Đề tài Công nghệ chế biến đường Glucose

Mở đầu: Giới thiệu chung Glucose là monosaccaride tiêu biểu, cĩ cơng thức nguyên là C6H12O6, là loại đường khử, cĩ nhiều ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, là đường dễ tiêu hố, hấp thu. Đường glucose là sản phẩm quá trình thuỷ phân tinh bột bằng acid hoặc enzyme. Cĩ thể dùng tinh bột từ củ hoặc các loại hồ thảo. Ở các nước chủ yếu dùng tinh bột bắp và tinh bột khoai tây. Ở nước ta chủ yếu dùng tinh bột sắn để sản xuất đường glucose. Tính chất và ứng dụng: Việc sản xuất đường glucose là một ứng dụng quan trong đặc biệt của amilase. Các đường glucose thơng thường cĩ chỉ số đường khử (tính theo glucose) là 20 đến 65. Dung dịch đường glucose cĩ độ nhớt thấp và thường được bảo quản ở pH 3.5- 5.5 (thêm acetate, citrate hoặc lactate). Người ta dùng dung dịch này để độ ngọt, để ngăn cản sự kết tinh saccharose và làm giảm nhiệt độ đơng lạnh của dung dịch (hỗn hợp kem lạnh). Ngồi ra dung dịch đường glucose cĩ khả năng lên men và cĩ độ hút ẩm cao. Glucose cĩ khả năng hố nâu, cĩ tính tạo khối, tạo viên. Giống như các đường đơn khác, glucose bị lên men bởi nấm men và các chủng vi sinh vật khác nhanh hơn so với các nguồn cơ chất khác. Do phân tử lượng chỉ bằng một nửa so với đường saccharose ở cùng một khối lượng sử dụng. Khi phản ứng với các hợp chất chứa nitơ, glucose tạo ra các chất màu tuỳ thuộc vào điều kiện phản ứng như pH, nhiệt độ, nồng độ và bản chất các hợp chất chứa nitơ. Đường glucose cũng tham gia các phản ứng như isomer hố trong mơi trường kiềm để tạo thành fructose và mannos, phản ứng phân huỷ kiềm tạo thành acid carboxylic, phản ứng hydro hố tạo thành sorbitol, phản ứng phân huỷ kiềm và hydro hố để tạo thành glycol; 1,2- propanediol và glycerol, phản ứng oxy hố để tạo thành acid gluconic và acid glucaric. Các tính chất vật lý, hố học và dinh dưỡng học đường glucose được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực cơng nghiệp thực phẩm như cơng nghiệp lên men (bia, đồ uống cĩ cồn…), sản xuất bánh mì, trong cơng nghiệp bánh kẹo, đồ hộp, thức ăn nhanh và những lĩnh vực khác như cơng nghiệp hố chất và dược phẩm. Đường glucose được sử dụng trong sản xuất bánh mì để tăng khả năng lên men, tăng độ dai cho vỏ bánh để dễ cắt, dễ cầm bánh, cải thiện màu, mùi vị và cấu trúc bánh. Trong bánh ngọt glucose giúp tăng thể tích, cấu trúc, tính cân đối của bánh. Glucose kiểm sốt độ ngọt và vị trong các loại bánh bích quy, nĩ được phủ lên trong quá trình nướng để tạo màu cho bề mặt và làm mềm bánh. Glucose cũng mang lại cấu trúc mềm mại, vị ngọt diệu và khả năng chảy tốt cho các sản phẩm kem và đồ tráng miệng lạnh. Trong lên men bia glucose được sử dụng như cơ chất cĩ khả năng lên men bổ sung để làm giảm lượng cacbohydrate và lượng calori trong các loại bia năng lượng thấp. Trong rượu vang glucose được sử dụng để tăng khả năng lên men, tăng vị và độ ngọt cho sản phẩm. Trong các loại đồ uống, glucose cung cấp độ ngọt, áp suất thẩm thấu, nĩ cũng là chất độn giúp tăng vị, kiểm sốt khả năng di động và tăng thời gian bảo quản cho đồ uống dạng bột. Trong sản xuất kẹo, glucose cung cấp đơ ngọt, độ mềm mại cho sản phẩm đồng thời giúp kiểm sốt hiện tượng kết tinh. Kết hợp glucose và saccharose giúp tăng vị, cải thiện màu sắc, độ bĩng, tăng cảm giác mát lạnh ở miệng, đồng thời cân bằng được độ ngọt, độ dai, độ cứng cho sản phẩm kẹo. Glucose cũng là phụ gia lý tưởng cho quá trình đĩng viên do tính chảy, khả năng kết dính cũng như tách rời tốt. Glucose cũng là chất tạo độ ngọt, độ mềm dẻo và dễ cắt trong sản phẩm kẹo dẻo. Trong các loại đồ hộp như nước chấm, xúp rau củ, đồ hộp trái cây, mứt, thạch quả, glucose được sử dụng để cung cấp độ ngọt và vị, tăng độ bền và áp suất thẩm thấu, cải thiện cấu trúc và chất lượng thẩm mỹ của sản phẩm. Glucose cũng tham gia vào