hoa nhài thì nhà máy cần phải xây dựng gần hơn nữa. Nguyên liệu từ củ, rễ, quả hoặc những nguyên liệu cổ lá có thê làm khô, héo thì nhà máy có thê ở xa hơn. Do vậy, lịch đưa nguyên liệu đến nơi sản xuất nên linh động họp lý. Nguyên liệu cỏ, lá hoặc hoa khi vận chuyển cần chú ý tránh không bị bốc nóng, làm tôn thât chất thơm khi vận chuyển. Nguyên nhân nguyên liệu bị bốc nóng, cùng có thê là đo bị nén hoặc bị dẫm chặt quá, vì vậy không nên đê nguời hoặc bất cứ vật liệu nặng nào khác đè lên nguyên liệu. Một trong những biện pháp hữu hiệu là xung quanh thành xe đóng một khung có mắt hở, chiều cao khoảng 2m, và giữa các lóp nguyên liệu có một số khung đỡ phân cách, làm giảm bót sức nặng của lớp nguyên liệu trên đè xuống lớp dưới. Đe tránh mưa nắng khung xe có phủ lá hoặc bạt, đối với các loại hoa nên chửa vào trong các giỏ hoặc sọt để xếp thành từng lớp xen kẽ, tránh để trực tiếp ỉên nhau.
V. YÉU TỐ C ơ BẢN ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHÁT LƯỢNG NGUYÊN LIỆU KHI BẢO QUẢN Những yếu tố cơ bản làm ảnh hưởng tới chất lượng nguyên liệu trong thời gian bảo quản bao gồm nhiệt độ và độ ẩm của không khí. Nhiệt độ, độ ẩm chính là nhừng điều kiện cho quá trình hoạt động của các loại men, xảy ra ngay trong nguyên liệu. Bên cạnh đó sâu bọ và các loài vi sinh vật cũng phát triển theo nhiệt độ và độ ẩm. Điều chỉnh hai yếu tố này chúng ta có thể tạo ra được điều kiện bảo quản thích hợp và ảnh hưởng của những yếu tố bất lợi sẽ được hạn chế tới mức độ thấp nhất. Ờ nhiệt độ cao hơn 45 - 50°c thành phần hóa học của nguyên liệu tươi thay đổi và làm giảm lượng chất thơm. Nhiệt độ quá thấp làm ảnh hưởng tới phầm chất của nguyên liệu ở dạng phơi khô. Nguyên liệu ở dạng tươi như cánh hoa hồng và các loại quả cam, chanh không thể bảo quản lâu, cần phải chế biến ngay. Tùy theo độ ẩm của không khí, nguyên liệu có khả năng hút hoặc thải ẩm ra môi trường xung quanh. Lượng ẩm có chửa trong không khí đạt tới mức độ tới hạn thì không khí đó gọi là không khí bão hòa ẩm, lượng hơi nước có trong không khí bão hòa ẩm càng tăng nếu nhiệt độ càng tăng. Trong lm 3 không khí bão hòa ẩm ở 0°c chứa 4,9g hơi nước; ở 20°C:17,2g; ở 40°C:50g; ỡ 60°C:129,3g; ở 100()C:589,6g. Nếu không khí không bão hòa ẩm thì độ ẩm của nó được biểu diễn bằng lượng phần trăm ít hom. 16
Trong vấn đề bảo quản nguyên liệu có chất thơm, độ âm tương đối quan trọng hơn độ ẩm tuyệt đối, vì độ ẩm tương đối cho ta biết ngay mức độ gần đúng của trạng thái băo hòa có nghĩa là cho ta biêt khả năng hút âm từ không khí vào hoặc thoát âm từ nguyên liệu. Nêu nhiệt độ của không khí giảm dân, độ âm đạt tới trạng thái bão hòa và khi nhiệt độ tiếp tục giảm phần hơi nước từ không khí sẽ rơi xuông ở dạng sương. Điêm đọng sương này đặc trưng cho không khí được bão hòa hoàn toàn bằng hơi nước. Không khí âm nhưng chưa được bão hòa âm sẽ còn có khả năng hút thêm một lượng ẩm nhất định nừa để đạt tới bão hòa, lượng ẩm được hút vào như vậy gọi là ẩm thể tích của không khí. Không khí bâo hòa ẩm ở 10°c khi nâng nhiệt độ lên tới 60°c thì bào hòa ẩm của nó sẽ giảm, độ ẩm của không khí lúc đó là 7,3%, đê đạt tới bão hòa âm sẽ còn 92,7% lượng âm nữa, lượng âm đó gọi là lượng ẩm the tích - ẩm tích. Nhìn chung những biện pháp nhằm hợp lý hoá các chế độ bảo quản trong kho hoặc nhà chứa nguyên liệu đều mong muốn đạt được mục đích sao cho độ ẩm của nguyên liệu và không khí bên ngoài tiến tới một giới hạn nhất định. Khi đó nguyên liệu không thoát ẩm ra hoặc thu vào và vẫn đảm bảo chất lượng trong suốt thời gian bảo quản. Trong bảo quản, cần chú ý, tạp chất có độ ẩm cao hơn độ ẩm của nguyên liệu do vậy dễ làm cho độ ẩm của nguyên liệu tăng lên. Các quả hoặc hạt nguyên liệu bị dập vỡ cũng là nguyên nhân gây nên tồn thất chất thơm do các loại vi sinh vật, các loại sâu bọ phát triển sống nhờ chất dinh dưỡng có trong nguyên liệu. Khi độ ẩm tăng sẽ làm cho cường độ hô hấp của nguyên liệu tăng và do đó ở phần hạt bị dập, vờ, nhiệt độ sẽ tăng lên. Người ta nghiên cứu thấy ràng ở những nguyên liệu cỏ phần bị dập, vở nhiều khi bảo quản nhiệt độ có thể tăng 10°c - 15°c và gây ra tình trạng bốc nóng.
17
Chương III
PHƯƠNG PHÁP TÁCH TINH DÂU I. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH CHÁT THƠM Phụ thuộc vào dạng liên kết chất thơm có trong nguyên liệu (tự do, kết hợp, két hợp glucozit) người ta sử dụng các phương pháp tách chất thơm khác nhau. Các phương pháp tách chất thơm cần phải đạt những yêu cầu chính như sau: - Chất thơm thu được có mùi vị ban đầu của nguyên liệu - Quy trình kỹ thuật thuận lợi và nhanh chóng - Tách triệt để, lấy được hết chất thơm trong nguyên liệu Phương phảp dựa vào quả trình cơ học và hoả học ~ Phương pháp cơ học - Phương pháp chưng cất - Phương pháp trích ly Phương pháp kết hợp với các quả trình sinh hoả - Phưưng pháp hấp phụ - Phương pháp lên men (sau đó chưng cất chất thơm) Cơ sở tách chất thơm dựa vào một số tính chất của chất thơm như sau: - Không hòa tan trong nước (Chất thơm ít hòa tan trong nước) - Bay hơi và cuốn theo hơi nước - Hòa tan trong một số hợp chất hữu cơ - bay hơi và không bay hơi cùng như khả năng có thể bị hấp thụ vào khi ở dạng khí. 1. Phương pháp cơ học Phương pháp cơ học tương đối đơn giản, dùng để tách chất thơm ở dạng tự do bàng cách ép, dùng phổ biến cho các loại quả như: cam, chanh, quýt, bưởi... vì đối với những nguyên liệu này chất thơm thường phân bố ở lớp tế bào mỏng phía bên ngoài với một lượng tương đối lớn. Khi ta tác dụng một íực lên vỏ quả thì các tế bào có chứa chất thơm sẽ bị vỡ và chất thơm sẽ bị chảy ra ngoài rất dề dàng.
18
2. Phu’OTig pháp chưng cất Phương pháp chưng cất không đòi hỏi thiết bị phức tạp, có khá năng lấy được triệt đế chât thơm có trong nguyên liệu. Ngoài ra phương pháp này còn có khả năng cho phép ta có thể dựa vào tính chất bay hơi khác nhau của các cấu tử có trong chất thơm để phân ly chúng ra thành nhừng phần riêng biệt có độ tinh khiết hơn. Ví dụ: chưng cất phân đoạn nguyên liệu quả hồi ta có thể tách được anetol, chưng cất phân đoạn nguyên liệu bạc hà tách được menthol, chưng cất phân đoạn nguyên liệu quả mùi tách được linalool. Đối với các loại nguyên liệu thường phải sơ chế trước khi chưng cất để quá trình tiến hành được nhanh chóng hơn: quả cần phải nghiền nhỏ, lá hoặc cắt nhỏ hoặc phơi hẻo, phơi khô. Ví dụ: nếu chưng cất từ nguyên liệu hoẳc hương tươi cần 8 giờ, nhưng sau khi phơi khô quá trình chưng cất chỉ cần 4 giờ. Đối với một số loại cây có chất thơm thuộc thành phần khó bay hơi như các loại nhựa, sáp hoặc một số chất thơm có thành phần hoá học không bền vững để thay đổi ở nhiệt độ cao thì không dùng phương pháp chưng cất để tách được. 3. Phương pháp trích ly Phương pháp này được sử dụng trong trường hợp các thành phần hợp chất thiên nhiên không bền ở nhiệt độ cao hoặc hàm lượng trong nguyên liệu rất thấp không thể dùng phương pháp chưng cất. Phương pháp trích ly thường dùng dung môi dễ bay hơi như ethylic ether, petroleum ether, alcool, acetone hoặc các loại khí hoá lỏng như CƠ2 lỏng tại áp suất lớn 60 - 70 atm. 4. Phương pháp hấp phụ Phương pháp hấp phụ dựa trên cơ sở tính chất của một số loại hoa, quả có thể kéo dài thời gian tạo ra hương thơm sau khi đã rời khỏi cây và khả năng hòa tan chúng của các loại mờ động vật trên bề mặt (hấp phụ). Bằng cách này thao tác tiến hành rất thủ công, khó cơ giới hoá, các loại mờ động vật đắt tiền, khó bảo quản, quá trình tiến hành kéo dài, năng suất thấp. Gần đây người ta chuyển sang hấp phụ bằng than hoạt tính gọi là hấp phụ động học. Bằng phương pháp này người ta tạo điều kiện cho các luồng khí ẩm đi qua lớp hoa, nhằm giữ cho hoa được tươi lâu. Luồng không khí sau khi qua lớp hoa sẽ cuốn theo những chất thơm bay hơi đi vào buồng hấp phụ, ở đó than hoạt tính sẽ giữ lại các chất thơm tại buồng hấp phụ, không khí thải ra ngoài. Lớp hoa còn lại sau khi hấp phụ hết các chất thơm bay hơi sẽ đem đi chưng cất hoặc trích ly lấy hết nhừng chất thơm không bay hơi còn lại.
19
5. Phương pháp lên men Phương pháp này được áp dụng đối với các loại cây và quả cỏ chất thơm ở trạng thái kết hợp từng phần, hoặc kết hợp hoàn toàn, không ở trạng thái tự do mà thường ở trạng thái kết họp glucozit. Vì vậy, muốn tách chất thơm từ nhừng loại nguyên liệu này, đầu tiên cần phải tiến hành sơ bộ tách bàng phương pháp lên men, sau đó dùng phương pháp chưng cất để tách hoàn toàn.
II. PHƯƠNG PHÁP CHƯNG c a t Chưng cất là một quá trình biến đổi một cấu tử hoặc một hỗn hợp thề lỏng thành thể hơi ở một thiết bị sau đó hơi được ngưng tụ ở một thiết bị khác nhờ phương pháp làm lạnh. Chưng cất được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhằm để tách những sản phẩm dễ bay hơi ra khỏi hỗn hợp khó bay hơi, hoặc tách hỗn hợp chất lỏng bay hơi ra thành từng cấu tử. Trường họp chưng cất đom giản nhất là chưng cất một hỗn hợp đồng thể, hay còn gọi ỉà hệ một cấu tử, chất lỏng được nâng lên nhiệt độ sôi và bắt đầu bay hơi ả nhiệt độ khi áp suất hơi của dung dịch cân bàng với áp suất của không khí bên ngoài, trong suốt thời gian sồi nếu áp suất không thay đổi thì nhiệt độ sôi cũng sẽ không thay đồi. Khi chưng cất một hỗn hợp chất lỏng gồm hai hay nhiều cấu tử, trong quá trình chưng cất, cùng với sự thay đổi thành phần của thể lỏng có thể làm thay đổi thành phần của hồn hợp hơi. Trong điều kiện áp suất không đổi tùy thuộc vào mức độ tan lẫn vào nhau của hỗn hợp và khả năng tan lẫn vào nhau của các cấu tử, dung dịch lỏng thu được bàng cách làm ngưng tụ hỗn hợp hơi bay ra sẽ có thành phần các chất dễ bay hơi cao hơn so với thành phần chất lỏng ban đầu. Neu vẫn tiếp tục chưng cất thì thành phần các chất dễ bay hơi sẽ càng tăng dần. Độ hòa tan của chất thơm (tinh dầu) trong nước khác nhau phụ thuộc vào thành phần của các hợp chất có chứa trong thành phần của tinh dầu. Thứ tự sắp xếp các hợp chất theo mức độ hòa tan giảm dần: axit béo cỏ phân tử nhỏ; rượu; axit; aldehyde; hợp chất nitrit; phenol; aldehyde thơm; ester; dẫn xuất của halogen; hợp chất có chứa c và S; hydrocarbon. Trong bất kỳ một dạng chưng cất nào giữa pha lỏng và pha hơi đều được thiết lập một cân bằng động. Điều kiện để cho hệ thống lỏng và hơi ở dạng cân bàng có thể xác định theo quy tắc Gibbs: c +2=F+T C: số cấư tử F: số pha T: số bậc tự do
20
1. Chưng cất vói nước Nguyên liệu và nước được cho vào cùng một thiết bị, đun tới sôi, nước bay hơi cuốn theo tinh dầu, tinh dầu được tách ra sau ngưng tụ. Bằng cách này thiết bị chưng cất tương đối đơn giản rẻ tiền, rất phù hợp với điều kiện sản xuất công nghiệp địa phương, ở những nơi mới phát triển bước đầu chưa cỏ điều kiện đầu tư vốn vào sản xuất. Nhược điểm: - Tinh dầu có chất lượng chưa cao - Nguyên liệu dễ bị cháy khét nhất là nhũmg chỗ trong thiết bị nguyên liệu thiếu nước, hoặc bị bết dính vào thành thiết bị, đặc biệt khi chưng cất các loại hoa. - Khó điều chỉnh các thông số kỹ thuật (T°, p) khi chưng cất và thông thường thời gian chưng cất bị kẻo dài. - Tốc độ chưng cất và thời gian chưng cất phụ thuộc chủ yếu vào bộ phận đốt lò. 2. Chưng cất vói hoi nước không có nồi hơi riêng Nguyên liệu và nước được đưa vào cùng một thiết bị nhưng ngăn cách bằng một lớp vỉ, để tránh cho nguyên liệu khỏi lọt vào nồi chứa nước. Tùy thuộc vào loại nguyên liệu, khi cần thiết người ta có thể lót một lớp bao tải lên trên mặt vỉ. Nước được đun sôi bốc hơi lên qua lớp vỉ đi vào lớp nguyên liệu và kéo theo tinh dầu đi ra. Nguyên liệu bớt khê khét vỉ không trực tiếp, tiếp xúc với đáy nồi đốt. Tuy vậy phẩm chất của tinh dầu, cũng như việc khống chế các điều kiện kỹ thuật trong đó bao gồm vận tốc chưng cất chưa được cải thiện nhiều. Ngoài ra, chưa kể đến thao tác lao động còn gặp nhiều khó khăn. 3. Chưng cất bằng hơi nước có nồi hơi riêng Phương pháp này dùng một nồi hơi có thể phục vụ cho cả cơ sở sản xuất, làm cho điều kiện làm việc của công nhân nhẹ nhàng hơn và có khả năng dễ cơ giới hoá hoặc tự động hoá các khâu sản xuất, ngoài ra còn khác phục được tình trạng nguyên liệu bị khê khét cũng làm cho màu sắc hoặc phẩm chất của tinh dầu được tốt hơn. Bằng phương pháp này ngoài việc dễ khống chế các điều kiện kỹ thuật người ta còn có thể rút ngắn được thời gian chưng cất bằng cách điều chỉnh vận tốc chưng cất, chưng cất ở áp suất cao hơn hoặc dùng hơi bão hòa hay quá nhiệt để chưng cất. Chưng cất bàng hơi nước ở áp suất cao sẽ tạo điều kiện cho quá trình tiến hành
21
được thuận lợi hơn vi áp suất hơi riêng phần cua các đơn chất trong hồn hợp ơ nhiệt độ cao sẽ rất lớn so với áp suất hơi riêng phần của nước. Chưng cất ở áp suất cao một số chất đề bị phân huý và thiết bị dùng chưng cất đất tiền hơn. Chưng cất bằng hơi nước quá khô được tiến hành rất thuận lợi đối với nhừng loại tinh dầu chịu được ở nhiệt độ cao vì trong hỗn hợp hơi nếu có một trong những cấu tử dạng khô có thành phần cao sê tạo ra khả năng cho cấu tử khác cùng có thành phần trong hợp chất với một lượng cao tương tự. Dùng phương pháp chưng cất bằng hơi nước quá khô không nên tiến hành trong trường hợp chưng cất với nước vì trong trường hợp này hơi nước quá khô sè mất tác dụng và trở thành hơi nước bão hòa. Chưng cất bằng hơi nước quá khô nếu nhiệt độ càng cao sè cho ta hàm lượng tinh đầu thu được trong thành phần hơi sẽ càng lớn (xem Bảng 5). Bảng 5. Thông số chưng cất tinh dầu hồi
STT
Nhiệt độ hoi nước (t°C)
Áp suất hơi riêng phần của anetole (mmHg)
Áp suất hoi riêng phần của nước (mmHg)
Tỷ lệ nước và anetole (Gn/Ga)
Hàm lượng anetole trong nước cất (%)
1
100
7,85
752,15
1 1 ,8
7,82
2
120
11,64
740,36
4,61
17,85
3
160
48,35
671,65
0,92
52,1
4
200
313,9
446,10
0,173
85,2
Các phương pháp chưng cất đã trình bày, có thể dùng nước hoặc hơi có các uru điểm sau: - Các quy trình kỹ thuật có khả năng nâng cao hàm lượng của từng cấu tử trong hồn hợp hơi bay ra bàng cách phân chia chúng. - Không đòi hỏi vật liệu phụ nhiều như các phương pháp trích ly và hấp phụ. - Thời gian chưng cất tương đối nhanh (đối với các thiết bị chưng cất gián đoạn thông thường từ 5 giờ đến 10 giờ, đối với các thiết bị liên tục từ 30 phút đến 1 giờ). - Có thể tiến hành chưng cất đối với các cấu tử có nhiệt độ sôi cao ở nhiệt độ gần 100°c. - Tuy nhiên đối với những loại nguyên liệu có hàm lượng tinh dầu thấp không nên dùng phương pháp chưng cất vì: - Sản phẩm thu được sau khi chưng cất có thể bị ảnh hưởng nếu các cấu tử có trong các thành phần của tinh dầu dề bị thủy phân trong quá trình chưng cất.
- Không thê chưng cất đẽ lấy các loại nhựa và sáp có trong nguyên liệu. -- Trong nước chưng sau khi đă tách tinh dầu còn có một lượng tinh dầu hòa tan tương đối lớn. - Cần dùng một lượng nước lớn để làm lạnh. Trong trường hợp chưng cất chất lỏng bao gồm một số cấu tử, ta có the thay đôi áp suất của hồn hợp nhiệt độ chưng cất, thành phần của pha hơi và lỏng. Trên thực tế, chưng cất đều thực hiện ở điều kiện áp suất không đổi. Vì vậy ta cần chú ý tới quan hệ giừa nhiệt độ và thành phần các pha. Đặc tính chung về sự thay đối của các biến số đó phụ thuộc chủ yếu vào các nhóm cấu tử thề lỏng và thường được chia ra làm các nhóm như sau: a) Hỗn hợp gồm hai chất lóng không hòa tan vào nhau. Trong hệ gồm 2 cấu tử, số pha sẽ là 3 (2 pha lỏng và 1 pha hơi), số bậc tự do sẽ là 1. Nếu ta xác định được một trong những biến số (nhiệt độ, áp suất, thành phần) ta có thể xác định được một cách chính xác nhừng biến số còn ỉại. Thật vậy, nếu trong trường hợp này ta xác định được áp suất thì nhiệt độ và thành phần của pha hơi có thể hoàn toàn xác định được, mà không phụ thuộc vào thành phần của pha lỏng. b) Hồn hợp hai chất lỏng hoàn toàn tan lẫn vào nhau: Trong trường họp này ta có một hệ thống gồm 2 cấu tử và 2 pha, 1 pha lỏng và 1 pha hơi, số bậc tự do sẽ là 2. Trong 4 điều kiện xác định của hệ thống bao gồm nhiệt độ, áp suất, thành phần của pha lỏng, pha hơi ta có thê dề dàng xác định hai điều kiện còn lại khi đă biết và xác định hai điều kiện. Ví dụ: khi ta đã biết được nhiệt độ và áp suất của hệ thống ta có thể dề dàng xác định được thành phần của pha lỏng và pha hơi... c) Hồn hợp hai chất lỏng hòa tan từng phần lẫn vào nhau: Trong trường họp này tùy thuộc vào nồng độ các cấu tử và mức độ hòa tan lẫn vào nhau của chúng có thể xét đưa về một trong hai trường hợp đâ nêu trên. Neu nồng độ của một trong hai cấu tử rất thấp có thể coi như ứng với trường họp đã nêu ở mục b, và ngược lại nếu nồng độ hỗn hợp được phân ra làm hai lớp, mà trong mỗi một lóp đặc trưng cho một dung dịch băo hòa của cấu tử này trong cấu tử kia sẽ tương ứng với trường hợp đã nêu ở mục a. Phần lớn tinh đầu ít hòa tan trong nước, bới vậy để nghiên cứu nhừng yếu tố cơ bản của chúng khi chưng cất bằng hơi nước cần phải xem xét một cách đầy đủ và an toàn. Do đó để tính toán được một cách gần đúng lượng hơi nước cần thiết khi chưng cất người ta thường coi tinh dầu như một cấu tử, thành phần của cấu tử này trong tinh dầu càng lớn, thì độ hòa tan trong nước càng giảm và tính toán càng được chính xác hơn. Dù ràng cấu tử đó có hòa tan ít nhiều trong nước, ta vẫn coi như trong đó gồm hai pha lỏng và như vậy hệ thống này xem như tương ứng với hỗn hợp hai cấu tử, không hòa tan lẫn vào nhau. Trên bề mặt của hồn hợp như vậy sẽ có áp suất hơi của mồi một cấu tử chứa trong đó và theo định luật Dalton 23
“áp suất chưng cất hỗn hợp bằng tồng số áp suất riêng phần của các cấu tử (với điều kiện rằng các chất lỏng có trong dung dịch không có tác dụng hoá học với nhau)’\ P - P a + Pb
(1)
PA, P b là áp suất riêng phần của cấu tử A và B có trong thành phần hỗn hợp, trường hợp này các chất lỏng không hòa tan lẫn vào nhau, áp suất hơi riêng phần sẽ cân bằng với áp suất hơi của các cấu tử đó ở dạng nguyên chất. Từ định luật Dalton, Boi Mariot ta biết rằng thể tích tương đối của các chất khí (hoặc hơi) khác nhau chứa trong hỗn hợp thì tỷ lệ với ápsuất hơi riêng phầncủa chúng. Vì vậy, nếu V a , Vb ký hiệu là thể tích tươngđối của cácchất khí đó thì ta có; V
=
VB
p
PB
(2)
Nếu trọng lượng của các chất khí đó là GA, GB và tỷ trọng của chúng là dA, dBthì ta có: GA=VA.d A
(3)
Gb =Vb. CỈB
(4)
, V p Nêu chia (3) cho (4) và thay tỷ sô — = — ta được:
G
ạ
Gb
=
P A -d A
( 5 )
PB.dB
Theo quy luật Avogadro thể tích bàng nhau của các chất khí khác nhau, ở điều kiện nhiệt độ áp suất giống nhau thì có chứa một lượng phân tử như nhau. Do đó, khối lượng hoặc trọng lượng riêng của các chất khí khác nhau nếu lấy cùng một thể tỉch như nhau thì sẽ tỷ lệ với trọng lượng phân từ của chúng: ^ =^ dB Mb
(6)
gb pbma
(7)
Ma, Mb: Khối lượng phân tử của 2 cấu tử A và B Trong trường hợp chưng cất hai chất lỏng không hòa tan lẫn vào nhau như trên tacũng có thể tính toán theophương trình trạng thái khí Klafpeiron, kết hợp vớiđịnh luật vềthể tích của Boi Mariot.
p v .£ jtr
24
,8)
và từ đây có thê rút ra: (9)
Nêu hơi của hai chất lỏng không hòa tan lẫn vào nhau chiếm một thề tích chung là V ở nhiệt độ T thì trọng lượng hơi của một cấu tử ( G a , Gb) sè biểu diễn được bằng phương trình:
Gb
M ạPạV RT
( 10)
M BPBV RT
( 11)
chia (10) cho (11) ta sẽ có
gb
M bP b
Từ công thức trên, khi biết thành phần các cấu tử trong hỗn hợp ta có thề tính toán gần đúng lượng hơi nước dùng đê chưng cất tinh dầu. Khi GB = 1kg thì Ga
— trong thưc tế lương hơi chi phí để chưng cất thường lớn hon so với M bP b
tính toán lý thuyết vì tinh dầu là một hỗn hợp nhiều cấu tử, do tác dụng tương hổ giừa chúng với nhau, trong quá trình chưng cất hỗn hợp hơi đi ra khỏi thiết bị thường không được bão hòa hoàn toàn. Do vậy, trong phương trình biểu diễn sự chi phí hơi nước dùng chưng cất, người ta thường phải bồ sung hệ số bão hòa (p:
hệ số (p phụ thuộc chủ yếu vào chế độ thủy động lực trong quá trình chưng cất. Theo Xirde khi chưng cất chất lỏng bằng hơi nước nếu đi qua lớp chất lỏng ở những dạng khác nhau thì giá trị của (p cũng thay đổi. Với chế độ chưng cất sủi bọt thì (p = 1. Với chế độ chưng cất màng:
(14) với chế độ chảy dòng: (15)
25
Fr: chuẩn số Frut Ft -
gd2
(16)
fa: tiết diện tự do cua thiết bị chưng cất fc: tiết diện của các lồ phun hơi trong chất lỏng da: đuờng kính cua thiết bị chưng cất hz: chiều cao cua lớp chất lỏng mà hơi nước đi qua (p: hệ số bào hòa Trong trường hợp chưng cất nguyên liệu tinh dầu, nêu đặt: ^ “- = kl pM é
(17)
Ký hiệu: n: dùng cho nước d: dùng cho tinh dầu ta có
Gd^qíkeGn
(18)
Trong điều kiện chưng cất thông thường kc là một hàng số coi như không đổi, với tốc độ chưng cất nhất định thì rò ràng rằng lượng dầu thu được phụ thuộc chủ yếu vào hệ sổ bào hòa (p nhưng ở mồi tốc độ chưng cất khác nhau (p cùng khác nhau. Từ công thức chung — = (19) nếu biết đươc trong lương cùa từng Gd PdMd
(2°)
----— = -— Gd ( P - p n).M d.cp
(21)
từ đây rút ra ta có: P.G °
.M..CP
1 V.
cp.Md.G „+ G d.M n
(22)
Nhiệt độ sôi của hỗn hợp được xác định nhờ đồ thị biếu diền quan hệ giừa nhiệt độ và áp suất. Từ đồ thị này khi biết được áp suất chung cùa hổn hợp p(pn -h pj) ta có thể biết được Pd, pn. Từ công thức (19) ta có thể rút ra một số kết luận khi chưng cất một hồn hợp gồm 2 cấu tử không hoà tan lẫn vào nhau:
26
Pn, pd
^
^Ỗnhợp
tfl
*d
Hình 2. Đồ thị biểu dién mối quan hệ nhiệt độ và áp suất
1. Hàm lượng của mỗi cấu tử trong hỗn hợp hai tỷ lệ nghịch với trọng lượng phân từ và áp suất hơi riêng phần của cấu tử kia, do vậy khi chưng cất tinh dầu với nước rất thuận lợi vì tinh dầu thường có trọng lượng phân tử trung bình cao, trong khi nước có trọng lượng phân tử thấp. 2. Ở điều kiện áp suất thường, nếu chưng cất tinh dầu bằng hơi nước thì nhiệt độ sôi của hồn hợp thường thấp hơn 100°c và thành phần hỗn hợp bay hơi ra thường không đổi cho tới khi cấu tử có nhiệt độ cao được bay hơi ra hoàn toàn. Từ công thức (19) nếu chưa xét tới (p là hệ số thực nghiệm của từng loại nguyên liệu, cũng có thể ứng dụng để tính tỷ lệ giừa hỗn hợp hơi của hai chất lỏng không hoà tan lẫn vào nhau. Ví dụ khi cần xác định lượng hơi menthol trong hỗn hợp, khi chưng cất chất này bằng hơi nước biết rằng trọng lượng phân tử của menthol là 156, ta có áp suất hơi riêng phần của menthol là 10,5 mm Hg tại 100°c.