quá trình tạo màu cho sản phẩm như xúc xích, bơ đậu phộng… Trong cơng nghiệp dược, glucose được sử dụng để truyền tĩnh mạch, hay để đĩng viên. Nĩ cũng được sử dụng như nguyên liệu của các quá trình lên men sản xuất các acid hữu cơ, vitamine, kháng sinh, emzyme, acid amine, polysaccharide… Nhu cầu glucose cao nhất là trong lĩnh vực sản xuất cồn ethanol nhiên liệu. Đặc biệt đường glucose là một ứng dụng thực tiễn trong sản xuất nước quả, đây là nguyên liệu được phối trộn vào dịch quả nhằm làm tăng hương vị và giúp cho sản phẩm đạt chất lượng tuyệt hảo hơn đồng thời nĩ cũng chính là nguyên nhân giúp hạ chi phí sản xuất bởi vì đường glucose là nguyên liệu dễ chế biến và rẻ hơn nhiều so với saccharose hay cịn gọi là đường kính mà ta vẫn thường hay sử dụng hằng ngày trong gia đình cũng như làm nguyên liệu chế biến một số sản phẩm khác trong cơng nghiệp thực phẩm: bánh kẹo, mứt quả, nước giải khát… Glucose là chất cần cho mơi trường nuơi vi sinh vật, là đường dễ lên men tạo rượu, acid acetic, acid lactic, acid hữu cơ khác như acid glutamic, acid citric. II. Nguyên liệu : 1. Tinh bột sắn: a. Giới thiệu chung : Tinh bột sắn gồm hai loại polysaccarit khác nhau là amylose (17-20%) và amylopectin. Amylose: gồm 200 – 1000 phân tử glucose liên kết với nhau bằng liên kết a-1,4 glucoside tạo thành mạch thẳng. Phân tử amylose gồm nhiều chuỗi xếp song song với nhau, trong đó các chuỗi cuộn lại thành hình xoắn ốc. Phân tử amylose có 1 đầu khử và 1 đầu không khử. Amylopectin: gồm 600-6000 phân tử glucose gồm hai loại liên kết a-1,4 glucoside và a-1,6 glucoside, mạch phân nhánh. Phân tử amylopectin chỉ có một đầu khử duy nhất. Hình 1: Cấu trúc của mạch amylose Hình 2: Cấu trúc của mạch amylopectin Ưu điểm của nguyên liệu tinh bột sắn : Sắn có thể thu hoạch quanh năm nên không cần tốn nhiều chi phí cho việc tồn trữ. Giữa các mặt hàng tinh bột, sắn cho sản lượng carbohydrate cao hơn gạo là 40%, và cao hơn ngô vàng là 25%, do đó sắn là nguồn tinh bột rẻ tiền. Hơn nữa, so với các vụ mùa khác, sắn chịu được điều kiện trồng khắc nghiệt hơn. Do sắn có hàm lượng tinh bột cao và hàm lượng các chất khác như protein và lipit thấp, do đó nó là nguồn lý tưởng để sản xuất tinh bột tinh khiết. Đặc tính quan trọng của tinh bột sắn là không mùi, tạo bột nhão trong, và khả năng kết dính. Những đặc tính này giúp cho tinh bột sắn dễ trộn với các tác nhân màu sắc và hương vị. Tinh bột sắn có hàm lượng amylopectin cao nên dễ hòa tan trong nước ở 95oC hơn các loại tinh bột giàu amylose, do cấu tạo cồng kềnh nên không có xu hướng kết tinh trở lại và do đó có khả năng giữ nước lớn. v. Tiêu chuẩn của tinh bột sắn Đặc tính : Bảng 2 Cấu trúc Bột màu trắng Màu sắc Đồng đều và đặc trưng Hương vị Đặc trưng Mùi Có mùi tươi và không có mùi mốc và ôi Thành phần hĩa học : Bảng 3 Hàm ẩm 14.0% max Tro 0.12% max Độ acid (trong ml NaOH 0.1 N) 3.0 ml max pH 4.5 – 6.5 Tinh bột 84.0% min 3. Hệ enzyme thủy phân dùng trong sản xuất đường glucose: a. Amilase: Khái niệm chung: amilase là một trong những enzyme được ứng dụng rộng rãi hơn cả, đặc biệt là trong cơng nghiệp thực phẩm. Amilase là tên gọi một nhĩm enzyme thuỷ phân tinh bột, bao gồm nhiều enzyme khác nhau về tính đặc hiệu tác dụng lên tinh bột (vị trí khác nhau trên mạch tinh bột) như:a-amilase, b-amilase, g-amilase… Chế phẩm enzyme amilase kĩ thuật và tinh khiết được sản xuất ở dạng dịch đặc cĩ nồng độ chất khơ 50% hay ở dạng bột khơ thơ hay tinh khiết. Phương pháp thu amilase từ canh trưởng rắn hay lỏng, trên cơ bản giống phương pháp chung thu enzyme từ vi sinh vật. Về phương pháp nuơi, ta cĩ thể sử dụng phương pháp bề sâu hay bề mặt. Ví dụ: với chủng Asp. Awamori, Asp. Niger, endomyces pecies các nước Liên xơ cũ, Tiệp Khắc, Đơng Đức đã sản xuất glucoamilase ở quy mơ cơng nghiệp bằng phương pháp nuơi chìm. Ở Nhật, Mỹ, Hungari, Tiệp Khắc… nuơi Asp. Oryzae tạo a-amilase và Rhizopus neveus tạo glucoamilase bằng phương pháp bề mặt với vi khuẩn B.subtilis người ta nuơi bằng phương pháp chìm thu enzyme a-amilase bền với nhiệt độ cao Nhĩm enzyme amilase, đa phần được tổng hợp bởi nấm mốc và vi khuẩn, một số ít từ nấm men. Các chủng nấm mốc như: Asp. Oryzae; Asp. Niger; Asp. Awamori; Asp.usamii; Rhyzopus neveus; Asp. Patatae; Rhizopus delemar; Rhizopus javamicus; Mucor sp; và một số lồi vi sinh vật khác như Endomycopis, fibuliger; Endomycopis, bifubuliger; saccharomycs diastaticus… tạo amylase, glucoamilase. Từ vi khuẩn B. diastaticus, B. subtilis, B. mesentericus, B. Amylosolvens... thường để thu a-amilase chịu nhiệt độ cao. Mỗi chủng vi sinh vật cĩ thể tổng hợp nhiều loại enzyme nhưng khối lượng mỗi enzyme tổng hợp được cĩ khác nhau. Ví dụ: Chủng Asp. Oryzae( mốc vàng) tổng hợp nhiều a-amilase nhưng ít glucoamilase cịn chủng Asp. Niger, Asp. Awamori ( mốc đen)thì ngược lại tổng hợp nhiều glucoamilase và ít a-amilase. Đặc điểm a-amilase nấm mốc là cĩ pH tối ưu 4,7- 4,9 Ca là nguyên liệu tăng hoạt động của enzyme này. a-amilase nấm mốc cĩ khả năng chuyển được 80- 82% tinh bột thành maltose, khơng tác dụng lên tinh bột sống chỉ tác dụng lên tinh bột đã hồ hố. Amilase của vi khuẩn cĩ khả năng dịch hố cao( tạo dextrin), khả năng đường hố kém hơn amilase của nấm mốc, nhưng cĩ ưu điểm là chịu được nhiệt độ cao( 900C). Ở Nhật hàng năm sản xuất 7000 tấn amilase từ vi khuẩn. Các nấm mốc Asp. Awamori; Asp. Oryzae; Asp. Usami tổng hợp nhiều Olygo-1-6-glucozidase thuỷ phân liên kết 1-6-glucoside của tinh bột. b. Glucoamylase Glucoamylase (3.2.1.3 α-1,4-glucanglucohydrrolase) hay cũng gọi là γ-amilase. Glucoamylase cĩ khả năng cắt đứt từng đơn vị glucose từ đầu khơng khử của tinh bột. Khi thủy phân tinh bột glucoamylase bên cạnh glucose cũng cĩ thể tạo ra oligosaccharide. Glucoamylase cũng cĩ thể thủy phân liên kết α-1,6-glucoside trong các oligo- và polysaccharide. Ngồi ra glucoamylase cũng cĩ khả năng phân cắt glucogen, amylopectin, dextrin giới hạn, isomaltose và maltose đến glucose. Glucoamylase của Aspergillus và Rhizopus cĩ độ bền cao đối với nồng độ ion H+. c. Chế phẩm amilase trong sản xuất đường glucose từ tinh bột: Từ năm 1960 ở Nhật, 100% glucose được sản xuất bằng phương pháp thuỷ phân enzyme. Ở các nước tiên tiến khác, phương pháp dùng enzyme vi sinh vật trong lĩnh vực này cũng đã được áp dụng cĩ hiệu quả và phổ biến, hay phối hợp phương pháp acid và enzyme. Trong sản xuất mật tinh bột-glucose 2 enzyme chủ yếu là a-amilase và glucoamilase từ nấm mốc và vi khuẩn. Enzyme a-amilase để dịch hố tinh bột và tạo maltose cịn glucoamilase dùng để đường hố tạo glucose, chế phẩm amilase cho sản xuất glucose được sản xuất từ vi khuẩn B. subtilis, B. mesentericus. Chế phẩm glucoamilase thường sản xuất từ nấm mốc Asp. Niger; Asp. Awamori; Asp. Batatae; Rhizopus delamar; Mucor… hay từ một số nấm men sacchromyce, Endomycoppis… Termamyl ( màu vàng nâu lỏng sánh , cĩ độ nhớt cao ). Cĩ chứa anpha- amylase chịu được nhiệt độ cao và được sản xuất từ lồi Bacillus licheniformis Tính chất : to chịu đựng : 90 – 1000 C PHopt : 6-7 Hoạt độ 120 KNU / g ( kilonovo đơn vị ) 1 KNU là lượng enzyme phân cắt 5,6 gam tinh bột hịa tan ở nhiệt độ 370 C , PH 5,6 và thời gian từ 7- 20 giờ AMGE chứa glucoamylase , được sản xuất từ lồi Asp niger , đây là chất lỏng cĩ màu vàng nâu , cĩ tỷ trọng 1,2 g/ml Tính chất : topt : 60 -62 0C PH opt : 4.1 – 4.3 Quy trình cơng nghệ: Sơ đồ khối: Giải thích quy trình: 2.1 Hịa bột: Mục đích cơng nghệ: Chuẩn bị : Chuẩn bị cho quá trình hồ hĩa nhằm tăng độ phân tán của huyền phù. Các biến đổi: Biến đổi vật lý: Tăng thể tích Hệ số dẫn nhiệt tăng Sự khuếch tán của các hạt tinh bột tăng Biến đổi hĩa lý: Hạt tinh bột hấp thu