Ị r 0H I
c
10h 20o h
Hình 3. Phân tử menthol
Theo định luật Dalton tồng áp suất của hồn hợp: p = pd + pn = 10,5 + 760 = 770,5 mmHg Hỗn hợp chỉ bắt đầu sôi khi áp suất hơi hỗn hợp cân bằng với áp suất của không khí bên ngoài (trong điều kiện thiết bị có tiếp xúc với không khí bên ngoài) cỏ nghĩa là ở 760 mmHg. Khi tồng áp suất của hỗn hợp là 770,5 mmHg thì áp suất hơi của menthol là 10,5 mmHg. Khi tồng áp suất là 760 mmHg, áp suất hơi băo hòa riêng phần của menthol ỉà: 27
p. 10,5
760
_ _ 760.10,5
= — —— >
770,5
= - __
d
,
u ,
- - - 10,36 (m m H g)
770,5
Cùng tương tự ta tính được áp suất hơi riêng phần của hơi nước: p 760 _ 760.760 _ _ . n ,____u . -±2- = —------ > p = — ———- = 749,64 (mmHg) 760 770,5 770,5 Đặt tất cả các số liệu biết được vào công thức chung (19) ở trên ta có: Gn
749,64.18 _ 13493,5 _ 8,35 10,36.156 " 1616,1 ”
1
có nghĩa là khi hồn hợp bay hơi ra cứ có một phần menthol thì cần 8,35 phần nước, hoặc nếu biếu diễn bằng phần trăm ta có: a% = - G V .100 g a+g b hàm lượng Menthol có trong hỗn hợp hơi là: 1 -.100 = 10,7% ;- Ậ ^ - . 100 = 89,3% 8,35 + 1 8,35 + Thành phần hồn hợp hơi của một sổ cấu tử nhất định phụ thuộc chủ yếu vào áp suất hơi riêng phần của chúng, áp suất hơi riêng phần bàng áp suất của các cấu từ đó ở dạng nguyên chất trong điểu kiện áp suất bên ngoài đã cho. Nếu áp suất chưng cất thay đổi, áp suất của các cấu tủ cũng thay đổi, nhưng với mức độ khác nhau. Đôi với một số chất như pinene (monoterpene) và một số các chất khác có nhiệt độ sôi hơn 1600 thì khi áp suất trong quá trình chưng cất tãng lên hàm lượng của các cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong hỗn hợp cũng tăng lên và ngược lại (xem Bảng 6). Bảng 6. Hàm lượng các cấu tử trong hỗn hợp tại áp suất khác nhau Áp suất (mmHg) Hỗn họp
150
760
2800
Hàm lượng % Nước và heptan Nước và carvone
9,8
12,9
16,6
90,2
87,1
83,4
92,3
89,1
85,7
7,7
10,9
14,3
III. NGUYÊN NHÂN ÀNH HƯỞNG CHI PHÍ HƠI NƯỚC CHƯNG CÁT TINH DÀU Trong thực tế lượng hơi nước cần thiết đùng đề chưng cất tinh dầu bao giờ cũng lớn hơn so với lý thuyết vì khi chưng cất ta thu được hỗn hợp nhiều cấu tử,
28
nếu tính theo hàm lượng của chúng bàng phần trãm đối với lượng nước chưng cất ra, kết quả bao giờ cũng nhỏ hơn so với tính theo lý thuyết, ngay cả trong những trường hợp nếu chất thu được hoàn toàn tinh khiết. Ngoài ra còn có một so nguyên nhấn khác: - Độ hoà tan của các cấu tử của tinh dầu trong nước chưng khác nhau hoặc hơi nước dùng để chưng cất chưa thật bào hòa khô mà trong thực tế còn bị ẩm do lẫn nhiều nước. Do đó hơi nước khi dẫn tới thiết bị, bị ngưng tụ đọng lại ở các ống dẫn. Một nguyên nhân quan trọng là do phương pháp tiến hành chưng cất (ỉủc chưng cất nhanh, chậm) hoặc tôn thất nhiệt do các ống dẫn của thiết bị không được cách nhiệt tốt. - Khi tính toán lượng hơi nước dùng để chưng cất tinh dầu, ta mới chỉ tính cho một hoặc một số cấu tử chính, lấy làm đại diện cho cả hỗn hợp tinh dầu. Trong thực té tinh dầu có thành phần hết sức phức tạp, gồm nhiều cấu tử khác nhau tan lẫn vào nhau, do đó gây nên hiện tượng làm giảm áp suất riêng phần của từng cấu tử cũng như làm giảm áp suất hơi băo hòa của cấu từ chính, do vậy hàm lượng tương đối của chúng trong hỗn hợp hơi bị giảm. - Tinh dầu trong nguyên liệu thường nằm trong túi, màng tế bào, rất ít ở dạng tự do. Vì vậy, trước khi chưng cất cần phải phá vỡ các tế bào bằng phương pháp nghiền hoặc chặt nhỏ giúp tinh đầu tách ra dễ dàng. Nguyên liệu ở dạng khô sẽ cần một lượng hơi nước đáng kể để làm ẩm nguyên liệu, giúp cho quá trình tách tinh dầu dễ dàng. - Trong nguyên liệu còn có một chất khó bay hơi như nhựa, sáp, dầu béo... những chất này trong quá trình chimg cất sẽ hoà tan hoặc hấp phụ tinh dầu làm giảm áp suất bão hòa của tinh đầu và làm giảm áp suất hơi riêng phần của các cấu tử trong hỗn hợp, điều này làm cho nồng độ của tinh dầu trong hỗn hợp hơi thấp đi (Bảng 7). Bàng 7. Áp suất hơi riêng phần của một số cấu tử Cấu từ
Áp suất hơi riêng phần Của cấu từ
Trong hỗn hợp
Carvpne
10,9
9,7
Limonene
41,0
40,0
Linalool
20,9
18,2
Pinene
56,2
55,6
Khi chưng cất tinh dầu ở dạng nguyên liệu bao giờ cũng tốn một lượng hơi rất nhiều so với khi chưng cất tinh dầu đã có sẵn bằng hơi nước, bởi vì tinh dầu chứa trong các túi hoặc hạch tế bào rất khó tiếp xúc trực tiếp với hơi nước, trong quá trình chưng cất tinh dầu cần có nước để khuyếch tán qua thành vỏ tế bào ra phía ngoài bề mặt và sau đó đi vào pha hơi. Đối với nguyên liệu khô, quá trình
29
khuyếch rán này chỉ thực hiện sau khi nguyên liệu đã được trương nở nhở lượng hơi nưởc được ngưng tụ trong thành thiết bị (xem Bảng 8). Báng 8. Hơi nước cần thiết để chưng cất nguyên liệu và tinh dầu Nguyên liệu và tinh dầu
Hơi nước (kg/kg tinh dầu)
Hoa Lavan
130
Tinh dầu Lavan
10,5
Lá và nhảnh Geran
310
Tinh dầu Geran
18,6
Lá bạc hà
65
Tinh dầu bạc hà
9
Quả mùi
120
Tinh dầu quả mùi
6,9
IV. NHIỆT Đ ộ CHƯNG CÁT Đe xác định nhiệt độ chưng cất bằng hơi nước của một số cấu tử riêng biệt có trong tinh dầu, hoặc một số loại tinh dầu nói chung bằng cách tính theo số cấu tử chính trong đó. Người ta có thể dựa theo định luật Danton “hỗn hợp chất lỏng sôi khi tổng số áp suât hơi riêng phân của các cấu tử không hoà tan lẫn nhau cân bằng với áp suất bên ngoài. Theo bảng áp suất hơi riêng phần (Bảng 9) dựa vào áp suất riêng phần cúa nước, và cấu tử sôi ở các nhiệt độ khác nhau tính được tổng áp suất của hỗn họp (trong điều kiện cân bằng với áp suất bên ngoài) và sẽ biết được nhiệt độ cần tìm tương ứng, Bảng 9 là số liệu khi chưng cất limonene và nước ở áp suất 760 mmHg.
Bảng 9. Áp suất hơi riêng phần của nước và limonene —
Nhiệt độ (°C)
Thành phần
95
96
——
97
98
99
Áp suất hơi (mmHg)
Limonene
59,5
61,5
63,8
6 6 ,0
69,0
Nước
634,0
657,7
682,1
707,8
733,2
Tổng sổ
693,5
719,2
745,9
773,8
802,2
Khi cần tìm nhiệt độ sôi tương ứng ta có thế xác định bàng phương pháp nội suy dựa vào các số liệu đã biết ở bảng 9 như sau: 97° + 760; 74f 9 =97,5° 773,8-745,9 Trong trường hợp nếu ta không thể tra được các số liệu ở nhừng bảng tóm tắt của các tài liệu đã cho về nhiệt độ sôi của chất lỏng ở các áp suất khác nhau, ta có thể tính được một cách gần đúng theo định luật During. Định luật này nói rằng
30
Uquan hệ giừa nhiệt độ sồi của một chất lóng bất kỳ nào đó ớ giữa khoang hai áp suấl khác nhau đối với nhiệt độ sôi của một chất lỏng khác cùng ở trong phạm vi áp suất đó là một đại lượng không đổi được biểu diễn bàng:
Đại lượng không đổi q đối với nhiều chất lỏng sẽ dao động trong khoảng 1 - 2 đơn vị. Đối với một trong hai chất lỏng chỉnh để tính toán thường dùng nước ỉàm đặc trưng bởi vì nước đã được nghiên cửu rất kỹ ở các áp suất khác nhau, còn một trong tổng áp suất của hỗn họp hai chất lỏng thì thường dùng ở 760 mmHg vì ở áp suất này nhiệt độ sôi các chất lóng phần lớn đều đă được xác định. Ví dụ để xác định nhiệt độ sôi của pinene ở áp suất 7,6 mmHg nếu ta biết nhiệt độ sôi của nó ở 760 mmHg là156°c và ở 10 mmHg là 40°c, và nhiệt độ sôi của nước ở 760 mmHg là 100°C; ở 10mmHg là 1 l,2°c và ở 7,6mmHg là 7,03°c. Như vậy ta có: T| = 156°C;
ti “ 100°c
T2 = 40°C;t2= ll,2 °c x \ = 7,03°c
Theo quy tắc During q=V
i =
t,-t2
i ^ L
= 1,3,
100-11,2
biết được q theo công thức đó ta tìm được T T -T
i i - ± = l , 31 t, - t ì
từ đây:
T = T| - (ti - tj).l,31 T = 156-(100-7,03). 1,31 = 34,6°c
Vậy nhiệt độ sôi của pinene ờ 7,6 mm Hg là 34,6°c.
31
Chương IV
THIÉT BỊ■ CHƯNG CÁT Để chưng cất tinh dầu, từ lâu người ta dùng phương pháp đơn giản, được ứng dụng rộng rài, đó là hệ thống bao gồm thiết bị chính sau:
3
2
1: Thiết bị cung cấp nhiệt
3: Thiết bị ngưng tụ
2: Thiết bị chưng cất 4: Thiết bị phân lớp, tách tinh dầu
Hình 4. Hệ thống chưng cất
Nồi cất tinh dầu cần phải đảm bảo được những yêu cầu chính sau: - Quá trình chưng cất được tiến hành nhanh chóng và thuận lợi tránh tình trạng nguyên liệu giữ quá lâu trong nồi cất. - Đảm bảo cho hỗn hợp hơi bay ra khỏi nồi cất được bão hòa nhiều tinh dầu nhất, vì vậy cần phải tạo điều kiện sao cho hơi nước đi qua lớp nguyên liệu nhiều nhất. - Tiết diện của thiết bị chưng cất cần thiết kế sao cho nguyện liệu được phân bố đều, bảo đảm tốc độ chưng cất không thay đổi khi đi qua lớp nguyên liệu. Trong thực tế người ta thường dùng thiết bị có hình trụ với kích thước chiều cao và đường kính theo tỷ lệ phù hợp. Đối với nguyên liệu là lá, cành nhỏ và hoa tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính dao động trong khoảng 1,2 - 1,7. Đối với nguyên liệu là hạt íỷ lệ này thay đồi từ 1,5 đến 2,0. Thiết bị có một số dạng như sau:
32
1
2
3
4
Hình 5. Một số dạng nồi cất tinh dầu
Thiết bị số 3 phù hợp chưng cất hoa, đặc biệt ở Bulgari dùng để chưng cất hoa hồng vì khi chưng cất hoa hồng bằng hơi nước cho vào trực tiếp sẽ cần có một diện tích tạo bọt lớn, diện tích này thường tỷ lệ với chiều cao, nếu diện tích tạo bọt (diện tích sôi) không đủ lớn thì nguyên liệu dễ bị trào ra phía làm lạnh. Loại thiết bị này nguyên liệu cho vào được đễ dàng, nhung diện tích sử dụng nhỏ. Thiết bị số 4 hình cầu rất thuận lợi, nhưng nhược điểm là tiết diện chưng cất không lớn, vì vậy ít dùng dưới dạng chưng cất lớn. Để chưng cất tinh dầu người ta thường dùng các loại nồi cất bằng thép số 3. Nhưng thường làm thay đổi màu sắc của nguyên liệu, vì vậy hiện nay để chưng cất tinh dầu hoa hồng người ta thường dùng nồi cất bằng đồng thau hoặc bằng thép có mạ lớp men emal hoặc bakêlít để chống gỉ.
I. THẺ TÍCH THIÉT BỊ CHƯNG CÁT Thể tích của các thiết bị nói chung thường thay đổi trong phạm vi rất lớn, phụ thuộc vào đặc tính nguyên liệu và điều kiện cung cấp nhiệt. Thiết bị càng có diện tích lớn thì tồn thất nhiệt càng giảm, dễ sử dụng hơn. Các thiết bị chưng cất đang được dùng hiện nay có thể tích từ lm 3 - 90m3, loại thiết bị có thể tích lớn từ 60 - 90 m3 thường được dùng ở các cơ sở phát triển, nguồn nguyên liệu dồi dào, ổn định. Thể tích thiết bị lớn có một số nhược điểm như sau:
33
- Nguyên liệu cho vào và tháo ra khỏi thiết bị cần phải được cơ giới hoá. - Nguyên liệu cho vào thiết bị khó đều và thời gian cho nguyên liệu vào thiết bị cũng rất lâu, dưới tác dụng của nhiệt độ cao, gây tồn thất tinh dâu. Hiện nay thường dùng phổ biến loại thiết bị có thể tích từ 1,5 - 15 m3, nguyên liệu cho vào được cắt nhỏ {lá, cỏ lá) hoặc nghiền nhở (hạt) và được chuyển qua các băng tải hoặc gầu tải để vào thiết bị. Nguyên liệu tháo ra thường dùng bộ phận trượt dưới đáy, để tháo đáy ra một bên. Trong điều kiện sản xuất thủ công, các thiết bị chưng cất thường dùng không lớn quá 3m \ vì như vậy cung cấp nhiệt cũng như cho nguyên liệu vào, ra sẽ gặp nhiều khỏ khãn lớn.
II. CÁC PHẢN CỦA THIÉT BỊ CHƯNG CÁT 1. Nắp thiết bị Đẻ tránh tổn thất tinh dầu và tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng, quá trinh chưng cất cần phải thực hiện trong những thiết bị kín. Nẳp thiết bị có thể có hình chóp hoặc chỏm cầu, và có thể có cửa để cho nguyên liệu vào. Nếu nguyên liệu được cho qua nấp thiết bị (nguyên ỉỉệu quà hạt) thì ở bộ phận mối nối giữa của nguyên liệu và nắp cần phải được ghép thật kín và thuận tiện cho việc đỏng mở đễ dàng. Mối nối giữa thiết bị và nắp có thể dùng bằng đệm và vặn bu lông; đệm tốt nhất là bằng sợi amiăng bện, trong trường hợp không có amiăng có thể dùng bao tải. Dùng bu - lông để ghép các mối nối trong thực tế bất lợi vì tốn nhiều thời gian để tháo, vặn. Các loại kẹp khác như mỏ vịt cũng rất bất tiện. Vì vậy nếu chung cất dưới áp suất không lớn, mối nối bằng gioăng nước là thích hợp hơn cả. Gioăng nước (hoặc van nước) có thể dùng loại đơn hoặc kép, nhưng ngay cả trong trường hợp dùng gioăng nước kép, nếu áp suất trong nồi lớn hơn áp suất bên ngoài độ 25 - 30 mmHg thì cũng không dùng được. Vì vậy nhiệm vụ chính của các cán bộ kĩ thuật và cơ khí là thiết kế cấu tạo thiết bị cũng như các bộ phận nối thuận tiện dễ dàng, tạo điều kiện tốt cho hỗn hợp hai đi ra khỏi thiết bị nhanh chóng, bảo đảm phẩm chất của tinh dầu thu được. 2. Cổ nồi Cổ nồi là một bộ phận trung gian nối liền giữa nấp và vòi voi của nồi, cổ nồi có thể có nhiều hình dạng, nhưng yêu cầu chung là phải làm sao cho chế tạo đơn giản. Nhiệm vụ chính cùa cổ nồi là để làm cho hỗn hợp hơi thoát ra được dễ dàng, trong trường hợp chưng cất với nước, cổ nồi giúp cho hỗn hợp hơi thoát ra không lẫn nhiều nước. Khi chưng cất tinh dầu hoa hồng, cồ nồi còn giúp thay đổi tốc độ hơi, giữ bọt chất lỏng không đi sang thiết bị ngưng tụ. Khi chưng cất các loại nguyên liệu hạt nghiền nhỏ, Qồ nồi phải giữ lại được bụi vì vậy ở cổ nồi thường
34
phải đặt một tấm lưới, Nhưng cho đến nay, các loại cổ nồi có lưới chẳn như vậy vẫn không đáp ứng được yêu cầu loại bỏ tạp chất, vì vậy người ta phải làm thêm một bộ phận lắng bụi riêng, trước khi hỗn hợp hưi đi vào thiết bị ngưng tụ. 3. Vòi voi Vòi voi là một phần của thân nồi nhằm nối liền cổ nồi với thiết bị ngưng tụ, vòi voi cần phải có kích thước tương ứng sao cho hỗn hợp hơi bay ra không bị trở lực lớn, không làm giảm tốc độ chưng cắt. Vòi voi cần phải có cấu tạo sao cho dung dịch lỏng trong thiết bị không đuợc đi qua đó để vào ống dẫn tới thiết bị ngưng tụ. Vì vậy, vòi voi thường có một độ dốc nhất định, nghiêng về phía thiết bị ngưng tụ, thường dao động từ 1 đến 3°. Đường kính của vòi voi nhỏ dần đều để hơi thoát ra dề dàng, vòi voi không nên đài quá 1,5 “ 3m. Nếu quá ngán thì hỗn họp hơi bay ra sẽ ngưng tụ đột ngột gây nên áp suất dư, ảnh hưởng tới quá trình chưng cất, nếu quá dài thì hỗn họp hơi bay ra sẽ rất chậm, ảnh hưởng tới tốc độ chưng cất.
4. Đáy nồỉ Đáy nồi có cấu tạo giống nắp nồi nhưng phải thoả mãn sao cho khi chưng cất bàng hơi, hơi nước ngưng tụ được tháo ra dễ dàng không còn đọng hơi lại ở trong nồi. Đáy nồi thường có bố trí bộ phận đốt nóng trực tiếp hoặc gián tiếp. Nếu chưng cất với hơi nước mà không có nồi hơi riêng thì đáy nồi sẽ là bộ phận đốt nóng tạo hơi. Vì vậy, đáy nồi cần phải có cấu tạo sao cho diện tích truyền nhiệt được lớn nhất.
1 : Đảy
nồi được đốt bằng hơi trực tiếp;
2: Đáy nồi được đốt bằng hơi gián đoạn; 3: Đáy nồi dùng hơi trực tiếp không có nồi hơi riêng.
Hình 6. Đáy nồi chưng cất
35
5. Vỉ nồi Vỉ nồi có tác dụng đờ khối nguyên liệu giừ cho nguyên liệu khỏi rơi xuồng đáy nồi làm tắc ống đẫn hơi. Trong trường hợp chưng cất, nguyên liệu dễ bị bêt, bị vón vỉ nồi còn có tác dụng giữ cho nguyên liệu khỏi bết vào nhau, làm cho hơi nước đi qua nguyên liệu được dễ dàng, vì nồi còn có tác dụng phân phôi hơi cho đều khắp các thiết bị. Chiều dày vỉ nồi khoảng 8 - 1 0 mm, mặt vỉ nồi được đột hoặc khoan lỗ, vỉ nồi cùng có thể làm bằng các thanh sắt đan lại với nhau. Tùy thuộc vào loại nguyên liệu mà tiết diện lỗ có thể thay đổi nhưng nói chung tồng diện tích lỗ thường phải chiếm 1/2 diện tích của bề mặt vỉ. ns = —s 2 trong đó:
n: số lỗ trên vỉ s: diện tích của một lỗ S: diện tích của mặt vỉ
Vỉ nồi còn có thể làm bằng những mảnh sắt ghép lại để dễ xếp vào và lấy ra. 6. Ống dẫn phân phối hơi Trường hợp chưng cất bằng hơi nước cần có ống dẫn phân phối hơi vào thiết bị, vì vậy có ảnh hưởng lớn đến năng suất chưng cất. Thực tế cho thấy, trong trường hợp chưng cất ở thiết bị quá lớn, tác dụng của ống dẫn phân phối hơi này bị giảm. Hình dạng của ống phân phối hơi có khác nhau, hình vòng tròn, hình xoắn ốc, hình chữ nhật... Nhưng nói chung hỉnh vòng tròn phổ biến nhất. Các lồ cua ống phân phối hơi thường được xếp theo hình quân cờ (so le nhau) thành hai hàng hướng vê phía đáy của nồi cất, nhằm làm cho hơi nước được phân phối đều, và giữ cho các lỗ phun hơi khỏi bị bẩn do bụi, tạp của nguyên liệu chế biến.