một lượng nhỏ nước một cách thuận nghịch (25-50% nước) nhưng chưa trương nở. Trạng thái của nguyên liệu sau khuấy trộn ở dạng huyền phù Tăng khả năng tiếp xúc giữa hạt tinh bột và nước Biến đổi cảm quan: sự thay đổi trạng thái của dịch bột Các thiết bị: Thùng hịa bột hình trụ làm bằng thép khơng rỉ, cĩ cánh khuấy. Các thơng số cơng nghệ: Nhiệt độ: 45-50oC Tốc độ cánh khuấy: 20 vịng/phút Thời gian: 30-40 phút 2.2 Hồ hĩa: Mục đích cơng nghệ: Chuẩn bị: Chuẩn bị cho quá trình dịch hĩa, các hạt tinh bột hút nước và trương nở tối đa tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình dịch hĩa Các biến đổi: Biến đổi vật lý: Độ nhớt tăng cực đại - Hạt tinh bột trương nở tối đa - Nhiệt độ của dung dịch tăng - Nồng độ chất khơ tăng Biến đổi hĩa học: Xảy ra sự hydrate hĩa các nhĩm hydroxyl tự do và hình thành liên kết hydro với nước. Biến đổi hĩa lý: - Hạt tinh bột tiếp tục hấp thu nước, khi nhiệt độ càng tăng thì khả năng hút nước càng tăng, lên đến 2500% nước. - Hệ chuyển từ dạng huyền phù sang dung dịch nhớt đồng nhất. - Tăng khả năng hịa tan Biến đổi cảm quan: màu sắc từ đục chuyển sang trong hơn. Các thiết bị: Henze cooker: Hình 1 : Thiết bị Henze Cooker Tỉ lệ h1:h2:d = 1:2:1.3 h1: chiều cao thân hình trụ h2: chiều cao đáy cơn d: đường kính thân trụ Thiết bị hình trụ đáy cơn, bên trong cĩ 1 trục nối với motor giúp trục xoay. Trên trục cĩ những cánh khuấy để đảo trộn cho mẫu đồng nhất. Phía dưới cĩ hệ thống hơi trung tâm. Hệ thống van an tồn kết nối trực tiếp với hệ thống hơi trung tâm Thơng số cơng nghệ : Thời gian xả: 20 phút Nhiệt độ: 52-64oC 2.3 Dịch hĩa: a. Mục đích cơng nghệ: Chuẩn bị: Chuẩn bị cho quá trình đường hĩa b. Các biến đổi: Biến đổi vật lý: Độ nhớt giảm Khả năng truyền nhiệt tăng (do kích thước phân tử nhỏ hơn) Nồng độ chất khơ tăng Biến đổi hĩa học: Hạt tinh bột bị phá tung, phá vỡ các liên kết hydro giữa nước và các sợi tinh bột Phản ứng Maillard giữa đường và acid amine tạo ra sản phẩm cĩ màu - Thủy phân một phần tinh bột tạo những mạch dextrin cĩ chiều dài mạch ngắn hơn, Biến đổi hĩa lý: Sự bốc hơi nước Khả năng hịa tan của tinh bột tăng Biến đổi hĩa sinh: - Enzym α-amylase hoạt động cắt các mạch amylose và amylopectin thành các dextrin mạch ngắn cĩ khả năng hịa tan . Biến đổi sinh học: - Vi sinh vật bị ức chế hoặc tiêu diệt Các thiết bị: Henze cooker Các thơng số cơng nghệ: Nhiệt độ: 105oC pH: 6-6.5 Hàm lượng chế phẩm enzym α-amylase: 0.25-0.3% lượng tinh bột khơ Chú ý: Quá trình dịch hĩa tiến hành đến hàm lượng đường khử đạt 10-15% DE. 2.4 Làm nguội: a. Mục đích cơng nghệ: Chuẩn bị: - Chuẩn bị cho quá trình đường hĩa, tạo điều kiện tối thích cho enzym glucoamylase trong quá trình đường hĩa tiếp theo Các biến đổi: Vật lý : - Nhiệt độ giảm Các biến đổi khác khơng đáng kể Các thiết bị: - Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng Hình 2 : Thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng phận chính của thiết bị là những tấm bản hình chữ nhật với độ dày rất mỏng và được làm bằng thép khơng gỉ. Mỗi tấm bản sẻ cĩ 4 lổ tại 4 gĩc và hệ thống các đường rãnh trên khắp bề mặt để tạo sự chảy rối và tăng diện tích truyền nhiệt. Khi ghép các tấm bản mỏng lại với nhau trên bộ khung của thiết bị sẽ hình thành nên những hệ thống đường vào và ra cho mẫu khảo sát và chất tải nhiệt. Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể, các nhà sản xuất sẻ bố trí hệ thống những đường dẩn thích hợp. Nguyên tắc hoạt động : Thực phẩm sẽ lần lượt đi qua 2 vùng, mỗi vùng gồm 4 khoang được kí hiệu là 4x 2. Chất tải nhiệt sẻ lần lượt đi qua 4 vùng, mỗi vùng gồm 2 khoang và được kí hiệu là 2x4. Thơng số cơng nghê : - Nhiệt độ hạ xuống : 55- 600C 2.5 Đường hĩa: a. Mục đích cơng nghệ: Khai thác : Tạo thành syrup cĩ thành phần chủ yếu là glucose, các đường đơn giản và các dextrin mạch ngắn. Các biến đổi: Biến đổi vật lý: - Giảm độ nhớt - Tăng khả năng truyền nhiệt của dung dịch. - Tăng hàm lượng chất khơ Biến đổi hĩa học: - Phản ứng thủy phân cắt dextrin mạch dài (sản phẩm sau quá trình dịch hĩa) thành sản phẩm chính là glucose, các đường đơn giản khác và dextrin mạch ngắn,… - Phản ứng Maillard tạo thành các chất màu làm sẫm màu dịch thủy phân Biến đổi hĩa lý: tăng khả năng hịa tan Biến đổi hĩa sinh: - Cĩ tương tác đồng thời của enzym a- amylase và glucoamylase lên các mạch polysaccharide và oligosaccharide, tạo hỗn hợp sản phẩm gồm maltose, glucose, triose và các oligosaccharide khác. Trong đĩ glucoamylase hoạt động với điều kiện tối thích cịn a- amylase vẫn hoạt động nhưng hoạt tính yếu hơn. Các thiết bị: Mash tub(Lực làm) Các thơng số cơng nghệ: Nhiệt độ: 55-60oC pH: 5.0-5.5 Thời gian: 24-48h Lượng enzym: 2000Ukg-1 hàm lượng chất khơ 2.6 Lọc: a. Mục đích: khai thác,chuẩn bị cho quá trình cơ đặc b. Các biến đổi: - Vật lí: giảm khối lượng dung dịch tỷ trọng thay đổi hệ số truyền nhiệt tăng -Hố lí: thay đổi pha , tách được pha rắn và pha lỏng c. Thiết bị: Máy lọc khung bản Cấu tạo Tay quay,thân trục vít,đế máy , đĩa holddown, bộ phận cĩ thể di động, đĩa lọc , khung lọc , mơi trường lọc, bộ phận tĩnh, đồng hồ đo áp suất, van, bơm nhập liệu, thùng chứa… Thơng số cơng nghệ: -Áp suất ≤0.3 Mpa -Nhiệt độ :55oC Nguyên tắc hoạt động: -Khi quá trình lọc bắt đầu,dịch cần lọc sẽ được bơm bằng bơm nhập liệu vào khung lọc,chất lỏng thấm qua mơi trường lọc và vào bản lọc,dịch lọc được tháo ra. -Khi bắt đầu bơm nhậo liệu vào, mở van khí thốt ra,mở van nhập liệu chậm, điều khiển tốc độ chảy để để áp lực lọc chậm và đều ,tránh áp lực tăng quá nhanh, ảnh hưởng đến mơi trường lọc. -Khi quá trình lọc hồn thành, đĩng van nhập liệu đầu tiên,sau đĩ dừng bơm ,ngăn cản dịng quay trở lại hư hỏng mơi trường lọc. -Mở van khí vào, làm sạch chất lỏng trong đĩa ,bản lọc sử dụng áp lực của khí hoặc hơi nước,sau đĩ nới lỏng bộ phận di chuyển được.cách này ta cĩ thể tháo bã lọc ra và làm sạch và thay thế mơi trường lọc. -Quay trở lại những bước như trên để thực hiện quá trình. 2.6 Trao đổi ion: Mục đích : + Mục đích : - Chuẩn bị cho quá trình cơ đặc, tách các ion và hấp thụ được những hợp chất hữu cơ khác . Các biến đổi: Hĩa học : Các anion và cation sẽ khếch tán qua các lỗ xốp và trao đổi ion với chất rắn điện giải. Trao đổi cation : + Ion làm việc là H+ hoặc là Na+ ( nên lựa chọn ion H+ vì cĩ thể tách được cả ion Na+ ) Cơ chế : Mn+ + nHR → MRn + nH+ Trong đĩ : Mn+ : - Là các ion trong dung dịch như là : Na+ , Ca2+ , Mg2+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Ba2+, Al3+… - Là những chất hữu cơ mang điện tích dương trong dung dịch. HR : Là các loại nhựa polymer tổng hợp khơng tan cĩ chứa các nhĩm sulfonic , carboxylic hay phenolic. ( R- là biểu diễn phần anion cố định trong nhựa ) Trao đổi anion : + Ion làm việc là Cl- hoặc OH- Cơ chế : m RNH3- OH + Am- → ( RNH3 )m – A + mOH- H+ + OH- → H2O Trong đĩ : Am- : - Là những anion trong dung dịch như là : SO42-, NO3-…. - Là những chất hưu cơ mang điện tích âm trong dung dịch RNH3 – OH hay RNH3 – Cl : là các loại nhựa polimer khơng tan cĩ chứa nhĩm amin và các anion để trao đổi . ( RNH3 + là biểu diễn phần cation cố định trong nhựa ) Thiết bị : Hệ thống gồm hai cột trao đổi ion , được làm từ vật liệu polimer . + 1 cột cĩ khả năng trao đổi anion + 1 cột cĩ khả năng trao đổi cation - Gồm những đường ống để dẫn dịng dung dịch đến cột trao đổi ion , dịng hồn lưu , hệ thống dung dịch rửa giải và hệ thống để tái sinh ion làm việc trên cột. Ion – exchange system Nguyên lý hoạt động : Dung dịch sẽ được cho đi qua cột trao đổi anion . Tại đây các anion sẽ bị giữ lại trên cột . Dung dịch tiếp tục đi qua cột trao đổi cation . Tại đây các cation sẽ bị giữ lại. Tiến hành rửa giải để tách những ion Sau quá trình trao đổi ion phải tiến hành tái sinh ion làm việc trên cột, bằng cách ngâm cột vào những dung dịch thích hợp Thơng số cơng nghệ : Thời gian tiến hành 20-25 phút Nhiệt độ tiến hành 70 – 750C Chiều cao và đường kính cột trao đơi ion sẽ do mỗi hãng sản xuất quy định . Chú ý: Khi lượng chất đã bão hịa trên cột thì ta phải tiến hành rửa giải cột và hồi lưu phần dung dịch đi ra để dung dịch sạch hơn. 2.8 Cơ đặc : a. Mục đích cơng nghệ: Hồn thiện sàn phẩm: quá trình cơ đạc nhằm tăng hàm lượng chất khơ, tạo điều kiện cho quá trình vận chuyển và phân phối sản phẩm. Bảo quản: nồng độ cao ức chế vi sinh vật. Các biến đổi: Biến đổi vật lý: Độ nhớt tăng. Khối lượng giảm do mất đi một lượng nước. Nồng đọ tăng. Thể tích giảm. Nhiệt độ tăng. Biến đổi hĩa lý: Bốc hơi nước. Cĩ thể bay hơi chất mùi. Các biến đổi cịn lại khơng đáng kể. c. Thiết bị : - Thiết bị cơ đặc chân khơng : Hình 10 : Hệ thống thiết bị cơ đặc chân khơng Buồng đun nĩng Buồng bốc hơi nước Hệ thống ống dẫn khí nĩng vào buồng đun nĩng 4) Bơm chân khơng Thơng số cơng nghệ: Nồng độ sau khi cơ đặc đạt được từ 30 – 50%. Áp suất hơi đốt: £ 2kg/cm2 Nhiệt độ cơ đặc: 60-65oC Thời gian cơ đặc: 2-3giờ Áp suất chân khơng: 720mmHg 2.8 Làm nguội : a . Mục đích : Chuẩn bị : hạ nhiệt độ dung dịch chuẩn bị cho quá trình kết tinh. b. Biến đổi và thiết bị giống như làm nguội ở phần trên. 2.8 Kết tinh: a. Mục đích cơng nghệ: Chuẩn bị: tạo ra tinh thể đường, chuẩn bị cho quá trình ly tâm tách tinh thể tiếp theo. b. Các biến đổi: - Biến đổi vật lý: quá trình kết tinh glucose là quá trình tỏa nhiệt (1mol hydrat glucose khi kết tinh tỏa 19.8kJ). - Biến đổi hĩa lý: kết tinh tạo tinh thể glucose cĩ độ ẩm cao. - Biến đổi cảm quan: tùy thuộc vào điều kiện kết tinh ta cĩ thể thu nhận được tinh thể thuộc nhiều hệ thống khác nhau. Thiết bị: Các thơng số cơng nghệ: Thời gian khuấy trộn với mầm là 12-24h Nhiệt độ kết tinh: 24°C Thời gian kết tinh khoảng 100-120h Đường non mẻ trước để lại là 1/3 thể tích . Tốc độ giảm theo nhiệt độ theo một chế độ nhất định do thực nghiệm xây dựng Đưịng giảm nhiệt độ thực tế nằm gần đưịng thẳng lý tưỏng. Nếu giảm quá chậm, trong mật cịn lại những tinh thể lớn ,sau đĩ chúng lại lớn rất nhanh do đĩ bị vàng. Ngược lại nếu nhiệt độ giảm quá nhanh, nhiều tinh thể bé khĩ li tâm,giảm chất lưọng sản phẩm. Nhược điểm của chế độ kết tinh này là thời gian quá dài. Quá trình kết tinh kết thúc khi nhiệt độ bao quanh tinh thể (mật cái) thấp hơn nồng độ đường non (khối dung dịch và các tinh thể sau khi kết tinh xong chưa ly tâm) 12-14°Bx, độ tinh khiết của chúng chênh lệch 9-11%. Bảng 2 : Các chỉ tiêu của quá trình kết tinh Nồng độ mật vào kết tinh (°Bx) 74.3-75.5 77-78 Độ tinh khiết mật vào(% khối lượng glucose so với chất khơ) 91-93 84-85 Nhiệt độ mật vào(°C) 48-50 48-50 Lượng mầm bổ sung (% khối lượng) 30 30-35 Nhiệt độ sau khi trộn với giống(°C) 43-44 43-44 Thời gian từ khi trộn đến ly tâm(h) 100-120 220-265 Nồng độ mật cái (°Bx) 62-63 65-67 Độ tinh khiết mật nâu(%)-(mật 1) 78-80 68-71 Độ tinh khiết mật trắng (%)-(mật 2) 88-90 -- Nhiệt độ đường non trước ly tâm 24-25 27-28 pH đường non 4.2-4.3 4.2-4.3 Hệ số quá bão hồ a 1.15-1.2 1.25-1.4 2.10 Ly tâm: Mục đích:chuẩn bị cho quá trình sấy. Các biển đổi: - Biến đổi vật lý: Khối lượng dung dịch giảm. Tỷ trọng thay đổi. -Biến đổi hĩa lý : Tách lượng nước ra khỏi hỗn hợp. Thiết bị: Hình 2:Thiết bị ly tâm lọc 2.11 Sấy và phân loại: a. Mục đích cơng nghệ: - Bảo quản: sấy để tách độ ẩm tự do. Các biến đổi: - Biến đổi vật lý: Khối lượng giảm Thể tích giảm. - Biến đổi hĩa học: nồng độ chất khơ tăng. - Biến đổi hĩa lý: tách độ ẩm tự do, cịn độ ẩm liên kết 8-9% (theo lý thuyết glucose ngậm nước cĩ độ ẩm 9.09%, nhưng trong sản xuất sấy đến độ ẩm nhỏ hơn để glucose khơng bị vĩn cục khi bảo quản) Các thiết