Tổng số diện tích của các lỗ phun hơi thường dùng bằng 2 lần diện tích của tiết diện ống, tiết diện của ống phân phối hơi lấy bằng tiết diện của ống dẫn hơi vào thiêt bì và được xác định theo lượng hơi nước cần thiết dùng chưng cất trong một giờ (hơi nước trực tiếp ở chỗ đi vào ống dẫn phun hơi, tốc độ 20m/s). 36
Nếu lượng hơi cần thiết dùng chưng cất trong 1 giờ là p (kg/h) ; thế tích của 1 kg hơi ớ áp suất cho biết là V m' ( ; thê tra ờ bảng về hơi nước bào hòa). Tốc độ hơi khi vào trong ống phun hơi ỉà V (m/s) thì diện tích bè ngang của ống dẫn hơi (F) có thể tìm thấy theo phương trình: cy
T, _ pV vF =
3600
từ đây
đường kính của ống dẫn hơi tính như sau:
Đe điều chỉnh tốc độ hơi vào các thiết bị phải dùng loại van vặn vòng, không dùng loại khác. Các loại van khác chỉ được dùng trong trường hợp tháo nước ngưng tụ ở đáy các thiết bị và đế dễ tháo nước ngưng tụ ở dưới, các đáy nồi nên có hình trụ hoặc hình chóp.
III. VẬT LIỆU LÀM NÒI CÁT Vật liệu để làm nồi chưng cất tinh dầu thường dùng loại sắí thép đặc biệt. Một số xí nghiệp chưng cất thủ công, hoặc chưng cất gỗ trong lâm nghiệp, có thể làm nồi cất bàng gỗ, xi máng..., những loại nguyên liệu này đơn giản, rẻ, dễ tìm kiếm nguyên vật liệu, nhưng dễ bị hỏng, phải sửa chữa liên tục, dễ xảy ra tai nạn khi chưng cất với áp suất lớn. Ngoài ra, thiết bị chưng cất như vậy thường chỉ đùng chưng cất được một loại nguyên liệu. Nguyên liệu gỗ nói chung dễ hấp thụ tinh dầu, và sau đó muốn khử mùi rất khó khăn do vậy lựa chọn nguyên vật liệu dùng để làm nồi chưng cất cần phải chú ý đến giá thành, cũng như khả năng tác dụng của kim loại đó đối với tinh dầu, vì trong tinh dầu còn có nhiều axít hữu cơ, có thể làm cho các thành phần của thiết bị dễ bị gỉ. Nhìn chung, theo thực tế được xác nhặn tính theo mức độ không bền của các kim loại đối với tinh dầu ta thấy như sau: trong số chì, sắt, nhôm, đồng, thiếc, thiếc tương đối bền hơn cả. Các phần khác nhau của thiết bị cũng bị oxi hoá khác nhau. Thường ở những chỗ bề mặt hơi nước, trực tiếp tác dụng và ngưng tụ nhiều thì dễ bị oxi hoá nhất. Ví dụ phần trên của thiết bị, cồ nồi và vòi voi trong trường hợp chưng cất thủ công thì những bộ phận đáy nồi bị tác dụng nhiệt, những chỗ ở nắp nồi chịu tác dụng lực nhiều, dễ bị gỉ và mau hỏng nhất. Ngoài việc chống gỉ ta cần chú ý tới màu sắc của tinh dầu do tác dụng của một số muối kim loại với tinh dầu tạo thành: Muối sắt cho màu nâu hoặc vàng, muối đồng cho màu xanh lục. Xuất phát từ những yêu cầu như đã nêu ở trên, thân nồi nên làm bằng loại sắt tương đối rẻ và ít bền hơn như sắt C ĩ 3. Phần thiết bị này tốn nhiều vật liệu hơn; ít bị gỉ hơn và cũng ít ảnh hưởng lớn đến màu sắc của tinh dầu thu được. Còn nhừng phần nồi khác thì cần phải làm bằng những vật liệu tốt hơn. Hiện nay người ta dùng các loại thiết bị chưng cất có tráng một lớp men ở phía trong để chống gỉ như men êman hay bakêlít.
37
IV. CÁC THIÉT BỊ CHƯNG CÁT GIÁN ĐOẠN Thiết bị chưng cất gián đoạn có thể có nhiều ỉoại nhiều kiều khác nhau, nhưng nói chung thồng thường có một số loại nồi cất như sau: 1. Thiết bị có cánh khuấy Thường dùng để chưng cất các loại nguyên liệu hạt. Loại này thường là hình trụ cỏ cánh khuấy ở đường kính trong của thiết bị 2000 mm, cao 2100mm {phần hình trụ) (Hình số 8). Thể tích hữu ích là 7m3, nguyên liệu được cho vào nồi ở nắp phần trên thiết bị. Đỉnh thiết bị thường có 2 ống: một ống để dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ còn một ống dùng để dẫn hơi vào các thiết bị khác trong trường hợp chưng cất liên hợp. Nguyên liệu tháo ra ở bên sườn của thiết bị. Nhờ các cánh khuấy mà nguyên liệu được vào ra dề đàng, cánh khuấy thường có vòng quay 9 vòng/phút.
Hình 8. Thiết bị chưng cẩt giản đoạn có cánh khấy
38
1. Trục cánh khuấy;
3. Cửa cổ nối;
2. ồ đứng;
4. Cừa nguyên liệu;
5 . Cửa
tháo bã;
6 . Đáy
nồi.
+ ư u điểm của thiết bị. này: nguyên liệu được khuấy trộn đều, làm tăng nhanh quá trinh chưng cất. + Khuyết điểm: cấu tạo tương đối phức tạp. 2.
Thiết bị chưng cất dùng cho các loại hoa và cành lá
Để chưng cất nguyên liệu hoa và lá người ta thường dùng các thiết bị hình trụ bàng thép, đáy và nắp ià hình cầu cỏ thể tích từ 1,5 - 15 m3. Đối với nhừng thiết bị chưng cất loại nguyên liệu này, quá trình phức tạp nhất là quá trinh cho nguyên liệu vào và tháo ra, nguyên liệu cho vào thường ở nẳp thiết bị hoặc ở cửa cho nguyên liệu vào ở trên nắp. Tháo nguyên liệu ra ở một cửa phía cạnh thiết bị (đối với một số nguyên liệu dề bị dính bết như bạc hà, các nguyên liệu loại lá mềm, khi sử dụng rấtkhó tháo bã bằng cửa bên cạnh thân nồi). Vì vậy để tháo bã thuận lợi cần phải làm thêm một số bộ phận phụ. Ví dụ: Kiểu thùng quay (Hình 9).
1: Thân thiết bị;
5: Giá đỡ thiết bị;
10: Vành đai;
14: Cổ nồi;
2:
6:ổ
11: Vĩ trục ngang;
15: Vòi vo;; 16: Khối nối.
ống dẫn hơi;
trục;
3: Đáy nồi;
7, 8 : Trục;
12: Bu lông;
4: Van tháo nước ngưng tụ:
9:
13: Lưới cổ nồi;
ốc vít ioại đặc biệt;
Thiết bị kiều thùng quay này thường không lớn lắm. Thân thiết bị được nâng lên nhờ hai ổ trục, những trục này được quay bằng các ổ bi. Một trong hai ổ trục có cấu tạo để có thể cho hơi trực tiếp đi qua vào ống phun hơi nàm dưới đáy thiết bị.
39
Đẻ tháo bà sau khi đã ngừng chưng cất cần tháo nắp thiết bị ra, và nhờ hệ thống xích, hoặc bằng bánh xe răng khía để làm cho thiết bị nghiêng lại, tới vị trí thuận tiện nhất cho việc tháo bà. 3. Thiết bị có giỏ chứa Cũng nhằm thuận tiện cho việc tháo bã, thiết bị chưng cất kiểu giỏ chứa được cấu tạo như sau: ngoài phần thiết bị thông thường có thêm một bộ phận chứa nguyên liệu gọi là giỏ chứa. Giỏ chứa được cấu tạo bằng thép lá, có hình trụ như thiết bị, ở phía dưới giỏ là một lớp lưới phía trên giỏ không có nắp, đường kính của giỏ thường nhỏ hơn đường kính của thiết bị một ít. Phần trên xung quanh miệng giỏ cỏ lắp một vòng đai và trên vòng đai có hàn các quai nối với những quai này là một số các móc. Nguyên liệu sau khi cho vào giỏ chứa, được một hệ thống đòn bẩy, hoặc cần trục qua các móc nâng lên, để cho vào thiết bị, khi tháo bă ra cùng tương tự như vậy (Hình 10).
Hình 10. Thiết bị chưng cất có giỏ chứa 1: Giỏ chứa; 2: vĩ đáy giỏ chứa; 3: Vòng sắt dùng nâng giỏ chứa; 4,5: Giỏ chứa.
Để đề phòng trường hợp khi nước đi qua giữa thành nồi và rơi ra thiết bị ngưng tụ (hơi nước này không chứa tỉnh dầu) phần trên thiết bị cần phải có một bộ phận chăn hơi, một trong những biện pháp nhàm chắn giữ hơi nước là làm cho miệng vòng đai của giỏ rộng ra và nấp của thiết bị chưng cất sẽ đóng khít và kín với phân mở rộng của miệng thiết bị (Hình 11).
Hình 11. Cấu tạo kết họp giữa giỏ chứa và thành thiết bị
Để rút ngắn thời gian cho nguyên liệu vào và tháo nguyên liệu ra, người ta có thể làm thêm một số giỏ chứa dự trữ,nhằm mục đích đế chứa sẵn, cho nguyên liệu cần chế biến vào giỏ trước ở bên ngoài. Nhược điếmcủaphương pháp chưng cất bàng loại thiết bị này là kích thước về chiều cao của nhà máy sản xuất hoặc phải mở rộng hoặc phải đào sâu nền nhà, làm như vậy nói chung sê trở ngại cho việc tháo nước ngưng tụ và dẫn hồn hợp hơi chưng cất ra ngoài. 4. Thiết bị chưng cất kiểu tháo đáy Loại thiết bị kiểu này thường dùng để chưng cất các loại cỏ lá, thông thường gồm hai loại (Hình 12): - Tháo đáy nồi hoàn toàn một lần - Tháo đáy nồi từng phần a) Thiết bị tháo đáy nồi hoàn toàn một lần có thể tích 1,5 - 4m3. Đáy cửa loại thiết bị này được gắn liền với kích, kích này được đặt trên một khung gắn với một hệ thống bánh xe sắt 14, mép thẳng đứng của đáy chỗ gắn liền với thân nồi được nằm trong một vòng kín xung quanh thân nồi, có đệm bàng amiăng thật kín để hơi khỏi phì ra. Trong thực tế đã làm, nhờ sức ép của kích mà đáy nồi hoàn toàn được giữ chặt đảm bảo cho quá trình chưng cất, vì vậy không cần thiết làm thêm các bulông để vặn chặt thêm giừa đáy và thân nồi. Nồi 11 ở dưới đáy được làm bàng 2 tấm thép ghép lại và được treo bằng một hệ thống dây cáp 13 lên phía cổ thiết bị. Hai mép vỉ còn lại đuợc nổi với thân nồi với các bản lề 12. Hơi nước được cho vào thiết bị bàng một ống uốn cong xuống đáy nòi; phía dưới của vỉ nồi. Nguyên liệu cho vào thiết bị sau khi đã. cắt nhỏ hoặc xử lý bằng cửa ở cồ nồi. Bã được tháo ra bằng cách sau khi kích đă hạ và kéo trượt đáy nồi ra phía ngoài bằng các bánh xe trên đường ray, sau đó mở nắp thiết bị và tháo móc ở trên, đê vỉ nồi bật ra hai bên, và bã được rời vào thùng xe vận tải hoặc các toa xe kéo đặt hứng ở phía dưới đáy nồi. Sau đó, quá trình làm ngược lại, dây cáp được treo để nâng vỉ nồi lên bàng hệ thống móc và đòn bẩy, hoặc cần trục phía trên để móc vào cổ nồi, và làm cho
nguyên liệu tiếp tục vào để chimg cât. Chú ý thực hiện sau khi đã đong đay noi. Thời gian tháo nguyên liệu ra bàng phương pháp này mất khoảng 4 - 5 phút (đổi với loại thiết bị có thể tích là 4m\ kể cà thời gian chuẩn bị đê nguyên liệu vào).
10
b) Thảo đáy từng phần
a) Tháo đảy 1 lần 1, 2: Bộ phận bánh răng;
7: ống hơi;
3: Vô tảng;
8 : Vĩ
nồi;
12: Khớp nối; 13: Dây cáp giữa vỉ nồi;
4: Đường ống chính;
9: ổng phun hơi;
14: Goòng đẩy;
5: Kẹp mỏ vịt;
10: Kích nâng đáy nồi;
15: Đệm;
6 : Tay
11: Phần nối thân vởi đáy nồi;
16: ổng dẫn hơi nước;
kéo;
17: Dây cáp.
Hình 12. Thiết bị thào đáy
Nhược điểm cùa loại thiết bị này chính là hệ thống dây cáp ở giữa, trở ngại cho quá trình cho nguyên liệu vào thiết bị, làm cho các lớp nguyên liệu trong thiết bị không được đồng đều, ngoài ra đo việc tháo một lượng bã hàng tấn rất nhanh và đồ cùng một lúc như vậy sẽ dễ làm hỏng các thùng xe đựng bà và các bộ phận giá đỡ của thân nồi. Đề giảm bớt những nhược điểm này, người ta đùng loại thiết bị tháo đáy từng phần.
42
b) Thiêt bị tháo đáy từng phần: Thiết bị này có đáy gắn liền với thân nồi bằng ồ trục, để tháo đáy người ta thường dùng một hệ thống bánh xe răng khía gắn với đáy, Float động của hệ thống bánh xe nhờ một hệ thống điều khiến số 3 trèn đỉnh thiết bị, vì nồi được gắn kín với đáy. ổng phun hơi cùng được gắn chặt với đáy và nồi liền với hệ thống dẫn hơi nhờ ống số 7. Để cho đáy thiết bị được gán chặt hoàn toàn với thân nồi thật kín, người ta dùng thêm một khoá kẹp số 5, khoá này được nối với một cần kéo và hệ thống dây số 6, đặt trên sàn làm việc. Loại thiết bị này thường được dùng để chưng cất các loại cỏ lá hoặc hoa. Thể tích của loại thiết bị này thường từ 4 ” 8m3. 5. Thiết bị chưng cất hoa hồng
§CN) 8
Hình 13. Thiết bị chưng cất hoa hồng (đốt bằng lò hơỉ trực tiếp)
Hình 14. Thiết bị chung cất hoa hồng (có vỏ hơi)
Để chưngcất các loại tinh dầu hoa hồng, người ta thường dùng loại thiết bị có cấu tạo hơi khác hơn so với các thiết bị thông thường, ngoài ống phun hơi trực tiếp 1 thiết bị còn có thêm lớp vỏ hơi số 2 hoặc một số ống xoắn ở dưới đáy thiết bị để dẫn nhiệt gián tiếp, hơi trực tiếp cho vào qua ống phun hơi, còn nhàm đế khuấy trộn cho dung dịch được đều làm tăng nhanh tốc độ chưng cất (Hình 13, 14). Nước dùng để chưng cất được cho vào các ống vòng số 7 cỏ lồ phun đặt ở phía trên và dưới (phía trong thiết bị). Nhừng óng nước này còn có tác dụng nhằm để rừa thiết bị sau
43
mỗi mẻ nấu. Trên nắp thiết bị có các cửa quan sát sô 4, 5 và có van bảo hiêm hoặc van thông với không khí bên ngoài số 6. Nguyên liệu được cho vào qua cô nôi và tháo ra bàng một cửa tháo (có van đóng mở) ở dưới đáy nôi. Ngoài ra ở phần vỏ hơi còn có áp kế và van bảo hiêm được lãp vào, đê đê phòng những trường hợp bất trắc có the xảy ra. 6. Thiết bị chưng cất ở Việt Nam Ờ nước ta để chưng cất tinh dầu, chủ yếu dùng các thiết bị chưng cất bàng hơi nước trực tiếp không có nồi hơi riêng (chưng cất tinh dầu), hoặc có nôi hơi riêng (dùng chưng cất tinh dầu hồi). Nhừng thiết bị này thường có hình dạng như hình ì 5 và hình 16:
Hình 15. Chưng cắt nguyên liệu lá
Hình 16. Chưng cất nguyên liệu hạt
a) Chưng cất sả Nguyên liệu được cho vào thiết bị bằng tay, 1450 cứ hơi nước bốc đến đâu thì nguyên liệu được cho vào đến đó, nhằm giảm bớt thể tích lá. Phương T" pháp này gọi là phương pháp nguyên liệu vào nóng. Hơi nước được bốc lên qua lớp vỉ 2 ở đáy ị nôi, nồi được đốt bằng lửa trực tiếp than, củi hoặc lá sả. Kích thước của đáy nồi l thường phụ thuộc 500 1250 vào kích thước của thân nồi (theo kích thước như hình 17). Đáy nồi được nối với thân nồi bằng hệ Hình 17. Kích thước đáy nồi thông gioăng nước, thân nồi thường có thể tích chứa được từ 600 - 800kg nguyên liệu lá tươi.
44
Cũng có thê cho lá sả vào băng phương pháp vào lá nguội, nghĩa là chỉ cho lá vào thiết bị qua nắp một lần, nhưng hiện nay ít được dùng, vì vậy nguyên liệu cho vào thiêt bị được quá ít. Đe tháo nguyên liệu ra, người ta dùng các vít số 5 (Hình 15). Nâng thiết bị lên (sau khi đã tháo náp thiết bị ra) và thiết bị được lật nguyên sang một bên, sau đó nguyên liệu được xúc ra bằng cào hoặc chĩa 3 răng. b) Chưng cất hồi ở Việt Nam Để chưng cất tinh đầu hồi thường dùng loại thiết bị có cấu tạo như hình 16, loại thiết bị này có thể tích từ 1,5 - 2m3, chứa được từ 400 - 600kg nguyên liệu nghiền, nguyên liệu được cho bằng một cửa trên miệng thiết bị và tháo ra ở cửa bên cạnh thân nồi. Nhìn chung, đối với các loại thiết bị chưng cất gián đoạn như trên không thể đáp ứng nếu nhà máy có năng suất lớn. Vì như vậy sẽ cần rất nhiều loại thiết bị cùng loại ở cùng một nhà máy. về mặt kinh tế sẽ mất nhiều công nhân phục vụ cũng như diện tích xưởng sản xuất. Để giải quyết vấn đề này, cần phải chuyển sang chưng cất bằng phương pháp liên tục, phương pháp này hiện đang được sử dụng rộng rãi ở các nước.
V. THIÉT BỊ CHƯNG CÁT BẢNG PHƯƠNG PHÁP LIÊN TỤC Để chưng cất chất thơm thuộc các loại nguyên liệu hạt và cỏ lá, người ta thường dùng một số loại thiết bị chưng cất liên tục. 1. Thiết bị chưng cất các loại hạt (mùi, hồi) Thiết bị kiểu Ponomarenko Pokolenko (Liên Xô cù) (Hình 18) có thân thiết bị bao gồm hai phần, nối với nhau bằng bulông, thiết bị có đáy và nắp là hình cầu, bên trong thiết bị có một trục thẳng đứng, trục được gắn với bánh xe phân bố nguyên liệu, hai cánh khuấy và một đĩa quay. Trục, cánh khuấy và cánh quay được nối thông với nhau và trong quá trình làm việc hơi nước được đi qua trục toả xuống các cánh khuấy và đĩa quay, tạo thành luồng hơi nước đi từ dưới đi lên. Phần dưới của trục có gắn với một bánh xe răng khía chuyền động hình côn, phần dưới của trục được nối với ổ trục, còn phần trên có đệm để giữ cho hơi nirớc khỏi bay ra ngoài. Thời gian chưng cất hạt mùi từ 30 - 40 phút, năng suất của thiết bị trong một ngày đêm làm việc là: 100 - 320 tấn nguyên liệu. Đẻ thu được lkg chất thơm cần từ 41 - 48 kg hơi. Thiết bị có kích thước như sau: chiều cao chung 9200 mm, phần chiều cao để chứa nguyên liệu là 6760 mm; đường kính 2000 mm. Thể tích chung là 29 m3, thể tích có ích 21,2m\
45
4
£
Hình 18. Thiết bị liên tục kiểu Ponomarenko - Pokolenko để chế biển các loại nguyên liệu hạt
1 : Vỏ
thiết bị; 2: Nắp thiết bị; 3: Đáy thiết bị; 4: Lưới phân bố hơi vâ giữ bụi; 5: ống dẫn hỗn hợp hơi ra thiết bị ngưng tụ; 6 : Vít tải nguyên liệu; 7: Thùng chứa nguyên liệu; 8 : Vít tải nguyên liệu vào thiết bị; 9: Van nén; 10: Cân đo trọng lượng nghịch chuyển; 11: Động cơ; 12: Trục quay; 13: Đệm giữa; 14: ống dẫn hơi nước qua trục;
15: Bánh xe phân phối nguyên liệu; 16: Cốnh gạt có lỗ hơi; 17: Trục đỡ trung gian cho trục quay; 18: Đĩa hai cấp để gạt nguyên liệu; 19: Dao gạt nguyên liệu đã chế biến; 20: Lưới (vỉ); 21: Phần chứa nguyên liệu đã chế biến; 2 2 : ổng giữ điều chỉnh; 23: Vỏ của vít tháo bã; 24: Thùng chứa; 25: Quạt hút hơi nước từ nguyên liệu đã chế biến; 26: Băng tải bã; 27: Đĩa ngang hình trụ để truyền động; 28: ống tháo nước ngưng tụ.
2. Thiết bị chưng cất loại nguyên liệu là cỗ lá Thiết bị chưng cất nguyên liệu cỏ, lá có dạng hình trụ cao, bàng thép, có đường kính là 850mm, chiều cao là 7850inm, dưới thiết bị có phần dùng để tháo bã dài độ 1m, phần này coi như không có tác dụng chung cất mà chỉ chứa bã sau khi đã chưng cất xong nhàm giử cho hơi trong thiết bị khỏi thoát ra ngoài theo cửa này (Hình 19). Hơi nước được cho vào từ ống dẫn phía trên thiết bị, vì thế ở chồ vít vận chuyển nguyên liệu vào thiết bị, người ta có làm theo một lớp vò để giữ cho nhiệt độ của nguyên liệu được nâng lên trước khi vào thiêt bị, vít tài quay với tốc độ là 54 vòng/phút, đường kính của vít 265mm và bước vít 220. Đê cho vít tải hoạt động được can phải bố trí một động cơ riêng có công suất là 3kW ở bên cạnh. Hai nước được cho vào thiết bị bằng một ống thẳng đứng uốn cong nằm cân bằng ở giừa thiết bị, phần dưới của ống khoan 50 lồ theo hình quân cờ, mỗi lỗ có đường kính 3 - 5mm; phần cuối cùng của ống được bịt kín. Trong thời gian thiết bị ỉàm việc hơi nước chủ yếu cho vào bằng ống này chỉ trừ trường hợp lúc khởi động; do điều kiện nguyên liệu chưa đây thiêt bị, nên ở phần dưới cùng của thiết bị, bên cạnh ông đê tháo nước ngưng tụ; có làm thêm một ống nữa để cho hơi nước vào nhàm tăng lượng, nhiệt trong thiết bị. Nếu thiết bị hoạt động đều đặn và bình thường thì lượng nước ngưng tụ coi như không đáng kể. Hơỉ nước và chất thơm được bốc lên, sau khi qua bộ phận làm khô ở đỉnh thiêt bị được đi qua bộ phận ngưng tụ. Diện tích của thiết bị ngưng tụ là 7,5m2. Đối với loại lá mem lkg chất thơm thu được cần mất khoảng 2000 lít nước làm lạnh. Bã sau khi cất được chuyển ra ngoài ở phần đưới thiết bị, bằng một vít tải, vít này thường có đường kính là 500 mm bước vít là 380 và quay với tốc độ 0,15 - 0,30 vòng/phút. Để quay vít tải này cần cỏ một động cơ 1,7 kW và có bộ giảm tốc độ riêng, ờ phần tháo bã cửa thiết bị còn cỏ cánh cừa, cửa này chuyển động theo cửa của vít tải. Vì vậy trong thời gian thiết bị làm việc thì sẽ đóng lại và chi mở khi thiết bị đã ngừng làm việc, tốc độ vận chuyển cùa nguyên liệu theo chiều cao thiết bị là 0,15m/phút. Thể tích của thiết bị là 3,3m \ năng suất 2tấn/giờ. Đẻ tránh tình trạng chất thơm bị bay hơi bởi tác dụng của không khí và vận chuyên (trong trường hợp vận chuyển nguyên liệu bằng quạt gió) sau khi đà cắt nhỏ, nguyên liệu được
47
chuyển qua băng tải, bãng truyền này có độ nghiêng là 30° và bề rộng là 500mm, tốc độ vận chuyển là 0,5m/sec. Thiết bị của một sô cặp cửa quan sát, các cừa này được bố trí sao cho một cửa có thể quan sát được chỗ nguyên liệu vào, và một ở phần dưới của thiết bị chồ giáp giừa phân làm việc của thiêt bị và phân chứa bà, vỏ cúa thiết bị được bọc bởi một lớp cách nhiệt dày 7cm. 3
Hình 19. S ơ đồ thiết bị Revazop - Moskalop (chưng cất nguyên liệu cỏ lá)
48
1: Băng tải nghiêng;
15: Thiết bị ngưng tụ;
2: Nguyên liệu trên băng tải;
16: Cửa quan sát;
3: Trục băng tải;
17: Thân thiết b;
4: Thùng chửa;
18: ống phun hơi thẳng đứng;
5: Điều chỉnh vít tải bằng tay;
19: Vỏ vít tải thài bã;
6:
20: Vít tải tháo bã;
Hệ thống chuyển động để nạp liệu;
7: Vỏ vít tài;
21: Hệ thống chuyển động tháo bẫ;
8 : Vít
22: Trục vít tải tháo bã;
tảí nạp liệu;
9: Bộ phận nén nguyên liệu;
23: Phần nâng lên của vít tải tháo bã;
10: Phần truyền động bằng cơ học của ống tải liệu;
24: Cửa tháo bã di động của vít tải;
11: Lưới chắn;
25: Ồng dẫn hơi nước vào đáy thiết bị;
12: Nắp thiết bị;
26: Ồng tháo nước ngưng tụ;
13: Cổ thiết bị;
27: Chân đế của thiết bị;
14: Vòi voi;
28: Lưới ở cổ thiết bị.
ưu điểm của thiết bị: Đơn giản, kích thước vừa phải iàm việc liên tục, nguyên liệu vừa cho vào và tháo ra không phải dùng bằng tay. Nhược điểm của thiết bị: Qua thực tế làm việc thiết bị có những nhược điểm cần phải khắc phục như sau: - Bước của vít tải vận chuyển nguyên liệu chưa thích họp, vì cấu tạo như đã nêu trên nguyên liệu hay bị nén ép, làm gẫy các chi tiết của thiết bị. - Nguyên liệu còn bị vướng nhiều ở thùng chứa và hơi chất thơm bay lên bị ngưng tụ lại nhiều do nguyên liệu có nhiệt độ thấp đi vào. Tuy vậy, ưu điểm vẫn là căn bản và thời gian gần đây, các nhà thiết kế và thực nghiệm đang nghiên cứu để khắc phục những nhược điểm này, bằng cách cho thêm hơi nước vào các phần khác nhau của thiết bị, cũng như sửa chữa thay đổi cơ cấu ở phần vận chuyển nguyên liệu. 3. Đánh giá thiết bị chưng cất liên tục Thiết bị chưng cất kiểu liên tục cấu tạo tương đối phức tạp, nguyên liệu đưa vào chưng cất đều phải nghiền hoặc cắt nhò. Bảng 10 là kết quả những so sánh với các thiết bị chưng cất gián đoạn, dùng để chưng cất các loại lá và cỏ tương tự bàng số liệu thực tế.
49
Bảng 10. So sánh thiết bị chưng cất liên tục và gián đoạn Nguyên ìiệu chế biến
Nảng suất thiết bị
Đơn vị
Công lao động
Tổn phí hơi nước
Tổn phi nước
Lượng Hị O chưng cất ra
Cồng
kg
kg
kg
kg
Loại chưng cất
Gián đoạn
Liên tục
Gián đoạn
Liên tục
Gián đoạn
Liên tục
Gián đoạn
Liên tục
Gián đoạn
Liên tục
Lavan
114
300
3,2
0,516
130
50
1.3
0,5
120
40
Hương nhu
60
200
2,1
0,80
870
300
8,5
3,0
280
140
Bạc hà
30
147
1,47
0 ,6
60
20
0 ,6
0 ,2
60
20
Ghi chú
Các Ắ SO liệu đều tính cho 1 kg chất thơm
Từ những số liệu thu được qua bảng trên ta thấy có thể đi đến một số kết luận sau: - Thể tích có lợi của thiết bị liên tục lớn hơn thiết bị gián đoạn 4 - 1 2 lần - Lượng hơi nước cẩn thiết cho lkg chất thơm ở thiết bị liên tục giảm 3 - 5 lần so với thiết bị gián đoạn tương ứng - Lượng nước chưng cất ra từ thiết bị liên tục giảm 3 lần so với thiết bị gián đoạn, chứng tỏ tổn thất chất thơm do hiện tượng hoà tan vào nước giảm nhiều. - Chất lượng của chất thơm thu được ở thiết bị liên tục tốt hơn so với thiết bị gián đoạn, do đỏ, làm giảm nhẹ nhiều cho các quá trình lọc lắng sau này. - Do tạo được điều kiện cho nguyên liệu và hơi nước tiếp xúc ngược chiều nhau, kết quả về lượng chất thơm thu được đôi khi còn lớn hơn cả nhừng số liệu kiểm tra trong phòng thí nghiêm. - Nhờ vào cơ giới hoá được quá trình cho nguyên liệu vào và tháo bã ra, sức lao động được giảm bớt từ 3 - 6 lần. Riêng đối với sản xuất hạt mùi thì sức lao động giảm bớt được 10 lần. - Nguyên liệu trước khi chế biến cần phải được nghiền nhỏ hoặc cắt nhỏ. - Cấu tạo thiết bị, cũng như yêu cầu phục vụ phức tạp và yêu cầu về trình độ kỹ thuật cao hơn.
Chương V
TÍNH TOÁN THỀ TÍCH VÀ THIÉT BỊ CHƯNG CÁT, TRUYÈN NHIỆT VÀ PHÂN LY I. THẺ TÍCH CỦA THIẾT BỊ CHƯNG CÁT Thế tích của thiết bị chưng cất, dùng trong sản xuấí tinh dầu, thường thay đối với giới hạn rất lớn từ 1 - 90 m3. Thiết bị chưng cất có thể tích lớn có nhừng uv điêm như sau: - Tổn thất về kim loại, dùng làm thiết bị, nếu tính theo một đơn vị thể tích trong trường hợp đó sẽ ít hơn. - Đối với một số cơ sở sản xuất, nếu dùng thiết bị lớn, lượng thiết bị, cần thiết sẽ ít đi và như vậy diện tích làm việc của phân xưởng, nếu tính về phương diện xây dựng nhà cửa sẽ giảm. - Lượng nhiệt tổn thất do bức xạ, và đối lưu với môi trường xung quanh cùng giảm. Nhược điểm: Ra và vào nguyên liệu có khó khăn, đặc biệt đối với các loại nguyên liệu hoa. - Thiết bị càng lớn thì việc lảm kín thiết bị để tránh tổn thất tinh dầu và hơi nước gặp rất nhiều khó khăn. - Thời gian đóng cửa, nắp thiết bị sẽ kéo dài và như vậy tồn thất bay hơi cùng sẽ lớn. Vì vậy, khi định dùng một loại thiết bị nào đó, cho một cơ sở sản xuất cần phải tính toán đầy đủ, tùy thuộc vào dạng nguyên liệu cần ché biến, và điều kiện chế biến thực tế của cơ sở sản xuất đó. Đe tính toán thiết bị, và lượng thiết bị cho cơ sở sản xuất cần dựa vào một số những căn cứ sau: - Lượng nguyên liệu cần chế biến trong một ngày. - Thời gian cần thiết cho một lần ché biến (lúc cho nguyên liệu vào thiết bị, tới lúc xả hết nguyên liệu) - Dung trọng của nguyên liệu (khối lượng trên một đơnvị thê tícht/m3) - Chế độ làm việc của thiết bị (tiên tục, giản đoạn)
51
Nếu thiết bị làm việc gián đoạn thì cần chú ý tới thời gian của từng giai đoạn riêng biệt (thời gian cho nguyên liệu vào thiết bị, thời gian đun nóng thiết bị, thời gian chưng cất, thời gian tháo bã, thời gian chuẩn bị cho nguyên liệu mới vào thiết bị). Nếu thiết bị làm việc liên tục thì cần nắm được trong thời gian nguyên liệu, lưu hành trong thiết bị, hoặc tốc độ tháo bã vít tải theo thời gian, Thí dụ: trong một ngày cần chế biến G tấn nguyên liệu với thiết bị làm việc gián đoạn. - Dung khối của nguyên liệu là 8 tấn/m3 - Mỗi ngày làm việc n ca - Tồng thời gian chế biến là t giờ - Chu kỳ làm việc của thiết bị N =—
t 8: Số giờ làm việc trong một ca t: T i + T 2 + T3+ ........ + Tg - Dung tích chung của toàn bộ thiết bị dùng chưng cất gián đoạn gồm: Vg. = — - — 8.N.ọgi cpgii hệ số chất đầy, tùy thuộc vào tính chất của nguyênliệulấy từ 0,7 - 0,85. Thể tích của thiết bị được chọn nếu tính bằng Vg m3(thì trong hợp chất chưng cất giản đoạn) thiết bị cần thiết sẽ tính được bằng: Kg =
Vgi
; (đơn vị chiểc)
VI
Nếu sản xuất bằng thiết bị liên tục, và thời gian cần thiết của nguyên liệu đi trong thiết bị là T ị phút thì thể tích cần tính toán như sau: V -
OT,
GT,
1
24.60.(pr Y
1440.Y.(p!
số thiết bị liên tục cần thiết sẽ bằng: V
K, = — ; (đơn vị thiết bị)
52
.
3
1. Cân bằng nguyên liệu Khi tính toán thiết ké một xí nghiệp sản xuất tinh dầu ta cần thiết phải tính toán cân băng nguyên liệu để biết được: lượng nguyên liệu chính, nguyên liệu phụ, bán thành phẩm, thành phẩm, phế phẩm, tổn thất... Cân bằng nguyên liệu chính và phụ cho một đơn vị thành phẩm, trên cơ sở đỏ tính toán được lượng thiết bị chính và phụ, cân thiết cho xí nghiệp. Ngoài ra nhờ cân bàng còn cho phép ta đánh giá được sựhoạt động của xí nghiệp, tránh được những tổn thất trong sản xuất, và những chi phívật liệu cần thiết.
không
Có thể tính toán được cân bằng nguyên liệu theo những phương án như sau: - Tính theo 100 hoặc 1000 đơn vị nguyên liệu ban đầu cho một ngày, một tháng, một vụ thu hoạch hoặc một năm. - Tính cho 1 tháng nếu xí nghiệp làm việc quanh năm. - Đối với những loại nguyên liệu, có khả năng bảo quản lâu như hồi, pơmu, thiên nhiên kiện.... thì có thể tính toán cho một năm sản xuất, chỉ trừ những ngày nghỉ lễ hoặc phải ngừng sản xuất do sửa chữa. Thời gian làm việc trung bình của xí nghiệp từ 180 đến 330 ngày, ngừng sản xuất để sửa chừa các máy móc thiết bị hoặc các sửa chữa khác từ 35 đến 50 ngày. - Đối với những loại nguyên liệu cần chế biến ngay, không bảo quản được lâu, có thể tính theo thời vụ. a) Cân bằng nguyên liệu SỐ lượng
$ố tượng Thu đư ợc
Đưa vào
*3 1.
ì.
Tổng cộng
AT
b2
3. Tinh dầu
b3
4. Tạp chất (vô cơ, hữu cơ)
b4
-M* _D3
AT
Bi
2. Chất khô
25 II
Nguyên liệu
Lượng ẩm
4
ấB. i=l
Trong trường hợp nếu có tinh dầu loại hai lấy từ nước thải thì trong cân bằng chưng cất cần thêm phần cân bằng này.
53
b) Cân bàng chirrm cât Đưa vào
số !ượng
Số lượng
Thu đươc kg
*9 1. Nguyên liệu
Ai
2. Hơi nước
Tổng cộng
a2
->
ĩ> , I
1. Tinh dầu loại I
Bi
2. Nước chưng
b2
3. Bã
b3
4. Nước ngưng tụ
b4
5. Tổn thất tinh dầu "ì s V 1 v ' ' Ĩ A , = X B I ]
Bs 5
X B, i^l
c) Cân bàng thu hồi tinh dầu từ nước thải (bằng pỉĩmmq pháp cắt lại) Số lượng
Số iượng Đưa vào
Thu được k9
Lượng nước thải
Ai
a2
*9 1. Tinh dầu loại II
Bi
2. Nước thải khi cất lại
b2
3. Tinh dầu còn lại trong nước thải
b3
4. Nước được cất ra
b4
5. Lượng tinh dầu có trong nước cất ra
B5
6. Nước ngưng tụ
Be
7. Tổn thất tinh dầu
b7
Tổng cộng I
Ỉ A . - Ỉ B I
CŨ
ỈA ,
I
Khi cất lại thường có 2 phần nước: - Phần nước cất ra - Phản nước còn lại sau khi cất tháo ra ở dưới nồi. Cùng tương tự như vậy ta có thể thành lập được nhừng bảng cân hàng nguyên liệu đối với các giai đoạn sản xuất khác, như giai đoạn lắng, lọc, sấy... và sau đó thỉ lặp cân bảng về tinh đầu như sau:
54
d) Càn bằng tinh dầu Đưa vào
(kg)
Thu được
1. Tinh dầu trong nguyên liệu
1. Tinh dầu loại I
(kg) Bi
2. Tinh dầu loại II
~bT
3. Tổn thất trong quả trình cất dầu (lẩy ở Ỡ5 trong cân bằng chưng cất)
b3
4. Tinh dầu còn lại trong bã
b4
5. Tinh dầu còn lại sau khi cất lại (£?3 trong cân bằng thu hồi, tinh dầu từ nước)
b5
6. Tổn thất tinh dầu khi cất lại (B5, B7 trong bảng 3)
(Theo sổ liệu phân tich được)
7. Tổn thất tinh dầu trong quả trình lắng
8. Tổn thất quá trình sấy 9. Tổn thất tinh dầu trong quá trình lọc
b9
10.Tổn thất quá trình đóng gói
B10
11.Thu hồi tinh dầu trong không khí
Bi
12.Tổn thất tinh dầu không tính toán được (kể cả tổn thất khi bảo quản nguyên liệu) I /.
Tổng sổ
Tổng số
ẺB
Tổn thất không tính toán được có thể xác định bằng phương trình cân bàng như sau: A=
+ B12 I
Một số điểm cần chú ý khi lảm việc với thiết bị chưng cất: 1/ Tinh dầu dễ hấp phụ các mùi lạ, bời vậy thiết bị chưng cất cần phải được chùi rửa sạch sẽ, khi cho nguyên liệu mới vào cần xem xét trong thiết bị có còn sót nguyên liệu cù hay không. 2/ Trong nguyên liệu khi chưng cất sẽ có một phần axit hữu cơ, những axit này dễ tác dụng vào thành nồi và làm gỉ kim loại, bởi vậy nếu thiết bị càng có khả năng giừ nước ngưng tụ lại thì càng tạo thành nhiều gỉ. 3/ Thiết bị chưng cất cần phải được cách nhiệt thật đầy đủ. Trong trường hợp ngừng chưng cất để thay đổi nguyên liệu thì thiết bị cần phải được xả hơi nước đê làm mất mùi của tinh dầu cũ còn sót lại.
55
2. Tính toán nhiệt cho thiết bị chưng cất
Sau khi đã xác định được thể tích của thiết bị, tính được cấu tạo và kích thước cần thiết, phải tiến hành tính toán nhiệt để có thể biết được lượng hơi nước cần thiết trong quá trình chưng cất cho một đơn vị nguyên liệu hoặc sản phâm. Với mục đích đó, thành lập cân bằng nhiệt, phương trình cân bằng nhiệt có thể tích như sau: Q = Q j + Q 2 + Q3 + Q4 + Q5 + Qó
Q: Lượng nhiệt cần thiết dùng để chưng cất, do hơi nước cung cấp đưa vào thiết bị. Q |’. Lượng nhiệt chi phí để đun nóng nguyên liệu đến nhiệt độ của quá trình chưng cất. Q 2 : Lượng nhiệt đun nóng lượng tinh dầu có trong nguyên liệu Q3: Lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi tinh dầu Q4: Lượng nhiệt tổn thất do bức xạ và đối lưu Q5: Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng thiết bị Q6: Lượng nhiệt chi phí cho quá trình chưng cất Tất cả các Q đều được tính bằng Kcal, ở đây trong các thông số đã cho chỉ có Q là chưa biết, vì vậy cần phải xác định Qi đến Q6. Những số liệu đầu tiên cần biết: G: Khối lượng nguyên iiệu cho vào thiết bị (kg)
w c: Độ ẩm của nguyên liệu (%) rrv. Hàm lượng tinh dầu (%) Cc: Nhiệt dung của nguyên liệu (Kcal/kg°C) (thường thì khó tìm thấy nên lấy là 0,4 Kcal/kg°C, tính theo nguyên liệu khô tuyệt đối) Như vậy nhiệt đưa vào thiết bị: i’p = q ’ + (r’b. x ’) K c a 1 Q = Bj (q’ + r ’b.x’)Kcal
Bị: Lượng hơi nước chi phí cho quá trình chưng cất (kg) i’p: Nhiệt hàm của hơi nước ở áp suất p (Kcal/kg) q ’: Mức độ khô của hơi (là lượng hơi nước khô trong một đơn vị hơi bào hòa ẩm kg) phụ thuộc vào điều kiện của nơi sản xuất, x’ thường bằng 0,8 - 0,95 r\: Nhiệt bổc hơi của nước (Kcal/kg) ỉ
. Q ị lư ợ n g
n h iệ t c h ỉ p h ỉ đ ể đ u n n ó n g n g u y ê n liệ u tớ i n h iệ t đ ộ c h ư n g c ấ i
c . c . e . - o - G Í 0-6 * ' 1- 40 t2 tj ÌOO
56
Vì G: Khối lượng nguyên liệu cho vào thiết bị
w c: Độ ẩm nguyên liệu tính theo % Cc: Nhiệt dung của nguyên ỉiệu ở độ ẩm tương ứng ti: Nhiệt độ của không khí xung quanh Ì2 ’ Nhiệt độ bên trong của thiết bị có thể lấy trung bình giữa nhiệt độ của hơi nước đi vào thiết bị và nhiệt độ cùa hơi nước đi ra khỏi thiết bị. 2. Lượng nhiệt dùng đun nóng lượng tỉnh dầu cỏ trong nguyên ỉìệu
G: Khối lượng nguyên liệu cho vào thiết bị (kg) mc: Hàm lượng tinh dầu (%) t |: Nhiệt độ của không khí xung quanh thiết bị (°C) t2: Nhiệt độ của bên trong của thiết bị (°C) CM: Lấy gần đúng bằng nhiệt dung của cấu tử chính có trong tinh dầu (để dễ tỉnh). Neu trường hợp khó tính có thể tính gần đúng theo công thức của Kopa: CM= 1.2. C’ (Kcal/kg°C) o t _ 1.8C + 2.3H + 40 V — M
c , H, O: Lượng cacbon, hyđrô và oxy có trong cấu tử chính M: Trọng lượng phân tử cấu tử chính 3. Lượng nhiệt cằn th iế t đê làm b a y hơi tinh dầu Qì Q. =G — + rM (Kcal) .
3
100
G: Khối lượng nguyên liệu (kg) mc: Hàm lượng tinh dầu có trong nguyên liệu (%) rM: Ẩn nhiệt bốc hơi của tinh dầu, có thể tính gần đúng bàng ẩn nhiệt bốc hơi của cấu tử chính có trong tinh dầu. Trong trường hợp khó tìm có thể tính theo quy tăc Truton 21T — (Kcal/kg°C) M 21: Tỷ lệ giữa ẩn nhiệt bay hơi của phân từ và nhiệt độ sôi tuyệt đổi của tinh dầu (thường ỉà một đại lượng không đồi cho mọi chất lỏng từ 20 - 22) M: Trọng lượng phân tử cùa cấu tử chính T: Nhiệt độ bay hơi của cấu tử chính ở nhiệt độ tương ứng.
57
4.
Tôn ílìch nhiệt do hiện tượng bức x ạ đôi hơn Ọ ỉ Q-rMQk +Qp)Fu.Z Kcal
a) Qk: Nhiệt tồn thất do đối lưu (kcal) Qk^ oik (tu
t|) Kcal (trong một giờ với lm 2 diện lích)
Hệ số cấp nhiệt đố! lưu ' Kcal N 1 llp (h) ( * )a k = 2 . 2 ^ 1 ^ v m ]\h. Cy (*) Theo Nusxen công thức đó dùng cho nhừng thành phẳng. Đối với thành nằm ngang thi: a k ” 2.8-y/tH—t, — > 2,8^/tịị —tị và đối với nhừng ống nằm ngang có đường kính d > 0,0ỉm /
Kcal
ì
m2.h."c ttJ: nhiệt độ bề mặt bên ngoài của lớp cách nhiệt K
K t, +■ a ;. + a,
Kcal _ 2 1 0/1
m .h. c
P2 = a k ■+ ơp là tống hệ số trao đổi nhiệt với môi trường không khí xung quanh Kcal/(m\h.°C) Thông thường, cử mồi một đại. lượng chưa biết lại phụ thuộc vào đại lượng khác. Vì vậy cần phải cho trước một đại lượng để dề tính, thường người ta cho biết tH sau đó tính được aỵ ở công thức trên, vì ti là nhiệt độ của môi trường không khí xung quanh và sau đó ta tính ctp theo công thức của Stephan - Boman
a,
c
t H+273
t, +273
100
100
Kcal m .h.
ơp: Hệ số cấp nhiệt do bức xạ Kcal/(m2.h.°C) C: Được thừa nhận bằng 4 và có thế tiến hành thừ lại theo công thức tính K (K là hệ sô truyên nhiệt) K. =
58
Kcal 1 ôa 1 • + - + — ...a, x.ả a k +ct,
m2.h.°c
a p: Hệ số truyền nhiệt cùa hơi nước bào hòa với thành thiết bị tính bằnu m .h. c )
thirờne lấy là 10000
Ôa: chiều dày của thành thiết bị (m) ỗH: Chiều dày của lóp cách nhiệt đối với nhừng thiết bị chưng cất, chiều dày của lớp cách nhiệl bang nhừng vật liệu cách nhiệt tốt thường dùng lấy từ 0,04 - 0.06m Hệ số dẫn nhiệt của kim loại làm thiết bị
Kcal m -\h 7 c;
Đẻ tính toán a k có thể dùng giá trị của nhừng hệ sỏ đó bằng bảng đã được nêu lên trong cuốn sách “Cí/ sở của quả trình và íhièí bị kv ihiiật hoả hục ’ của Kaxatkin (Mạc Tư Khoa, Nhà xuất bản Hóa học quốc gia, năm 1941, phần II bảng 6). Trước tiên để xác định nhiệt độ của lớp cách nhiệt trên mặt ngoài thiết bị tH có thể dùng bầng công thức thực nghiệm để dễ tính như sau: t„ ■H =t,I + 7 7 0 5 6 + 2 0 Q '-8 4 O' lấy từ công thức tH = t, + — và a 2 =8,4 + 0,05(tM- t , ) đôi với nhừng thành phăng a: Q ’: Nhiệt tổn thất trên lrrf bề mặt ngoài lớp cách nhiệt tính bằng Kcal, có thể dùng theo nhừng số liệu cho lm 2 bề mặt cách nhiệt ở nhừng nhiệt độ khác nhau như sau: ở 100°c giới hạn tồn thất nhiệt bằng 140
j
ở 110°c giới hạn tổn thất nhiệt bàng 150 . > ( Kcaỉ ^ ở 120°c giới hạn tôn thât nhiệt băng 158 1—— I ; í ÍK c a l) ờ 130 c giới hạn tôn thât nhiệt băng 165 —7— m .h ; : í , , , , ( Kcalì ờ 140 c giới han tôn Ihât nhiệt băng 173 —T— lm ,b j
59
b) Qp nhiệt lượng tổn thất do bức xạ r T
(-iiL
A4 ( X A4
_
Ỉ0 0 j TH= tH+ 273
Kcal/m2h
uooj
T ,= ti+ 2 7 3 C: Hệ số bức xạ nhiệt bề mặt của lớp cách nhiệt, đối với lớp cách nhiệt không bọc ngoài c = 4,76; đối với lớp cách nhiệt có một lớp giấy, vải c = 3,65; nếu có sơn một lóp sơn ngoài c = 3,86. Nếu thiết bị có những chỗ không bọc cách nhiệt, thì tổn thất nhiệt sẽ xác định riêng từng phần, một phần có cách nhiệt Fu và phần không cách nhiệt Fa và sau đó cộng lại để tính Q4. c) ¥[]■ Bề mặt phần cách nhiệt, m2 d) Z: Thời gian làm việc có hơi nước của thiết bị (giờ) 5. Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng thiết bị Qs Q5 = 0,2 Q ’5 kcal Q’5= Ga. Ca (t’c p - ti) + Guc u (t” Cp - t]) Ga: Khối lượng kim loại làm thiết bị
c a: Nhiệt dung của kim loại làm thiết bị Gu: Khối lượng lớp cách nhiệt (kg)
c u: Nhiệt dung của lớp cách nhiệt ^ c a ~ đối với những vật liệu cách nhiệt kg. c thường dùng, trong thưc tế có thể lấy; Cu = 0,34 Kcfta ~ . kg. c t’cp: Nhiệt độ trung bình của thành thiết bị, thường lấy bằng t2 (°C) là nhiệt độ ở bên trong thiết bị. t” cp: Nhiệt độ trung bình của lớp cách nhiệt
Phải tính 05* vì trong thực tế khi ngừng chưng cất để tháo bã và cho đợt nguyên liệu mới vào thường chỉ mất trong vòng 3 0 - 4 0 phút. Trong thời gian này nhiệt độ của thiết bị chưa kịp giảm xuống tới nhiệt độ lúc bình thường ban đầu, và ở thành thiết bị chỉ mất một phần lượng nhiệt được tích tụ vào. Vì vậy trong cân bằng nhiệt cần tính chỉ một phần của Q5, thường là 20% (Ịý thuyết để tỉnh thực tể lượng nhiệt Qs này gặp nhiều khó khăn, thường không đảm bao kết quả).
<5. Lượng nhiệt chỉ phỉ cho quá trình chưng cắt Q6 Q6 = B 2i”ip = B2(q"+rVx")Kcal B2: lượng hơi dùng chi phí trực tiếp cho vào chưng cất (không kể tồn thất), kg. Lượng hơi này nếu tính toán theo ỉý thuyết thường nhỏ hơn so với thực tế, vì hệ số bão hòa trong pha hơi của tinh dầu thưởng rất nhỏ chỉ bầng 0,04 - 0,05. Bởi vậy, để tính toán cần phải dựa vào số liệu thực tế. B2 có thể xác định theo thời gian chưng cất (Zn/giờ) và tốc độ chưng cất thường lấy trung bình bằng 5% của thể tích thiết bị; nếu tốc độ chưng cất w biểu diễn bàng lít/giờ và thể tích của thiết bị là V lít thì: B2 - Zn. 0,05V (kg) q ” : Nhiệt hóa lỏng của hơi nước x” a: Mức độ khô của hơi nước bão hòa có thể ỉấy từ 0,85 - 0,95 tùy thuộc vào điều kiện sản xuất i” p: Nhiệt hàm lượng của hơi nước ở áp suất p P: Áp suất hơi nước vào thiết bị (ati) r’V Nhiệt bốc hơi của hơi nước q” , r” b, x” cũng tính như q \ r’b, X* nhưng dùng cho hơi nước ở phần cuối (trong thiết bị) Sau khi đă tính được Q từ phương trình cân bàng ta lập bảng để kiểm tra lại theo cân bằng chưng cất. Cân bằng chưng cất (Kcal) Đưa vào 1. Từ hơi nước
S ử dụng
Ký hiệu
1. Đun nóng nguyên liệu
Qi
2. Đun nóng tinh dầu
q2
3. Làm bốc hơi tinh dầu
q3
4. Tổn thất do bức xạ và đổi lưu
Qa
5. Đun nórìg thiết bị
q5
6. Quá trình chưng cất tinh dầu
Qe 6
Tổng số
±i=tQ . 6
Nếu tính toán đúng thì Q = ^ Q i 1 61
Sau khi đă xác định được Q từ phương trình Q - B ,r p ta có thé tinh được B u và tử đó có the xác định được lượng hơi nước cân thiết cho 1 giở chưng cat —L kụ/giở và cho Ikg tinh dầu thu được — kg/kg. qm qm: Lượng tinh dầu thu được irong quá trình chưng cất (trừ tôn thât) , ị B..1000 K Để tính cho 1 tân nguyên liệu kg G - Lượng hơi nước ngưng tụ trong thiết bị sẽ bằng: w k = (Bi - Bì) kg.
II. THIÉT BỊ TRUYÈN NHIỆT 1. Nhận xét chung Hỗn hợp hơi nước và tinh dầu đi từ thiết bị chưng cất ra được cho vào thiêt bị truyền nhiệt {làm lạnh) nhằm mục đích làm ngưng tụ và ỉàm lạnh hồn hợp nước chưng đi tới nhiệt độ cần thiết. Đe đạt đuợc yêu cầu này đầu tiên ân nhiệt bốc hơi của hỗn hợp được truyền qua môi trường làm lạnh và hồn hợp sẽ ngưng tụ lại, sau đó một phần nhiệt của hồn hợp hưi đã được ngưng tụ cùng được truyền qua. Đê làm lạnh thường không dùng không khí, mà chỉ dùng nước lạnh, vi độ dẫn nhiệt và nhiệt thể tích của không khí thường nhỏ, nên diện tích truyền nhiệt nếu không dùng không khí để làm lạnh phải rất lớn. Trong thiết bị làm lạnh, giừa các quá trình ngưng tụ và làm lạnh, không có ranh giới rồ rệt vì thường một phần được tiến hành ngay ở vòi voi, do đó một lượng hơi cần ngưng tụ đi đọc bề mặt diện tích truyền nhiệt sẽ giảm, và lượng nước ngưng tụ được lúc đó sẽ lớn. Cho nên phần nước ngưng tụ này coi như đảm nhiệm ngưng tụ được hoàn toàn hỗn hợp hơi. Nhưng trong quá trình trao đổi nhiệt ở thiết bị làm lạnh dung dịch được ngưng tụ bao giờ cũng tiến hành đồng thời và đòi hòi phải tính toán khác nhau, vì vậy dề tính toán. Phải coi như hai quá trình tiến hành nối tiếp nhau, có nghía là trong phần được xác định của thiết bị làm lạnh hỗn hợp hơi sè mât đi ân nhiệt bốc hơi và trở thành nước chưng {ở giai đoạn ỉ hay giai đoạn ngưng tụ) ở cùng một nhiệt độ, mà ở phần tiếp theo đó của thiết bị làm lạnh nước chưng sẽ tiếp tục trao đoi nhiệt và nguội đi, tới nhiệt độ cần thiết (ở giai đoạn ỉỉ hay còn gọi là giai đoạn làm lạnh).
Neu chưng cất tiến hành bàng hơi nước quá khô (thường ỉt dùng) thì trướ giai đoạn ngưng tụ còn phải tính thêm một giai đoạn làm việc của thiết bị làm lạnh nữa, đó là giai đoạn làm lạnh hỗn hợp quá khô tới nhiệt độ hơi bào hòa. Trên thực tế, từ những kinh nghiệm người ta có thể xác định được diện tích của thiết bị truyền nhiệt như sau:
62
- Cứ lrrr thiết bị chưng cất từ 2 - 2,5m2 diện tích làm lạnh của thiết bị truyền nhiệt. - Cứ lm 2 bề mặt của thiết bị truyền nhiệt có thề làm ngưng tụ được 25 lít nước ngưng tụ trong 1 giờ. - Cứ 1 lít nước ngưng tụ được cần từ 10 - 28 lít nước làm lạnh {còn tùy thuộc vào nhiệt độ ban đau cùa nước làm ỉạnh). 2. Các loại thiết bị ngưng tụ (làm lạnh)
Thiết bị ngưng tụ có nhiều loại, nhưng thông thường người ta dùng một số loại như sau:
Hình 20b. Thiết bị ngưng tụ ống chùm A
2.L Loại thiết bị ống xoắn (ruột gà) Đường cong của ống xoắn ruột gà thường cong từ 5 - 8°, tốc độ của hơi nước di chuyển trong ổng ruột gà không nên quá 30m/sec. Tốc độ nước đi ngoài ống không nên lớn quá 0,001/sec. a) Nhược điểm của thiết bị ngưng tụ bằng ống xoán ruột gà Thiết bị thường lớn như vậy sẽ làm giảm tốc độ vận chuyển của nước ngưng trong ống xoắn thường không quá 1m/sec.
63
- Do việc vận chuyển nước ngưng tụ đi trong ống chậm nên thiết bị thường làm việc không hoàn toàn, trong ống sẽ có một chỗ làm việc, còn một số chỗ không làm việc. - Trong trường hợp cần sửa chữa, ruột gà phía trong của ống rât khó chùi sạch và khi chế tạo ống rất khó tráng thiếc bên trong. b) Ưu điểm của thiết bị - Đơn giản, dễ làm - Dễ sửa chữa và làm sạch - Do sự thay đổi luôn luôn hướng chuyển động của hơi nước đi trong ống và do tốc độ của nước ngưng tụ trong ống chậm nên khả năng ngưng tụ hơi nước được thuận lợi. 2.2. Loại thiết bị ống chùm (Hình 20bỹ c) Thiết bị ống chùm bao gồm vỏ ngoài và chùm ống ở phía trong. Tùy trường hợp hơi có thể đi trong hoặc ngoài ống mà khi lựa chọn thiết bị người ta cần chú ý tới một số vấn đề sau: - Tốc độ hơi đi vào ống không quá 50 m/sec. - Chiều dài của đường ống thông thường không nên dưới 1,5 m; đường kính của các ống không nên lớn quá 20 - 25 mm để tạo điều kiện cho ngưng tụ được tốt hơn, khoảng cách giữa các ống không nên lớn quá 1 , 6 - 2 lần đường kính ngoài của ống. a) Ưu điểm của thiết bị - Hệ số truyền nhiệt lớn - Có khà năng dễ mạ thiếc lại phía bên trong - Gọn gàng và dễ bố trí b) Nhược điểm của thiết bị ống chùm Tốc độ vận chuyển của nước ngưng tụ trong ống rất lớn, bởi vậy cỏ thể xảy ra tình trạng làm cho các hạt tinh dầu bị thổi, bị nén nhiều, gây ra tình trạng khó phân ly. Đe ngưng tụ được tốt hơn, ở một số nơi người ta thường làm kết họp giữa các loại ống xoán và ổng chùm (Bulgari, Trung Quốc). 2.3. Thiết bị ngưng tụ ỉoạỉ đĩa Dùng thiết bị ngưng tụ loại này hỗn hợp sẽ được đi qua ở ống dẫn phía trên và dần đần đi vào qua các tầng đĩa, hồn hợp hơi đi như vậy sẽ được liên tục dàn nờ, và thay đổi vận tốc, làm cho hỗn hợp hơi dễ tiếp xúc với thành ống và ngưng tụ tốt hơn.
Vật liệu dùng đê làm thiết bị có thế dùng đồng lá hoặc đồng thau hay là nhôm, dùng thiêt bị loại này có thể giảm bớt được lượng nước dùng làm ngưng tụ, đo việc tiêp xúc giừa hỗn hợp hơi và thành ống tốt.
_
.....................................................................................................................................................................................
Hình 20c. Thiết bị ngưng tụ ống chòm
Hình 21. Thiết bị ngưng tụ loại đĩa
Nhược điểm của thiết bị ngưng tụ lại đĩa: Diện tích làm ỉạnh so với các loại thiết bị khác được ít hơn. Trong trường hợp ngưng cất, có thể có một lượng hỗn hợp hơi đà bị ngưng tụ nằm sót lại trong thành ống. Ngoài việc sử dụng những loại thiết bị làm ngưng tụ như đã nêu ở trên, trong thực tế có một số ỉoại tinh dầu như long não đễ bị két tinh ở nhiệt độ thường, thì không thể dùng các loại thiết bị ngưng tụ đã nêu trên được mà người ta thường dùng loại thiết bị ngưng tụ đặc biệt khác. Những thiết bị ngưng tụ này, nhằm mục đích lấy những tinh thể kết tinh của tinh dầu ra được dễ đàng thuận lợi, tránh tình trạng bị tắc đường ống, xảy ra tai nạn nguy hiểm. Vật liệu dùng làm thiết bị ngưng tụ, tốt nhất là đồng đỏ mạ thiếc, vỉ đồng đỏ có hệ số truyền nhiệt lớn hơn 3 - 4 lần so với đồng thau và hơn 2 - 3 lần so với nhôm. Nhiệm vụ của thiết bị ngưng tụ là cần phải làm lạnh hỗn hợp nước ngưng tới nhiệt độ cần thiết, với điều kiện sao cho lượng nước lạnh dùng để làm lạnh tốn một lượng ít nhất. Mức độ làm lạnh của hỗn hợp nước ngưng tụ được có thể xác định căn cứ vào những yếu tố như sau:
65
- Nhiệt độ làm lạnh của hồn hợp nước ngưng tụ được cần phải tương ứng, sao cho sự chênh lệch giữa tỷ trọng của tinh dầu và nước rõ rệt. - Đối với một số lớn tinh dầu, nếu nhiệt độ của hồn hợp nước chưng càng tăng thì sự khác nhau về tỷ lệ so với nước càng thể hiện rõ rệt và quá trình phân ly càng thuận lợi. - Nếu nhiệt độ của hỗn hợp nước ngưng tụ càng tãng thì độ hoà tan của tinh dầu trong nước ngưng tụ cũng càng tăng, gây tổn thất tinh dầu lớn và gây ra tinh trạng tinh dầu sẽ bay hơi nhiều, ngay cả trong môi trường nước, Bởi vậy cần phải xác định được một chế độ ngưng tụ thích hợp cho mồi loại tinh dầu, ngược lại đối với tinh dầu hạt mùi thì nếu nhiệt độ càng tăng thì độ hòa tan của tinh dầu trong nước lại giảm.
ở 15°c hoà tan 0,1104% ở 27°c hoà tan 0,0905% ở 50°c hoà tan 0,0827% Bởi vậy, nhiệt độ thích hợp để ngưng tụ đối với hỗn hợp nước ngưng tụ tinh đầu từ hạt mùi là 50°c, ở nhiệt độ này tinh dầu ít bị hòa tan trong nước, bốc hơi không đáng kể, trong 2 giờ ở nhiệt độ này chỉ mất có 0,066 mg/cm2. Một số loại tinh dầu ở nhiệt độ thường đông đặc (như tỉnh dầu hồng ở 24°C). Trên thực tế, ngưng tụ ở nhiệt độ cao, quá trình ngưng tụ sẽ rất mạnh, rất nhanh, do đó có thê ỉàm cho một số nguyên liệu từ thiết bị chưng cất bị tràn ra thiết bị ngưng tụ, đôi khi xảy ra tai nạn cho người phục vụ. Khi làm việc với thiết bị ngưng tụ cần chú ý vì khi ngừng cất thì ở phần dưới của thiết bị ngưng tụ có thể đọng lại một số vết dầu ở thành ống, hoặc do hiện tượng còn sót lại một ít hỗn hợp nước ngưng trong các ống. Tinh dầu còn sót lại trong thiết bị ngưng tụ dễ bị nhựa hoá làm ảnh hưởng tới phẩm chất của sản phẩm thu được của đợt chưng cất lần sau. Bởi vậy, trước khi ngừng chưng cất cần phải làm cho tinh dầu được thoát ra hết. Muốn vậy, trước khi kết thúc chừng 1 0 - 1 5 phút cần giảm bớt lượng nước làm lạnh cho vào thiết bị ngưng tụ, để cho thiết bị. ngưng tụ được đốt nóng hcm bỉnh thường và tinh dầu sẽ được thoát hết ra ngoài. ~ Ngoài ra nếu thay đổi nguyên liệu chưng cất thì cần phải làm sạch thiết bị ngưng tụ, trước khi tiến hành mẻ cất mới. - Nếu thiết bị ngưng tụ chỉ sản xuất một mùa (không liên tục sản xuất) thì thiết bị sau khi kết thúc vụ sàn xuất cần phải chùi rửa sạch. - Nếu thiết bị ngưng tụ để ngoài trời trong mùa đông thì ở nhừng vùng giá lạnh (núi cao) cần phải tháo hết nước ra đề tránh trường hợp nước ờ trong ống bị đông lại, làm hỏng các ống.
cần triệt để sử dụng lượng nước làm lạnh sau khi đã qua thiết bị ngưng tụ đưa vào nồi hơi để tiết kiệm nước. Mặt khác, nước đã qua thiết bị ngưng tụ đă giảm độ cứng, rất thuận lợi cho việc sử dụng đưa vào nồi hơi. 3. Tính toán bề mặt truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ và lương nước dùng làm lạnh Đê tính toán diện tích cần thiết của thiết bị làm lạnh (ngưng tụ) ta có thể đưa vào định luật Niutơn và Furiê. Theo định luật này: “Lượng nhiệt truyền qua theo hướng thăng góc với mặt phang của thành ống của thiết bị làm lạnh sẽ tỷ lệ thuận với diện tích làm lạnh (Fm2) của thành ống, với thời gian (Z) mà lượng nhiệt đó đi qua với sự chênh lệch về nhiệt độ (At°C) giữa hai thành ống ở 2 phía” . Q = K.F.Z.At (Kcal) Q: Lượng nhiệt truyền qua thành ống theo phương vuông góc (Kcal) F: Diện tích truyền nhiệt (m2) Z: Thời gian truyền nhiệt (h) At: Hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía thành ống k: Hệ số tỷ lệ hay là hệ số truyền nhiệt, biểu diễn lượng nhiệt truyền qua lm 2 bề mặt của thành ống trong một giờ với hiệu số nhiệt độ là 1° Nếu xuất phát tính toán dựa vào lượng nhiệt mà thiết bị làm lạnh nhận được trong một giờ thì bề mặt truyền nhiệt
Giá trị của Q, K, At đối với từng giai đoạn ngưng tụ (giai đoạn I) và làm lạnh (giai đoạn II) có khác nhau. Vì vậy cần phải tính toán riêng bề mặt làm lạnh, và ngưng tụ cho từng giai đoạn một, sau đỏ ta tổng hợp chung lại. Nhưng vì ở giai đoạn làm lạnh (ở giai đoạn 2) không phải tất cả bề mặt diện tích làm lạnh, đều được thấm ướt ngưng tụ, nên khi tính toán bề mặt của giai đoạn này, người ta cần phải có thêm vào một số n được xác định bàng thực nghiệm. Vì vậy, tổng số bề mặt làm lạnh sẽ là: F = F, + nF2 (m2) Theo thực nghiệm, đối với ống xoắn thường đối với ống chùm
n=3 n=2
Lượng nhiệt mà nước làm lạnh lấy đi ở giai đoạn 2 của thiết bị ngưng tụ, làm việc trong một giờ, được xác định băng phương pháp sau:
Q, = gbrb + gmrm(Kcal)
Q2= gb (TH- T k) + gm(TH- T k) c m Q 2 = (gb + gm-Cm) (T h - Tk) (K cal)
gb, gm‘ Lượng nước và tinh dầu cất ra được trong một giờ tính bàng kg
Th: Nhiệt độ của nước chưng ở giai đoạn đầu khi làm lạnh tính bằng °c Tk: Nhiệt độ của nước chưng ở giai đoạn cuối khi làm lạnh tính bàng °c.
c m: Nhiệt dung của tinh dầu Kcal/kg°C Rb: Ản nhiệt bốc hơi của nước Kcal/kg°C Rb: Ẩn nhiệt bốc hơi của nước Kcal/kg°C Vì lượng tinh dầu trong nước ngưng bật ít, thông thường không quá 1% bởi vậy khi tính toán ta có thể coi như gmkhông đáng kể, còn THcó thể xấp xỉ 100°c. Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức: K=
(Kcal/m2.giờ.°C)
di: Hệ số truyền nhiệt từ môi trường cần làm lạnh (của hỗn hợp hoặc hơi nước chưng) tới thành thiết bị ngưng tụ, (Kcal/m2.giờ.°C) a 2: Hệ số truyền nhiệt, từ thành ống thiết bị ngưng tụ tới môi trườn lĩ nước làm lạnh (Kcal/m2.giờ.°C) X: Hệ số dẫn nhiệt của kim loại thành ống thiết bị ngưng tụ (kcal/m2.giờ.°C) ô: Chiều dày của thành ống thiết bị ngưng tụ (m) Neụ tính toán đến ảnh hưởng của lớp cặn tạo trên thành ống có chiều đáy là ÔH với hệ số dẫn nhiệt kịị khi tính hệ số truyền nhiệt K cần thêm tỷ số: — Đối với những thành ống hình trụ là loại ống phổ biến trong các hệ thống ống ngưng tụ có bán kính trong Tu bán kính ngoài r2 (m) thì: K=
(Kcal/m2.giờ.°C)
vì chiều đày của thành ống không lớn lắm, nên mức độ chính xác tương đối ta có ô thê tính toán K băng cách bỏ qua tỷ số —và lấy 1*1 = Ĩ2 = r. Như vậy, đối với những r trường hợp tường phẳng:
68
K- — a,
-p-
(Kcal/m2,giờ.°C)
a,
còn đối với nhừng tường hình trụ: ^1 K =— — —-
a rr
J
(K cal/m 2.giờ.°C)
+■
a 2.r
Hệ số cấp nhiệt ai từ hơi nước ngưng tụ đến thành ống, ở giai đoạn I, có thể lấy (X] một cách gần đúng bằng 10.000 (kcal/m2.giờ.°C) Đối với giai đoạn II có thể xác định bằng cách tương tự ai tính theo công thức: « ,= 2 0 2 0 ^ ( 1 + 0,0 !4 t) co: Tốc độ chảy của nước m/sec (s) d: Đường kính của ống (m) t: Nhiệt độ của nước (°C) Hệ số cấp nhiệt a 2 từ thành ống đến đòng nước chuyển động có tốc độ là co (m/sec):) sè được xác định: =b.co°-81.d'0IJ act2 2= 1
(Kcal/m2.giờ.°C)
d: Đường kính ống b = 0,135X
0 .5 6 5
3
íy X r ự b * c b /
35
Mb Hệ số dẫn nhiệt của nước (Kcaỉ/m.s.°C) yb: Trọng lượng riêng của nước (g/cm2) cb: Nhiệt đung của nước (Kcal/kg.°C) ỊUị,: Độ nhớt của nước (Cp) (Xenti - poazo) Giá trị của b ở các nhiệt độ khác nhau thì khác nhau trong trường hợp nếu bề mặt không phải là hình trụ, mà là tiết diện bất kỷ thì d trong công thức a 2 sẽ được thay băng: td
4F s
(m)
F: Diện tích của tiết diện ống (m2) S: Phần chu vi trao đồi nhiệt. 69
Ví dụ: một chùm ống có đường kính là d được phân bố trong hình trụ có đường kính D, trong trường hợp ống chùm:
Nếu bề mặt làm lạnh có dạng uốn cong, đường kính ống là d, bán kính cong R (m) ống xoắn ruột gà thì a ’2 sê là:
ở đây a 2 tính nhu trong trường hợp ống thẳng ở trên. Đối với trường hợp ống đồng, có thể dùng công thức thực nghiệm của gô brăng như sau: K, = 150^fw^ X ^/0 , 0 0 7 + w b
K z = — ĩ— 1+
:—
ĩ 1+ 6jw~s
wn: Tốc độ hơi ngưng tụ tính bằng m/s được thừa nhận không quá 30m/s đối với ống xoắn ruột gà và 50m/s đối với ống chùm khi vào ống. wb: Tốc độ của nước làm lạnh tính bằng m/s phụ thuộc vào cấu tạo và chế độ làm việc của thiết bị ngưng tụ, nhưng không được quá 0,001 m/s. W 5:
Tốc độ của nước chưng
m /s
có thể lớn hơn wb nhưng không được lớn
hơn 1 m/s. Cần lưu ý trong khi lựa chọn tốc độ chưng cất ràng “hiệu quả truyền nhiệt sẽ tăng, cùng với sự tăng tốc chuyển dịch của nước chưng dọc theo thành ống của môi [nrờng làm lạnh và bị làm lạnh”. Bởi vậy công thức để tính Ki và K2 có thể thừa ’.iiẠn bằng phương pháp gần đúng: Lấy K| trong giới hạn 300 - 600 K2 trong giới hạn 100 - 200 Hiệu số nhiệt độ At thường thay đồi trong quá trình làm việc của thiết bị ngưng tụ hiệu số ban đầu 0đ tới hiệu số cuối 0C. Đe tínhtoán bề mặtlạnh, cần phải lấy hiệu số trung bình. Hiệu số này được tínhbằng cách lấytrung bìnhỉogarit 0d và 0Ctheo công thức:
70
giữa
At =
ed - e
0,1 - e -
ItA
2 ,3 0 3 lg ^
Neu tỷ số hiệu số nhiệt độ lớn 9
0C)
Tc - t ’d Vì bề mặt làm ỉạnh cần xác định cho mỗi giai đoạn một, nên hiệu số nhiệt độ trung bình cùng cần xác định riêng cho từng giai đoạn một. - Đối với giai đoạn I: (Td - t cH T c - t ' d) e i =■ T, - 1„ ln -^ —T - 1 Đối với giai đoạn II: n 2
( T , - t 'd) - ( T c - tld) d) T - t' In—— - A' Tc - t d
So sánh giừa đường biểu diễn trong trường hợp làm lạnh ngược chiều và thuận chiều ta có những kêt luận như sau:
Hình 22. Chảy cùng chiều
71
T.
Hình 24. Thay đồi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ ngược chiều
Trong trường hợp cũng có hiệu số nhiệt độ cuối 0C, hiệu số nhiệt độ đầu của thiết bị làm lạnh cùng chiều 0đ bao giờ cùng lớn hơn, do đó hiệu số nhiệt độ trung bình của hai phía thành ống cũng lớn hơn so với trường hợp ngược chiều, vì như ta đã biết nhiệt lượng chuyển qua thành ống bao giờ cùng tỷ lệ thuận với hiệu số nhiệt độ trung bình ở công thức (Q = KFZAt kcal) do đó trong trường hợp cùng chiều điện tích của thiết bị làm lạnh sè nhỏ hơn so với chảy ngược chiều; mặt khác trong trường hợp chảy cùng chiều nhiệt độ của nước làm lạnh (tc) đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ bao giờ cũng nhỏ hơn nhiệt độ (Td) của hồn hợp hơi ngưng tụ nhiều; còn trong trường hợp chảy ngược chiều nhiệt độ của nước làm lạnh đi ra (tc) chỉ có thề nhỏ hơn nhiệt độ tinh dầu của hỗn hợp ngưng tụ không đáng kể, như vậy sẽ ỉàm tăng nhiệt độ của hỗn hợp nước ngưng tụ. Bởi vậy trong trường hợp cùng có một loại nước dùng làm lạnh có nhiệt độ (td) và nhiệt độ của nước ngưng tụ đi ra (Tc) như nhau (Hình 23), với trường hợp đùng thiết bị ngưng tụ ngược chiều, nước làm lạnh đi ra sẽ lấy được nhiều nhiệt lượng hơn so với trường hợp cùng chiều. Như vậy ở trường hợp thứ nhất (ngược chiều) sẽ tốn ít nước để làm sạch hơn, với trường hợp thứ hai (cùng chiều). Thí dụ sau của Gauban (Bảng 11) cho ta thấy điều đó, trong trường hợp làm lạnh IOOkg nước ở nhiệt độ 100°c tới 20°c với thiết bị làm lạnh thuận chiều và ngược chiều.
72
Bảng 11. So sánh các chỉ tiêu của thiết bị làm lạnh thuận và ngược chiều Các chỉ tiêu theo dõi
Chảy cùng chiều
Chảy ngược chiều
15°c
80°c
2 - Tổn phí nước làm lạnh
1600 lít
115 lit
3 - Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai thành ống
29,7°c
14,5°c
4 - Diện tích làm lạnh
1,05 m2
2,20 m2
1 - Nhiệt độ của nước làm lạnh đi ra
Ví dụ trên cho ta thấy đối với trường hợp làm lạnh cùng chiều, diện tích làm lạnh sẽ cần ít hơn, do đó vật liệu dùng đê làm thiết bị ngưng tụ cũng sẽ giảm đi nhiều, nhưng trong thực tế không thuận tiện cho việc sử dụng, vì tốn rất nhiều nước làm lạnh đặc biệt đối với các xí nghiệp mà nguồn cung cấp nước chính là dùng trạm bơm, cũng như ở những nơi nước không đủ cung cấp. Vì vậy, trong thực tế chúng ta thường thấy những thiết bị ngung tụ có cấu tạo theo nguyên tắc ngược chiều ở hầu hết cảc xí nghiệp. Từ hình vẽ biểu diễn t’d là nhiệt độ làm lạnh của nước ở trên đường giáp giới giữa giai đoạn 1 và 2 của thiết bị ngưng tụ, còn gọi là nhiệt độ trung gian, đây là một đại lượng chưa biết. Vì vậy, khi đã biết được Tc, Td, td, ta có thể xác định được bằng phương trình:
Q]: lượng nhiệt mà nước ỉàm lạnh thu được ở giai đoạn ngưng tụ Q ,= A ( tc - t ' d)Kcal A: lượng nước làm lạnh (kg) Q2: lượng nhiệt mà nước làm ỉạnh thu được ở giai đoạn hai (giai đoạn làm lạnh) Q2 = A ( t'đ- t d)Kcal Tổng nhiệt lượng mà nước làm lạnh thu được ở giai đoạn 1 và 2 sẽ bằng: Qi +Q 2 = A ( tc - t ' d+ t'd- t d) = A (tc - t d) Q| + Q ỉ = A ( l c
và
Q2
. _ Q |+ Q t
■f d- t d
Q1+Q2
73
Sau khi đã tính toán giá trị Q n Q2, K|, K2 có thể xác định được lượng làm lạnh trong một giờ (Akg) A ( t c - t „ ) = Q,
_ > A = Q i± Q i
kg
tc-t,
Nếu dung tích thiết bị làm lạnh được chọn là vn m3 thì số thiết bị ngưng tụ:
III. THỈÉT BỊ PHÂN LY 1. Nhận xét chung Thiết bị phân ly có tác dụng để làm lắng tinh dầu và phân ly dầu và nước thành từng lớp riêng biệt tùy thuộc vào trọng lượng riêng của tinh dầu hoặc lớn hơn hay bé hơn trọng lượng riêng của nước, mà cấu tạo thiết bị phân ly có khác nhau. Nhìn chung phần lớn tinh dầu đều nhẹ hơn nước (trừ một số loại tinh dầu như hương nhu, quế). Bởi vậy, tốc độ của tinh dầu có thể xác định được theo định luật Xtốc (Stock). Thiết bị phân ly có những dạng sau:
a) Thiết bị phân ly tính dầu nhẹ hơn nước
74
b. Thiết bị phân ly tính dầu nặng hơn nước
I
c. Thiết bị phân ly tinh dầu hoa hồng
nước nước
G \
tinh dầu nước
d. Thiết bị phân Ịy tinh dầu xả e. Thiết bị phân ly có nhiều ngăn Hình 25. Các loại thiết bị phân ly
0), =
2r*(Y2-Y.)
m/s
9 ịi
r: Bán kính giọt đầu (m) Ịi; Độ nhớt của môi trường nước (kg.cm/cm2 hay bằng 0,98 icp) Yi y2: Trọng lượng trên một đơn vị thể tích của tinh dầu và nước được tính bằng kg/cm3 khi tăng nhiệt độ của nước chưng thì r, |i, y2 sẽ giảm nhanh hom so với Yi, vì v ậy CỪ1 sẽ tăng.
75
Hình 26. Tốc độ phân ly tinh dầu
Nhưng trong thực tế nhiệt độ không được tăng quá cao. Vì như ta đă biết, nếu nhiệt độ quá lớn thì tinh dầu sẽ hòa tan vào nước và bay hơi. Hồn hợp nước chưng cất khi đi vào thiết bị phân ly sẽ có một ít nước bị cuốn xuống phía dưới theo tốc độ: _ vô co2 = ~ (m/s) vô: Lượng nước chumg chảy ra trong một số đơn vị thời gian (m3/s) F: Diện tích thực của thiết bị phân ly (m2) Và như vậy hiệu quả phân ly tinh dầu sẽ phụ thuộc vào hệ số phân ly K: w2 Neu K càng lớn thì sự phân ly càng nhanh chóng và triệt để. Đẻ tăng K cần phải tăng CỦI hoặc giảm 0Ừ2. Nhưng vì chung cất ở tốc độ không đôi nên co2 cũng không đổi. Đẻ tăng K cần giảm 0 )2 bằng cách tăng diện tích F. Muốn tăng F và để thuận tiện cho việc phân ly cũng như cho người phục vụ thông thường, người ta dùng loại thùng phân ly có nhiều ngăn, tăng F nhàm mục đích chính để tăng quâng đường di chuyển của nước chumg và thời gian phân ly. Theo thực tế, người ta thường chọn thể tích của thùng phân ly từ 1 - 3% của thể tích thiết bị chưng cất trong những trường hợp chưng cất gián đoạn (có tỷ lệ giừa chiêu cao và đường kính của thiết bị chưng cất là 2 hoặc tương đương). Tốc độ chưng cất cũng còn tùy thuộc vào chế độ chưng cất của mỗi loại nguyên liệu. Thông thường đối với nước chưng dao động trong khoảng từ 0,0005 0,001 m/s. Trong trường hợp tính toán, nếu thể tích cùa thiết bị phân ly quá lớn > 7 0 - 80 lít, thì nên dùng thiết bị phân ly loại có nhiều ngãn, hoặc 2 thiết bị phân ly loại nhỏ, để phân ly được đề dàng hơn. 76
Mức tinh dầu và nước trong thiết bịphân ly có khác nhau, Đểtính toán, người ta thường tiến hành như sau: Như ta đã biết giữa trọng lượng riêng của tinh dầu vànước với chiều cao cùa chúng trong thiết bị phân ly có tỷ iệ: h2 “ h i h 2
y2 y\ y2
Từ đây nếu ta biết trọng lượng riêng của nước thì: h2 - hi = h2( l - Ỵi)
và như vậy, néu ta tính toán và biết được thể tích lượng tinh dầu được giừ lại trong thiết bị phân ly, ta có thể xác định được: h2 = — 2 f v: Thể tích lượng tinh dầu được giữ lại trong thiết bị f: Tiết diện của thể tích thiết bị phân ly chứa tinh dầu và khi đă biết được trọng lượng riêng của tinh dầu ta tính được chiều cao: h2 - h| Thiết bị phân ly có thể làm bàng đồng hoặc sắt có mạ đồng để giảm bớt giá thành. Người ta có thể làm bàng nhôm hoặc bàng sát có mạ thiếc hay tráng men êman. 2. Một số vấn đề cần chú ỷ trong tính toán Tốc độ chưng cất thường được xác định bàng lượng nước cất chảy ra, trong một đơn vị thời gian, theo phàn trăm của thiết bị chưng cất hoặc bằng số (1/h) lít/giờ. Tốc độ chưng cất cỏ ý nghĩa rất quan trọng đến quá trình chưng cất. Nếu chưng cất với tốc độ chậm thời gian chưng cất sẽ kéo dài, nhưng nếu chưng cất với tốc độ quá lớn không thích hợp thì sẽ ỉàm tăng chi phí hơi cho một đơn vị sản phẩm. Vì vậy, thiết lập một chế độ chưng cất thích hợp, có một ý nghĩa rất lớn. Người ta có thể xác định tổc độ chưng cất nhu sau: Ví dụ: Trong 45s thu được 1300 cm3 nước ngưng tụ, tốc độ chưng cất sẽ là: M
^ .,0 4 45
(l/h)
Nếu làm đầy một bình, có thể tích là 0,5 lít trong thời gian chưng cất là 22s, thì tốc độ chưng cất sẽ là: 5 ^ -8 1 ,8 0 /1 .) 22
Có thể kiểm tra lượng hơi chi phí dùng chưng cất bằng cách lấy tốc độ chưng cất trung bình nhân với thời gian chưng cất, và chi phí hơi cho một đơn vị thành phần sẽ là chi phí hưu ích cho trọng lượng tinh dầu thu được.
77
3. Kỹ thuật chưng cất tinh dầu Quá trình chưng cất tinh dầu thường bao gồm các giai đoạn như sau: - Chuẩn bị thiết bị - Cho nguyên liệu vào thiết bị - Chuẩn bị chưng cất - Tiến hành chưng cất - Ngừng cất - Tháo mở thiết bị và cho nguyên liệu ra - Lấy tinh dầu Những điểm cần chủ ý trong các công đoạn chưng cất: 1. Khi bắt đầu chưng cất, cần phải làm sạch thiết bị bàng cách dùng nước ấm phun mạnh vào thành thiết bị để làm sạch nguyên liệu và những rác, bẩn còn sót lại. 2. Nguyên liệu trong thiết bị khi chưng cất thường bị giảm thể tích từ 20 - 30% của thể tích ban đầu. Ví dụ Geran có thể giảm tới 80% thể tích, bởi vậy để tăng thể tích của thiết bị, người ta cho nguyên liệu vào nóng (như cho lá sả tươi vào nấu, như cách làm của các cơ sở sản xuất thủ công của nước ta hiện nay). Phương pháp này cỏ thể tăng lượng nguyên liệu cho vào thiết bị từ 15 - 20% hoặc xử lý phơi kéo đối với một vài loại nguyên liệu. 3. Khi tính toán nhiệt dùng cho chưng cất, chú ý tới lượng nhiệt dùng để đốt nóng thiết bị, nguyên liệu và lượng nhiệt tổn thất do bức xạ và đối lưu xung quanh thiết bị chưng cất. Theo kinh nghiệm của cơ sở sản xuất, tổn thất hơi nước này thường chiếm từ 8 - 15% của tổng lượng hơi nước đùng vào chưng cất, nếu thiết bị chưng cất có thể tích từ 1 - 3,5 m3 mà không có lớp cách nhiệt bên ngoài. Tổn thất về hơi nước có thể từ 24 - 27% đối với những loại thiết bị nhỏ (có thể tích khoảng 250 lít) cùng không có lớp cách nhiệt bên ngoài tương tự. Nếu thiết bị chưng cất được cách nhiệt hoàn toàn thì lượng hơi nước ngimg tụ lại sẽ giảm chỉ còn 5%. 4. Trong điều kiện ở cơ sở sản xuất có nồi hơi cần chú ý: lượng hơi nước tính theo năng suất sẽ bị giảm ở nồi hơi khoảng 5% của tổng lượng hơi do nòi hơi sản xuất ra. Trường hợp bơm thêm nước vào nồi và các tồn thất khác tới 4% do thay đổi chế độ làm việc của nồi hơi (như quạt thêm gió, cho than vào, cho xỉ ra). 5. Nếu nguyên liệu là quả hoặc rễ; trong nguyên liệu có chứa sáp hoặc chất béo hay độ ẩm của nguyên liệu quá cao, thì lượng hơi nước dùng chưng cất sẽ thay đồi.
78
Ví dụ: đối với tinh dầu bạc hà, nếu chưng cất ở dạng lá tươi thì cử 1 kg tinh dầu thu được cần 250 - 350 kg hai. Nếu lá héo thì 1 kg tinh dầu chỉ cần 60 - 80 kg hơi. Nếu từ lá khô thì 1 kg tinh dầu chỉ còn cần 30 - 40 kg mà thôi. Nhưng không phải đối với tất cả mọi nguyên liệu, tinh dầu khi làm khô đều có thê giảm được nhiệt lượng cần chưng cất. Thí dụ: đối với hạt mùi, nếu tăng độ âm từ 15 - ỉ 7% đối với các loại quả không được nghiền nhỏ thì sẽ giám được thời gian chưng cất, cũng như tăng hiệu suất tinh dầu. 6. Một số trường hợp chưng cất, người ta dùng nguyên liệu chuẩn nhất định về chi phí hơi nước và nhiên liệu cho mỗi loại tinh dầu khi chế biến. Thông thường, đối với một số loại tinh dầu, như tinh dầu aníc khi chưng cất thu được 1 kg tinh đầu cần 30 kg nhiên liệu tiêu chuẩn và 210 kg hơi. lkg tinh đầu hương nhu cần 125 kg nhiên ỉiệu tiêu chuẩn và 875 kg hơi lkg tinh dầu Geran cần 140 kg nhiên liệu tiêu chuẩn và 980 kg hơi lkg tinh dầu mùi cần 14,5 kg nhiên liệu tiêu chuẩn và 142 kg hơi lkg tinh dầu lavan cần 18,0 kg nhiên liệu tiêu chuẩn và 126 kg hai lkg tinh dầu bạc hà cần 12,0 kg nhiên liệu tiêu chuẩn và 84 kg hơi Ikg tinh dầu hồng cần 1300 kg nhiên liệu tiêu chuẩn và 9100 kg hơi Độ giảm bớt nhiên liệu chưng cất cần phải tăng cách nhiệt cho lò hơi và các ống dẫn cũng như thiết bị chưng cất, cần đánh sạch cặn ở các bề mặt đốt và không nên dùng nước lạnh cho vào nồi hơi. Người ta đã tính rằng nếu cứ lm2 bề mặt của ống sắt dẫn hơi không được cách nhiệt trong khoảng 1 giờ sẽ làm ngưng tụ từ 2,97 - 3,09 kg hơi nước (với điều kiện nhiệt độ của hơi ban đầu là I35°c và nhiệt độ của môi trường không khí xung quanh ỉà ỉ5°C). Cùng trong trường hợp đó, nếu được cách nhiệt bằng một lớp dày 55 mm (lớp amiăng) thì lượng nước ngưng tụ sẽ chỉ còn lại 0,467 kg, có nghĩa giảm được hơn 80% Nhiên liệu tiêu chuẩn ở đây là loại nhiên liệu có khả năng cho nhiệt lượng là 7000 Kcal/kg. Đối với các loại nhiên liệu khác, có thể tính toán bàng cách đồi sang như sau: 1 tấn mazut hay dầu mỏ tương đương với 1,43 tấn nhiên liệu tiêu chuẩn 1 tấn than đôn - nhét tương đương với 0,93 tấn nhiên liệu tiêu chuẩn 1 tấn củi trung bình tương đương với 0,188 - 0,38 tấn nhiên liệu tiêu chuẩn 1 tấn than cám Bố Hạ có nhiệt trị 3000 - 3500 Kcal 1 tấn than xỉ 3000 Kcal 1 tấn than cám A Mạo Khê có 5500 - 6000 Kcal 1 tấn than cám KB Hòn Gai có 5000 - 6000 Kcal
79
4. Xác định giói hạn chưng cất Đê xác định thời gian ngừng chung cất, nếu chỉ căn cứ vào thời gian ân định do phòng kỹ thuật đề ra cho mỗi loại nguyên liệu là chưa đủ, mà phai căn cứ vào thời gian thực tế cũng như tùy thuộc vào dạng nguyên liệu lủc cho vào thiết bị với mức độ chặt hoặc xốp, mửc độ nghiền nhỏ của nguyên liệu, độ âm của nguyên liệu, nhiệt độ, áp suất của hơi nước dùng chưng cất... Vì vậy, trong thực tế để xác định thời gian ngưng cất cho mỗi loại nguyên liệu người ta có thê dùng các biện pháp như sau: - Xác định hàm lượng tinh dầu còn lại trong nước chưng chảy ra. - Xác định giới hạn chưng cất bàng đồ thị 1. Để xác định giới hạn chưng cất bằng hàm lượng tinh dầu có trong nước chưng chảy ra, người ta có thể tiến hành như sau: lấy một mặt kính đồng hồ, có đường kính lớn (hoặc đĩa nhựa) hứng lấy một ít nước chưng, nếu thấy trên mặt lớp nước chưng có một lớp tinh dầu dày, hoặc những giọt tinh dầu lớn, thỉ cần phải tiếp tục chưng cất nữa. Neu thấy chỉ còn lớp màng mỏng (hoặc những giọt tản mạn không đảng kể) thì có thể ngừng cất. 2. Dựa vào thực tế, một số loại tinh dầu thường cho đường cong chưng cất tiệm cận với trục hoành độ nên để xác định giới hạn chưng cất bằng phương pháp đồ thị, người ta tiến hành như sau:
Lượng tinh dầu thu được
Giá thành
Hình 27. Xác định giới hạn chưng cất
Vẽ đô thị: trên đó có một trục tung độ biêu diễn giá thành của sản phẩm và một trục song song với nó để biểu diễn lượng tinh dầu thu được, còn ở trục hoành độ thì biểu diễn thời gian chưng cất (hình 27).
80
Sau đó ta ghi lại lượng tinh dầu thu được theo thời gian và vẽ một đường thăng biêu diên giá thành sản phâm do xí nghiệp sản xuất ra; lượng tinh dầu thu được theo thời gian sẽ gồm 2 phần: ơ giai đoạn đâu tiên bao giờ cũng thu được lượng tinh dầu nhiều. Vì vậy sẽ rẻ hơn giá thành của sản phẩm. Ở giai đoạn 2 thì lượng tinh dầu sè dần dần ít đi, nếu so với giá thành thì sẽ cao hơn. Vỉ vậy khi ta tính được phần tinh dầu biểu diễn ở đồ thị cả hai phần cân bằng nhau A = B, thì sẽ ngừng cất, đó là thời gian hợp lý hơn cả.
IV. x ử LÝ TINH DÀU THÔ Tinh dầu sau khi cất, thu được từ thiết bị phân ly còn chửa nhiều tạp chất, vì vậy cần phải đem xử ỉý bằng cách lắng, làm sạch nước vả Ịọc ngay. Có như vậy sản phẩm thu được mới bảo quản và sử dụng tốt. L Lắng Mục đích làm lắng là để tách các hợp chất vô cơ, hừu cơ và một số tạp chất khác lẫn vào trong tinh dầu. Lắng thường kéo dài từ 24 đến 48 giờ trong các thiết bị lắng có đáy hình côn (Hình 28).
Tùy thuộc vào thời gian cần lắng của mỗi loại nguyên liệu mà các quy trình kỹ thuật dùng theo dõi cũng thay đổi theo. Để đỡ tốn kém vì phải sử dụng quá nhiều thiết bị, trong trường hợp cần lắng 48h ta chỉ cần dùng 4 thiết bị: dùng cho nguyên liệu mới vào (1 chiếc); dùng để lắng (2 chiếc); dùng để tháo nguyên liệu đã lắng xong ra. Sau khi lắng trong tinh dầu vẫn còn một lượng nước ở dạng
81
phân tán và hoà tan. Vì vậy khi cần thiết, cần tiến hành quá trình sấy khô nhằm làm sạch nước. Đẻ sấy khô có thể dùng Na2S 04, đối với tinh dầu không nên sấy bằng CaCl2 vì CaCl2 có khả năng đễ tạo thành dạng kết hợp với một số loại rượu hữu cơ có trong tinh dầu. Trước khi đem sấy Na2S 0 4 phải được làm khô, bởi vì Na2S 0 4 thường có khả năng kết hợp từ 5 - 10 phân tử nước ở điều kiện thường vì vậy Na2SƠ4 sau khi đã được sấy khô cần phải bảo quản kỹ, lượng Na2S 0 4 đem dùng bằng 2,5% tính theo lượng tinh dầu cần làm khô. Nếu Na 2 SƠ4 ẩm thì phải tăng tới 5,5%. 2. Sấy Đẻ sấy khô có thể dùng các thiết bị gián đoạn hoặc liên tục. Neu dùng thiết bị gián đoạn, thiết bị phải có cánh khuấy, trên cánh khuấy có 2 ống có lỗ để chứa Na2SƠ4 , (Hình 30). Hai ống này có thể ỉàm bằng lưới. Trong quá trinh khuấy, lượng nước có trong tinh dầu sẽ bị hút vào trong ống do hiện tượng trao đổi các phần từ giữa nước và Na2S 0 4. Nếu dùng thiết bị liên tục, nguyên liệu sẽ được bơm vào dưới lớp lưới có chứa Na2SƠ4 với tốc độ bơm 0,5 m/s (Hình 29).
Hình 29. Thiết bị làm khô nước trong tinh dầu gián đoạn
Hình 30. Thiết bị làm khô nước trong tinh dầu (liên tục)
Do Na2S 0 4 sử dụng không thuận tiện và không dễ mua, một số ca sở sản xuất không dùng Na2S 0 4 mà sử dụng phương pháp cất chân không. Bằng phương
82
pháp này tinh dầu thu được tinh khiết hơn. Mặt khác, ngoài phần tách nước ra còn có thể tách được một số hợp chất terpene khồng cần thiết có trong tinh dầu. Tổn thất tinh dầu trong trường hợp sấy bàng chân không cũng ít hơn sấy bàng Na2 S0 4. Cần phải chú ý rằng trong trường hợp sấy bằng Na2S 0 4 hoặc bằng muối ăn, ngoài nước, tinh đầu cũng hấp thụ theo khoảng 25 - 30% tính theo trọng lượng của chúng. Bởi vậy, cần phải lấy lại tinh dầu có trong các muối đó. Muốn vậy, sau khi sấy, khi đã tháo tinh dầu ra hết khỏi thiét bị, người ta lấy Na2S 0 4 hoặc muối ẩm có lẫn tinh dầu hoà tan vào nước ấm từ 35 đến 40°c, muối sẽ hoà tan vào nước còn tinh đầu nổi lên trên và tách riêng ra. 5. Lọc Sau cùng, dùng các thiết bị cô đặc để làm bay hơi nước và tiếp tục cho kết tinh lại muối để đùng tiếp cho các đợt sau. Sau khi sấy khô, tinh dầu được chuyển qua bộ phận lọc, tùy thuộc khối lượng tinh có thể tiến hành lọc bằng giấy lọc hoặc các thiết bị có vải lọc. Đối với giấy lọc cần thận trọng vì dễ bị rách, nên lọc qua máy lọc. Tất cả các loại giấy lọc, vải lọc có lẫn tinh dầu nên cho vào thiết bị để cất lại hết tinh đầu lẫn trong đó, nên cho vào cùng với nguyên liệu để cất lại. Từ tinh đầu thô tinh chế có thể sử dụng cách sấy và lọc như hình 31.
?
I
Hình 31. S ơ đồ kết hợp giữa sấ y và lọc
Kết hợp giữa sấy và lọc cùng một lúc được tiến hành như sau: tinh đầu theo các ống dẫn chảy vào thiết bị 1, ở đây tinh dầu được đi qua một lớp cát và một lớp muối sunphát {cát ở đây dùng để giữ lại các tạp chất nhỏ cỏ trong tinh dầu và làm cho quả trình lọc được tốt hơn), Sau khi qua lớp cát tinh dầu qua lớp muối sunphát để giữ ẩm và được sang thiết bị 2, ở thiết bị 2 tinh dầu đi qua một lớp lọc bàng bông thấm nước và tiếp đó chảy vào các thùng chứa sản phẩm đặt trên cân. Bằng phương pháp khá đơn giản, ta có thể thu được sản phẩm đạt yêu cầu. 83
từ từ làm lạnh
vào phân xưởng bao bì đóng gói
Hình 32. S ơ đồ sấ y tỉnh dầu thô bằng chân không 1. Thiêt bị phân ly; 2. Thiết bị lọc;
6. Thiết bị lọc hấp thụ;
3. Thùng chứa;
7. Thiết bị cân tự động
4. Thiết bị sấy chân không;
84
5. Thiết bị chứa tinh dầu sau khi sấy;
Đẻ sấy chân không thường được tiến hành như sơ đồ hình 32. Tinh dầu sau khi đă qua thiết bị ngưng tụ chảy vào bộ phận phãn ỉy 1, ở đó nước chưng được tách ra và tinh dầu chảy vào thiết bị lọc 2. Tiếp đó tinh dầu chảy vào thùng chứa 3. Qua thùng chứa này tinh dầu đem cân lại và người ta có thể biết được trong một ca làm việc cất được bao nhiêu kg tinh dầu. Nhờ bơm chân khồng tinh dầu thỏ được chuyển từ thiết bị sấy khô 4, thời gian sấy như vậy thường không quá lâu, từ 30 đến 40 phút, với độ chân không từ 20 đến 300 mmHg và nhiệt độ từ 65 đến 70°c. Hồn hợp hơi và nước từ thiết bị sấy 4 sẽ bay ra, đi vào thiết bị ngưng tụ 5, chuyển qua các thùng chứa tinh dầu 6, các thùng chứa này có kết hợp nối với bơm chân không và trên đường ống có đặt một thiết bị hấp phụ 7, trong đó dùng than hoạt tính để giừ lại tinh dầu bị hút theo bơm lại. Hệ thống sấy như vậy trong một ngày đêm có thể sấy được hàng tấn tinh dầu thô đủ phẩm chất đảm bảo cho xuất khẩu. Để giảm tổn thất tinh dầu trong thời gian cuối do bay hơi, trước khi ngừng bơm chân không, cần phải cho nước lạnh vào vỏ giữ nhiệt của thiết bị sấy. Nguyên liệu sau khi say được đưa vào phân xưởng đóng gói.
V. ĐÓNG GÓI Tinh dầu sản phẩm sau khi đã lọc và sấy khô được đưa vào phân xưởng bao bì. Trong thời gian này, phòng thí nghiệm của xí nghiệp cần phải kiềm tra đánh giá từng loại sản phẩm để có số liệu cụ thể gửi kèm theo nguyên ỉiệu. Tinh dầu được đóng trong các thùng, lọ, bi - đông làm bằng thiếc hoặc bằng nhôm, thực hiện đúng theo yêu cầu của tiêu chuẩn. Thông thường các loại tinh dầu không nên đóng gói quá 10 kg, trong mỗi loại vỏ, đối với tinh dầu hồng chỉ nên đóng gỏi tối đa là 1 kg. Các loại dầu có số lượng nhiều như tinh dầu hồi, sả, mùi... dùng các thùng phi bàng sắt có tráng thiếc. Các loại bao bì cần phải thật khô và sạch, không được méo mó biến dạng. Những chồ bị méo ở thành xung quanh không được sâu quả 3mm. Nếu tinh dầu được đóng vào các ioại chai hoặc lọ thủy tinh thì phải đóng thêm hộp gỗ bên ngoài; bên trong cần phải chèn bằng các vật ỉiệu xốp, nhẹ đễ tránh đổ vờ. Sau đó niêm phong cẩn thận, nếu bao bì trong các loại thùng khác thì sau khi đă chứa đầy tinh dầu cần phải hàn kín náp lại. Mồi loại bao bì cần được ghi nhãn hiệu đầy đủ và được dán hoặc đóng kèm theo. Nội dung của nhần hiệu theo tiêu chuẩn gồm: 1. Cơ quan lãnh đạo sản xuất (cục hoặc tỉnh hoặc bộ) 2. Tên xí nghiệp sản xuất 3. Tên gọi loại tinh dầu và hàm lượng (nếu cỏ) 4. Năm, tháng sàn xuất 5. Sổ thứ tự của lô hàng 6. Khối lượng cùa tinh dầu, khối lượng cùa bao bì
85
cần chú ý ở một số nước có quy định cho các loại gồ dùng để đóng bao bì (cụ thể loại gỗ gì, mặt gỗ có bào nhẵn hay không, chiều dày của ván gồ đóng hòm, kích thước của hộp định đóng và kích thước của các hòm cờ lớn khi chuyên chở). Liên Xô cũ quy định cho gỗ đóng các thùng nhỏ chứa tinh dầu là loại ván bào nhẵn dày 20 - 25mm. Khi cho các thùng nhỏ hoặc chai chứa tinh dầu vào hòm cần phải chèn kỹ bằng bông, mùn cưa hoặc rơm rạ. Phía ngoài thùng phải đóng hoặc nẹp kỹ bằng các nẹp sắt. Đối với một số lô hàng thì chiều dài của các thùng gỗ thường là 640 mm, rộng 410 mm, cao 330 mm. Mỗi thùng hàng không nên đựng quá 40 kg tinh dầu nếu được chở đi trong nội địa, hàng xuất khẩu không được quá 30 kg. Trong mỗi hòm phải kèm theo lý lịch có ghi tên nhà máy sản xuất, loại tinh dầu, số lượng thùng hoặc chai trong hòm, trọng lượng tinh dầu, trọng lượng bao bì... Ngoài thùng hàng cần phải viết bằng sơn hoặc đóng chặt một bảng gỗ kèm theo có ghi tên nhà máy sản xuất, trọng lượng bao bì và tinh dầu. Ngoài ra ở phía trên nắp của các chai hoặc thùng trong hòm cần đề chữ “phía đầu - top”, “cẩn thận - be careful”, “chất lỏng - liquid”, “dễ vờ - fragile”.
)
86
Chương VI
THU HỒI TINH DẦU TỪ NƯỚC CHƯNG Khi chưng cất tinh dầu, trong nước có lẫn một lượng tinh dầu khá lớn, tùy thuộc vào mức độ hoà tan của tinh dầu cũng như khả năng nhũ hoá và sự khác nhau về trọng lượng giữa tinh dầu và nước, mà mức độ hoà tan của tinh dầu đối với mỗi loại nguyên liệu có khác nhau. Để tính toán chúng ta thừa nhận theo như đã được xác minh bằng thực tế, lượng tinh dầu này thay đồi từ 0,01 - 0,25% tính theo lượng nước chưng. Số liệu thực nghiệm trong bảng 12 cho thấy lượng tinh dầu hoà tan trong nước chưng từ các loại nguyên ỉiệu khác nhau ở 20°c. Bảng 12. Hàm lượng tinh dầu trong nước chưng STT
Tinh dầu
1
Hàm lượng tỉnh ơầu trong nước chuvg (%) Tính theo % nước chưng
Tỉnh theo % tinh dầu thu được
Hương nhu
0,25
2 5 -5 0
2
Mùi
0,11
6
3
Oải hương
0,062
6
4
Bạc hà
0,065
5
5
Hồng
0,049
80
Tinh dầu hoà tan trong nước ở hai dạng: Phân tán ở trạng thái nhũ tương và hoà tan tinh dầu tan lẫn vào trong nước. Dạng đầu tiên có thể dùng phương pháp lắng, hoặc ly tâm để tách, dạng sau đùng phương pháp cất lại. Để giảm bớt lượng tinh dầu có trong nước cất, ờ một số nơi người ta có thể làm thêm một lớp lưới có phủ da hoặc nỉ tại nơi nước chưng thoát ra, để ngăn bớt những giọt tinh dầu có trong nước chưng lại, hoặc trong trường hợp đo tỷ trọng giữa nước và tinh dầu gần nhau quá thì có thể dùng muối ăn để tinh dầu và nước được phân ly dễ dàng hơn. Phương pháp tách tinh dầu tan lẫn vào nhau trong nước bằng ly tâm trong thực tế ít dùng. Nhưng phương pháp này có cơ sở và có triển vọng tương lai. Trên thực tể, phương pháp lắng không có khả năng tách hết lượng tinh đầu có trong nước. Ưu điểm của phương pháp ly tâm và lắng có thê tách được tinh dầu hoà tan trong nước chung mà không cần tác nhân nhiệt - yếu tố làm giảm chất ỉượng tinh dầu.
87
Tách tinh dầu bàng phương pháp cất lại chủ yếu dựa vào tính chất khác nhau của áp suất hơi nước và tinh dầu. Trong trường hợp này ta có một hệ gồm hai câu tử hoà tan lẫn từng phần vào nhau. Để tiến hành cất lại nước chưng, người ta có thể cho kết họp với trường hợp cất lại tinh dầu từ nguyên liệu băng cách cho nước chưng quay chảy lại vào nồi nước cất. Phương pháp này cho đến nay chưa được ứng dụng nhiều, tinh dầu thu được bàng phương pháp cất lại {còn gọi là tỉnh dầu loại 2) phẩm chất kém hơn tinh dầu thu được từ nguyên liệu {tinh dầu loại ỉ). Vi vậy tinh đầu loại 2 này được sử dụng như những loại tinh dẩu để chế biến nhừng sản phẩm kém giá trị hơn như xà phòng. Bằng phương pháp cất lại, có thể tiến hành trong thiết bị gián đoạn hoặc liên tục. Thu hồi tinh dầu bằng các thiết bị gián đoạn và liên tục dù có khả năng tách gần như hoàn toàn lượng tinh dầu có trong nước, nhưng thật ra cần phải tốn một lượng hơi khá lớn. Ví dụ để thu được: 1 kg tinh dầu mùi có trong nước chưng cần 250 kg hơi 1 kg tinh dầu oải hương cần 800 kg hơi 1 kg tinh dầu hồng cần 3000 kg hơi Một trong nhừng nguyên nhân làm tổn phí hơi nước ỉà lượng nước chưng lại thường rất nhiều. Đối với hương nhu, lượng nước chưng tương đương MỚi lượng nguyên liệu đem chế biển; khi tính toán lượng hơi nước cần thiết phải cất lại, cần tính thêm lượng hơi này, có trường hợp cân bằng với lượng hơi dùng chưng cất nguyên liệu, cất lại tinh dâu bằng phương pháp liên tục tạo ra khả năng có thể sử đụng trao đổi nhiệt với mức độ rất lớn. Và như vậy lượng hơi cần thiết sẽ giảm đi nhiều. Thiết bị cất lại (hình 33) thường có đường kính 500 mm và được chia ra làm hai phần: ở phần phía dưới có các ống xoắn dùng để cho hơi nước gián tiếp đi vào, ngoài ra còn có ống hơi nước trực tiếp, phần trên của thiết bị được cho đầy những vòng đệm hoặc bằng các loại cục xỉ cỡ lớn hay là các mảnh chai, mảnh sứ... Những lớp đệm này đóng vai trò như các đĩa trong tháp cất, làm cho hơi nước và nước cất dễ tiếp xúc với nhau, tạo thuận lợi cho việc tách tinh dầu hoà tan trong nước chưng. Hơi nước gián tiếp trong trường hợp này
88
được sử dụng nhằm làm giám bớt lượng nước nói chung cua thiết bị, và như vậy sẽ làm cho nông độ của tinh dầu không bị loàng, còn hưi nước trực tiếp ở trên cao hơn, trực tiếp cuốn theo tinh dầu bay ra thiết bị phân ly Đe cất lại tinh dầu từ nước chưng của hương nhu, đă từ lâu, người ta thường dùng loại thiết bị cất lại kiểu liên tục (hình 35).
1. Tháp cẩt;
5. Vòi voi;
2. ổng xoắn cho hơi gián tiếp;
6. ống dùng cho H2O chưng từ thiết bị trao đổi nhiệt;
3. Hoa sen phun H20;
7. Thiết bị trao đổi nhiệt;
4. Chân đỡ;
8. Thiết bị ngưng tụ.
89
Hình 34b. Thiết bị cất lại liên tục của tẻBMUCH3ữu để cất lại tinh dầu hương nhu
90
1. Tháp cất;
3. Hoa sen đã phun nước;
2. Đĩa;
4. ống gián tiếp
Thiết bị này có tháp cao 4,5 ĩĩim, .đường kính 500 mm và có các đĩa nhiệt ở đây sử dụng hoàn toàn bằng hơi nước gián tiếp, bằng cách cho vào bộ phận ống xoăn cấu trúc như nhau ở thiết bị truyền nhiệt. 0 500
Hình 35. Thiết bị cất lại kiểu liên tục
Tháp cất như vậy cỏ khả năng cất được từ 700 đến 1000 lít nước chưng trong 1 giờ. Trong thực tế hiện nay, để có thể sử dụng hơi nước dùng để tách tinh dầu một cách hợp lý nhất, người ta thường làm như sau: Bằng phương pháp chưng cất kết hợp này hơi nước đi ra thiết bị ngưng tụ được bão hòa tinh đầu hơn mặc dù tính toán lượng hơi nước cần thiết cho nguyên liệu trong trường hợp này tăng từ 6 - 7 kg cho mỗi cân tinh dầu thu được. Nhưng chính lượng hơi này nhằm sử dụng
91
để tăng nhiệt cho nước chưng và để tách tinh đầu loại II, không phải dùng phương
ống nước tràn
pháp cát lại.
Hình 36. Hệ thổng chưng cất kiểu “BMucHae” để tách tinh dầu từ nước chưng
92
1. Thiết bị cất lại;
8. Thiết bị đo tốc độ nước;
2. Thiết bị ngưng tụ;
9. Thiết bị đo lượng chất lỏng;
3. Thiết bị trao đổi nhiệt;
10. Nhiệt kế tự ngắt;
4. Thiết bị phân ly;
11. Hệ điều chỉnh nhiệt độ;
5,6. Bể chửa;
12. Hệ điều chỉnh nước;
7. Phễu;
13. Áp kế
2
3
8
l
Hình 37. S ơ đồ chưng cất kết hợp 1. Thiết bị chưng cất:
5. Thiết bị phản ly;
2. Thiết bị cất lại;
6,8. Bẻ chứa;
3. Thiết bị trao đổi nhiệt;
7. Bơm ly tâm.
4. Thiết bị ngưng tụ:
_
M
^
Hồn hợp hơi nước và tinh dầu theo phương pháp chưng cất kết họp (hình 37) từ thiết bị chưng cất (1) được đưa sang thiết bị cất lại (2), ở đó hồn hợp hơi này sẽ cuốn thêm theo lượng tinh dầu từ nước chưng đem lại và đi qua thiết bị truyên nhiệt (3), xuống thiết bị ngưng tụ (4) rồi sang bình phân ly (5); nước chưng chảy vào bể (6) nhờ bơm ly tâm chuyển lên bể chứa (8) ở phía trên và qua thiết bị trao đổi nhiệt trở lại thiết bị cất lại. Sơ đồ chưng cất kết hợp như trên rất có lợi, có thể tiết kiệm được nhiều lượng hơi nước, và như vậy lượng nước chưng cũng bị giảm đi nhiều so với cách chưng cất thông thường. Như vậy nhờ có tháp cất lại trực tiếp ngay sau khi hỗn hợp hơi nước và tinh dầu bay ra, đối với một số loại nguyên liệu được nghiền nhỏ, bụi và các tạp chất khác đă bị giữ lại ở phần tháp cất lại và việc phân ly tinh dầu được đễ dàng hơn, cũng như trong thiết bị ỉàm lạnh không bị cặn bẩn. Phương pháp tách tinh dầu loại II bằng trích ly trước đây tuy đã có một thời gian được dùng tương đối phổ biến để tách một số tinh dầu như tinh dầu mùi, hương nhu từ nước chưng bằng các dung môi bay hơi. Nhưng cho đến nay phương pháp này ít được chú ý đến do tinh dầu loại II thường có chất lượng kém và khi chưng cất tinh dầu khỏi dung môi cần phải dùng một lượng hơi nước tương đối lớn. Vì vậy để tách một số tinh dầu từ nước chưng, như tinh dầu hoa hồng cần phải dùng phương pháp hấp phụ khác. Bằng phương pháp hấp phụ này thiết bị sử dụng sẽ đơn giản hơn và không tốn thêm nhiều thời gian thao tác. Chất hấp phụ trong trường hợp này thường là than hoạt tính, cũng có thể dùng các loại vỏ, quả, hạt như vỏ hạt mùi, trẩu... Phương pháp liên tục cất lại thuận tiện và ít chi phí so với các phương pháp hấp phụ. Vì vậy, cho đến nay phương pháp hấp phụ chỉ dùng đối với tinh dầu hoa hồng. Trong trường hợp hấp thụ tinh dầu hoa hồng, nếu dùng than hoạt tính, khả năng hấp phụ có thể tới 12 - 20% theo trọng lượng của than. Sau đó tinh đầu được tách ra bằng ete etylic hoặc bằng hơi nước trực tiếp. Tách tinh dầu từ than bàng dung môi có ưu điểm tách triệt để hơn so với hơi nước, nhưng chất lượng của tinh dầu kém hơn nhiều, trong trường hợp tách tinh dầu bị hấp phụ trong than bàng hơi nước thường còn lại đến 15% lượng tinh dầu chứa trong đó. Lượng tinh dầu này phải để nguyên, tới cuối vụ sản xuất đem chế biến lại, và trong trường hợp cần thiết đem dùng số than này để hấp phụ thêm. Và như vậy gây nên tình trạng tổn thất và ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của tinh dầu. Đây là một nhược điểm khó tránh khỏi khi dùng phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính. Hiện nay, cải tiến phương pháp cũ với thời gian kéo dài kỹ thuật khá phức tạp, tinh dầu thu được chất lượng, người ta dùng phương pháp tuyển lựa giữa hai pha: lỏng - lỏng. Pha lỏng cố định đùng một dung môi ít có tính chất lường cực là Cloroform, chất mang pha cố định là một chất dẻo từ Flor có độ xốp
94
là 70%, có tính trơ, không có tác động hoá học và không gây tổn thất đối với tinh dầu; tốc độ nước cần tách tinh dầu đưa vào tháp từ 20 - 200 1/h. Tháp cao 1100 mm, đường kính 160 mm, lớp chất xốp Flor là 170 mm, dung môi có áp suất 250 atm. Phưomg pháp này đã được dùng làm thử với hương nhu, hoa hồng vùng Krasonodar (Liên Xô cũ), tinh dầu thu lại được có chất lượng tốt đạt điểm 4. Tỷ lệ giữa dung môi và tinh đầu là 1/10 cho hồng, 1/60 cho hương nhu, có thể thu hồi được tinh dầu có nồng độ trong nước thải thấp từ 0,0015 - 0,0038%. Trong khi đó, đối với phương pháp chưng cất lại, không thể lấy được tinh đầu có nồng độ thấp như vậy.
95
Chương VII
CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC TÁCH CHẤT THƠM THIÊN NHIÊN I. PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY 1. Khái niệm chung Trích ly được gọi là quá trình phân tách ra nhừng cấu tử cần thiết bằng dung mồi được lựa chọn. Trích ly từ thể rắn, được dùng để lấy dầu từ các loại hạt, lấy tùng hương và chất thơm thông từ gỗ, trong công nghiệp hóa học hệ trích ỉy rắn lỏng ít phổ biến. Trong công nghiệp sản xuất chất thơm, trích ly được sử dụng từ năm 1856 nhưng do khó khăn về thiết bị nên trích ỉy mới chỉ được dùng từ năm 1873. Phương pháp trích ly được ứng dụng trong công nghiệp sản xuất chất thơm như sau: Nguyên liệu (thông thường ỉà các loại hoa) được cho dung môi vào và ngâm trong một thời gian cần thiết, thời gian này tùy thuộc vào dạng nguyên liệu và điều kiện làm việc của đung môi. Sau thời gian ngâm dung môi có chứa chất thơm gọi là mi xen được tách ra, bã nguyên liệu đưa đi chưng cất, để tách chất thơm và dung môi còn lại, mixen được đem đi tách dung môi và chế biến riêng. Sản phẩm chất thơm thu được từ trích ly được gọi là nhựa dầu (concret). Theo lý học, trích ly được ứng dụng theo nguyên tắc khi hai chất lỏng bất kỳ có hằng số điện môi càng gần nhau thì độ hòa tan giữa chúng càng lớn; khi hàng số điện môi đúng bàng nhau thì chúng hòa tan với mức độ cực đại. Hợp chất thiên nhiên trong thực vật có hằng số điện môi thấp từ 2 đến 5, trong khi đó hằng số điện môi của các dung môi hữu cơ cũng không lớn. Ví dụ: hexan: 1,89;.xăng: 2; benzen: 2,28. Quá trình trích ]y là quá trình khuếch tán đối lưu, dựa vào điều kiện chuyển khối, từ công thức của Fick. dm = - D F ^ d x (dấu trừ vì nồng đô giảm) dk
F: Bề mặt khuếch tán (cm2)
96
dm: Lượng vật chát chuyên khối (g) D: Hệ số chuyên khối d — : Gradiant nòng đỏ, % dx: Thời gian khuếch tán, s D ung m ôi (lùng í rong Ịrích ly
Chat krựng nhựa dầu thu được, hiệu suất trích ly và các điều kiện kỹ thuật phụ thuộc chủ yêu vào dung môi dùng trích ly. Bơi vậy dung môi dùng trích ly cần có nhừng yêu cầu sau: 1. Có nhiệt độ sôi thâp, tuy nhiên nếu quá thấp tốn thất dung môi sè lớn. Trong sản xuất dề gây hỏa hoạn và rất khó ngưng tụ hơi của dung môi. 2. Không có tác dụng hóa học với nhựa dầu và không biến đổi tính chất khi sử dụng lại, ấn nhiệt bốc hơi và nhiệt thể tích thấp để không tiêu hao nhiều nhiệt. 3. Độ nhớt nhỏ đế tốc độ khuếch tán không bị giảm. 4. Có khả năng hòa tan nhiều các cấu tử cần thiết, nhưng ít hòa tan các tạp chất khác, đặc biệt đối với nước. 5. Dung môi phải tinh khiết, không được ăn mòn thiết bị, không gây mùi lạ đôi với chất thơm và không độc với người phục vụ. 6. Dung môi không tạo thành hồn hợp nồ đối với không khí, không được có những tạp chất không bay hơi và khi bay hơi không đế cặn có mùi lạ.
7. Rẻ tiền dề mua. Nói chung hiện nay không có dung môi nào đáp ứng được đầy đủ các điều kiện trên. Thí dụ: acetone khi trích ly sẽ hòa tan nước trong hoa và tách cả đường ở trong hoa, do đó nhựa dầu thu được sau khi tách dung môi ra có mùi caramen. Ete etyiic hòa tan nhiều trong nước, trong nhựa và sáp đặc biệt đối với benzen vì hòa tan nhiều tạp chất khác, nên ỉàm thay đồi màu của sản phẩm, vì vậy thường chỉ dùng để tách các loại nhựa. Ngoài ra hơi của nhừng dung môi trên đều tạo hỗn hợp nổ đối với không khí và độc với con người. Hiện nay, dung môi chủ yếu được đùng trong công nghiệp sản xuất chất thơm là ete dầu hỏa có nhiệt độ sôi từ 45 đến 70°c, thành phần chủ yếu của ete dầu hỏa là các hydrocacbon trơ như: pentan, hexan và có lẫn một ít heptan. Ngoài ra còn dùng ete etylic; so với ete etylic, ete dầu hỏa tan ít trong nước hơn và ít hòa tan các tạp chất. Trước khi trích ly, ete dầu hỏa cần phải được làm tinh khiết bằng cách tin h c h ế lại, n g ư ờ i ta c h o tá c d ụ n g với k i ề m ( N a O H ) v à a x it s u n f u r i c ( H 2 S O 4 ), sa u
đó rửa sạch và đưa vào cất lại ở thiết bị tinh luyện. Trong thời gian tinh luyện cùng
97
n ê n c h o t h ê m p a r a f in v à o đ ề c ó th ê k ết h ợ p với m ột số c h ấ t có n h iệ t đ ộ c a o n ă m lại, Đ ẻ th u đ ư ợ c n h ự a d ầ u th ậ t tin h k h iế t c ầ n p hải cất di, c ấ t lại m ộ t s ố lần v à chi lẩy nhCmg p h ầ n b a y hơi có n h iệ t đ ộ sôi từ 4 5 - 7 0 ° c , đôi khi tới 8 0 ° c .
Ete dầu hòa là một chất dề cháy, dề nổ và có hại tới sức khỏe con người. Vì vặy, trong xí nghiệp cần phải thực hiện thật nghiêm ngặt những nguyên tấc bảo hộ lao động và phòng chống cháy. Hiện nay, trích ly bằng SCO: (Jung môi co ? ở trạng thái siêu tới hạn) đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rài do có nhiều tính chất ưu việt. Dạng dung môi này có độ bền hóa học, hòa tan chất thơm tốt, bảo đảm được chất lượng cua chất thơm, nhất là không gây độc hại đối với cơ thê con người. 2. Qui trình trích ly Qui trình kỹ thuật trích ly gồm nhừng công đoạn sau: a) Chuẩn bị trích ly - Chọn dung môi cho phù hợp với nguyên liệu và phương pháp trích ly - Làm sạch đung môi - Xác định thời gian trích ly cần thiét cho loại nguyên liệu cần trích ly b) Quá trình trích ly - Tách chât thom từ nguyên liệu (bang cảch ngâm dung môi với nguyên liệu) để thu mixen - Sấy mixxen và lọc - Cất mixen tách dung môi và thu nhựa dầu - Tách dung môi từ bâ bàng phương pháp tách lại - Thu hồi dung môi bị tổn thất trong quá trình trích ly. c) Chế biến nhựa dầu (Conret) - Hòa tan concret bằng rượu - Làm lạnh hỗn hợp và lọc để tách sáp - Tách rượu - Thu absolue Sơ đồ quá trình trích ly (hình 38).
98
Hình 38. $ ơ đồ quy trình trích ly
99
3. Các phương pháp trích ly Thiết bị trích ly có thể gián đoạn hoặc liên tục. 3,1. Trích ly đơn giản (gián đoạn) Hình 39 là hệ trích ly gián đoạn 1 thiết bị và hình 40 mô tả trích ly gián đoạn nhiều thiết bị.
Hình 39. Hệ trích Ịy gián đoạn 1 thiết bị
Hỉnh 40. Hệ trích ềy gián đoạn nhiều thiết bị
Hệ trích ly gián đoạn nhiều thiết bị (hình 40) làm việc như sau: Dung môi được cho vào theo 3 vòng. Vòng l : Dung môi cho vào thiết bị số I và được lần lượt đến thiết bị V sau đó đi vào thiết bị làm bay hơi. Vòng 2: Dung môi bắt đầu đi vào thiết bị số II và đi lần lượt đến thiết bị VI, sang thiết bị bay hơi. Vòng 3: Dung môi từ thiết bị số III và đi đến thiết bị VI, sang thiết bị bay hơi.
100
Phương pháp này nhàm kéo đài đường đi, và tạo chênh lệch nồng độ giữa dung môi trích ly và nguyên liệu được trích ly làm cho năng suất trích ly cao hơn, tuy nhiên thao tác còn thủ công. Thiêt bị trích ly kiêu thùng quay: Nhờ trục quay, các giỏ có chứa nguyên liệu, được liên tục nhúng vào lớp dung môi, mixen được tháo ở cửa phía dưới trực tiêp vào và cât ra, ngưng tụ ở thiết bị làm lạnh và phân ]y bên cạnh. 3.2. Trích ly sử dụng dung mỏi c o 2 siêu tới hạn Thiết bị trích ly dùng dung môi C 0 2 siêu tới hạn là một trong những thiết bị trích ly liên tục. Expansion Valve Condenser
Evaporator
d
JL
Separator Extraction Vessels Extract Collection
L i
C02 Tank
n
C 02 Pump Sub-cooler
Heater
Hình 41. Trích ly C 02siêu tới hạn Extraction Vessels: Bình trích ly
CO2 Tank: Thùng chứa CO2
Evaporator: Thiết bị bay hơi
Extract collection: Binh thu hồi dịch chiết
Separator: Thiết bị tách
CO2 pump: Máy bơm CO2
Condenser: Thiết bị ngưng tụ
Heater: Thiết bị đun nóng Sub - cooler: Thiết bị làm lạnh
Công nghệ chiết xuất bằng C02 siêu tới hạn được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1861 dựa vào tính hòa tan tốt của naphtalene và camphor. Các công nghệ chiêt xuất các họp chất thiên nhiên bàng dung môi siêu tới hạn được áp dụng rộng rãi từ những năm 1970 và mở ra khả năng áp dụng đa dạng trong công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm và môi trường.
101
Các chất ở trạng thái siêu tới hạn có tý trọng tương đương như tỷ trọng của pha lỏng nhưng mức độ linh động của các phân tử lại rât lởn, sức căng bê mặt nhỏ hệ số khuếch tán cao tương đương của pha khí. Như vậy các dung môi siêu tới hạn có khả năng hòa tan tốt các chất ở cả 3 dạng rắn, lỏng và khí. Dung môi siêu tới hạn có sự tác động lên cả các chất dễ bay hơi và cả các cấu tử không bay hơi của mẫu. Để lựa chọn dung môi trong trích ly siêu tới hạn, các tính chất hoá lý sau cần được quan tâm: Sức căng bề mặt thấp Độ linh động cao Tỷ trọng xấp xỉ ở trạng thái pha lỏng Cỏ thể điều chỉnh khả năng hòa tan các chất khác bàng cách thay đổi nhiệt độ và áp suất. Bảng 13 là điểm tới hạn của một số loại dung môi.
Bảng 13. Điềm tới hạn một số dung môi Tỷ trọng riêng
Nhiệt độ tới hạn (°C)
Áp suất tói hạn (bar)
tới hạn (g/cm3)
Methane
-82,6
46,0
0,162
Ethylene
9,3
50,3
0,218
Carbone dioxide
30,9
73,8
0,468
Ethane
32,3
48,8
0,203
Propane
96,7
42,4
0,217
Acetone
235,0
47,7
0,278
Chất
Dung môi CƠ 2 ở trạng thái siêu tới hạn, sau đây gọi SC 02 là dung môi được ưu tiên chọn áp dụng vì các thuận lợi sau: - CO 2 là chất dễ kiếm, rẻ tiền vì nó là sản phẩm phụ của nhiều ngành công nghiệp hoá chất - CO 2 ià chất trơ, ít có phản ứng kết hợp với các chất cần tách chiết - SCO 2 k h ô n g tự kích nổ, không bắt lừa, không duy trì sự cháy - SCO 2 và 0 2 không độc với cơ thể và không ăn mòn thiết bị - Điểm tới hạn của CO 2 (73 atm, 30,9°C) là điểm có giá trị nhiệt độ, áp suất không cao lắm nên sẽ ít tốn năng lượng để đưa C 0 2 tới vùng siêu tới hạn. - SCO 2 có khả năng hòa tan tốt các chất tan hữu cơ ở thể rắn cũng như lỏng, hòa tan các chất thơm, không hòa tan kim loại và có thể dễ dàng điều chỉnh các thông số trạng thái như áp suất và nhiệt độ để nâng cao độ chọn lọc khi chiết tách.
102
Đê nâng cao hiệu suất chiết chất thơm khi sử dụng SCƠ 2 , dung môi dồng hành (co - solvent) được đưa thêm vào nhằm thay đổi tính chọn lọc của dung mỏi trong quá trình tách như thay đổi tính phân cực, tính tương tác riêng của dung môi đối với các chất hòa tan. Trong trường hợp này methanol là một sự lựa chọn tối ưu với nhiều chất thơm và tỷ ỉệ của methanol bổ sung như dung môi đồng hành thường là 1 - 5%. Trên thế giới hiện nay đà sử dụng công nghệ trích ly bằng SCO 2 để chiết caffein từ chè, cà phê; chiết các chất thơm của hoa houplon và đặc biệt trong chiết tách các chất thơm, hiệu suất tăng lên rõ rệt (Bảng 14).
Bảng 14. Hiệu suất thu chất thơm từ nguyên liệu hoa Trích ly bằng dung môi hữu c ơ (%)
Trích ly bang SCO 2
Hoa Helichrysum
0 ,9 -1 ,2
4 ,4 -6 ,6
Hoa Dạ hương lan
-0,20
-
Hoa Nhài
'0,3
Hoa Tử đinh hương
0,6 -0 ,9
-
Hoa Cam
0,2 -0 ,3
-0,30
Hoa Hồng
-0,2
-
Hoa Violet
-0,1
-
0
0
(%)
V 1
0
co
0
Hoa Ylang Ylang
QO 1
Nguyên Ịiệu
-
3,3. Trích ly vi sóng Ngày nay, cùng với những tiến bộ của khoa học kỹ thuật, phương pháp trích ly cũng như các thiết bị trích ly đă được nghiên cứu, cải tiến và đưa vào áp dụng thực tế nhằm nâng cao hiệu suất cùng như chất lượng của sản phẩm chất thơm thu được. Một số phương pháp và thiết bị trích ly mới cỏ thể kể đến đó là: trích ly vi sóng và trích ly siêu âm. Trích ly vi sóng dựa trên kết quả các dao động của trường điện từ với tần số 2450 MHz. Các phân tử trong các hợp chất thiên nhiên thường là lưỡng cực điện, có một đầu tích điện âm và một đầu tích điện dương. Những đầu lưỡng cực này thường có xu hướng quay sao cho nằm song song với chiều điện trường ngoài. Khi điện trường dao động các phân tử quay nhanh qua lại và được chuyển hoá thành chuyển động nhiệt hỗn loạn va chạm phân tử tạo thành nhiệt trong môi trường trích ly. Hình 42 mô tả nguyên lý tạo nhiệt vi sóng và tạo nhiệt thông thường.
103
^
Conventional Heating
^ _ M ic ro w a v « Heating s
*
i
/
/
\
Conventional Heating: Tạo nhiệt thông thường Microwave Heating: Tạo nhiệt bằng vi sóng
Hình 42. Tạo nhiệt bằng vị sóng và tạo nhiệt thông thường
Vi sóng là một lựa chọn khả thi để tạo nhiệt phục vụ quá trình trích ly. Bảng 15 đưa ra sự so sánh hiệu quả cung cấp nhiệt giữa phương pháp tạo nhiệt truyền thống và tạo nhiệt bằng các phương pháp khác, số liệu cho thấy sử dụng vi sóng làm nguồn nhiệt hồ trợ trích ly cho năng suất và hiệu quả kinh tế cao.
Bảng 15. So sánh hiệu quả giữa các phương pháp cung cấp nhiệt Phương pháp cung cấp nhiệt
Nhiệt độ (
Công suất
Năng lượng tiêu hao (kWh)
Chi phí
Bếp điện
177
2000
60
2
0,17
Lò đối lưu
163
1853
45
1,39
0,12
Bếp ga
177
36
60
3,57
0,07
Chảo rán
216
900
60
0,9
0,07
Lò nướng bánh mì
218
1140
50
0,95
0,08
Vi sóng
rất cao
1440
15
0,36
0,03
104
m
Thời gian (min)
USD
Hình 43. Trích ly vi sóng 1. Nhỉệt kế; 2. Lò vi sóng; 3. Bình trích ly; 4. Nguyên liệu
Trích ly vi sóng được áp dụng trong chiết tách các hợp chất thiên nhiên từ các loại nguyên liệu khác nhau. Trích ly vi sóng ra đời từ nhu cầu thực tế cần thiết phương pháp tách chiết nhanh, an toàn và không tốn kém. Phương pháp trích ly truyền thống bàng dung môi (ví dụ Soxhlet) cần nhiều dung môi và tốn nhiều thời gian. Hiện nay trích ly vi sóng được áp dụng rộng rãi trong trích ly phenols, hydrocarbon thơm, hydrocarbon thơm đa vòng (PAH), hydrocarbon dầu hỏa... Trong công nghiệp chất thơm, trích ly vi sóng được ứng dụng tại các nước như Trung Quốc, Ấn độ, Columbia, Italia, Ba lan, Czech, Phần lan, Hàn Quốc, Tây Ban Nha, Thái Lan, Đài Loan với các nguyên liệu thiên nhiên như: Cuminum cyminum, Zanthoxylum bungeanum, Lippia alba, Macleaya cordata, Salvia miltiorrhiza, Eucommia uỉmodies, Embeỉia ribes, Artemisia annua L., Pastinaca satỉva, Melitus officinalis L., Hypericum perforatum, Thymus vulgaris, Capsicum annum, Panax ginsen, Cicer arietums, ... 3.4. Trích ly siêu âm Siêu âm được ứng dụng trong nâng cao hiệu quả trích ly các hợp chất thơm có chứa chất béo và đạm ví dụ như từ nguồn nguyên liệu đậu nành và các loại hạt có dầu khác: mù tạt, lạc, ngô hoặc từ quả có múi. Tuy nhiên trong những trường hợp nguyên liệu giàu chất béo thường phải phối hợp thêm các biện pháp xừ lý nguyên liệu như ép (ép nóng hoặc ép lạnh) nhằm giảm lực liên kết dầu và chất mỡ trong nguyên liệu trước và sau trích ly. Siêu âm có tác dụng rõ rệt trongnâng cao hiệu quả chiết xuất cáchợp chất phenol, anthocyanin. Đặc biệt trích ly siêu âm nguyên liệu là quả sim, hàm lượng hợp chất phenol tăng tới 15%. Hình 44 trình bày sơ đồ khối trích ly siêu âm.
105
Controller: Hệ thống điều khiển;
Filters: Hệ thống lọc;
Computer: Máy tính;
Drain: Nước thải;
Liquid Particle Counter: Kiểm soát hạt pha iỏng;
DI water: Nước khử ion;
Analysis filter: Lọc;
Sapmle Container: GIỎ nguyên liệu;
Syriger Sampler: Lấy mẫu;
Ultrasonic tank: Bể siêu âm.
II. PHƯƠNG PHÁP TÁCH DẰU THƠM/SÁP THƠM BÀNG DUNG MÔI KHÔNG BAY HƠI VÀ BẰNG PHƯƠNG PHÁP c ơ HỌC 1. Phương pháp ngâm Phương pháp ngâm dựa vào tính chất hòa tan trong các chất béo động vật và thực vật của các cấu tử có mùi thơm. Nếu dùng dung môi là chất béo động vật thì cần phải tăng nhiệt độ, còn chất béo thực vật thì có thể tỉến hành ở nhiệt độ thường. Phương pháp ngâm là phương pháp trung gian giữa hấp phụ và trích ly, ngâm và trích ly giống nhau cùng phải dùng dung môi, nhưng trích ly dùng đung môi bay hơi, còn phương pháp ngâm là dùng dung môi không bay hơi. Các công đoạn trong qui trình kỹ thuật ngâm bao gồm: 106
-- Chê biến đung môi - Ngâm - Tách dầu thơm và sáp thơm - Tách đ u n g môi còn lại ở trong bà. Trong qui trình ngâm dung môi (hinh 44), dung môi thường là mỡ bò và mờ lợn trộn theo một tỷ lệ nhất định, quá trình ngâm thường được tiến hành ở nhiệt độ khoảng 4 5°c, nếu dùng dầu thực vật người ta dùng dầu hạnh nhân hoặc ôliu.
Hình 44. S ơ đồ qui trình ngâm dung môi
Kỹ thuật ngâm: hoa hái được cho vào các túi vải, sau đó nhúng vào dung môi, tùy thuộc vào các loại hoa mà thời gian ngâm có thể kéo dài hoặc ngán, thông thường khoảng 48 giờ. Nhiệt độ để ngâm không quá 60 - 70°c, sau thời gian quy 107
định các túi hoa được vớt ra và thay các túi hoa mới vào. Môi lân ngâm như vậy, có thể thay hoa 25 lần để dung môi được bão hòa chất thơm. Xác hoa sau khi vớt ra c ó c h ứ a n h i ề u d u n g m ô i, c ầ n p hải th u hồi b ằ n g p h ư ơ n g p h á p ép h o ặ c ]y tâm .
Phương pháp ngâm có ưu điểm hơn phương pháp trích ly là thành phần dầu thơm/sáp thơm thu được ít tạp chất hơn. Nhược điềm là chất béo đùng làm dung môi rất khó bảo quản và chế biến, giá thành cao, bởi vậy hiện nay ít dùng, đó là chưa kể đến dùng phương pháp này rất thủ công, khó áp dụng cơ giới hóa. Chất béo đã bão hòa dầu/sảp thơm được làm sạch nước bằng cách sấy khô rồi đem chế biến, nếu dùng chất béo từ động vật để hòa tan ta thu được sáp hoa, nếu đùng thực vật thì gọi là dầu thơm. 2. Phương pháp hấp phụ 2.1. Bản chất của phương pháp hấp phụ Dựa vào tính chất của các chất béo ở dạng động vật và thực vật, ngoài khả năng hòa tan chất thơm còn có khả năng hấp phụ các chất thơm trên bề mặt của mình. Cũng nhu phương pháp ngâm, phương pháp hấp phụ được tiến hành cũng bằng dung môi từ chất béo lấy từ động vật và thực vật. Nhưng hai phương pháp này khác nhau về căn bản: - Phương pháp ngâm ứng dụng sự khuếch tán của chất thơm tiến hành giừa 2 pha lỏng - lỏng. - Phương pháp hấp phụ được tiến hành ở 2 pha hơi -- rắn. Hấp phụ có thể dùng để tách chất thơm ở nhiều loại hoa, đặc biệt đối với các loại hoa có chứa chất thơm ở dạng có sẵn rất ít, mà chủ yếu là dùng để hấp phụ chất thơm được tạo ra trong quá trình hoa đã rời khỏi cây. 2.2. Chất hấp phụ Chất hấp phụ thường dùng là chất béo động vật. Để dung môi đạt những yêu cầu kỹ thuật nhất định, người ta pha chế theo tỷ lệ như sau: nếu dùng vào mùa thu hoặc đông thì cứ 2 hoặc 3 phần mỡ lọn một phần mỡ bò. Nếu dùng vào mùa hè thì tỷ lệ có thể là 1:1. Ngoài ra cũng có thể dùng paraíĩn hoặc vazelin, nhưng khả năng hấp phụ của những chất này kém hơn mờ lợn và bò. 2 3 . Sơ đồ quy trình hấp phụ (hình 45) Để hấp phụ, người ta dùng các khay bằng gỗ, kích thước khay 50 X 55 cm hoặc 60 X 90 cm, cao 5 - 8 cm. Khung có lắp kính, trên mặt kính có lớp chất béo, chiều dày 3 - 5 mm. Với mục đích tăng cường diện tích hấp phụ, trên bề mặt các chât béo có thê rạch rãnh. Hoa sau khi hái về, làm khồ nước, loại tạp chất, sau đó xêp lên khung, các khung gỗ chồng lên nhau không nên để cao quá đầu người, thường người ta xếp từ 25 đến 40 khung một chỗ. Thời gian hấp phụ từ 12 đến 72 giờ. Mỗi tạp chất béo được hấp phụ chừng 30 lượt thay hoa. Mỗi lượt thay hoa mới
108
cần phải trở mặt chất béo lại. Khi lấy hoa ra cằn phải lấy sạch tránh tình trạng gây nấm mốc trên một lớp chất béo. Nếu lớp chất béo đã băo hòa chất thơm mà chưa được chế biến ngay thì cần phải bảo quản cẩn thận bàng cách đun nóng cháy rồi đổ vào trong những thùng tráng thiếc và rải một lớp paraíìn mỏng lên trên.
Hình 45. S ơ đồ quy trình hấp phụ
Bằng phương pháp hấp phụ này quy trình kỹ thuật tương đối đơn giản, có thể tiến hành được ở nhiệt độ thường. Nhưng có nhiều nhược điểm là thủ công, công việc nặng nhọc và khó cơ giới hóa, khó bảo quản chất béo. Đe khắc phục nhược điểm này, người ta đã nghiên cứu và áp đụng vào sản xuất, bàng cách thay thế lớp chất béo bằng chất hấp phụ rắn, cụ thể người ta dùng than hoạt tính bàng
109
than gỗ hoặc xưởng. Khi than đă bão hòa có thể bàng cách trực tiếp cho tác dụng ngay với dung môi, để tách được chất thơm ra. Chất hấp phụ sau khi đà tách hết chất thơm, sẽ được hoàn nguyện và sử dụng lại. Chất hấp phụ rắn có nhiêu ưu điêm hơn so với chất hấp phụ bằng chất béo, hiệu suất tách chất thơm lớn hơn, quá trình tương đối đơn giản và dề cơ khí hóa hơn. 2.4. Thiết bị hấp phụ bằng phương pháp động học Phương pháp hấp phụ động học gần đây được áp dụng rộng rài đế tách chất thơm (Hình 46). Bằng phương pháp này, hoa sau khi hái về sẽ được thổi không khí ẩm vào để giữ được tươi lâu hơn. Đối với hoa nhài, néu tiến hành hấp phụ ở nhiệt độ 20 - 28°c thì lượng không khí cần thiết cho 1 kg hoa từ 90 - 100 lít/phút và trong thời gian hấp phụ sẽ là 24 giờ. Tốc độ không khí trong tháp hấp phụ có thể thay đổi từ 1 , 5 - 3 lít/phút trong Icm2 của tiết diện tháp, chiều cao của lớp than hoạt tính 20 - 25 cm. Trong điều kiện này than sẽ được hấp phụ chất thơm với mức độ cực đại đến 20 - 21% so với khối lượng than khô tuyệt đối (bình thường than hoạt tỉnh hấp phụ 75 - 20%).
Hình 46. S ơ đồ thiết bị hấp phụ bằng phương pháp động học
110
1: Quạt gió ;
4: Tháp làm ẩm;
2: Thiết bị lọc không khí;
5: Thiết bị chứa hoa;
3: Áp kế (đo lưu lượng không khí);
6: Thiết bị hấp phụ.
3. Tách chất thơm bằng phương pháp cơ học Bằng phương pháp cơ học người ta có thể tách được chất thơm trong thực vật ở những nguyên liệu mà chất thơm thường phân bố trong những túi tế bào nam phía ngoài bề mặt, và dễ bị phá vờ khi ta tác dụng lên một lực cơ học, chủ yếu phương pháp này dùng để chế biến các ỉoại vỏ quả cam, chanh, quýt, bưởi... Đẻ lấy chất thơm từ loại nguyên liệu này người ta có thể dùng những cách sau: 3.1. Vắt, bóp Quả được cắt ra làm 2 - 3 phần, dùng thìa tách lớp ruột ra, rồi dùng tay vắt bóp cho chất thơm thoát ra ngoài, chất thơm sẽ được thấm vào các lớp bột xốp hoặc bông. Khi những lớp này đã bão hòa chất thơm, người ta vắt chất thơm vào cốc, đem lọc, lắng thu được chất thơm. Đe cho việc vắt vỏ quả được dễ dàng hơn, vỏ quả có thể đem ngâm với nước trước, vỏ sau khi vát xong được đem chưng cất để tách một phần chất thơm còn lại. Cách lấy này, tổn thất chất thơm thường rất lớn, mặt khác quá trình vắt thủ công, không hết chất thơm. 3.2. Bào nạo Dùng quả nguyên đem xát ỉên các bàn xát, tế bào vỏ quả sẽ bị vỡ ra và chất thơm được thoát ra ngoài, lớp gai của bàn xát nên vừa phải tránh quá dài để quả khỏi bị đâm thủng ruột. Như vậy, hoặc là nước quả sẽ bị chảy ra, hoặc lớp cùi bên trong cũng bị nạo rách, chất thơm dễ bị lớp cùi hút mất. Bào nạo cũng tương tự như vắt bóp, gây tổn thất nhiều chất thơm. 5.5. Ép
Quả nguyên liệu hoặc nguyên hoặc cắt đôi đem vào máy ép, trục, ép vít hoặc ép đĩa. Sau khi ép ta được một dung dịch chất thơm và nước ép quà cộng với các mảnh tế bào quả và tạp chất. Chất thơm lúc này ở dạng huyền phù rất khó tách riêng ra. Để tách chất thơm được đễ dàng, người ta đem đun nóng dung dịch tới 70 - 80°c và thêm vào đó một lượng gelatin khoảng 1% thể tích dung dịch, và tanin nồng độ 10% khoảng 0,25% tổng thể tích. Khuấy đều và để lắng yên tròng một thời gian, trong trường hợp này tế bào quả và những dạng keo đông tụ khác sè bị lắng xuổng, ta thu được dung dịch nước quả và chất thơm. Sau khi lọc và ly tâm ta thu được chất thơm. Hiện nay, phổ biến ở các nước trên thế giới, đều dùng phương pháp này đề tách chất thơm từ cam, chanh, quýt, bưởi. Tại Việt Nam, đề chế biến lấy chất thơm từ loại nguyên liệu này thường dùng cồn để trích ly lại theo các bước tiến hành như sau: Cam, chanh, quýt gọt vỏ, thái nhỏ, bề dài của miếng vỏ thái không quá ì cm, ngâm trong cồn 90°, lượng vỏ so với cồn theo tỷ lệ y2 (1 vỏ, 2 cồn). Nếu đùng cồn 80° thì tỷ lệ 1/3, ngâm sau 48 giờ vớt lớp vỏ cũ ra,
111
thay lớp vò mới vào. Mỗi lượt ngâm bàng cồn như vậy, thay 2 - 3 lần vỏ mới, dung dịch sau khi ngâm được lọc sạch, bă còn lại cho vào cất với nước, thu được dung địch nước có rượu và chất thơm. Dung dịch cồn sau khi đà lọc sạch cho thêm nước vào nồi rồi đem cất, tỷ lệ cồn và nước là 2/3. Bang phương pháp cất như vậy, người ta loại được một sô terpene có vị đắng trong chât thơm. Lượng terrpene còn lại được tách bang cách cho muối vào theo tỷ lệ 1 lít rượu 40° thêm lg muối, sau khi khuấy đều, terpene nổi lên được vớt riêng ra, rồi đem cất lại, một loại phần cất ban đầu có chứa nhiều terpene, ta thu được khoảng 80% dung dịch cồn thơm so với lượng rượu cho vào cất.
112
TÀI LIỆU THAM KHẢO ■
1.
Vù Ngọc Lộ (1977), Những cây chắt thơm qui, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
2.
Ernest Guenther, The essential oil, Volume 4, Individual Essential oils o f the plant families, Robert E. Krieger Publishing Company, Malabar, Florida.
3. Evguenie Georguiev (1995), Công nghệ các chat thơm tống hợp và íự nhiên, Nhà xuất bản Zemizdat (Sách tiếng Bulgaria). 4. Carolyn Fisher, Thomas Scott (1998), Food Flavor, Biology and Chemistry, The Royal Society of Chemistry. 5.
Roy Teranishi, Emily L. Wick, Irwin Homstein (1998), Flavor Chemistry Thisty years o f Progress, Kluwer Academic, Plenum Publisher.
6.
Nguyễn Văn Đàn, Ngô Ngọc Khuyến (1999), Hợp chắt thiên nhiên dùng ỉàm thuốc, Nhà xuất bản Y học.
7.
c . B. Spricigo, A. Bolzan, L. T. Pinto (2001), Mathematical modeling o f nutmeg essential oil extraction by liquid carbon dioxide, Latin American Applied Research 31: 397 - 401.
8. Lê Ngọc Thạch (2003), Tinh dầu, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. 9.
Phạm Trương Thị Thọ (2001), Giảo trình hoả học các hợp chất tự nhiên, Nhà xuất bản Giáo dục.
10. Hội thảo chuyên đề (2006) - Công nghệ sản xuất và tinh chế tinh dầu, Việ’1 Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Công ty Tinh dầu và các sản phẩm tự nhiên. 11. R. ML F. Vargas, E. Casseì, G. M. F. Gomes, L. G. s. Longhi (2006) Supercritical extraction o f Carqueja essential oil: Experiments and modeling Brazilian journal of chemical Engineeringvol. 23, no. 03, pp. 375 - 382. 12. www.chemvn.net. 13. http://www.hielscher.com/ultrasonics/extraction_0l.htm . 14. www.devicelink.com/mddi/archive/06/08/005.html 15. http://library2.usask.ca/theses/available/etd - 10262005 135622/unrestricted/thesis.pdf
113
CÔNG NGHỆ CHÁT THƠM THIÊN NHIÊN
NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NỘI Số l, Đại Cồ Việt, Hà Nội ĐT: 04. 38684569;
04. 22410605;
04. 22410608; Fax:04. 38684570
Chịu trách nhiệm xuất bản: Giảm đốc:
LÊ CỘNG HÒA
Tổng biên tập:
TỐNG ĐÌNH QUỲ
Phản biện:
GS. TSKH. PHẠM TRƯƠNG TH Ị THỌ PGS. LÊ TRỌNG HOÀNG
Biên tập:
PHẠM HOÀNG QUYỀN
Chế bản và trình bày bìa: TRẦN THỊ PHƯƠNG
In 500 cuốn khổ 16 X 24 cm, tại Xưởng in Tạp chí Tin học và Đời sống. Giấy xác nhận đăng ký kế hoạch xuất bản số: 350-2009/CXB/03-45/BKHN, do Cục Xuất bản cấp ngày 27/4/2009. In xong và nộp lưu chiểu quý III năm 2009.