bị: thiết bị sấy tầng sơi. Đặc tính thiết bị　　1.Thiết bị dùng luồng khí nĩng để sấy .Khí nĩng với áp lực lớn đẩy nguyên liệu tung lên nhằm sấy nhanh chĩng tức thì, tốc độ truyền nhiệt nhanh, do vậy lượng nước ngậm trong nguyên liệu được bay hơi nhanh và theo khí nĩng thốt ra ngồi.. Tốc độ sấy tùy thuộc vào cài đặt nhiệt độ. 2.Thùng chứa nguyên liệu sấy được nâng lên để tạo độ kín khi vận hành, cơ cấu nâng dùng xi lanh khí nén và cĩ cấu tạo đơn giản, dế vận hành, bảo dưỡng, hoạt động ổn định. 3. Thùng chứa nguyên liệu sấy được lắp thêm bộ cánh khuấy và bộ đĩa chia giĩ đặc biệt và khơng cĩ gĩc cạnh bên trong. Nguyên liệu sau khi sấy được đổ ra ngồi bằng cách quay nghiêng thùng chứa, kết cấu này cũng là để thuận tiện cho việc lau chùi vệ sinh hàng ngày được nhanh chĩng. Thơng số cơng nghệ: Cơng suất máy (kg/mẻ) :80-120 Lượng giĩ lưu thơng của quạt (m3/h):4723 Áp lực tối đa của quạt hút (Pa) :9590 Áp lực của hơi nĩng (Mpa): 0.4-0.6 Nhiệt độ khí vào (oC) :6-110 (điều chỉnh được) Sau khi sấy glucose được phân loại theo kích thước bằng hệ thống sàng. Thực tế nước ta glucose sau khi sấy qua giai đoạn nghiền. Đường cục trên sàng chiếm khoảng 10% thường đem đi hịa tan, cho hồi lưu với đưịng thơ (cũng cĩ thể đem nghiền trộn với sản phẩm, nhưng chất lựong sản phẩm sẽ giảm đi rõ rệt) 2.11 Đĩng gĩi : Giải thích quy trình 2: Sau quá trình ly tâm, dung dịch đường khơng kết tinh được sẽ được đánh giá và phân thành 2 loại: Mật 1: cĩ độ tinh khiết là 78-80% khối lượng glucose so với chất khơ, được pha lỗng rồi trở lại quá trình đường hĩa, sau đĩ tiến hành các quá trình tiếp theo như quy trình cơng nghệ. Mật 2: cĩ độ tinh khiết là 88-90% khối lượng glucose so với chất khơ Ngồi ra trong quy trình 2 cịn cĩ sản phẩm phụ là hydron Hydron là mật bỏ của nhà máy sản xuất glucose, chỉ cĩ một số nơi dùng một lượng rất ít để chỉnh lí đường non sản phẩm II nhằm giảm lượng tinh thể trong đường non. Thành phần của nĩ như sau: Nồng độ chất khơ 66°Bx RS 68-72% Tro 5-6% pH 4,0-4,2 Khơng chứa tạp chất vơ cơ. Trong hydron cịn hơn 20% glucose tạo thành khi thuỷ phân tinh bột nhưng tận thu lượng glucose đĩ khơng kinh tế nên thực tế khơng tiến hành quá trình tận thu. Hydron được ứng dụng chủ yếu trong các ngành cơng nghiệp như: làm mơi rường điều chế các chất kháng sinh, thuộc da, làm chất khử trong sản xuất tơ nhân tạo, làm thức ăn gia súc hỗn hợp… Chúng cĩ thể dùng một lượng nhỏ trong quá trình lên men rượu. Vấn đề Quy trình 1 Quy trình 2 Quy trình sản xuất Quá trình kiểm sốt ít nghiêm ngặt hơn Phức tạp hơn. Cần kiểm sốt nghiêm ngặt hơn vể thơng số cơng nghệ nhăm đáp ứng các hàm đa mục tiêu (thiết bị, năng lượng, kinh tế,...) Chi phí năng lượng Thấp hơn Cao hơn. Đầu tư thiết bị Thấp hơn Cao hơn do chi phí nhiều cho thiết bị. Hiệu suất thu hồi sản phẩm Cao hơn Thấp hơn do tổn thất nhiều trong quá trình Chất lượng sản phẩm Kém hơn Tốt hơn do cĩ quá trình hồi lưu sản phẩm chưa đạt yêu cầu ở giai đoạn ly tâm. Ơ nhiễm mơi trường nhiều hơn Ít hơn do tận dụng mật bỏ hydron. Sản phẩm: 1. Mơ tả sản phẩm glucose: Sản phẩm glucose phải trắng, tinh thể đều, khơ, rời, khơng cĩ mùi lạ, độ tinh khiết cao. Bảo quản trong bao bì PE hay lọ thuỷ tinh, kín, sạch để nơi mát mẻ. 2. Các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm: Các chỉ tiêu Đường tiêm Đường ăn Độ ẩm (%) ≤ 9.0 ≤ 9.0 Độ tinh khiết (DE) 99.9 99.7 Tro (%) ≤0.1 ≤0.1 Muối sắt ≤0.004 ≤0.004 Các acid vơ cơ, kim loại nặng và tạp chất Khơng cho phép Khơng cho phép Độ acid (ml) <0.1 <0.1 Độ màu <3 Độ trong <4 3. Sản phẩm phụ Hydron Thành tựu cơng nghệ và hướng phát triển : Một lần nữa, các vi sinh vật chính là chìa khố then chốt. Nguồn nguyên liệu chính tạo ra đường glucose cơng nghiệp tại vùng Bắc Mỹ là cellolose ngơ cĩ giá tương đối đắt. Cũng giống như tinh bột, cellulose là một hợp chất polime từ đường glucose. Nhưng khơng giống với tinh bột, cellulose rất dai. Nhưng nếu cĩ thể sử dụng nĩ để tạo ra đường glucose, thì phần lớn chất thải nơng nghiệp như rơm và phần thừa của cây ngơ đều cĩ thể trở nên cĩ giá trị. Cĩ thể phá vỡ chúng bằng con đường sinh học và các enzyme cĩ thể làm được cơng việc đĩ được phát hiện thấy ở rất nhiều vi khuẩn và nấm. Hiện nay một số hãng đang tiến hành nghiên cứu nhằm tìm ra những loại enzyme và các phương pháp tốt nhất để nâng cấp chúng thành những sản phẩm cơng nghiệp. Một số tiến bộ đáng kể đã đạt được. Novozymes, một cơng ty của Đan Mạch cĩ phịng thí nghiệm nghiên cứu nằm ở Davis, California đang đi sâu vào vấn đề này. Cơng ty này đang tiến hành nghiên cứu một hỗn hợp gồm các enzyme nấm, chúng cĩ thể hoạt động bằng cách tấn cơng vào các phần khác nhau trên mạch cellulose. Một loại vi khuẩn mới được chế tạo sản xuất cellulose cĩ thể được dùng để chế biến ethanol và các loại nhiên liệu sinh học khác. Các nhà khoa học thuộc đại học Texas tại Austin nĩi rằng loại vi khuẩn này cĩ thể cung cấp một lượng đáng kể nhiên liệu vận chuyển cho cả quốc gia nếu phương thức sản xuất này được thúc đẩy.  Ngồi cellulose, vi khuẩn cyanobacteria do giáo sư R. Malcolm Brown Jr. và tiến sĩ David Nobles Jr. cịn sản xuất cả glucose và sucrose.  Theo Brown và Nobles, vi khuẩn cyanobacteria của họ cĩ thể phát triển trong các điều kiện sản xuất trên diện tích đất khơng dùng để trồng cấy sử dụng nước mặn khơng thích hợp với con người và cả mùa màng.  Những phát hiện quan trọng khác bao gồm: - Dịng vi khuẩn cyanobacteria mới sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn cung cấp năng lượng để sản xuất và bài tiết đường và cellulose. - Glucose, cellulose và sucrose cĩ thể được thu hoạch liên tục mà khơng làm hại hoặc làm chết vi khuẩn cyanobacteria (thu hoạch cellulose và đường từ tảo hoặc cây trồng như ngơ hay mía buộc phải tiêu diệt vi khuẩn cũng như phải sử dụng enzim và các phương pháp cơ học để tách chiết đường). Vi khuẩn cyanobacteria cĩ thể tiết ra một lượng lớn glucose hoặc sucrose, phân tử đường cĩ thể được thu hoạch trực tiếp từ vi khuẩn - Vi khuẩn cyanobacteria cĩ thể cố định phân tử nitơ trong khí quyển phát triển được mà khơng cần phân bĩn gốc dầu. Nghiên cứu của hai nhà khoa học được đăng tải mới đây trên tờ Cellulose. Ảnh trái: Hai tế bào vi khuẩn cyanobacteria hình que dạng hoang dại khơng chứa cellulose hoặc đường trên bề mặt. Ảnh phải: Một vi khuẩn cyanobacteria đã được biến đổi gen sản xuất cellulose quan sát được (cellulase kết hợp với nhân tố chỉ thị màu vàng dày đặc electron). Ảnh: Brown và Nobles, đại học Texas tại Austin Nobles tạo ra dịng vi khuẩn cyanobacteria mới (cịn cĩ tên gọi tảo lam xanh) bằng cách cấy ghép cho chúng một nhĩm gen sản xuất cellulose từ một loại vi khuẩm “dấm” khơng quang hợp cĩ tên Acetobacter xylinum nổi tiếng với biệt hiệu vi khuẩn sản xuất cellulose năng suất. Vi khuẩn cyanobacteria mới tạo ra cellulose ở dạng gel khá trong và cĩ thể bị bẻ gãy dễ dàng thành phân tử glucose. Theo Nobles, “vấn đề với cellulose trong thực vật chính là việc phân tử này rất khĩ bị bẻ gãy do cĩ cấu trúc tinh thể cao pha trộn cả linhin cùng các hợp chất khác”.  Tài liệu tham khảo: Hĩa sinh cơng nghiệp – Lê Ngọc Tú (chủ biên) – Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội, 444 trang. Các quá trình cơng nghệ cơ bản trong sản xuất thực phẩm – Lê Bạch Tuyết và cộng sự – Nhà xuất bản giáo dục Hà Nội, 1996, 360 trang. Quá trình và thiết bị trong cơng nghệ hĩa học&thực phẩm. Tập 3: Truyền khối – Võ Văn Bang và Vũ Bá Minh – Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Quá trình và thiết bị trong cơng nghệ hĩa học&thực phẩm. Tập 5: Quá trình và thiết bị truyền nhiệt – Phạm Văn Bơn – Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Các trang web: