Giáo trình công nghệ sản xuất đường - Bánh - kẹo

GIÁO TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG - BÁNH - KẸO Biên soạn: TS TRƯƠNG THỊ MINH HẠNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM - SINH HỌC KHOA HÓA  PHẦN 1. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG MỞ ĐẦU 1. Giá trị kinh tế của cây mía: Đường có ý nghĩa quan trọng đối với dinh dưỡng của cơ thể con người. Đường là hợp phần chính và không thể thiếu được trong thức ăn cho người. Đường còn là nguyên liệu quan trọng của nhiều ngành công nghiệp (CN) hiện nay như CN bánh kẹo, đồ hộp, đồ uống, CN lên men, sữa, CN dược phẩm, hóa học v.v ... Chính vì vậy mà công nghiệp đường trên thế giới và của nước ta đã không ngừng phát triển. Việc cơ khí hóa toàn bộ dây chuyền sản xuất, những thiết bị tự động, các phương pháp mới, vấn đê tự động hóa và tin học hóa toàn bộ dây chuyền sản xuất ngày càng được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy đường. Cây mía là một trong các nguyên liệu quan trọng của ngành công nghiệp chế biến đường và được trồng ở nhiều quốc gia trong khu vực khí hậu nhiệt đới và á nhiệt đới. Ở nước ta, mía là nguyên liệu duy nhất để chế biến đường ăn. Mía đường là cây trồng có nhiều ưu điểm và có giá trị kinh tế cao: Xét về mặt sinh học: - Khả năng sinh khối lớn: nhờ có chỉ số diện tích lá lớn nên khả năng lợi dụng ánh sáng mặt trời trong quá trình quang hợp cao (tối đa có thể đạt 5-7%). Trong vòng 10- 12 tháng, 1ha mía có thể cho năng suất hàng trăm tấn mía cây và một khối lượng lớn lá xanh, gốc, rễ để lại trong đất. - Khả năng tái sinh mạnh: Mía là cây có khả năng để gốc được nhiều năm, một lần trồng thu hoạch nhiều vụ. Năng suất mía cây ở vụ gốc đầu thường cao hơn vụ mía tơ - Khả năng thích ứng rộng: Cây mía có thể trồng ở nhiều vùng sinh thái khác nhau, chịu đựng tốt các điêù kiện khắc nghiệt của tự nhiên và môi trường., đê thích nghi với các trình độ sản xuất và chế biến. Xét về mặt sản phẩm: Ngoài sản phẩm chính là cây mía nguyên liệu để chế biến đường, cây mía còn là nguyên liệu hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp của nhiều ngành công nghệp như rượu cồn, bột giấy, gỗ ép, thức ăn gia súc, phân bón. Các sản phẩm phụ của mía đường nếu khai thác triệt để , giá trị có thể tăng gấp 3-4 lần giá trị của chính phẩm (đường ăn). SƠ ĐỒ GIÁ TRỊ KINH TẾ CỦA CÂY MÍA Sản phẩm chế biến cng nghiệp Sản phẩm trên đồng ruộng ( Lâ , ngọn xanh, gốc, rễ) Thức ăn gia súc Phụ phẩm: Bê, mật rỉ, bn lọc Chính phẩm (đường) Chất đốt Rượu- cồn Phđn bn Câc sản phẩm khâc Thức ăn gia súc Sản hảm sợi, bột giấy Sản phẩm vi sinh CĐY MA Phđn bn 2. Sự phát triển công nghiệp đường mía trên thế giới: Ấn Độ là nước đầu tiên trên thế giới sản xuất đưòng mía. Do đó danh từ đường có nguồn gốc từ Ấn Độ “ sankara”. Vào khoảng năm 398, người Ấn Độ và Trung Quốc đã biết chế biến mật thành đường tinh thể. Từ đó phát triển sang Ba Tư , Italia, Bồ Đào Nha, đồng thời đã mở ra ngành CN mới là ngành CN luyện đường. Đến thế kỷ 16, nhiều nhà máy luyện đường đã mọc lên ở Anh, Đức, Pháp. Lúc đầu CN đường rất thô sơ, ép mía bằng 2 trục gỗ đứng, kéo bằng sức kéo trâu bò, lắng bằng vôi, cô đặc ở chảo và kết tinh tự nhiên. CN đường tuy có từ lâu đời nhưng bắt đầu từ thế kỷ thứ 19 mới được cơ khí hóa từ khi Châu Âu phát hiện ra củ cải đường, nhiều thiết bị quan trọng đã được phát minh: - 1867, loại máy ép bằng gang 3 trục nằm ngang kéo bằng máy hơi nước được dùng đầu tiên ở đảo Réunion ở Pháp. Sau đó cải tiến ghép nhiều trục ép và có dùng nước thẩm thấu để nâng cao hiệu suất ép. - 1812, ông Barrnel người Pháp là người đầu tiên dùng khí CO2 để bão hòa vôi và dùng phương pháp lọc để loại kết tủa CaCO3. Cũng thế kỷ 19, kỹ sư Tratini người Italia đã dùng khí SO2 để kết tủa chất không đường và tẩy màu trong nước mía. - 1813, Howard phát minh nồi bốc hơi chân không một hiệu nên hiệu quả bốc hơi còn thấp. - 1820, máy ép khung bản ra đời. - 1843, Rillieux phát minh hệ bốc hơi nhiều nôi, tiết kiệm được hơi dùng. - 1837, Pouzolat phát minh máy li tâm truyền động ở đáy, lấy đường ở trên, thao tác không thuận tiện. Sau đó Bessener phát minh máy li tâm kiểu thùng quay. -1867 Weston cải tiến máy li tâm truyền động ở trên, lấy đường ở dưới, hiện đang được dùng phổ biến tại các nhà máy đường. - 1892, máy ép 3 trục hiện đại được dùng ở Mỹ. - 1878 máy sấy thùng quay xuất hiện, 1884 thiết bị trợ tinh ra đời. Trong mấy chục năm nay, kỹ thuật ngành đường đã phát triển với tốc độ nhanh. Vấn đề cơ khí hóa, tự động hóa, tin học hóa toàn bộ dây chuyền sản xuất, các thiết bị trong dây chuyền công nghệ cũng như các thiết bị phân tích hiện đại đã được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy đường. Trong 20 năm qua, kỹ thuật công nghiệp đường trên TG có nhiều biến đổi quan trọng, bắt đầu từ thập kỷ 80 và tiếp tục trong nhiều năm 90. Ví dụ: . Thập kỷ 80, Công ty Benghin- Say Pháp và công ty Teron và Eridania của Ý đã nghiên cứuvà phát minh thiết bị, phương pháp kết tinh chân không liên tục. Năm 1982, ngà máy luyện đường Nantes thực nghiệm thành công, đến 1984 nhà máy Elsdof ( Tây Đức) tiến hành sản xuất và 1985 đã dùng thiết bị kết tinh liên tục của Công ty Fives Cail Babcock ( FCB) để nấu đường. Hiện nay nhiều thiết bị nấu đường liên tục của FCB đã được dùng trong nhiều nhà máy đường trên thế giới. . Cùng với sự phát triển của nấu đường liên tục, các nước Đức, Pháp, Ý v.v... đã nghiên cứu thiết bị trợ tinh chân không liên tục . Và chính Công ty Benghin- Say Pháp đã thành công trong việc dùng trợ tinh chân không liên tục ở nhà máy đường luyện Nantes, sau đó ở nhà máy đường củ cải Sermaize, nhà máy Gol và Bois- Rouge (Pháp), nhà máy đường Allscoff (Anh). Hiện nay là thiết bị trợ tinh chân không liên tục MET của Công ty BMA, đã làm trọng lượng tinh thể đường non tăng 15-30%. 3. Tình hình sản xuất mía đường ở nước ta: Nước ta là một nước có truyền thống sản xuất đường từ lâu đời. Từ lâu, nhân dân ta đã biết dùng những máy ép giản đơn như máy ép bằng đá, máy ép bằng gỗ dùng sức trâu bò kéo. Nước mía ép được nấu ra nhiều dạng sản phẩm khác nhau: Mật trầm, đường phên, đường thô, đường cát vàng. Ở miên Trung, nhân dân ta đã biết dùng lòng trắng trứng, đát bùn, vôi ... để làm sạch nước mía, sản xuất các loại đường đặc sản như đường muỗng, đường phèn, đường phổi, đường bông, đường bát dùng trong nước và xuất khẩu. Trong thời kỳ Pháp thuộc, CN đường hiện đại của ta hầu như không có gì. Nước ta chỉ có hai nhà máy đường hiện đại: Hiệp Hòa (miền Nam) và Tuy Hòa (miền Trung). CN đường ở nước ta trong vòng 100 năm vẫn ở trong tình trạng sản xuất thủ công là chủ yếu. Sau ngày hoà bình lập lại, dưới chế độ xã hội chủ nghĩa, CN đường hiện đại của nước ta mới bắt đầu phát triển. Ở miền Bắc có các nhà máy đường hiện đại như: Việt trì, Sông Lam ( 350Tấn mía/ ngày), nhà máy đường Vạn Điểm (1000tấnmía/ ngày). Ở miền nam có các nhà máy đường như Quảng Ngãi, Bình Dương (1500tấn mía/ ngày), Phan Rang (350tấn mía/ ngày), và hai nhà máy luyện đường Khánh Hội (150 tấn đường thô/ngày), Biên Hòa (200 tấn mía/ngày). Sau này mới xây dựng thêm các nhà máy như La Ngà (2000 tấn mía/ ngày).v..v Tính đến thời điểm vụ mía 1997- 1998 cả nước có trên 250.000ha mía tăng hơn 67% so với năm 1994 và đạt sản lượng 11,5 triệu tấn mía cây. Về công nghiệp chế biến: Năm 1994 cả nước mới có 12 nhà máy đường cơ giới chế biến khoảng 20% sản lượng mía cây, phần còn lại chế biến bán cơ giới và thủ công, hiệu suất thu hồi thấp. Thực hiện chương trình 1triệu tấn đường vào năm 2000 của chính phủ, đến vụ mía 1997-1998, cả nước đã có 35 nhà máy đường hoạt động với tổng công suất ép 50.800 tấn, tăn gâp 5 lần so với năm 1994. Cùng với các cơ sở chế biến bán cơ giới và thủ công, tổng sản lượng chung cả nước năm đó đạt 552.000 tấn. Vào năm 2000 thì cả nước đã có 50 nhà máy đường mía hiện đại ( trong đó có 4 nhà máy mở rộng công suất) đưa tổng công suất ép lên 93.500 tấn mía / ngày dưới nhiều hình thức đầu tư như liên doanh hay 100% vốn nước ngoài. Ví dụ một số nhà máy đường mới xây dựng hoặc mở rông như trong bảng 1. B ảng 1. CÁC NHÀ MÁY ĐƯỜNG MỚI XÂY DỰNG VÀ MỞ RỘNG TÍN NHĂ MÂY CNG SUẤT (tấn ma/ ngăy) TÍN NHĂ MÂY CNG SUẤT (tấn ma/ ngăy) CAO BẰNG TUYÍN QUANG SƠN DƯƠNG THÁI NGUYÊN - ĐÀI LOAN SƠN LA VIỆT TR HOĂ BNH THANH HOÁ - ĐÀI LOAN LAM SƠN NNG CỐNG NGHỆ AN – ANH SNG CON SNG LAM LINH CẢM QUẢNG BNH THỪA THIÊN HUẾ - ẤN ĐỘ QUẢNG NAM QUẢNG NGÊI NAM QUẢNG NGÊI KON TUM BNH ĐỊNH GIA LAI - PHÂP ĐỒNG XUÂN TUY HA SƠN HA EAKNỐP 700 700 1000 2000 1000 500 700 6000 6000 1500 6000 1250 350 1000 1500 2500 1000 4500 1000 1000 1000 2800 100 1250 3000 500 ĐĂK LĂK NINH HA DIÍN KHÂNH CAM RANH ĐỨC TRỌNG NINH THUẬN - ẤN ĐỘ PHAN RANG NINH THUẬN BNH PHƯỚC LA NGĂ TRỊ AN BNH DƯƠNG NƯỚC TRONG TĐY NINH - PHÂP TH TĐY NINH HIỆP HA LONG AN - ẤN ĐỘ BẾN TRE TRÀ VINH - ẤN ĐỘ SC TRĂNG PHỤNG HIỆP VỊ THANH KIÍN GIANG THỚI BNH VẠN ĐIỂM (đường luyện) BIÍN HA (đường luyện) KHÁNH HỘI (đường luyện) 1000 1250 400 3000 2500 2500 350 1000 2000 2000 1000 2000 900 8000 2500 2000 3500 1000 2500 1000 1250 1000 1000 1000 200 300 180 Như vậy, những năm vừa qua nhiều nhà máy đường hiện đại có công suất lớn được xây dựng. Nhưng theo số liệu thống kê thì sản lượng đường sản xuất trong nước vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ nội bộ. Trong thời gian gần đây ngành đường gặp tình trạng khó khăn do nhiều lý do khác nhau: tác động quan trọng về quy hoạch vùng nguyên liệu, đầu tư chưa đúng mức và trọng tâm, cũng như về quản lý thị trường, từ đó dẫn đến tồn đọng sản phẩm, nhà máy sản xuất cầm chừng, nông dân không bán được sản phẩm mía trồng dẫn đến chán đầu tư hoặc chuyển đổi giống cây trồng có giá trị kinh tế hơn, từ đó diện tích canh tác mía bị thu hẹp. Mặc dù vậy ngành công nghiệp mía đường vẫn là một ngành quan trọng ở nước ta bởi nó góp phần đáp ứng lượng đường tiêu thụ dùng cho khu vực và cả nước, nâng cao từng bước mức dinh dưỡng trong khẩu phần ăn hàng ngày, tạo điều kiện cho các ngành kinh tế khác phát triển, tận dụng đất hoang đồi trọc và đất nông nghiệp có hiệu quả thấp so với trồng mía, tạo công ăn việc làm cho nông dân và lao động dư thừa. Góp phần nâng cao trình độ chế biến, chuyển dần sang hình thức sản xuất đường cơ giới với công nghệ tiên tiến, thay thế dần lượng đường tiểu thủ công nghiệp tiêu hao nguyên liệu mía gần gấp đôi so với sản xuất công nghiệp. 4. MỘT SỐ DANH TỪ THƯỜNG DÙNG TRONG NHÀ MÁY ĐƯỜNG 1. Độ Bx: Độ Bx biểu thị tỉ lệ % trọng lượng các chất hoà tan so với trọng lượng nứơc mía. Nói cách khác nó cho ta biết nồng độ các chất hoà tan có trong dung dịch nước mía hay dung dịch đường là bao nhiêu phần trăm. Dụng cụ để đo độ Bx là đường kế Bá linh hoặc Brix kế. Độ Bx đo được của dung dịch ở nhiệt độ bất kì khác với nhiệt độ tiêu chuẩn của Bx kế gọi là Bx quan sát. Độ Bx cải chính là độ Bx đã điều chỉnh từ độ Bx quan sát về nhiệt độ tiêu chuẩn của Bx kế. 2. Độ đường: Biểu thị thành phần đường sacaroza có trong dung dịch tính theo % trọng lượng dung dịch.Tức là 100g dung dịch có bao nhiêu gam đường sacaroza. Trong công nghiệp đường để phù hợp với yêu cầu của sản xuất và kĩ thuật người ta còn dùng hai khái niệm sau để chỉ độ đường của dung dịch: Độ đường theo Pol: Pol là thành phần có trong dung dịch đường xác định trực tiếp bằng đường kê (Polarimetre). Nó chính là thành phần đường gần đúng của dung dịch căn cứ vào kết quả đo của phương pháp phân tích nhanh. Độ đường theo sac:Là thành phần đường sacaroza có trong dung dịch tính theo % trọng lượng dung dịch căn cứ vào kết quả đo và phân tích chính xác của phòng thí nghiệm còn gọi là phương pháp chuyển hoá. Nó loại trừ những sai số do ảnh hưởng của những chất không phải đường gây nên trong quá trình xác định. 3. Độ tinh khiết: Độ tinh khiết chỉ mức độ trong sạch của dung dịch nước mía. Nó biểu thị bằng % trọng lượng đường sacaroza so với trọng lượng các chất hoà tan có trong dung dịch Độ tinh khiết càng cao biểu thị chất lượng dung dịch đường càng tốt . Trong công nghiệp đường người ta thường dùng hai khái niệm độ tinh khiết sau đây: - Độ tinh khiết AP: Độ tinh khiết đơn giản Độ tinh khiết trọng lực: . 4. Đường khử (Reducing sugar RS):Tức là đường không thể kết tinh như glucoza, fructoza ...cho biết mức độ chuyển hoá của mật chè. Đường khử càng cao thi nguyên liệu càng xấu, khó kết, kết lâu, hạt nhỏ, vì đường khử cao làm mật dẻo, đối lưu và kết tinh kém. Khi cây mía còn non tỉ lệ RS cao và mía càng già tỉ lệ RS càng giảm. Thường khi mía chín, tỉ lệ RS chỉ còn trên dưới 1%. 5. Chữ đường (CCS): là khái niệm về năng suất công nghiệp chỉ lượng đường thương phẩm có thể lấy ra từ mía ở các nhà máy hay xí nghiệp chế biến đường mía. 100 Pol mía x tỉ lệ thu hồi Năng suất CN = Năng suất CN thường đạt từ 9-13,5% (trung bình 10%). Dưới đây là công thức tính chữ đường (CCS) ở nhà máy đường để thanh toán tiền mua mía nguyên liệu: trong đó: Pol là pol nước mía ép đầu hoặc nước mía nguyên ép bằng máy ép phân tích. Bx: là Bx nước mía ép đầu hoặc nước mía nguyên ép bằng máy ép phân tích F: % trọng lượng xơ trong mía 6. Chế độ nấu đường: Là bản qui chế định rõ cách phối liệu các loại nguyên liệu, các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật của thành phẩm, bán thành phẩm, cân đối các loại nguyên liệu. Chế độ nấu đường còn gọi là hệ thống nấu đường: Nó vạch ra phương hướng cụ thể cho từng nồi nấu về các chỉ tiêu sau: AP: Độ tinh khiết nguyên liệu, đường non. Dung tích cần nấu tính bằng m3. Độ Bx của đường non. Chỉ tiêu chất lượng thành phẩm:% sac, độ màu. Lượng nước mía hỗn hợp x Pol nước mía hỗn hợp 7. Hiệu suất ép thực tế = Lượng mía ép x Pol mía 8. Đường thô: Là một loại đường sacaroza được dùng làm nguyên liệu để sản xuất đường tinh luyện. Chất lượng đường thô phụ thuộc vào tình hình nguyên liệu mía, trình độ kỹ thuật của mỗi nước. Thành phần đường thô của một số nước được cho ở bảng 2 Bảng 2. Thành phần của đường thô Chỉ tiêu Tên nước Pol (%) Nước ( %) RS (%) Độ màu (O St) Tạp chất không tan (mg/kg) Thái Lan Cuba Australia Nam Phi Mêhico 97,81 97,60 97,88 98,86 98,62 0,51 0,65 0,63 0,32 O,13 0,52 0,33 0,35 O,39 0,20 95,56 33,32 33,10 16,74 6,46 - - - 194,80 190.26 9. Đường RE (Refined sugar Extra): Là đường tinh luyện, là đường sacaroza được tinh chế và kết tinh, là sản phẩm đường cao cấp, được sản xuất trực tiếp từ mía, từ đường thô hoặc từ các nguyên liệu khác. Đường tinh luyện được dùng làm nguyên liệu cho các sản phẩm cao cấp của CN thực phẩm. Ở nước ta có 2 nhà máy đường Biên Hòa và Khánh Hội sản xuất loại đường này. Sau đây là thành phần chính và chỉ tiêu chất lượng theo TCVN 6958:2001: * Các chỉ tiêu cảm quan của đường tinh luyện, phải phù hợp với yêu cầu qui định trong bảng 3 Bảng 3. Các chỉ tiêu cảm quan Chỉ tiêu Yêu cầu Ngoại hình Tinh thể màu trăng, kích thước tương đối đồng đều, tơi khô, không vón cục Mùi vị Tinh thể đường hoặc dung dịch đường trong nước có vị ngọt, không có mùi vị lạ Màu sắc Tinh thể trắng óng ánh. Khi pha vào nước cất cho dung dịch trong suốt. * Các chỉ tiêu lý - hóa của đường tinh luyện, phải phù hợp với yêu cầu qui định trong bảng 4 Bảng 4. Các chỉ tiêu lý hóa STT Tên chỉ tiêu Mức 1 Độ Pol, (0Z), không nhỏ hơn 99,80 2 Hàm lượng đường khử, % khối lượng (m/m), không lớn hơn 0,03 3 Tro dẫn điện, % khối lượng (m/m) không lớn hơn 0,03 4 Sự giảm khối lượng khi sấy ở 105OC trong 3 h, % khối lượng (m/m), không lớn hơn 0,05 5 Độ màu, đơn vị ICUMSA, không lớn hơn 30 * Dư lượng SO2 Sunfua dioxit ( SO2), ppm, không lớn hơn: 7 * Các chất nhiễm bẩn, mức tối đa Asen (As) 1mg/kg Đồng ( Cu) 2mg/kg Chì ( Pb) 0,5 mg/kg 10 . Đường RS (Refined Sugar, White Sugar): Đường trắng, đường trắng đồn điền hay đường trắng trực tiếp. Phần lớn các nhà máy đường hiện đại của nước ta sản xuất loại đường này như: Lam Sơn, Việt Trì , Quảng Ngãi, Bình Định, Bình Dương, Tuy Hoà v v.. . Thành phần chính và các chỉ tiêu chất lượng theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6959: 2001 như sau: * Các chỉ tiêu cảm quan của đường trắng: phải phù hợp với yêu cầu qui định trong bảng 5. Bảng 5. Các chỉ tiêu cảm quan Chỉ tiêu Yêu cầu Hạng A Hạng B Ngoại hình Tinh thể màu trắng, kích thước tương đối đồng đều, tơi khô, không vón cục Mùi, vị Tinh thể đường hoặc dung dịch đường trong nước có vị ngọt, không có mùi vị lạ Màu sắc Tinh thể màu trắng. Khi pha vào nước cất cho dung dịch trong Tinh thể màu trắng ngà đến trắng. Khi pha vào nước cất cho dung dịch tương đối trong * Các chỉ tiêu lý -hóa của đường trắng, phải phù hợp với yêu cầu qui định trong bảng 6. Bảng 6. Các chỉ tiêu lý - hóa Tên chỉ tiêu Mức Hạng A Hạng B 1. Độ Pol, (0Z), không nhỏ hơn 99,7 99,5 2. Hàm lượng đường khử, % khối lượng (m/m), không lớn hơn 0,1 0,15 3. Tro dẫn điện, % khối lượng (m/m), không lớn hơn 0,07 0.1 4. Sự giảm khối lượng khi sấy ở 105OC trong 3h, % khối lượng (m/m), không lớn hơn 0,06 0,07 Chương 1 NGUYÊN LIỆU MÍA 1.Thu hoạch và bão quản mía: Mía chín: Mía chín là lúc hàm lượng đường trong thân mía đạt tối đa và lượng đường khử còn lại ít nhất. ( cùng lúc đó tỉ lệ nước thấp, tỉ lệ xơ có phần tăng). Các biểu hiện đặc trưng của thời kỳ mía chín là: Hàm lượng đường giữa gốc và ngọn xấp xỉ nhau. Hàm lượng đường khử dưới 1%, có khi chỉ còn 0,3%. Lá chuyển vàng, độ dài của lá giảm, các lá sít vào nhau, dóng ngắn dần. Hàm lượng đường đạt cao nhất khi thu hoạch đúng thời vụ của giống mía đó. Khi hàm lượng đường đạt tối đa, tùy giống mía và điều kiện thời tiết, lượng đường này duy trì khoảng 15 ngày đến 2 tháng. Sau đó lượng đường bắt đầu giảm gọi là mía quá lứa hoặc quá chín. Ở nước ta, mía chín khi thời tiết bắt đầu lạnh và khô. Nơi nào có mùa khô rõ ràng nhất thì dễ đạt hàm lượng đường cao hơn nơi khác. Do đó, đối với vùng có hệ thống tưới tiêu nhân tạo, người ta thúc mía chín bằng cách ngừng tưới nước vài tuần trước khi thu hoạch. Cách nhận biết khi nào mía chín: - Phán đoán theo đặc trưng ngoại hình cây mía: . Độ lớn cây chậm dần, các dóng mía trên ngọn nhặt lại, thân cây có hiện tượng “co nhăn”. . Lá mía khô vàng, lá xanh khoảng 6-7 lá (bình thường khoảng 8-10 lá). Lá tương đối thẳng và cứng. . Dóng mía bột phấn rơi, bề mặt nhẵn nhụi. - Kiểm định nhanh trên đồng ruộng: Dùng chiết quang kế cầm tay để xác định độ chín của mía. Nồng độ nước mía đoạn ngọn Nồng độ nước mía đoạn gốc Mía chín = Độ chín khoảng 80% là bắt đầu chín. Độ chín trên 80% là chín tới. Độ chín 95- 100% là chín kỹ. Độ chín trên 100% là quá chin (Đoạn ngọn kể từ lá khô trên cùng trở lên ngọn, đoạn gốc chỉ dóng mía thứ nhất trên mặt đất). - Định kỳ hoá nghiệm 1.2.Thu hoạch mía: Trước đây việc thu hoạch mía chủ yếu bằng thủ công. Dùng dao chặt sát đất và bỏ ngọn. Ở Cuba người ta lấy cao lên tới ngọn, người trồng mía có lợi nhưng nhà máy đường gặp khó khăn khi sản xuất đường. Ở Inđônêxia, người ta khơi luống để chặt sát từ dóng cuối cùng. Sau thế chiến II, công nhân thiếu trầm trọng nên khâu đốn chặt bằng cơ giới hoá phát triển. Ở nước ta hiện nay, việc thu hoạch mía vẫn bằng thủ công. 1.3. Sự biến đổi phẩm chất của mía sau thu hoạch Mía sau khi chặt, hàm lượng đường trong mía giảm nhanh, gây tổn thất đường trong sản xuất. Nguyên nhân do tác dụng hô hấp hoặc do vi khuẩn. Do đó mía vận chuyển về nhà máy đưa ép càng sớm càng tốt. Qua nghiên cứu, người ta thấy rằng nếu mía đưa vào ép sau 8 ngày kể từ khi chặt, hiệu suất thu hồi đường giảm 20%. Trong thời gian bão quản mía, các chỉ tiêu quan trọng như chất khô, thành phần đường, độ tinh khiết, hàm lượng đường khử thay đổi nhiều. 1.4. Các biện pháp hạn chế tổn thất đường khi thu hoach: - Chặt mía khi trời rét hoặc hơi rét. - Chặt mía cho ngã theo chiều luống mía, các cây mía gối lên nhau, ngọn cây mía này phủ lên gốc cây mía kia nhằm giảm lượng mía bốc hơi và chống rét. - Chất mía thành đống có thể giảm sự phân giải đường. - Dùng lá mia thấm nước để che cho mía lúc vận chuyển và dùng nước tưói phun vào mía. 2.Thành phần hoá học của mía: Thành phần hoá học của mía thay đổi tuỳ theo điều kiện đất đai, phương pháp canh tác, loại, giống mia..v...v... Bảng 1.1:Thành phần hoá học cây mía Thành phần % Đường sacaroza 12,5 glucoza 0,9 14,0 fructoza 0,6 Xơ xenluloza 5,5 Pentozan 2,0 10,0 Chất keo 0,5 Linhin 2,0 Chất chứa anbumin 0,12 N2 amit 0,07 Axit 0,21 0,4 NH3 có vết Xantin có vết Chất vô SiO2 0,25 cơ K2O 0,12 Na2O 0,01 CaO 0,02 MgO 0,01 0,5 Fe2O3 vết P2O5 0,07 SO3 0,02 Cl vết Nước 74,0 Tổng cộng 100 Một cách khác có thể chia trong cây mía ra thành những phần sau: Xơ Mía Chất tan(chất khô) Nước Dung dịch nước mía. Chất Đường sacaroza hoà tan Chất không đường chất không đường vô cơ Chất không đường Chất không đường hữu cơ không chứa N2 Chất không đường hữu cơ có chứa N2 Chất không đường Chất màu Không có N2 : caramen hữu cơ Có N2 : melanoidin 2.1. Đường sacaroza: Sacaroza là thành phần quan trọng nhất của mía, là sản phẩm của công nghiệp sản xuất đường, là một disacarit có công thức C12H22O11. Trọng lượng phân tử của sacaroza là 342,30. Sacaroza được cấu tạo từ hai đường đơn là a, d - glucoza và b, d - fructoza. Công thức cấu tạo của sacaroza được biểu diễn như sau: H H H CH2OH OH O O OH CH2OH OH O OH H OH H H H H CH2OH Hình 1.1. Công thức cấu tạo của sacaroza Theo công thức trên, sacaroza là a, d - glucopiranozit - b, d - fructofuranozit. Sacaroza có tính ức chế rất mạnh trong việc tổng hợp Vitamin B1 trong cơ thể. Dùng đường quá nhiều không có lợi, nhất là đối với người lao động nặng, vì nếu bổ sung vitamin B1 không đủ, khi chuyển hoá gluxit sinh ứa lactac, dễ tăng mệt mỏi( ứa nhiều sinh phù). Ngoài ra nếu ăn nhiều đường quá trong một lúc, lượng đường trong máu tăng đột ngột đến 200-400 mg % (giới hạn là 80- 120mg%), tế bào tuỷ sẽ không tạo đủ lượng insulin làm cho việc chuyển đường glucoza thành glucogen để dự trữ ở gan và cơ, thận sẽ làm việc quá tải và đường theo nước giải ra ngoài. 2.1.1 . Tính chất lí học cuả sacaroza: Tinh thể đường sacaroza thuộc hệ đơn tà, trong suốt, không màu.Tỉ trọng 1,5878. Nhiệt độ nóng chảy 186-188 0C. Nếu ta đưa từ từ đến nhiệt độ nóng chảy 186-188 0C đường biến thành một dạng sệt trong suốt. Nếu kéo dài thời gian đun hoặc đem đun ở nhiệt độ cao, đường sẽ mất nước, rồi bị phân huỷ và biến thành caramen. Phản ứng này thường gặp khi chế biến thực phẩm ở nhiệt độ cao: rán, nướng, xào, rang, cô đặc sản phẩm có mùi cháy khét, vị đắng. Độ hoà tan: Đường rất dễ hoà tan trong nước. Độ hoà tan tăng theo nhiệt độ tăng. (Bảng 1..2). Bảng 1.2: Độ hoà tan của sacaroza trong nước Nhiệt độ oC Độ hoà tan g sacaroza/100g nước. Nhiệt độ 0C Độ hoà tan g sacaroza/100g nước. 0 10 20 30 40 50 179,20 190,50 203,90 219,50 238,10 260,10 60 70 80 90 100 287,36 302,50 362,20 415,70 487,20 Độ hoà tan của sacaroza còn phụ thuộc vào các chất không đường có trong dung dịch đường (Bảng 1.3). Đường sacaroza không hoà tan trong dầu hoả, cloroform, CCl4, CS2, benzen, tecpen, ancol và glixerin khan. Trong dung dịch ancol có nước, đường sacaroza hoà tan ít. Một gam ancol có nồng độ 95% có thể hoà tan 0,01g đường. Đường sacaroza còn hoà tan giới hạn trong anilin, piridin, etyl axetat, amyl axetat, phenol và NH3. Độ nhớt: Độ nhớt của dung dịch đường tăng theo chiều tăng nồng độ và giảm theo chiều tăng nhiệt độ ( bảng 1.4). Nhiệt dung riêng: Nhiệt dung riêng của đường sacaroza tính theo công thức: C= 4,18 (0,2387 + 0,00173 t ) kJ/ kg độ trong đó t: nhiệt độ Nhiệt dung riêng trung bình của sacaroza từ 220C đến 510C là 0,3019. Độ quay cực : Dung dịch đường có tính quay phải. Độ quay cực riêng của sacaroza rất ít phụ thuộc vào nồng độ và nhiệt độ. Do đó rất thuận tiện cho việc xác định đường bằng phương pháp phân cực. = 66,469 + 0,00870 c - 0,000235 c2 trong đó c : nồng độ sacaroza trong 100ml. Trị số độ quay cực trung bình của sacaroza là = + 66,5 0 Chất kiềm, muối của axit yếu làm giảm độ quay cực của sacaroza. Ví dụ : trong dung dịch có 1 phân tử đường và 2 phân tử vôi thì độ quay cực của sacaroza là 51,8 0 chứ không phải 66,50. Đó là do sự tạo thành canxi sacarat. Bảng 1.3: Độ hòa tan của saccaroza trong dung dịch nước chứa các loại muối Nhiệt độ, 0C Lượng muối,g/100g dung dịch Độ hòa tan, g sacaroza,/100g dung dịch KCl KBr KNO3 NaCl CaCl2 30 70 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 Error! Not a valid link. 216,0 221,0 228,0 237,5 - - 320.5 320,0 334,0 345,0 357,0 370,0 384,0 219,5 218,0 220,0 224,0 228,0 - - 320,5 324,0 328,0 334,0 341,0 349,0 357,0 219,5 217,0 320,5 321.0 324,0 327,0 331,0 334.0 337,0 219,5 210,0 320,5 323,0 330,0 344,0 361,0 384,0 406,0 219,5 197,0 320,5 295,0 286,0 286,0 295,0 308,0 327,0 Bảng 1.4. Anh hưởng của nồng độ và nhiệt độ đến độ nhớt của dung dịch đường Nồng độ, % Độ nhớt, 10 -2 N.s/m2 20OC 40OC 60OC 70OC 20 40 60 70 1,96 6,21 58,93 485,0 1,19 3,29 21,19 114,80 0,81 0,91 9,69 39,10 0,59 1,32 5,22 16,90 2.1.2 . Tính chất hoá học của sacaroza: - Tác dụng của axit : Dưới tác dụng của axit, sacaroza bị thuỷ phân thành glucoza và fructoza theo phản ứng : [_H+ ] C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 sacaroza glucosa fructoza +66,50 52,5O - 93,0O Hỗn hợp có góc quay trái ngựơc với góc quay phải của sacaroza. Do đó phản ứng trên được gọi là phản ứng nghịch đảo và hỗn hợp gọi là đường nghịch đảo (chuyển hoá). - Tác dụng của kiềm: Phân tử đường sacaroza không có nhóm hidroxyt glucozit nên không có tính khử. Khi tác dụng với chất kiềm hoặc kiềm thổ, sacaroza tạo thành sacarat. Trong sacarat, hydro của nhóm hydroxyl được thay thế bởi kim loại. Như vậy trong môi trường này, có thể coi sacaroza như 1 axit yếu. Phản ứng tạo thành sacarat phụ thuộc vào: nồng độ của dung dịch, lượng kiềm và lượng sacaroza. Trong dung dịch đậm đặc và dư kiềm, sacaroza sẽ tạo nên nhiều sacarat: C12H22O11 + Na+ OH - HOH + NaC12H21O11 Khi tác dụng với vôi sẽ thu được các phức sacarat sau: C12H22O11 . CaO. H2O : monocanxi sacarat C12H22O11 . 2CaO. 2H2O : dicanxi sacarat C12H22O11 . 3CaO. 3H2O : tricanxi sacarat Hai dạng monocanxi và dicanxi dễ hòa tan trong nước, trong khi đó tricanxi rất ít hòa tan trong nước nên phản ứng tạo thành tricanxi sacarat được ứng dụng để lấy đường sacaroza khỏi rỉ đường của củ cải. Ở môi trường kiềm loãng và dung dịch đường lạnh, hầu như không có tác dung gì. Nếu kiềm đậm đặc, ở nhiệt độ thấp, đường cũng bị phân giải. Ở pH từ 8 đến 9 và đun nóng trong một thời gian dài, sacaroza bị phân hủy thành hợp chất có màu vàng và màu nâu Trong môi trường kiềm, ở nhiệt độ cao, đường bị phân huỷ tạo ra các axit và chất màu..v...v.. Tốc độ phân huỷ tăng theo độ pH. Ở nhiệt độ sôi (trong 1 giờ) và pH = 8 - 9, sacaroza chỉ bị phân huỷ 0,05%. Nếu cùng ở nhiệt độ trên nhưng với pH là 12 thì sự phân huỷ đó tăng 0,5 % ( hình 1.2) 8 13 9 10 11 12 pH 1.5 1.0 0.5 Đường bị phân hủy,% Hình 1.2 Sự phân huỷ sacaroza Sự phân huỷ và tạo thành các sản phẩm có màu thường do những phản ứng sau:-H2O -H2O -H2O -2H2O Sacaroza (không màu) Izosacaran (không màu) Caramenlan Ehrlich sacaran (màu đậm) Caramelan Caramelin (Schiff) -19nH2O Humin -H2O C12H22O11 C12H20O10 C12H18O9 C36H50O25 C36H48O24 C96H102O50 (C12H8O4)n Hoặc ( C3H2O) x Chất màu caramen được coi như là hợp chất humin. Đó là sự polyme hoá ở mức độ khác nhau của b- anhidrit. - Tác dụng của enzim: Dưới tác dụng của enzim invertaza, sacaroza sẽ chuyển thành glucoza và fructoza. Sau đó dưới tác dụng của phức hệ enzim, glucoza và fructoza sẽ chuyển thành ancol và CO2. men rượu C6H12O6 2 C2H5OH + CO2 glucoza hoặc fructoza 2.2 . Chất không đường: Trong ngành đường, người ta gọi tất cả những chất có trong nước mía trừ sacaroza, là chất không đường kể cả glucoza, fructoza và rafinoza. Chất không đường trong nước mía có thể chia như sau: - Chất không đường không chứa nitơ. - Chất không đường chứa nitơ. - Chất màu. Chất không đường vô cơ. 2.2.1. Chất không đường không chứa nitơ 2.2.1.1. Glucoza và fructoza . Thường còn được gọi là đường khử. Khi mía còn non, hàm lượng đường glucoza và fructoza trong mía tương đối cao. Khi mía chín, hàm lượng đó giảm đến mức thấp nhất. Tính chất lí hoc của glucoza và fructoza Độ hoà tan: của glucoza và fructoza tăng theo nhiệt độ. Độ hoà tan của glucoza kém hơn của sacaroza. Fructoza hoà tan nhiều trong nước. Độ hòa tan của một số loại đường được trình bày ở bảng 1.5. Bảng 1.5. Tính hòa tan của một số loại đường trong nước ở 20OC Đường Độ hòa tan, g/100g nước Sacaroza Fructoza Glucoza ( hydrat) Maltoza Lactoza 204 375 107 83 20 Độ ngọt : độ ngọt của fructoza lớn hơn của sacaroza và glucoza. Trong mía hàm lượng fructoza là ít nhất. Độ quay cực: Glucoza có góc quay phải .Góc quay cực của glucoza là: = 52,50 + 0,0188c + 0,000517 c2 trong đó c: Nồng độ glucoza trong nứơc ở giới hạn từ 0 - 35% trọng lượng, %. Fructoza có góc quay trái, góc quay cực của fructoza là : = - (91,5 + 0,133 c ) trong đó c: nồng độ fructoza , % trọng lượng. Tính chất hoá học của gflucoza và fructoza : H C O H C OH HO C H H C OH H C OH H2 C OH H C OH C OH HO C H H C OH H C OH H2 C OH H C O HO C H HO C H H C OH H C OH H2 C OH H2 C OH HO C H H C OH H C OH H2 C OH Manoza Fructoza C O Tác dụng của kiềm : Ở nhiệt độ thấp ( 600) trong môi trường kiềm loãng xảy ra sự đồng phân hoá theo sơ đồ phản ứng sau: Ở nhiệt độ cao và môi trường kiềm, glucoza và fructoza có thể bị phân huỷ và tạo thành một số sản phẩm như axit lactic, axit glucosacaric, axit formic, lacton. Những axit này lại kết hợp với vôi tạo thành muối hoà tan. Vì vậy khi dùng vôi xấu, hàm lượng muối can xi trong nước mía tăng. Trong môi trường kiềm, fructoza bị phân huỷ nhiều hơn glucoza. Vì vậy, trong sản phẩm đường, lượng glucoza thường nhiều hơn fructoza. Tác dụng của axit: trong môi trường axit, đường khử ổn định nhất là ở pH= 3 chứ không phải bằng 7. Nhưng trong môi trường axit và đun nóng, đường khử sẽ tạo thành oximetylfufurol và sau đó tạo thành axit levulic và axit focmic. Tác dụng của chất oxi hoa: Glucoza chỉ tác dụng với brom trong môi trường axit và với axit hipobromic trong môi trường kiềm. Phản ứng tiến hành như sau: RCHO + Br2 + H2O ® RCOOH + 2HBr RCHO + HBrO ® RCOOH + HBr Fructoza bị oxi hoá bởi brôm ở nhiệt độ cao và thời gian dài hơn so với glucoza. Tác dụng của nhiệt đô: Khi đun nóng ở nhiệt độ 160 - 170 0C , glucoza và fructoza bị mất một phần nước và tạo thành glucozan và fructozan. Nếu tiếp tục đun ở nhiệt độ cao, CO2 sẽ thoát ra , còn lại là than. Đối với fructoza , ở nhiệt độ 100OC, đã bị phân huỷ nên nhiệt độ mất nước của fructoza thấp hơn glucoza . 2.2.1.2 . Axit hữu cơ: Trong nước mía, các axit hữu cơ có thể ở dạng tự do, muối hoà tan hoặc không tan , trong đó axit tự do chiếm 1/3 lượng axit chung.Người ta đã tìm thấy nhiều loại axit trong nước mía hỗn hợp như: axit.aconitic, a.xitric, a. malic, a.oxalic, a.glicolic, a.mesaconic, a.suxinic, a.fumaric. v..v.. trong đó hàm lượng a.aconitic gấp 3 lần tổng lượng các axit.Vì vậy, người ta thu hồi axit này dưới dạng canxi aconitat.Ngoài ra a.oxalic là thành phần đóng cặn chủ yếu trong thiết bị bốc hơi và truyền nhiệt. Trong sản xuất đường, axit có tác dụng chuyển hóa sacaroza. 2.2.1.3 . Chất béo: Chất béo chủ yếu trong cây mía là sáp. Sáp thường tạo một lớp bao bọc ngoài cây mía. Trong sản xuất đường mía, gần 60-80% sáp theo bã mía, phần còn lại tồn tại trong bùn lọc. 2.2.2. Chất không đường chứa nitơ: Hàm lượng phụ thuộc vào mía, điều kiện đất đai, chế độ canh tác.Theo Spences và Meade, hàm lượng chất không đường chứa nitơ bao gồm: Anbumin và các chất tương tự 0,12% Axit amin 0,20% Amit 0,07% NH3 _ Nitrat 0,01% Phần lớn chất không đường chứa nitơ sẽ từ cây mía chuyển vào nước mía hỗn hợp .Đứng về quan điểm kĩ thuật, việc chuyển đó có ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm. và giảm hiệu suất thu hồi. 2.2.3. Chất màu: Chất màu trong cây mía có thể chia làm 2 loại: - Chất màu có trong bản thân cây mía. - Chất màu sinh ra trong quá trình sản xuất đường. * Chất màu có trong bản thân cây mía: ( phần lớn là chất màu thực vật) . Diệp lục tố a ( C55H72O5N4Mg) . Diệp lục tố b ( C55H70O4N4Mg) Diệp lục tố không tan trong nước và dung dịch đường nhưng tan trong ancol và kiềm. Do đó dễ loại ra khi làm sạch nứơc mía. . Xantophin : Màu vàng, có công thức C40H56O24 tan trong nước và dung dịch đường. Nó dễ bị loại ra trong quá trình sản xuất đường. . Caroten : Màu vàng, có công thức C40H56. Caroten không tan trong mía và dung dịch đường. . Antoxian: Thường gọi nhóm có màu xanh và tím dễ hoà tan. Chất màu xanh có tinh tan được tạo thành từ antoxianidin, glucoza và các đường khác. Trong dung dịch đậm đặc, antoxian chuyển thành đỏ tím.Theo Zerban và Frelanen thì anto xian thuộc nhóm poliphenol và chuyển thành màu sẫm khi phản ứng với các muối sắt. Trong giai đoạn cacbonat, antoxian bị loại hoàn toàn. Phương pháp sunfit hoá chỉ loại được một phần antoxian. * Chất màu sinh ra trong quá trình sản xuất đường: . Sự phân giải đường ở nhiệt độ cao kết hợp với quá trình ngưng tụ gọi là sự caramen hoá . Chất màu là caramen. . Phản ứng giữa cacbonyl với hợp chất chứa nhiều amin được gọi là phản ứng Maillard và chất màu là melanoidin. . Sự phân giải đường ở nhiệt độ hơi cao và trong môi trường kiềm. . Sự tạo thành hợp chất phức chất giữa poliphenol và ion kim loại nặng trước hết là Fe. Đối với sản xuất đường thường gặp chất màu melanoidin, caramen và poliphenol + Fe. . Chất màu phần lớn là hợp chất hữu cơ có nối đôi. Muốn biến thành chất không màu cần phá vỡ nối đôi. 2.2.4- Chất không đường vô cơ: Hàm lượng nó phụ thuộc giống mía, chế độ canh tác và điều kiện khí hậu. Các chất vô cơ chủ yếu trong nước mía hỗn hợp là K2O, Na2O, SiO2,, P2O5, Ca, Mg trong đó K2O chiếm lượng khá lớn.Trong quá trình làm sạch P2O5 có tác dụng tốt. Những chất còn lại đều là những chất có hại trong sản xuất đường. Kali và natri là nguyên nhân tạo mật cuối. Các chất khác như Ca, Mg, SiO2 là thành phần chủ yếu đóng cặn trong thiết bị bốc hơi và truyền nhiệt. Chương 2 : LẤY NƯỚC MÍA 1. Lấy nước mía bằng phương pháp ép Để lấy nước mía ra khỏi cây mía, hiện nay trong công nghiệp đường người ta sử dụng hai phương pháp: - Ép - Khuếch tán. Phương pháp ép vẫn được sử dụng phổ biến từ mấy trăm năm nay. Nguyên lí chung là xé và ép dập thân cây mía nhằm phá vỡ các tế bào để lấy nước mía. Ép mía là công đoạn đầu tiên của cả quá trình làm đường được chia làm các giai đoạn nhỏ như sau: - Vận chuyển, cấp mía vào máy ép. - Xử lí mía trước khi ép. - Ép dập. - Ép kiệt nhiều lần. Tổ hợp một số hệ máy ép hiện nay trên thế giới: 2K + 2R + 9R (12R) K + S + 2R + 9R (12R) 2K + S + 12R 2K + 3R + 9R(12R) K: Máy băm mía. R: Trục ép S: Máy đánh tơi. Máy băm mía, máy đánh tơi và ép dập là các bộ phận xử lí sơ bộ mía. 1.1. Vận chuyển và cấp mía vào máy ép: Mía được vận chuyển từ ruộng mía về bằng hệ thống đường sắt, đường thuỷ hoặc đường bộ được tập kết trên bãi rộng. Mía từ bãi được chuyển dần vào để ép. Thông thường sử dụng các phương tiện sau đây: cần cẩu hoặc cầu cẩu, xe goòng, băng xã mía, máy cào và băng chuyền mía. 1.2. Xử lí cây mía trước khi ép: Vỏ mía có lớp sáp, phấn. Cây mía cong, thẳng, dài ngắn khác nhau. Cho nên cần xử lí sơ bộ trước khi ép. Sau xử lí, tính chất vật lí của mía thay đổi. Tế bào mía bị phá vỡ, mía bị băm thành những sợi dài thích hợp cho vấn đề ép mía. Vậy mục đích của giai đoạn này là xử lý trước khi đưa vào máy ép để tạo điều kiện ép dễ dàng, nâng cao nâng suất và hiệu suất của công đoạn ép. Các thiết bị xử lí sơ bộ thường dùng là: Máy san bằng, máy băm, máy đánh tơi. 1.2 1. Máy san bằng: Máy dùng để san đều lớp mía vừa đổ xuống băng . Gồm 1 trục quay có từ 24 - 32 cánh cong được lắp trên đoạn băng ở đoạn bằng, quay ngược chiều với chiều băng mía đi. Tốc độ quay 40 - 50 vòng/phút. Tác dụng của thiết bị này không lớn lắm, công suất tiêu hao nhiều nên hiện nay các nhà máy đường hiện đại ít dùng. 1.2.2. Máy băm mía: Máy băm mía không thể thiếu được trong nhà máy Đường hiện đại. Hiện nay các dao băm thường được điều khiển bởi 2 môtơ: Môtơ điện ( hình 2.2) và tua bin hơi. Hình 2.2: Máy băm mía điều khiển bằng môtơ điện. Máy băm cây mía thành những mảnh nhỏ.phá vỡ các tế bào mía, san mía thành lớp dày ổn định trên băng, nâng cao mật độ mía trên băng từ 125 - 150 Kg/m3 lên đến 250 - 300kg/m3. Tác dụng chính: - Nâng cao năng suất ép do san mía thành lớp dày đồng đều, mía dễ được kéo vào máy ép không bị trượt, nghẹt. - Nâng cao hiệu suất ép, do vỏ cứng đã được xẻ nhỏ, tế bào mía bị phá vỡ, lực ép được phân bố đều trên mọi điểm nên máy ép làm việc ổn định và luôn đầy tải, nước mía chảy ra dễ dàng. * Số lượng dao băm và phương cách lắp đặt các dao băm: Hiện nay số lượng máy băm thường không quá hai máy. Lượng ép tăng nhưng không tăng tỉ lệ thuận với số máy băm. Một dao băm duy nhất khó có thể băm tốt hết bề dày lớp mía và băm vụn mía được. Theo nghiên cứu của Hugot, công suất tương đối của các hề thống ép có số dao băm khác nhau như trong bảng 2.1. Bảng 2.1. Công suất tương đối của các hề thống ép có số dao băm khác nhau Không có dao băm Có 1 dao băm Có 2 dao băm Công suất tương đối 1 1,15 1,20 Nếu hệ thống có 2 dao băm thì thường lắp đạt như sơ đồ hình 2.1. Hình 2.1. Cách lắp đặt hai dao băm 1.2.3 . Máy đánh tơi: Sau khi qua máy băm mía thành lớp, còn nhiều cây mía chưa được băm nhỏ, cần được qua máy đánh tơi để xé và đánh tơi ra để mía vào máy ép dễ dàng hơn, hiệu suất ép tăng lên. Nếu dùng máy đánh tơi, hiệu suất ép mía có thể tăng lên 1%. Nó làm tơi mía, nhưng không có tác dụng trích li nước mía. Máy đánh tơi dùng đầu tiên trên thế giới do Fiske phát minh vào năm 1886. Hiện nay trên thế giới dùng các máy đánh tơi: - Kiểu búa ( Gruendler) - Kiểu đĩa - Kiểu searby + Máy đánh tơi kiểu searby : Hiệu suất tăng 2,5 % với hệ máy ép 11 trục 1,25% với hệ máy ép 14 trục 10% với hệ máy ép 15 trục. Hiệu suất trích li nứoc mía: Có máy đánh tơi Không có máy đánh tơi Lượng ép (Tấn mía/h) 88 87,2 Đường trong bã (%) 2,55 3,05 Hiệu suất trich li(%) 93,55 92,25 Điều kiện thí nghiệm: 1 bộ ép dập : 1066,8 ´ 2209,8 mm 4 bộ ép nát : 914,4 x 2132,6mm + Máy đánh tơi kiểu búa: Được sử dụng ở nhà máy đường Quảng Ngãi và Bình Dương và được dùng phổ biến nhất hiện nay. Đây là một dạng máy đập bằng các búa xoay, lắp thành hàng song song xung quanh trục quay bằng thép, đặt trong vỏ máy hình trụ, mặt cắt ngang hình máng. Bên sườn trong của vỏ có gắn nhiều miếng sắt dọc theo thân máy và được coi là các tấm kê của búa đập. Mía đi vào cửa trên của máy và ra ở cửa dưới (hình 2.2). Búa đập quay với tốc độ khoảng 1200 vòng/phút, theo chiều chuyển động của mía. Khi lắp một máy đánh tơi kiểu búa, tỉ lệ tế bào mía bị xé là 85%. Nếu dùng hai máy, tỉ lệ này tăng lên 95%. Đối với dàn ép, thường dùng một máy. Hình 2.2: Máy đánh tơi kiểu búa lắc \+ Máy đánh tơi kiểu đĩa: Kiểu này gồm hai trục ghép lại bởi nhiều đĩa răng cưa hình nón, lắp từng đôi một úp vào nhau ( hình 2.3). Hai trục quay tốc độ khác nhau, do đó mía sẽ bị xé tơi. Hình 2.3: Máy đánh tơi kiểu đĩa. 1.2.4 . Máy ép dập: Ép dập vùa có tác dụng lấy nước mía, vừa làm cho mía dập vụn hơn, thu nhỏ thể tích lớp mía để cho hệ thống máy ép sau làm việc ổn định, tăng năng suất ép, tăng hiệu suất ép và giảm bớt công suất tiêu hao. Vì vậy máy ép dập có các đặc tính: . Mặt trục cần có răng để kéo mía . Mặt trục có tác dụng vừa làm dập, vừa đánh tơi và ép. . Tốc độ máy ép dập phải lớn hơn tốc độ máy ép phía sau.Thường lớn hơn 20% để thực hiện việc cung cấp mía. Nếu 2 tốc độ bằng nhau thì việc cung cấp mía không đều. Phân loại: Về cấu tạo, máy ép dập có nhiều loại nhưng phổ biến nhất là 2 loại: - Loại cấu tạo răng chữ nhân ( Krajewski) - Loaị cấu tạo răng chữ V ( Fulton) Trục ép dập kiểu Krajewski có những rãnh dày cong hình chữ Z dọc theo chiều dài trục cách đều nhau 15 cm. Mỗi trục có 15 hàng, mỗi hàng 5 -7 chữ Z. Góc giữa các răng 900. Trục ép dập kiểu Fulton (hình 2.4) được dùng thông dụng hơn cả. Khi ta cắt trục bằng 1 mặt phẳng dọc trục thì răng trục ở vết cắt có dạng hình chữ V. Góc mở hình chữ V bằng 600. Để trục kéo mía dễ dàng, ở trục đỉnh và trục trước, người ta đục những rãnh dọc theo thân trục cách nhau 20cm hình chữ nhân. Đỉnh chữ nhân ở giữa thân trục, góc mở của chữ nhân là 140 - 144 0. Góc răng càng nhỏ có tác dụng kéo mía dễ nhưng nhọn quá thì dễ gãy. So sánh giữa răng chữ nhân và chữ V: - Chữ V dùng 3 trục có lắp tấm dẫn mía. - Chữ nhân dùng 2 trục không lắp tấm dẫn mía. - Khi không có máy băm, mía vào cả cây, dùng chữ nhân kéo mía tốt hơn chữ V. Nếu có máy băm mía thì dùng chữ V tốt hơn, kéo và thoát mía dễ dàng. Hình 2.4. Trục ép dập kiểu Fulton So sánh về hiệu suất ép của 2 loại máy: Loại máy ép dập Hiệu suất ép (%) . Ép dập 2 trục ( chữ nhân) 40 - 50 . Ép dập 2 trục ( chữ V) 45 - 55 . 2 bộ ép dập ( 4 trục) 60 - 70 . Ép dập 3 trục 60 - 75 Loại máy chữ nhân dùng nhiều ở Hawai, Indonexia. Ngày nay gần như có ý nghĩa lịch sử. Loaị chữ V dùng nhiều ở Cuba, Philippin, Việt Nam. Trước đây máy ép dập thường dùng 2 trục, hiện nay dùng 3 trục, thậm chí 2 bộ trục để nâng cao năng suất và hiệu suất nhưng hiệu quả không lớn vì thường người ta có dùng máy băm. Do đó các nhà máy đường thường không dùng quá 2 bộ ép dập. 1.2.4 . Ép kiệt nhiều lần: Mục đích: Lấy kiệt lượng nước mía có trong mía tới mức tối đa cho phép vì ở bộ ép dập chỉ ép ra 1 lượng nước mía như sau: Ép dập 2 trục : 45 - 55 % nước mía có trong cây mía Ép dập 3 trục : 65 - 75% nước mía trong cây mía. Trong quá trình tiến bộ kĩ thuật, phương pháp ép thay đổi từ ép khô đến ép có phun nước thẩm thấu hoặc kết hợp ép và ngâm khuếch tán. Các loại máy ép cũng được cải tiến không ngừng. 1.2.4. 1. Cấu tạo máy ép Cấu tạo một bộ máy ép bao gồm các bộ phận chính: - Giá máy. - Các trục đỉnh, trục trước, trục sau. - Bộ gối đỡ trục và bộ điều chỉnh vị trí lắp trục. - Bộ phận nén trục đỉnh. - Tấm dẫn mía (lược đáy) và các lược khác. Giá máy: Giá máy là bộ khung chịu lực rất lớn khoảng 3500-7000at, thường đúc bằng thép trên đó lắp tất cả các chi tiết của máy. Giá máy có nhiều kiểu: kiểu đỉnh thẳng (hình 2.5), kiểu đỉnh nghiêng và kiểu cần nén cong (hình 2.6) Hình 2.5: Máy ép kiểu đỉnh thẳng Hình 2.6: Máy ép kiểu cần cong. (kiểu Fives Lille- Cail C46). Trục ép: Trục ép gồm có lõi trục bằng thép, một đầu gắn một bánh xe răng cao chân để truyền chuyển động, lồng chặt trong áo trục bằng gang đặc biệt. Đường kính ngoài áo trục thường bằng một nửa chiều dài trục. Ở hai đầu áo trục có vành chắn nước mía khỏi bắn vào cổ trục. Hình dáng và vị trí lắp của vành đó trên trục đỉnh và hai trục trước có khác nhau Thép làm lõi trục có thành phần: Ni= 3-4%, Cr = 0,5 - 1%, C = 0,2 - 0,45%. Hai cổ trục tròn, nhẵn bóng, đường kính bằng một nửa đường kính trục ép. Vỏ trục đúc bằng gang. Mặt vỏ trục được kẻ nhiều rãnh quanh trục để kéo mía và phân lớp mía tốt hơn, tạo thuận lợi cho các bộ ép sau, nâng cao hiệu suất lấy đường. Trên mặt trục còn có răng trục để tăng cường khả năng xé tơi mía, thường dùng răng coa cấu tạo chữ V nhưng kích thứơc răng nhỏ hơn máy ép dập. Ví dụ: Răng ép dập: H x t = 40 x 52 mm ép nát I H x t = 20 x 26 mm II H x t = 20 x 26 mm III H x t = 10 x 18 mm. Đối với trục đỉnh và trục trước, người ta còn đục những rãnh có hình chữ nhân chồng lên nhau cách đều khoảng 20cm để kéo mía dễ dàng. Ở trục trước và trục sau, để nước mía thoát nhanh và dễ dàng, người ta tiện thêm những rãnh sâu 25mm và rộng khoảng 5mm cách đều nhau, khoảng 4 răng tiện một rãnh sâu đối với trục trước và 6 răng đối với trục sau (đối với kích thước răng 10x13mm), bởi vì nước m,ía ở trục sau ít hơn ở trục trước. (Hình 2.7) Hình 2.7: Rãnh thoát nước mía. Ở hình 2.7, rãnh thoát nước mía, theo Hugot được gọi là messchaert, là những đường rãnh ( hay là con kênh) được tạo chung quanh lô ép vào, nhờ đó nước mía được thoát nhanh và thoát ra ở hai bên trục ép. Có 2 cách để tạo các messchaert : - Bằng cách bỏ một răng và thay bằng một messchaert ngay tại tâm của răng bị bỏ ( 9.10). - Hoặc giữa các răng, nhưng khoét messchaert giữa 2 răng ( 9.11). Bộ gối đỡ trục và điều chỉnh vị trí trục ép: Máy ép là một thiết bị làm việc nặng, trục quay với tốc độ chậm, nên hầu hết không đỡ trục bằng bi mà dùng các gối đỡ có đường dẫn nước làm nguội và được lót bằng vòng lót bằng kim loại mềm (đồng) có rãnh dẫn đầu bôi trơn thường xuyên. Bộ phận nén trục đỉnh: Còn gọi là bình tụ sức, tạo ra lực nén trên trục đỉnh, tăng khả năng lấy nước mía. Lực ấy có thể: - Lực do lò xo: Thiết bị nén lò xo. Ở thiết bị này, lớp mía chịu lực không đều. Mặt khác, sau khi dùng một thời gian, tính chất đàn hồi của lò xo giảm hoặc bị gãy. Hệ thống này hiện nay vẫn được dùng ở các che ép bé ( hình 2.8). Hiện nay các nhà máy lớn đều thay bằng lực nén thuỷ lực. - Lực nén thủy lực: có ưu điểm là giữ được lực nén ổn định, không phụ thuộc vào độ nâng của che ép. Lực nén thủy lực được tạo nhờ các ống dẫn dầu dưới áp lực (hình 2.9) và được phát ra từ bình tụ sức. Nguyên tắc làm việc: Cút-xi-nê ở phía trên của trục ép có thể “trượt “trong chóp nón của giá máy. Các cút-xi-nê này tiếp nhận lực nén của pittong thủy lực, trực tiếp hay qua miếng đệm pittong trượt trong chóp nón (hình 2.10). Hiện nay có các kiểu bình tụ sức sau: + Bình tụ sức bằng gang ( hình 2.9) + Bình tụ sức có bình chứa dầu hoặc khí nén Hình 2.8: Lực nén lò xo. Hình 2.9. Lực nén thủy lực Hình 2.10. Mặt cắt một chóp nón + Bình tụ sức dầu khí nén một bên: Ngay bên cạnh chóp nón của che ép 1, đặt một bình áp lực chứa một quả bóng bơm đầy khí nitơ. Quả bóng này được phồng lên hay xẹp xuống khi pittông thủy lực nâng lên hay hạ xuống ( hình 2.11) Hình 2.11. Bình thủy lực dầu khí Evard có bong bóng nitơ - Ở thiết bị nén bằng dầu và khí nén, sự chuyển dịch áp lực dầu từ thiết bị nén dầu ở trục đỉnh tuân theo định luật Pascal. Dựa vào tỉ lệ giữa tiết diện của buồng dầu ở trục đỉnh và cột dầu của thiết bị nén dầu, có thể tìm được lực nén của máy ép. Sự phân bố áp lực ở các trục: + Ở trục đầu tiên, áp lực trục đỉnh là P0. Ở trục đầu mía còn gồ ghề, rỗng, khó vào trục ép nên lực ở đây không được quá lớn. + Ở trục 2 P1, lớp mía đã tương đối bằng phẳng, cần lấy nước mía nhiều hơn nên P1 > P0. Phạm vi áp lực 18- 30 T/dm3 dựa vào nguyên liệu, động lực . Các phương pháp phân phối: + Tăng áp lực dần từ đầu đến cuối. + Giảm áp lực dần từ đầu đến cuối . + Ap lực giữa các bộ trục bằng nhau. Thường dùng phương pháp thứ nhất có hiệu suất tốt. Sự phân phối áp lực ở 1 số nhà máy: Ép dập I II III Van điểm 170 195 210 235 Kg/cm2 Việt Trì 60 68 64 72 Kg/cm2 b . Tốc độ máy ép: Tốc độ không chỉ có tác dụng hoàn thành chỉ tiêu sản xuất mà còn có tác dụng nâng cao năng suất và công suất máy ép. Tốc độ có thể biểu thị bằng 2 cách: Tốc độ dài : V = P D n (m/phút) D: đường kính trục ép (m) Tốc độ vòng : n = V/ P D Tromp đưa ra công thức kinh nghiệm: V £ 18 D Û n < 18/P = 5,73 v/p Đối với máy ép thông thường dùng n ³ 5,73 v/p Đối với máy ép chế tạo không tốt n < 5,73 v/p Tốc độ chậm : n = 3v/p ( 6-7 m/s) trung bình : n = 5 v/p ( 8-12 m/s) nhanh : n= 7 v/p (15 m/s) Xu hướng hiện nay dùng tốc độ chậm khoảng 3 vòng/phút (trong thiết kế dùng 2,7¸ 3 vòng/phút là được). Bố trí tốc độ các sản phẩm : Tốc độ giảm dần Tốc độ tăng dần Tốc độ bằng nhau. Hiện nay thường bố trí các trục ép sau nhanh dần. c . Năng suất của hệ máy ép: Định nghĩa : Năng suất hệ máy ép là số tấn mía ép được trong 1 đơn vị thời gian. Đơn vị là Tấn mía/ngày hoặcTấn mía/giờ. Công thức tính năng suất C = Trong đó: 0,55 : hệ số xử lí c, : hệ số xử lí sơ bộ trước khi ép. Đối với hệ ép có 2 dao băm c, = 1,15 ¸ 1,20 L : Chiều dài trục (m) D : Đường kính trục ép (m). N : Số trục ép f : thành phần xơ trong mía (%). Nứơc ta : f : 11 ¸ 12 %, Châu Phi : f : 15 ¸ 17 % d . Công suất của hệ máy ép: Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất ép: Trở lực ma sát giữa trục ép và mía lúc ép. Trở lực ma sát lúc động cơ truyền lực bánh xe răng. Trở lực ma sát giữa các gối trục (cutxinê) và cổ trục lúc máy ép làm việc. Trở lực ma sát lúc trục đỉnh lên xuống. Trở lực ma sát lúc mía đi qua tấm dẫn mía. Để khắc phục các trở lực trên công cần ép mía phải gồm: Công dùng ép mía N1. Công khắc phục ma sát giữa trục và 2 gối trục N2. Công khắc phục ma sát của lược đáy N3 Công khắc phục ma sát của lực truyền động N4. Công suất cần thiết của 4 bộ phận trên được tính như sau: N1 = 0,082 PD3/2 n N2 = 0,0525 PD n N3 = 3,35 D2 L n N4 = ( N1 + N2+ N3 ) 0,22 Trong đó D: Đường kính trục ép,m L: Chiều dài trục ép,m P: Lực nén của ổ trục đỉnh, N. N: Tốc độ vòng quay v/p. e. Hiệu suất ép: Hiệu suất ép là số liệu quan trọng để đánh giá khă năng làm việc của phân xưởng ép. Hiện nay hiệu suất ép thường đạt từ 92 - 96%. Trong sản xuất tính như sau: Hiệu suất ép thực tế Lượng nước mía hỗn hợp x Pol nước mía hỗn hợp x 100 Lượng mía ép x Pol cây mía 1.2.5. Thẩm thấu: Do đặc tính của nước mía không thể thuần túy dùng lực cơ học để lấy hết phần đường trong mía.Do đó phải dùng phương pháp thẩm thấu: mía bị ép, màng tế bào mía bị tách và tế bào bị ép lại, nước mía chảy ra.Sau khi ra khỏi máy ép, tế bào nở lại, có khả năng hút nước mạnh, nên người ta đã phun nước vào lớp bã để hoà tan đường còn lại trong tế bào và khi qua lần ép sau nước đường loãng đó lấy ra.Và làm như vậy tới khi đường được lấy ra tới mức cao nhất. Các phương pháp thẩm thấu: -Thẩm thấu đơn: Chỉ dùng nước thẩm thấu 1 lần, 2 lần, 3 lần -Thẩm thấu kép: vừa phun nước lã vừa sử dụng lại các loại nước mía loãng để làm nước phun vào bã của các máy trước dựa trên nguyên tắc Nước nhiều đường phun vào bã chứa nhiều đường, nước ít đường phun vào bã chứa ít đường (hình 2. 12) Hình 2.12: Sơ đồ thẩm thấu kép Các điều kiện kĩ thuật của phun nước thẩm thấu: - Lượng nước 20 ¸ 30 % so với mía. Nếu nước > 30%,hiệu suất ép tăng ít nhưng do tưới nước nhiều gây ma sát trượt ảnh hưởng đến sản phẩm, và tưới nước nhiều tổn hao năng lượng. - Ap lực phun nước thẩm thấu: Ap lực phun càng lớn càng tốt vì nước dễ dàng thấm tận xuống đáy băng chuyền (2- 3 kg/cm2). - Nhiệt độ : Khoảng 45 - 470C Nhiệt độ thẩm thấu càng cao, sự chuyển động của các phân tử càng nhanh, sự hỗn hợp của các phân tử đường càng tốt.Nhưng nhiệt độ cao, sacaroza bị chuyển hoá , các chất không đường trong nước mía bị phân huỷ nhiều. Ở nhiệt độ cao bã mía bị trương nở nhiều, thể tích bã tăng nên lượng bã đi vào máy ép lớn. - Thời gian thẩm thấu: Bã mía có tính đàn hồi nên sau khi tế bào mía bị phá vỡ, nước mía thoát ra tạo thành những lỗ hổng ở trạng thái không cân bằng. Nếu thẩm thấu chậm, không khí lọt vào khó ép. Do đó cần thẩm thấu ngay sau khi nước mía ra khỏi máy ép. 2 . Lấy nước mía bằng phương pháp khuếch tán: Khuếch tán là một hiện tượng trong đó hai dung dịch có nồng độ khác nhau tập trung lại sát bên nhau, hoặc chẳng hạn chỉ cách nhau bởi một màng mỏng, tự trao đổi với nhau bằng thẩm thấu xuyên qua màng mỏng ấy. Nếu là hai dung dịch cùng một chất thì sự trao đổi kéo dài cho đến khi cả hai bên màng mỏng nồng độ bằng nhau. Ở nhà máy đường, khuếch tán là hiện tượng trong đó những tế bào của củ cải hay của mía ngâm vào trong nước hay trong một dung dịch có nồng độ đường thấp hơn nồng độ đường của củ cải hay của mía, nhường lại cho nước hay cho dung dịch đó một phần hay tổng lượng đường có trong đo. Phương pháp khuếch tán được dùng nhiều năm trong tất cả các nhà máy đường củ cải. Đối với mía thì phương pháp này mới được dùng gần đây. Sau thế chiến I, nhờ thành công trong việc nghiên cứu thiết bị khuếch tán liên lạc, có tác dụng thúc đẩy việc nghiên cứu hệ khuếch tán mía. Từ năm 1950 trở lại đây, nhiều thiết bị khuếch tán đã được dùng cho mía. Tuy nhiên việc khuếch tán củ cải và mía không hòan toàn giống nhau. Ở nhà máy đường củ cải chỉ cần dùng thiết bị khuếch tán là đủ, nhưng mía, do tính chất của mía, cần phải dùng 1 số máy ép để xử lí trước và sau khuếch tán. Qua thí nghiệm, thấy rằng khi cắt lát má và củ cải thành từng lát có kích thước tương tự và ngâm trong nước có nhiệt độ 750C, thì thời gian khuếch tán của lát mía so với lát củ cải tăng gấp ba lần. Vì vậy, cần phải có dao băm mía, máy ép dập, máy đánh tơi v.v.. để phá vỡ tế bào mía, ép một phần nước mía, sau đó dùng thiết bị khuêch tán để lấy phần nước mía còn lại. Như vậy, thiết bị khuếch tán chỉ thay thế mấy bộ trục ép ở giữa công đoạn ép nên có thể coi đó là phương pháp kết hợp giữa ép và khuếch tán. 2.1. Sự tổ hợp các hệ khuếch tán ở 1 số nước trên thế giới: Hình 2.13. Sơ đồ tổ hợp của các loại thiết bị khuếch tán Các hệ khuếch tán mía của các nước khác nhau trên thế giới (hình 2.13) nói chung bao gồm việc xử lý mía, khuếch tán mía, ép nước ra khỏi bã mía và xử lý nước ép. Để xử lý mía có thể dùng máy băm mía, máy ép dập hoặc thiết bị đánh tơi hoặc có nơi dùng kết hợp các thiết bị trên. Còn để khuếch tán mía có hai hệ khuếch tán chủ yếu: Khuếch tán mía và khuếch tán bã mía . Khuếch tán mía: Cây mía được xử lý sơ bộ nhưng giữ nguyên trọng lượng và toàn bộ đường trong đó đi vào thiết bị khuếch tán. . Khuếch tán bã: Sau khi xử lý, mía được qua máy ép để ép 65- 70% đường trong mía, còn lại 30 - 35% đường trong mía đi vào thiết bị khuếch tán. Với hệ khuếch tán bã, mía được chuẩn bị tốt hơn và giảm được tổn thất đường do tác dụng của vi sinh vật hơn khuếch tán mía, thời gian khuếch tán ngắn hơn vì chỉ cân khuếch tán 30% tổng lượng đường có trong mía. 2.2 . Sơ đồ các hệ khuếch tán điển hình: Dưới đây là sơ đồ khuếch tán bã và khuếch tán mía với cách xử lý nước ép khác nhau: 2.2.1. Sơ đồ 1: Trích ly trước và xử lý nước ép Mía Máy băm mía Thiết bị đánh tơi Máy ép 3 trục Nước ép Tách nước từ bã ướt Bã Đun nóng và cho vôi Thiết bị lắng Bùn Thiết bị lọc Khuếch tán Nước mía hỗn hợp Nước mới Hình 2.14: Trích ly trước và xử lý nước ép. 2.2.2. Sơ đồ 2: Không trích ly trước và không xử lý nước ép Bã Mía Máy băm mía Ep dập 3 trục Nước ép Tách nước từ bã ướt Đun nóng và cho vôi Thiết bị khuếch tán Nước khuếch tán Nước mới Nước ép Nước mía hỗn hợp Hình 2.15: Không trích ly trước và không xử lý nước ép. 2.2.3. Sơ đồ 3: Không trích ly trước và có xử lý nước ép. Sơ đồ 3không trích ly trước và có xử lý nước ép được trình bày trên hình 2.16 Mía Máy băm mía Thiết bị đánh tơi Nước ép Tách nước từ bã ướt Bã Đun nóng và cho vôi Thiết bị lắng Thiết bị lọc Thiết bị khuếch tán Nước khuếch tán Nước mới Bốc hơi Hình 2.16: Không trích ly trước và có xử lý nước ép. 2.3. Một số thiết bị khuếch tán: 2.3.1.Thiết bị khuếch tán SMET Hình 2.17. Thiết bị khuếch tán của SMET Thiết bị khuếch tán của Smet ( hình 2.17) gồm có một bồn dài trong đó có một băng tải ngang được chất đầy bã mía khô với độ dày nhất định. Phía trên lớp bã mía được tưới rất nhiều nước. Phía dưới băng tải, dọc theo chiều dài băng tải là một vĩ lưới bằng thép không rỉ để lấy nước mía chảy ra từ lớp bã đã được tưới nước trên. Dưới vĩ lưới, phía dưới đáy cùa bồn có 11 hay 17 phễu hứng nước khuếch tán đặt cạnh nhau. Nước khuếch tán thu nhận từ mỗi phễu được bơm đi trả về phếu đặt trước nó, sao cho nước khuếch tán chảy ngược từ phía cửa ra bã về cửa vào. Nghĩa là có sự trích ly bằng dòng nước ngược chiều lại. Cứ như vậy sau 9 hoặc 15 lần dung dịch nước mía được khuếch tán qua bã, nước khuếch tán cuối cùng được thu nhận ở phếu thứ nhất ngay đàu vào và được mang đi gia nhiệt trước khi đi công đoạn tiếp theo. Còn bã ướt, sau khi ra khỏi thiết bị khuếch tán được qua bộ phận xử lý bã và nước ép sau khi xử lý được đưa trở về thết bị khuếch tán làm nước tưới bã. 2.3.2. Khuếch tán BMA: Thiết bị khuếch tán BMA được sử dụng để lấy nước mía bằng 2 cách là khuếch tán mía (hình 2.18) và khuếch tán bã (hình 2.19). Đó là những máng nằm ngang hình chữ nhật đáy có lưới sàng dính liền và một hệ thống dây xích đặc biệt được thiết kế để đảm bão việc trích ly nước mía một cách triệt để. Một ưu thế của thiết bị khuếch tán loại này là có lắp đặt 2 hàng vis khuấy đảo (hình 2.20) để tăng cường hiệu suất trích ly nước mía. Hình 2.18. Sơ đò khuếch tán mía của BMA Hình 2.19. Sơ đồ khuếch tán bã mía của BMA Hinh 2.20. Bên trong của một thiết bị khuếch tán BMA - vis khuấy đảo 2.4. So sánh phương pháp ép và khuếch tán: + Hiệu suất ép : Hệ máy ép cồng kềnh, tiêu hao năng lượng lớn và công suất lớn. Phương pháp ép không thể lấy hoàn toàn nước mía trong cây mía vì trong quá trình ép, bã mía có khả năng hút lại những phần nước mía đã ép lại. Hiệu suất ép chỉ đạt 97%. Hiệu suất lấy nước mía bằng phương pháp khuếch tán đạt 98 ¸ 99%. + Về tổng hiệu suất thu hồi đường: Qua nghiên cứu tổng hiệu suất thu hồi đường 2 phương pháp trên ở một số nước như Péru, Nam Phi..v..v..người ta kết luận: Hiệu suất thu hồi đường bằng phương pháp khuếch tán tốt hơn phương pháp ép (hình 2.17). Phương pháp ép Phương pháp khuếch tán Hình 2.21: Sự phân bố thành phần đường (Pol) của phương pháp ép và khuếch tán. + Về tiêu hao năng lượng : Theo tài liệu Ai Cập, năng lượng tiêu hao cho 1 hệ khuếch tán 2000 tấn/mía ngày là 132.480W. Với công suất trên, tiêu hao năng lượng cho bộ máy ép phải là 438.160W. Do đó dùng phương pháp khuếch tán tiết kiệm được 305.680W. Theo Bairov, 1 phân xưởng ép có 18 trục, nếu thay một thiết bị khuếch tán có thể giảm được 9 trục. Hiệu suất lấy đường cao hơn, cứ 100kg mía tăng được 0,5kg đường thu hồi. Một nhà máy đường năng suất 4000tấn mía/ngày. Nếu tăng thêm 2 thiết bị khuếch tán thì có thể xử lí 8000 tấn mía/ngày mà công suất chỉ cần tăng không quá 515.400 W. + Vốn đầu tư: Theo tài liệu của công ty BMA (Đức), vốn đầu tư của nhá máy đường dùng phương pháp khuếch tán với công suất 500 tấn mía/ngày có thể giảm 30% vốn đầu tư so với nhà máy đường dùng phương pháp ép. So sánh vốn đầu tư của nhà máy 1500 tấn/ngày theo phương pháp khuếch tán so với phương pháp ép: - Hiệu suất lấy đường tăng 2,5% . - Tổng thu hồi đường tăng 1,24% - Tỉ lệ đường thành phẩm trên mía tăng 0,61%. - Số lượng đường tăng trong 1 vụ là 32.635tấn/vụ. - Chi phí vốn đầu tư giảm 3-5% tức là 129.462 đôla. - Tiết kiệm điện và nhiệt 30%. - Tiết kiệm lao động 50%, tiết kiệm bao bì 50%. + Tồn tại của 2 phương pháp: Phương pháp khuếch tán: Tăng nhiên liệu dùng cho bốc hơi. Tăng chất không đường trong nước mía hỗn hợp, do đó tăng tổn thất đường trong mật cuối. Phương pháp ép: Trục ép là thiết bị thô kệch nặng nề. Lõi trục ép làm bằng thép hợp kim đắt tiền. Giá tiền chế tạo, sửa chữa, bão dưỡng nhiều. Tiêu hao nhiều năng lượng. Tổng hiệu suất thu hồi ít. Từ những so sánh trên cho thấy phương pháp khuếch tán có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp ép. Chương 3: LÀM SẠCH NƯỚC MÍA 3.1. Mục đích của làm sạch nước mía: Thông thường nước mía hỗn hợp (NMHH) có nồng độ chất khô hoà tan Bx = 13 -15%. Độ tinh khiết của nước mía hỗn hợp AP = 82¸ 85%. Ngoài đường sacaroza, trong NMHH còn những chất không đường có tính chất lí hoá khác nhau, trong đó chất keo chiếm 1 tỉ lệ đáng kể (0,03 - 0,5%). Khi thao tác không bình thường, ví dụ, ở nhiệt độ cao, chất không tan biến thành chất tan, và như vậy làm tăng hàm lượng keo trong dung dịch. Hoạt động của vi sinh vật trong nước mía cũng tạo nên các chất keo khác nhau, đặc biệt levan và dextan. Chất keo gây nhiều ảnh hưởng không tốt đối với sản xuất đường: lọc nước mía, phân mật và kết tinh đường khó khăn, nước mía có nhiều bọt, giảm hiệu suất tẩy màu, tinh chế đường thô khó khăn Sự có mặt của những chất không đường trong nước mía dẫn đến sự bốc hơi, kết tinh đường khó khăn và không kinh tế. Chất không đường làm tăng độ hoà tan của đường sacaroza, tăng mật cuối, tăng tổn thất đường trong mật cuối. Trong nước mía còn có vụn mía, khi đun nóng chúng kết tụ lại.Tất cả những chất không đường đó cần loại ra khỏi nước mía hỗn hợp. Nước mía hỗn hợp có tính axit gây nên chuyển hoá đường sacaroza. Do đó cần trung hoà nước mía. Vậy mục đích chủ yếu của làm sạch NMHH Loại tối đa chất không đường ra khỏi nước mía hỗn hợp đặc biệt là những chất có hoạt tính bề mặt và chất keo. Trung hoà nước mía hỗn hợp. Loại tất cả những chất rắn dạng lơ lửng trong nước mía. 3.2. Cơ sở lí thuyết của làm sạch nước mía: 3.2.1. Tác dụng của pH: Nước mía hỗn hợp có pH = 5 ¸ 5,5. Trong quá trình làm sạch, do sự biến đổi của pH dẫn đến các quá trình biến đổi hoá lí và hoá học các chất không đường trong nước mía và có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả làm sạch. Việc thay đổi pH có tác dụng sau: 3.2.1.1. Ngưng kết chất keo: Chất keo trong nước mía chia làm 2 loại : keo thuận nghịch và keo không thuận nghịch .Keo không thuận nghịch là keo khi đã bị ngưng tụ (ví dụ, dưới tác dụng của nhiệt), nếu thay đổi điều kiện của môi trường không có khả năng trở lại trạng thái keo ban đầu. Keo thuận nghịch là keo khi đã bị ngưng tụ nhưng nếu thay đổi điều kiện môi trường, có khả năng trở lại trạng thái ban đầu. Trong NMHH tồn tại 2 loại keo: keo ưa nước và keo không ưa nước. Đa số keo trong nước mía đều có tính ưa nước, mức độ ưa nước của chúng cũng khác nhau. Dưới tác dụng của vi sinh vật, trong nước mía sản sinh các loại keo có tính nhớt và ưa nước như glucozan và levulozan. Keo tồn tại trong nước mía và ở trang thái ổn định khi keo mang điện tích hoặc có lớp nước bao bọc bên ngoài. Nếu vì 1 nguyên nhân nào đó, keo mất các tính chất trên và sẽ bị ngưng kết. Để ngưng kết keo, thường cho vào nước mía những chất điện li để thay đổi pH của môi trường. Dưới điều kiện pH nhất định, keo hấp phụ chất điện ly và dẫn đến trạng thái trung hoà điện. Lúc đó, keo mất trạng thái ổn định va ngưng kết. Ở trị số pH làm chất keo ngưng kết gọi là pH đẳng điện. Điểm đẳng điện của các chất keo khác nhau thì khác nhau. (pHanbumin = 4,6 ¸ 4,9 ; pHasparagin = 3...) Ở pH đẳng điện, đối với keo ưa nướcvà không ưa nước, sản sinh tác dụng trung hoà điện theo sơ đồ sau: Keo ưa nước Keo ngưng tụ Kết tủa Keo không ưa nước Mất nước Mất nước Trung hòa điện Hình 3.1: Sơ đồ tác dụng trung hoà điện của chất keo Ở nước mía có 2 điểm pH làm ngưng tụ chất keo: pH trên dưới 7 và pH trên dưới 11. Điểm pH trước là điểm pH đẳng điện. Điểm pH sau là điểm ngưng kết của protein trong môi trường kiềm mạnh. Điểm này không gọi là điểm đẳng điện vì lúc đó trong nước mía có đường sa ca roza và lượng vôi nhiều sẽ tạo thành hợp chất có tính hấp phụ protein tạo thành kết tủa. Sản xuất đường theo phương pháp cacbonat hoá có thể lợi dụng 2 điểm ngưng tụ keo. Đối với phương pháp sunfit hoá chỉ lợi dụng được một điểm ngưng tụ. 3.2.1.2 . Làm chuyển hoá đường sacaroza: Khi nước mía ở môi trường axit (pH< 7) sẽ làm chuyển hoá đường sacaroza và tạo thành hỗn hợp đường glucoza và fructoza gọi là phản ứng nghịch đảo: [H+ ] C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 sacaroza glucoza fructoza Tốc độ chuyển hoá tăng theo sự tăng nồng độ [_H+ ] trong nước mía, nếu nồng độ H+ trong nước mía càng lớn thì tốc độ chuyển hoá càng nhanh. Mặt khác, các axit khác nhau sẽ làm chuyển hoá sac a roza với tốc độ khác nhau. VD: Nếu lấy tốc độ chuyển hoá sacaroza của HCl là 100 thì tốc độ chuyển hoá của các axit khác như ở bảng 3.1 Bảng 3.1. Tốc độ chuyển hoá sacaroza của các axit khác nhau Tên axit Tốc độ chuyển hoá Tên axit Tốc độ chuyển hoá HCl H2SO3 ( COOH )2 H3PO4 Axit tactric A xit nitric 100,0 30,4 18,60 6,20 3,08 1,72 Axit focmic. Axit malic. Axit lactic. Axit suxinic. Axit axetic. 1,53 1.27 1,07 0,55 0,40 Tốc độ chuyển hoá sacaroza còn phụ thuộc vào nồng độ đường, nhiệt độ và thời gian. Khi nồng độ đường, nhiệt độ và thời gian tăng thì tốc độ chuyển hoá tăng (hình 3.2). Hình 3.2: Sự phụ thuộc chuyển hoá sacaroza vào nhiệt độ và pH Đường bị chuyển hoá không chỉ gây tổn thất đường mà còn giảm độ tinh khiết của mật chè và ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh đường.Sự tồn tại của glucoza và fructoza trong mật cuối là hậu quả của sự chuyển hoá sacaroza. 3.2.1.3. Làm phân huỷ sacaroza: Trong môi trường kiềm, dưới tác dụng của nhiệt, đường sacaroza bị phân huỷ. Khi pH càng cao, ượng chất phân huỷ càng lớn. Sản phẩm phân huỷ của sacaroza rất phức tạp: fufurol, 5-hidroximetyl -fucfurol, metylglioxan, glixeandehyt, dioxiaxeton, axit lactic, axit trioxiglutaric, axit trioxibuteric, axit axetic, axit focmic..v..v.. Những sản phẩm đó có thể tiếp tục bị oxi hoá dưới tác dụng của oxi không khí. 3.2.1.4. Làm phân huỷ đường khử: Trong nước mía hỗn hợp có chừng 0,3 ¸ 2,4% đường khử. Khi nước mía ở môi trường axit, sự tồn tại của đường khử tương đối ổn định. Ở pH = 3 đường khử ổn định nhất. Nếu pH của nước mía hay dung dịch đường vượt quá 7 sẽ phát sinh các phản ứng phân huỷ đường khử, sự phân huỷ này dựa vào pH hay nhiệt độ. Tốc độ phân huỷ của đường khử trong nước mía tương đối chậm. Hình 3.3cho thấy sự phân huỷ đường khử phụ thuộc vào pH khác nhau, khi trị số pH càng cao, tốc đô phân huỷ càng lớn. Hình 3.3. Anh hưởng của pH đến sự phân huỷ đường khử ( nhiệt độ : 1000C, thời gian: 1h) Sản phẩm phân huỷ của đường khử tương tự sản phẩm phân huỷ của sacaroza. 3.2.1.5. Tách loại các chất không đường: Đối với pH khác nhau, có thể tách loại được các chất không đường khác nhau. Hình 3.4 cho thấy quan hệ giữa hiệu suất tách loại chất không đường ở các pH khác nhau: Khi pH = 7 -10, các muối vô cơ của Al2O3 , P2O5, SiO2, Fe2O3, MgO dễ bị tách loại trong đó Al2O3, P2O5, SiO2 có thể bị loại hơn 95%, còn Fe2O3, MgO có thể bị loại đến 60%. Khi pH khoảng 7,0, tách loại được 50% chất keo (pentozan). Khi pH khoảng 5,6 trên 98% protein có thể bị tách loại, nếu vượt quá trị số pH đó, hiệu quả tách loại rất thấp. Hình 3.4: Quan hệ giữa pH và hiệu quả tách loại chất không đường. Khi chọn pH thích hợp để loại chất không đường, không nên tách loại đơn độc từng chất mà phải xét 1 cách toàn diện để tách loại nhiều chất không đường. Hiệu quả tách loại chất không đường còn phụ thuộc vào giống mía và hiệu quả làm sạch có thể biểu thị bằng hiệu quả loại chất không đường. 3.2.2 . Tác dụng của nhiệt độ: Phương pháp dùng nhiệt để làm sạch nước mía là một trong những phương pháp quan trọng. Để đảm bão chất lượng sản phẩm và nâng cao hiệu suất thu hồi đường cần khống chế điều kiện nhiệt độ. Khống chế nhiệt độ tốt sẽ thu được những tác dụng chính sau: Loại không khí trong nước mía, giảm bớt sự tạo bọt. Tăng nhanh các quá trình phản ứng hoá học. Ví dụ: Tạo thành CaSO3 và CaCO3 kết tủa, trong các phương pháp làm sạch. Có tác dụng diệt trùng, đề phòng sự lên men axit và sự xâm nhập của vi sinh vật vào nước mía. Nhiệt độ tăng cao làm tỉ trọng nước mía giảm, đồng thời làm chất keo ngưng tụ, tăng nhanh tốc độ lắng của các chất kết tủa. Nếu khống chế nhiệt độ không tốt thường gặp các trường hợp không tốt sau: + Nước mía ở pH = 5 ¸ 5,5 có tính axit, dưới tác dụng nhiệt, đường sacaroza bị chuyển hoá tăng tổn thất đường. + Nếu thời gian tác dụng nhiệt kéo dài, và ở nhiệt độ cao thường sinh ra hiện tượng caramen hoá ảnh hưởng đến màu sắc của nước mía, làm nước mía có màu sẫm. + Trong NMHH có chứa hàm lượng đường khử nhất định, dưới tác dụng của nhiệt độ, đặc biệt ở nhiệt độ cao, đường khử bị phân huỷ tạo các chất màu và các axit hữu cơ. + Đun nóng nước mía có tác dụng thuỷ phân vụn mía, sản sinh chất keo. 3.2.3. Tác dụng của các chất điện ly 3.2.3.1. Vôi : Vôi là hóa chất quan trọng được dùng nhiều trong sản xuất đường. Các phương pháp sản xuất đường hiện nay đều dùng vôi. Vôi là chất vô định hình có độ phân tán cao. Khi hòa tan trong nước có tính chất keo. Độ hòa tan của vôi trong nước còn giảm khi nhiệt độ tăng. Herzfelt tìm được công thức độ hòa tan của vôi phụ thuộc vào nhiệt độ: Z = 0,1394 - 0,000649t - 0,00000157t2 Trong đó: Z : độ hòa tan của vôi t : nhiệt độ, OC. Ngoài ra độ hòa tan của vôi còn phụ thuộc vào hàm lượng chất khô của dung dịch, nồng độ đường sacaroza và chất không đường. Độ hòa tan của vôi tăng khi nhiệt độ giảm và nồng độ của đường và chất không đường tăng. Tác dụng của vôi - Trung hòa các axit hữu cơ và vô cơ. - Tạo các điểm đẳng điện để ngưng kết các chất keo. - Làm trơ phản ứng axit của nước mía hỗn hợp và ngăn ngừa sự chuyển hóa đường sacaroza. - Kết tủa hoặc đông tụ những chất không đường, đặc biệt protein, pectin, chất màu và những axit tạo muối không tan. - Phân hủy một số chất không đường, đặc biệt đường chuyển hóa, amit. Do đó để hạn chế sự phân hủy đường cần có những phương án cho vôi thích hợp: cho vôi vào nước mía lạnh, cho vôi vào nước mía nóng, cho vôi phân đoạn ... - Tác dụng cơ học: Những chất kết tủa được tạo thành có tác dụng kéo theo những chất lơ lửng và những chất không đường khác. - Sát trùng nưóc mía: Với độ kiềm khi có 0,35% CaO, phần lớn vi sinh vật không sing trưởng. Tuy nhiên có trường hợp phải dùng đến lượng 0,8% CaO. * Tác dụng của ion Ca2+ - Những phản ứng do tác động của ion Ca2+ thuộc loại phản ứng kết tủa và đông tụ. Ion Ca2+ có thể phản ứng với những anion để tạo ra muối canxi là những chất không tan: Ca2+ + 2A- = CaA2 Trong đó A: anion. Tùy theo độ hòa tan của muối canxi trong nưóc mía, có thể chia làm 3 nhóm như sau: Muối canxi không tan: muối cacbonat, oxalat, sunfat hoặc photphat canxi. Muối canxi khó tan: muối của axit glicolic, glioxilic, malonic, adipic, sucxinic, tricacboxilic và hidroxixitronic. Muối ccanxi dễ tan như muối Canxi của các axit focnic, propionic, lactic, butiric, glutaric, sacarinic, asfactic và glutamic. Tác dụng của ion OH-- Ion OH- từ nước vôi cho vào nước mía có tác dụng trung hòa axit tự do. Ion OH- tác dụng với ion kim loại tạo thành muối. 2Al3+ + 3[Ca2+ + 2(OH)- = 2Al(OH)3 + 3Ca2+ Mg2+ + Ca2+ + 2(OH)- = 2Mg(OH)2 + Ca2+ Những ion trên tồn tại trong dung dịch ở dạng hidroxit Nếu trong dung dịch thừa vôi sẽ tạo những phản ứng kiềm và sẽ dẫn đến hàng loạt phản ứng phân hủy. 3.2.3.2. Lưu huỳnh đioxit SO2 SO2 dùng trong sản xuất đường có thể ở dạng khí, lỏng hoặc muối (NaHSO3, Na2SO3, Na2S2O4), và hiện nay thường dùng nhất là dạng khí. SO2 có khả năng giảm pH (mà ở trị số pH thấp hiệu quả tẩy màu tốt hơn) nên khí SO2 tác dụng mạnh hơn NaHSO3 và Na2SO3 . Tác dụng của SO2 : - Tạo kết tủa CaSO3 có tính hấp phụ : Khi cho SO2 vào nước mía có vôi dư, phản ứng xảy ra như sau: Ca(OH)2 + H2SO3 = CaSO3 + 2H2O . CaSO3 là chất kết tủa có khả năng hấp phụ các chất không đường, chất màu và chất keo có trong dung dịch. - Làm giảm độ kiềm, độ nhớt của dung dịch: Nước mía sau khi trung hòa, một phần chất keo bị loại nên làm giảm độ nhớt mật chè. Hơn nữa trong nước mía có hàm lượng kali, canxi nhất định. Sau khi thông khí SO2 tạo thành canxi sunfit và kali sunfit: K2CO3 + H2SO3 = K2SO3 + CO2 + H2O CaCO3 + H2SO3 = CaSO3 + CO2 + H2O Sự thay đổi từ muối K2CO3, CaSO3 thành K2SO3, CaSO3 có ý nghĩa quan trọng. Muối cacbonat có khả năng tạo mật lớn và có ảnh hưởng đến màu sắc của dung dịch đường. Muối sunfit khả năng tạo mật kém và lại có khả năng làm giảm độ kiềm và độ nhớt của mât chè, có lợi cho thao tác nấu đường và kết tinh, đồng thời hạn chế sự phát triển của sinh vật. - Tẩy màu và ngăn ngừa sự tạo màu: Tẩy màu : SO2 là chất khử có khả năng biến chất màu của nước mía hoặc mật chè thành chất không màu sắc hoặc màu nhạt hơn. Có thể biểu diển sự khử theo sơ đồ sau: SO2 + H2O = H+ + HSO3- C = C + H2 = H -C - C -H HSO3- +H2O = HSO4- + H2 Chất màu Chất không màu Nhưng những chất màu bị khử, dưới tác dụng của oxi không khí lại trở thành chất màu. Điều đó giúp ta giải thích được hiện tượng sinh màu trong thời gian bão quản đường thành phẩm sản xuất theo phương pháp SO2. Đối với mật chè và đường non hiện tượng trở lại màu trên không nhiều. H2SO3 và muối của nó khử màu kém hơn Na2S2O4 vì từ hidrosunfit sản sinh đến 6 nguyên tử hidro : Na2S2O4 = 2Na+ + S2O42- S2O42- + 4H2O = 2HSO4- +3H2 Ngăn ngừa sự tạo màu: C = O + H2O + SO2 = C HSO3 OH SO2 không chỉ làm mất màu mà còn ngăn ngừa sự sinh màu, tác dụng này còn quan trọng hơn cả sự khử màu. Cơ chế ngăn ngừa tạo màu là bao vây nhóm cacbonyl theo sơ đồ sau: Nhờ vậy ngăn ngừa được khả năng tạo màu Melanoidin. SO2 còn là chât xúc tác chống oxi hóa, nó ngăn chặn ảnh hưởng không tốt của oxi không khí (O2 không khí chỉ phát huy tác dụng khi có chất xúc tác như khi có mặt Fe2+, Fe3+, Cu2+). SO2 khử Fe3+ thành Fe2+. Khi thông SO2 có tác dụng khử ion sắt . - Làm cho CaSO3 kết tủa tạo thành chất tan. Tính chất của CaSO3 không tan trong nước nhưng tan trong H2SO3. Do đó nếu cho SO2 quá lượng có thể làm CaSO3 kết tủa thành hòa tan. CaSO3 + SO2 + H2O = Ca(HSO3)2 Tương tự: K2SO3 + SO2 + H2O = 2KHSO3 Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, Ca(HSO3)2 có thể phân giải thành CaSO3 kết tủa tạo thành chất đóng cặn trong thiết bị truyền nhiệt và bốc hơi Ca(HSO3)2 = CaSO3 + SO2 + H2O 3.2.3.3. CO2 (cacbonđioxit): Khí CO2 được sản xuất từ lò vôi của nhà máy đường. Trước khi phản ứng CO2 cần được hòa tan trong nước. Do đó về mặt kỹ thuật sự hấp thụ CO2 trong dung dịch kiềm có ý nghĩa quan trọng. Tác dụng của CO2 đối với qúa trình làm sạch nước mía. - Tạo kết tủa với vôi: Trước hết, CO2 hòa tan trong nước và thủy phân thành axit cacbonic đồng thời CO2 tác dụng với OH- tạo thành HCO3- : H2CO3 = H+ + HCO3- HCO3- = H+ + CO3-2 Ion CO3-2 phản ứng với vôi theo phương trình Ca2+ + CO3-2 = CaCO3 Như vậy khi thông CO2 vào nước mía, CO2 tác dụng với vôi dư tạo chất kết tủa: CO2 + H2O = H2CO3 CaO + H2O = Ca(OH)2 Ca(OH)2 + H2CO3 = CaCO3 + 2 H2O CaCO3 là chất kết tủa có khả năng hấp phụ các chất không đường cùng kết tủa. - Phân ly muối sacarat canxi: Khi cho CO2 vào nước mía, CO2 phân giải muối sacarat thành sacaroza và CaCO3 kết tủa, lúc nhiệt độ tăng đến 70-800 C tác dụng phân hủy tương đối hoàn toàn. C12H22O11 .CaO + CO2 = C12H22O11 + CaCO3 C12H22O11.2CaO + 2CO2 = C12H22O11 + 2CaCO3 C12H22O11 .3CaO + 3CO2 = C12H22O11 + 3CaCO3 * Nếu thông CO2 vào nước mía quá lượng sẽ làm CaCO3 kết tủa thành hòa tan. CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2 Muối Ca(HCO3)2 dưới tác dụng nhiệt sẽ tạo thành CaCO3 đóng cặn trong các thiết bị truyền nhiệt và bốc hơi Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + H2O 3.2.3.4. P2O5: (Photphat pentaoxit) Hàm lượng photphat trong mía là yếu tố rất quan trọng. Bản thân cây mía chứa một hàm lượng P2O5 nhất định. Lượng P2O5 trong mía phụ thuộc vào điều kiện canh tác, phân bón ... Qua thí nghiệm và thực tế sản xuất, lượng P2O5 có ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả làm sạch nhất là đối với sản xuất đường thủ công. Để có hiệu quả làm sạch tốt lượng P2O5 trong nước mía cần 0,3 - 0,5 g/l, nhưng thường trong nước mía ít khi đạt hàm lượng trên nên phải cho thêm vào, thường ở dạng muối super photphat Ca(H2PO4)2. Trong sản xuất đường tinh luyện cho ở dạng axit photphoric. Tác dụng chủ yếu của P2O5 như sau : P2O5 dạng muối hoặc axit sẽ kết hợp với vôi tạo thành muối photphat canxi kết tủa Ca(H2PO4)2 + Ca(OH)2 = Ca3(PO4)2 + H3PO4 + H2O Kết tủa Ca3(PO4)2 có tỷ trọng lớn có khả năng hấp phụ chất keo và chất màu cùng kết tủa. Chất keo trong nước mía chủ yếu là keo của axit silic, của sắt, nhôm. Khi vôi làm sạch nước mía có đủ lượng P2O5 nhất định thì hiệu quả làm sạch tăng lên rõ rệt. Trong sản xuất đường thủ công, tác dụng hấp phụ của Ca3(PO4)2 là yếu tố chủ yếu để làm sạch nước mía. Đối với việc tinh luyện đường vàng (đường thô), dùng axit photphoric để tách chất màu của hợp chất phenol và sắt. Trong những thùng lắng đặc biệt có thể tách 20 -40 % chất màu. 3.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM SẠCH NƯỚC MÍA: 3. 3.1. Phương pháp vôi: Phương pháp vôi có từ lâu đời và là phương pháp đơn giản nhất làm sạch nước mía chỉ dưới tác dụng của nhiệt và vôi và thu sản phẩm đường thô. Phương pháp vôi có thê chia làm mấy loại sau đây: - Cho vôi vào nước mía lạnh - Cho vôi vào nước mía nóng - Cho vôi nhiều lần đun nóng nhiều lần 3.3.1.1. Phương pháp cho vôi vào nước mía lạnh: Nước mía hỗn hợp Thùng trung hòa ( pH= 7,2-7,5) Đun nóng ( 102- 1050C) Thùng lắng Nước lọc trong Nước lắng trong Nước bùn Bùn ÉP lọc Cô đặc Sữa vôi Ưu điểm: Quản lý thao tác giản đơn Trước khi đun nóng, cho vôi vào nước mía đến trung tính, tránh được chuyển hóa đường sacaroza. Nếu cho vôi đều đặn có thể tránh được sự phân giải đường khử Khuyết điểm: - Lượng vôi dùng nhiều - Độ hòa tan của vôi ở nước mía lạnh tăng. Nếu vôi quá thừa sau khi đun nóng vôi sẽ đóng cặn ở thiết bị. - Hiệu suất làm sạch thấp 3.3.1.2. Phương pháp cho vôi vào nước mía nóng Trước hết đun nước mía hỗn hợp đến nhiệt độ 1050C. Một số keo (anbumin, silic hidoroxit) bị ngưng tụ dưới tác dụng của nhiệt và pH của nước mía hỗn hợp. Cho vôi vào thùng trung hòa, khuấy trộn đều để kết tủa được hoàn toàn, sau đó loại chất kết tủa ở thiết bị lắng. Ưu điểm: - Loại protein tương đối nhiều. Do nhiệt độ cao sự tạo kết tủa Ca3(PO4)2 tương đối hoàn toàn. - Hiệu quả làm sạch tốt. Sự chênh lệch độ tinh khiết của nước mía cao. - Tốc độ lắng lớn, dung tích nước bùn nhỏ - Tiết kiệm được lượng vôi khoảng 15 - 20% so với phương pháp lạnh Nhược điểm: - Sự chuyển hóa đường sacaroza tương đối lớn - Khó khống chế màu sắc nước mía đậm 3.3.1.3. Phương pháp cho vôi phân đoạn Đây là phương pháp ưu việt, được dùng từ năm 1936 Lưu trình công nghệ : Nước mía hỗn hợp Cho vôi sơ bộ (pH =6 - 6,4) Đun nóng lần 1 (t0 = 90 - 1050C) Cho vôi (pH = 7,6 - 8,2) Đun nóng lần 2 (t0 = 100 - 105 C0) Thùng tản hơi Thùng kết tủa Nước bùn Lọc ép Nước mía trong Nước lọc trong Cô đặc Cho vôi lần 1 gọi là cho vôi sơ bộ, pH thường không quá 6,6. Lượng vôi cho vào khoảng 1/3 tổng lượng vôi còn lại cho vào lần 2. Khi đun nóng lần 1 nếu nhiệt độ < 900 hiệu quả làm sạch không tốt. Cho vôi lần 2 pH = 7,8 là tương đối thích hợp, nếu cao quá dung dịch kiềm tính mạnh tăng phân giải đường. Ưu điểm : - Hiệu suất làm sạch tốt, loại chất không đường nhiều: Qua 2 lần gia vôi có thể lợi dụng được 2 điểm ngưng tụ khác nhau để loại chất không đường nên nước mía trong, bùn lọc dễ, chất keo chứa nitơ loại 80%, sáp mía loại 90% - Tiết kiệm khoảng 35% so với phương pháp lạnh. Khuyết điểm : - Sơ đồ công nghệ phức tạp - Sự chuyển hóa và phân giải sacaroza tương đối lớn 3.3.1.4. Các điều kiện công nghệ của phương pháp vôi Chất lượng vôi Chất lượng của vôi có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả làm sạch. Để có hiệu quả làm sạch tốt, vôi cần có tiêu chuẩn nhất định. Nếu vôi quá nhiều tạp chất, khi cho vôi vào nước mía sẽ làm tăng tạp chất, lắng lọc và kết tinh khó khăn. Do đó tiêu chuẩn của vôi quy định như sau: CaO > 85 % Fe2O3, Al2O3 < 1 % MgO < 2 % CaCO3 < 1 % Trong thành phần vôi chủ yếu là CaO. Ngoài ra cần chú ý đến hàm lượng MgO. Nếu MgO > 2 % sẽ gây những tác hại sau: - Giảm thấp độ hòa tan của vôi - Thời gian lắng kéo dài - Tác dụng với đường khử tăng màu sắc của nước mía. - MgO có độ hòa tan lớn là thành phần chủ yếu gây đóng cặn ở thiết bị bốc hơi - Làm cho đường có vị đắng. Các thành phần khác như: Al2O3, Fe2O3, SO2 làm tăng chất keo, tăng màu sắc của nước mía và đóng cặn trong thiết bị. Độ hòa tan của vôi: - Độ hòa tan của vôi trong dung dịch đường lớn hơn độ hòa tan của vôi trong nước và giảm theo nhiệt độ tăng. - Độ hòa tan của nước vôi mới, cũ và sống cũng khác nhau Nồng độ sữa vôi Nồng độ sữa vôi thường trong khoảng 10 - 18 Be. Nồng độ sữa vôi tương đối cao tác dụng tạo kết tủa nhanh, giảm lượng nhiệt bốc hơi. Nhưng nồng độ sữa vôi quá đặc sẽ làm tắc đường ống dẫn, khó tác dụng đều với nước mía, có thể gây hiện tượng kiềm cục bộ làm đường khử phân giải. Tác dụng của khuấy sau khi cho vôi Sau khi cho vôi vào nước mía, khuấy có tác dụng phân bố vôi đều trong nước mía, phản ứng vôi được hoàn toàn. Trường hợp nồng độ sữa vôi cao, khuấy rất cần thiết, tránh được hiện tượng kiềm cục bộ. Qua nghiên cứu, người ta thấy rằng, nếu kéo dài thờì gian khuấy nước mía sau khi cho vôi sẽ có tác dụng làm sạch, có thể tăng độ tinh khiết của nước mía, dung tích nước bùn giảm Các dạng cho vôi vào nước mía hỗn hợp: Có 3 dạng: Sữa vôi Ca(OH)2 , vôi bột CaO, sacarat canxi. Sữa vôi có tác dụng hóa học đều, khống chế dễ dàng. Nhưng bản thân sữa vôi có chứa một lượng nước nhất định, làm tăng lượng nhiệt bốc hơi. Hiện nay dạng sữa vôi được dùng rộng rãi trong các nhà máy đường. Lượng vôi dùng Lượng vôi dùng phu thuộc vào thành phần nước mía. Đối với phương pháp vôi, mỗi tấn mía dùng khoảng 0,5 - 0,9 Kg vôi. Trong thực tế sản xuất thường dùng pH để biểu thị lượng vôi cho vào nước mía. Mặt khác khi đun nước mía đã cho vôi, trị số pH thay đổi (thường giảm từ 0,2 - 0,5 ) nên khi xác định pH cần chú ý đến các yếu tố lầm giảm độ trị số pH. Trong trường hợp cho vôi vào nước mía lạnh, tác dụng giữa vôi và nước mía không hoàn toàn khi đun nóng sẽ hoàn toàn hơn, do đó giảm pH. Lúc nước mía sôi, một phần Ca3(PO4)2 có thể phân ly thành Ca(OH)2.n Ca3(PO4)2 không tan và một muối axit hòa tan, loại sau phân ly làm giảm pH. Khi đun nóng Ca2HPO4 sẽ kết hợp với vôi tạo thành Canxi photphat kết tủa và H3PO4 Ca2HPO4 + Ca(OH)2 = Ca3(PO4)2 + H3PO4 Khi nhiệt độ cao và môi trường kiềm, đường khử bị phân hủy tạo thành chất màu và axit. Do có sự giảm pH khi đun nóng nên trị số pH trong sơ đồ công nghệ là trị số pH sau khi đun nóng. Thông thường khống chế pH nước mía khoảng trên dưới 7,0 Hàm lượng P2O5 trong nước mía Trong phương pháp vôi hiệu quả làm sạch chủ yếu dựa vào phản ứng kết tủa giữa vôi và P2O5. Ca3(PO4)2 trong nưóc mía thường tồn tại hai dạng: dạng keo và dạng tinh thể. Dạng tinh thể làm sạch nước mía, ngược lại dạng keo gây trở ngại cho lắng, lọc và kết tinh đường. Sự hình thành kết tủa Ca3(PO4)2 nhiều hay ít phụ thuộc vào nồng độ ion Ca2+ và PO43- Trong phương pháp vôi, khi cho vôi đến pH= 7,0, nồng độ ion Ca2+ có thể đủ để phản ứng tạo kết tủa Ca3(PO4)2, nhưng thường hàm lượng P2O5 trong nước mía rất thấp. Theo nghiên cứu người ta thấy hàm lượng P2O5 cần thiết vào khoảng 300 mg P2O5/l nước mía. Nếu hàm lượng P2O5 quá ít, có thể cho vào nước mía H3PO4 hoặc muối photphat hòa tan để nâng cao hiệu quả làm sạch. Nhiệt độ cho vôi Thường nhiệt độ đun nóng khoảng 1050C. Nhiệt độ cao có tác dụng tăng kết tủa làm giảm dung tích nước bùn, nhưng có thể làm tăng màu sắc nước mía (do phân hủy đường khử và có thê làm cho một phần keo kết tủa hòa tan lại). Vì vậy cần khống chế nhiệt độ nước mía đến sôi hoặc cao hơn một chút là thích hợp 3.3.2. Phương pháp sunfit hóa Phương pháp sunfit hóa còn gọi là phương pháp SO2 vì trong phương pháp này người ta dùng lưu huỳnh dưới dạng khí SO2 để làm sạch nước mía. Phương pháp SO2 có thể chia làm 3 loại: Phương pháp sunfit hóa axit Phương pháp sunfit hóa kiềm mạnh Phương pháp sunfit hóa kiềm nhẹ * Đặc điểm của phương pháp SO2 axit là thông SO2 vào nước mía đến pH axit và thu được sản phẩm đường trắng. Đây là phương pháp có nhiều ưu điểm nên được dùng rộng rãi trong sản xuất đường. * Đặc điểm của phương pháp sunfit hóa kiềm mạnh là trong quá trình làm sạch nước mía có giai đoạn tiến hành ở pH cao. Hiệu quả làm sạch tương đối tốt, đặc biệt đối với loại mía xấu và bị sâu bệnh. Nhưng do sự phân hủy đường tương đối lớn, màu sắc nước mía đậm, tổn thất đường nhiều nên hiện nay không sử dụng. Phương pháp SO2 kiềm nhẹ (pH = 8 - 9) có đặc điểm là chỉ tiến hành thông SO2 vào nước mía không thông SO2 vào mật chè và sản phẩm đường thô. 3.3.2.1 . Sơ đô công nghệ của phương pháp sunfit hóa axit Nước mía hỗn hợp P2O5 Lọc chân không Nước lọc trong Gia vôi sơ bộ (pH = 6,2 - 6,6) Đun nóng lần 1 (55 - 600C) Thông SO2 lần 1 (pH = 3,4 - 3,8) Trung hòa (pH = 6,8 - 7,2) Thiết bị lắng Nước mía trong Nước bùn Đun nóng lần 3 (110 - 1150C) Lọc kiểm tra Mật chè trong Cô đặc Thông SO2 lần 2 (pH = 6,2 - 6,6) Đun nóng lần 2 (102 - 1050C) 105600C) SO2 SO2 Ca(OH)2 Ca(OH)2 3.3.2.2 . Sơ đồ công nghệ của phương pháp sunfit hóa kiềm mạnh Đặc điểm của phương pháp này là dùng 2 điểm pH, pH trung tính (7,0) và ph kiềm mạnh (10,5 - 11,0) nên có thể loại được P2O5, SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO ... nhưng điều kiện công nghệ của phương pháp này chưa ổn định nên không giới thiệu. 3.2.3. Sơ đồ công nghệ của phương pháp sunfit hóa kiềm nhẹ Nước mía hỗn hợp Ca(OH)2 Thùng cho vôi(pH=8 -9) Đun nóng (50 - 600C) SO2 Thùng trung hòa (pH =7 - 7,2) Đun nóng (100 - 1050C) Thùng lắng Nước bùn Lọc ép Nước mía trong Nước lọc trong Bùn Cô đặc Mật chè Đây là phương pháp sản xuất đường thô, so với phương pháp vôi thì hiệu quả loại chất không đường tốt hơn, nhưng thiết bị và thao tác phức tạp hơn, hóa chất tiêu hao nhiều nên hiện nay ít dùng. Trên cơ sở của phương pháp sunfit hóa kiềm nhẹ, trong sơ đồ công nghệ của nhà máy đường Quáng Ngãi và Bình Dương khi mới thiết kế có giai đoạn thông SO2 lần hai Sơ đồ công nghệ của nhà máy đường Quảng Ngãi theo thiết kế ban đầu (trang56) Hiện nay, nhà máy đường Quảng Ngãi trong quá trình mở rộng năng suất từ 1500 tấn mía/ngày lên 2500 tấn mía/ ngày cũng đã cải tiến qui trình công nghệ theo phương pháp sunfit hóa axit trong đó giai đoạn thông SO2 lần 1 và trung hòa được tiến hành trong cùng một thiết bị. Nước mía hỗn hợp Đun nóng lần 1 (70 - 750C) Trung hòa (pH = 9 -9,5) Thông SO2 lần 1 (pH =7 - 7,2) Đun nóng lần 2 (100 - 1020C) Tản hơi Vụn bã mía Lắng Nước bùn trộn bã Lọc chân không Nước lắng trong Nước lọc trong Lưới gạt bọt Bốc hơi nhiều nồi Thông SO2 lần 2 (pH = 6,2 - 6,4) Mật chè 3.3.2.4. Điều kiện công nghệ của các phương pháp SO2 axit tính: Các điều kiện kỹ thuật chủ yếu: pH gia vôi sơ bộ: 6,2 - 6,8 (7,0) pH thông SO2 lần 1: 3 - 4 pH trung hòa: 6,9 - 7,3 pH thông SO2 lần 2: 5,8 - 6,2 Gia nhiệt 1: 60 - 700C Gia nhiệt 2:100 -1050C Cường độ SO2: 1 - 1,5g SO2/lít nước mía Hàm lượng P2O5 trong nước mía:250 -350mg/l Điều kiện kỹ thuật cụ thể của phương pháp SO2 có thể có những phương án sau đây: Phương án 1: pH và nhiệt độ tương đối thấp; Nhiệt độ: - Gia nhiệt 1: 63 - 650C - Gia nhiệt 2: 98 - 1000C pH: - Gia vôi sơ bộ: 6,2 - 6,8 - Trung hòa: 6,8 - 7,0 Với điều kiện kỹ thuật trên mục đích để loại một số chất màu và chất keo nhưng hạn chế sự phân hủy đường khử tránh hiện tượng tạo chất màu. Phương án này dùng cho nguyên liệu mía có hàm lượng đường khử cao và nước mía không tươi. Phương án 2: Trung tính hơi kiềm nhẹ. pH gia vôi sơ bộ: 7- 7,2 Trung hòa: 7,2 - 7,5 Lắng 7- 7,2 Sử dụng phương án này mục đích giảm đường saccaroza bị chuyển hóa và loại được nhiều chất không đường vô cơ. Phương án này dùng cho nguyên liệu mía tươi, đường khử không cao, độ tinh khiết tương đối cao. Phương án 3: Nhiệt độ cao, độ kiềm cao và cường độ SO2 cao. Lượng P2O5 cho vào nước mía 0,2-0,3% so với mía. Cường độ SO2: 1,4 - 1,6 g SO2 so với mía Phương án này dùng cho nguyên liệu sâu bệnh, bão lụt, đường sacaroza chuyển hóa nhanh do vi sinh vật xâm nhập từ những chỗ vỏ mía bị xước, hàm lượng chất keo tăng. Công đoạn cho vôi vào nước mía: Cho vôi sơ bộ: Nước mía hỗn hợp thường được cho vôi sơ bộ đến pH = 6,4 - 6,6. Tác dụng gia vôi sơ bộ: Trung hòa axit hữu cơ và vô cơ. Tác dụng trao đổi tạo kết tủa: 2K3PO4 + 3 Ca(OH)2 Ca3 (PO4)2 + 6 KOH K2SO4 + Ca(OH)2 Ca SO4 + 2 KOH MgCl2 + Ca(OH)2 Ca Cl2 + Mg(OH)2 nước mía và ngưng tụ keo trước khi đun nóng. Trong nước mía có nhiều loại keo, với những pH đẳng điện khác nhau, cần xác định trị số pH thích hợp để ngưng tụ được nhiều keo, đồng thời không ảnh hưởng đến sự chuyển hóa và phân hủy đường. Sau nữa do tác dụng của Ca2+ đối với chất nguyên sinh tế bào sinh vật nên ức chế được sự phát triển của vi sinh vật. Cho vôi trung hòa: Lượng vôi cho vào quyết định bởi tính axit của nước mía và nồng độ SO2 trong nước mía. Mặt khác, cho vôi vào nước mía cần đảm bão chất lượng của vôi, giảm phần tạp chất trong vôi, vôi hòa tan đều trong nước...Lượng vôi dùng khoảng 0,2 - 0,3% so với trọng lượng mía ép. Thứ tự cho vôi vào nước mía đóng một vai trò quan trọng. Thứ tư cho vôi và thông SO2 có thể tiến hành theo 3 cách sau: Cho vôi trước, thông SO2 sau Thông SO2 trước, cho vôi sau Thông SO2 và cho vôi đồng thời Trị số pH trung hòa Trong phương pháp SO2 việc khống chế trị số pH trung hòa là một vấn đề quan trọng. Nó ảnh hưởng lớn đến hiệu quả làm sạch và thu hồi đường Để tạo việc kết tủa CaSO3 hoàn toàn, cần tránh hiện tượng quá axit vì sẽ tao Ca(HSO3)2 hòa tan và sau đó nếu ở nhiệt độ cao Ca(HSO3)2 sẽ phân ly tạo chất kết tủa đóng cặn ở các thiết bị truyền nhiệt và bốc hơi Nếu nước mía có tính kiềm, đường khử sẽ bị phân hủy tăng chất màu và axit hữu cơ, tăng lượng muối canxi trong nước mía. Mặt khác trong môi trường kiềm, do tính chất thủy phân của kết tủa CaSO3 nên tạo dung dịch lớn, tăng lượng bùn lọc và do đó tăng diện tích ép lọc Để tránh các hiện tượng trên, cần khống chế pH lắng trong 7,0 Nhiệt độ Đun nóng 1: Nhiệt độ đun nóng lần thứ nhất 550C có tác dụng: - Làm mất mất nước của chất keo ưa nước, tăng nhanh quá trình ngưng tụ keo -Tăng nhanh tốc độ phản ứng hóa học. Theo Honig thì hiệu suất hấp thụ SO2 vào nước mía tốt nhất là ở 750C - Ở nhiệt độ càng cao sự hòa tan của nước muối CaSO3, CaSO4 giảm, kết tủa càng hoàn toàn, khi thông SO2 ít tạo hiện tượng quá bão hòa, giảm đóng cặn ở thiết bị bốc hơi và truyền nhiệt Đun nóng 2: Nhiệt độ đun nóng lần 2 100 - 105 0C. Nếu nhiệt độ quá cao nước mía sôi, lắng sẽ không tốt. Tác dụng của đun nóng lần 2 là giảm độ nhớt, tăng nhanh tốc độ lắng Đun nóng 3: Nhiệt độ lần 3 từ 110 - 1150C. Tác dụng: tăng khả năng truyền nhiệt trước khi vào thiết bị cô đặc, để không mất thời gian đun sôi ở thiết bị cô đặc Thông SO2: Thông SO21: Tạo kết tủa CaSO3 có tính hấp phụ có thể hấp phụ các chất không đường, chất màu kết tủa. SO2 có thể dùng ở dạng lỏng hay khí Thông SO2 2: Thông SO2 lần 2 vào mật chè sao khi bốc hơi có tác dụng như sau: SO2 ngăn ngừa sự tạo thành chất màu, khử chất màu thành chất không màu. Giảm độ nhớt của mật chè có lợi cho khâu nấu đường, kết tinh vầ phân ly Thông SO2 lần 2 vào mật chè sau khi bốc hơi đến pH = 6,2 - 6,6, nhiệt độ thông SO2 85 - 900C, nhưng nhiệt độ này phụ thuộc vào nhiệt độ của nồi bốc hơi cuối. Thông SO2 càng nhanh càng tốt để tránh hiện tượng chuyển hóa đưòng. Ưu khuyết điểm của phương pháp sunfit hóa : Ưu diểm: - Tiêu hao hóa chất (vôi, lưu huỳnh ) tương đối ít - Sơ đồ công nghệ và thiết bị tương đối đơn giản, vốn đầu tư ít - Sản xuất đường trắng Khuyết điểm: - Loại chất không đường ít, chênh lệch độ tinh khiết của nước mía trước và sau làm sạch thấp, đôi khi có trị số âm (tức là sau khi làm sạch chất không đường tăng lên) - Hàm lượng canxi trong nước mía tương đối nhiều ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự đóng cặn trong thiết bị bốc hơi, ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi đường Khi gặp loại mía xấu, sâu bệnh khó làm sạch thì không thể cho hiệu quả làm sạch ổn định. Do hiệu quả làm sạch không tốt, nên phẩm chất đường thành phẩm của phuơng pháp SO2 không bằng phương pháp CO2. Trong quá trình bão quản đường dễ biến màu do oxi của không khí. Trong quá trình thao tác, đường sacaroza chuyển hóa tương đối lớn, đường khử bi phân hủy, tổn thất đường trong bùn lọc cao. 3.3.3. Phương pháp cacbonat hóa Phương pháp CO2 (còn gọi là phương pháp cacbonat hóa ) là phương pháp có nhiều ưu điểm dùng phổ biến ở nhiều nước (Đài Loan, Inđônêsia). Trong các phương pháp cacbonat hóa thì phương pháp cacbonat thông thường tức là phương pháp thông CO2 hai lần, thông SO2 hai lần là được dùng phổ biến hơn cả. 3.3.3.1. Sơ đồ công nghệ của phương pháp thông CO2 2 lần thông SO2 2 lần(trang 59): 3.3.3.2. Điều kiện công nghệ của phương pháp thông CO2 thông thường Cho vôi sơ bộ: Lượng vôi phụ thuộc vào thành phần và pH của nước mía hỗn hợp, thường dùng là 0,2% so với trọng lượng nước mía hỗn hợp.Tác dụng của vôilà trung hòa nước mía hỗn hợp, làm đông tụ và kết tụ axit hữu cơ và keo, lọc ép lần 1 đễ dàng, giảm màu sắc Thông CO2 lần 1: Mục đích của thông CO2 lần 1 là tạo chất kết tủa CaCO3. Tinh thể CaCO3 có tác dụng tăng tốc độ lọc nước mía. Tuy nhiên đó không phải là mục đích chủ yếu của của thông CO2 lần 1, vì để có tác dụng lọc tốt chỉ cần thêm chất trợ lọc như điatomit, separan AP 30... Nhiệm vụ chủ yếu của thông CO2 lần 1 là tạo kết tủa CaCO3 mang điện dương có tính chất hấp phụ những chất màu, sản phẩm của sự phân hủy, những chất hoạt động bề mặt mang điện âm Điều quan trọng của thông CO2 lần 1 là độ kiềm cuối cùng. Dung dịch thông CO2 lần 1 cần duy trì độ kiềm nhất định để chất kết tủa không bị hòa tan trở lại. Lượng CaO tự do chưá trong bùn đóng vai trò quan trọng khi làm sạch nước mía và bất kỳ một phương pháp cacbonat hóa nào dẫn đến trung hòa bùn lọc, giảm lượng CaO sẽ dẫn đến giảm hiệu suất làm sạch. Đun nóng lần 1: Khống chế nhiệt độ trước khi thông CO2 rất quan trọng. Nếu khống chế nhiệt độ tương đối cao, sự hình thành kết tủa lúc thông CO2 tương đối lớn, dễ lọc nhưng tăng phân giải đường khử, ảnh hưởng màu sắc dung dịch. Nếu nhiệt độ thấp, tạo thành nhiều hạt CaCO3 kết tủa nhỏ có diện tích hấp phụ lớn làm nước mía có màu nhạt, lượng muối Ca trong nước mía tương đối ít, tránh được sự phân giải đường hoàn nguyên. Nhưng nhiệt độ thấp có nhiều bọt, giảm hiệu quả hấp thụ CO2, lọc nước mía đã thông CO2 chậm Thông CO2 lần 2: Mục đích: Giảm tối đa hàm lượng vôi và muối canxi trong nước mía. Nếu vôi và muối vôi không được tách ra, thiết bị bốc hơi sẽ đóng cặn nhanh chóng. Lượng CaO còn lại trong nước mía lọc trong sau thông CO2 thường 0,04 -0.06% CaO. Thông CO2 lần 2 để giảm lượng CaO còn lại dưới 0,025% CaO. Thông SO2: Thường thông SO2 vào nước mía trước khi cho bốc hơi và thông SO2 vào mật chè sau khi bốc hơi. Tác dụng: Thông SO2 vừa có tác dụng tẩy màu vừa giảm muối Canxi hòa tan trong dung dịch: CaA2 + H2SO3 = CaSO3 + 2HA Đồng thời nước mía trong sau thông CO2 2 có độ kiềm cao (pH = 7,8), sau khi thông SO2 đến pH = 6,8 - 7,2 giảm độ kiềm nước mía trong, tránh sự phân hủy đường khử. Thông SO2 làm giảm độ nhớt của dung dịch do tạo muối trung tính K2CO3 + H2SO3 = K2SO3 + CO2 + H2O Biện pháp tốt nhất giảm độ kiềm và độ nhớt là thông SO2 vì có phản ứng cho muối sunfat trung tính Nước mía hỗn hợp Gia vôi sơ bộ (pH = 6,2 - 6,6) Đun nóng lần 1 (50 - 550C) Thông CO2 lần 1 (pH = 10,5 -11,3, độ kiềm 0,04-0,06% CaO) Lọc ép lần 1 Lọc ép lần 2 Thông SO2 lần 1 (pH=6,8 - 7,2) Đun nóng lần 3 (110 - 1150C) Lọc kiểm tra Mật chè trong Cô đặc Thông SO2 lần 2 (pH = 6,2 - 6,6) Đun nóng lần 2 (75 - 800C) 105600C) SO2 Ca(OH)2, CO2 Ca(OH)2 Ca(OH)2 Thông CO2 lần 2 (pH= 7,8 - 8,2; độ kiềm 0,025% CaO) SO2 Qui trình công nghệ của phương pháp thông C02 thông thường 3.3.3.3. Ưu khuyết điểm của phương pháp CO2 Ưu điểm: - Hiệu quả làm sạch tốt, chênh lệch độ tinh khiết của nước mía trước và sau khi làm sạch đến 4 -5. - Loại khỏi nước mía một lượng lớn chất keo, chất màu và chất vô cơ (MgO, Fe2O3, Al2O3, P2O5). Hàm lượng muối canxi trong nước mía ít. - Đóng cặn ở thiết bị ít, do đó giảm lượng tiêu hao hóa chất dùng thông rửa nồi bốc hơi - Chất lượng sản phẩm tốt, bão quản lâu. Hiệu suất thu hồi đường cao Khuyết điểm: - Lượng tiêu hao năng luợng hóa chất nhiều, lượng vôi dùng gấp 20 lần so với phương pháp vôi và 10 lần so với phương pháp SO2, dùng nhiều khí CO2 - Sơ đồ công nghệ và thiết bị tương đối phức tạp - Kỹ thuật thao tác yêu cầu cao, nếu khống chế không tốt dễ sinh hiện tượng đường khử phân hủy. 3.3.4. So sanh các phương pháp làm sạch nước mía Phương pháp vôi dùng để sản xuất đường thô, thiết bị và quy trình công nghệ tương đối đơn giản nhưng hiệu suất thu hồi đường thấp. Phương pháp sunfit hóa cho sản phẩm đường trắng. Trong quá trình bão quản đường dễ bị ẩm và biến màu. Phương pháp cacbonat hóa cho sản phẩm đường trắng, chất lượng đường có thể dùng trong công nghiệp đồ hộp. Hiệu suất thu hồi đường cao nhưng quy trình công nghệ thiết bị phức tạp, yêu cầu kỹ thuật cao. CHƯƠNG 4: CÔ ĐẶC NƯỚC MÍA 1 - Mục đích: - Mục đích của quá trình cô đặc là bốc hơi nước mía có nồng độ 13 - 15Bx đến mật chè nồng độ 60 - 65 Bx. Nếu cô đặc nước mía đến Bx quá cao (>70Bx ) sẽ xuất hiện tinh thể đọng lại trong đường ống và bơm. Nồng độ lớn dẫn đến độ nhớt lớn, lọc khó khăn 2 - CƠ SỞ LÝ THIẾT 2.1 - Lượng nước bốc hơi: W = G(1-) W: Luợng nước bốc hơi so với mía, % C1: Bx nước mía trong C2: Bx mật chè G: Trọng lượng nước mía trong so với mía, % Nếu bốc hơi nước mía từ 15Bx đến 60Bx thì lượng mía bốc hơi W = G(1- ) = 0,75.G 2.2 - Lượng nhiệt dùng bốc hơi Lượng nhiệt dùng để đưa nước mía đến trạng thái sôi: Q1 = G(t2 - t1) C , W Trong đó : G: Trọng lượng nước mía trong so với mía, % t2: Nhiệt độ sôi của nước mía trong, 0C. t1: nhiệt độ nước mía trong vào bốc hơi, 0C. C: Nhiệt dung riêng của nước mía trong, J/Kg.độ. Lượng nhiệt cần để bốc hơi Q2 = W.r, W Trong đó: W:Lượng nước bốc hơi so với nước % r: Nhiệt lượng riêng của hơi, J/Kg. Tổng lượng nhiệt cần dùng Q = Q1 + Q2 = G(t2 - t1)C + W2 = G(t2 - t1)C + G(1 - ).r = G(t2 - t1)C + Gfr (f =(1 - ) ) =[ G(t2 - t1)C +f r]. Trong đó: f =(1 - ) gọi là hệ số bốc hơi. Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh phụ thuộc chất lượng chất cách nhiệt thường lấy từ 3 - 10% so với lượng hơi dùng. * Trường hợp bốc hơi 1 nồi Để bốc hơi nước mía từ 15 đến 60 Bx, tức bốc 75% nước so mía, tiêu hao một lượng hơi 75% so mía, nghĩa là cứ bốc hơi 1kg nước thì tiêu hao 1kg hơi. * Trường hợp bốc hơi nhiều nồi Hơi thứ hiệu trước được dùng làm hơi đốt hiệu sau. Hơi thứ hiệu cuối dùng đun nóng nước mía hoặc trực tiếp vào thiết bị ngưng tụ. Nồng độ nước mía tăng dần lên. Hệ này mang lại hiệu quả kinh tế cao trong việc sử dụng hơi thứ. Khi cô đặc một nồi, cứ bốc hơi 1kg nước tiêu hao1kg hơi. Với hệ 4 nồi lượng hơi tiêu hao là 75%:4 = 18,75% so mía, hệ 4 nồi 75%:5 = 15%, nhưng từ hiệu I sang hiệu II lượng hơi tiết kiệm nhiều nhất khoảng 50%, từ hiệu II sang hiệu III lượng hơi chỉ giảm hơn 10%. Như vậy thêm 1 nồi cô đặc lượng hơi tiết kiệm không nhiều nhưng tăng vốn đầu tư, thao tác, quản lý phức tạp. Vì vậy thường sử dụng 3 - 5 hiệu và hệ 4 hiệu là thích hợp. * Sử dụng hơi: Việc dùng hơi trong nhà máy đường khá phong phú. Ngoài việc dùng hơi cho hệ cô đặc còn dùng hơi cho các bộ phận khác: đun nóng, nấu đường, phân mật, sấy ... Để tiết kiệm, thường sử dụng hơi thứ của hệ cô đặc. Sơ đồ sử dụng hơi thứ của 1 hệ cô đặc D W1 W1' E1 E2 W2 E3 W'2 W3 E4 E5 W'3 W4 Trong đó: D:hơi sống E1, E2, E3, E4: hơi thứ dùng cho đun nóng và nấu đường E5: Hơi thứ hiệu 4 đi vào thiết bị ngưng tụ baromet W1', W'2, W3' : hơi thứ hiệu 1, 2, 3 làm hơi đốt cho hiệu 2, 3, 4 2.3 - Tổn thất nhiêt trong quá trình bốc hơi N guyên nhân: Do nồng độ tăng cao Do áp suất thủy tỉnh Do trở lực đường ống 2.3.1 - Tổn thất nhiệt do độ tăng nhiệt độ sôi (D') Trong cùng điều kiện áp lực nhiệt độ sôi của dung dịch đường cao hơn nhiệt độ sôi của nước. Nhiệt độ cao hơn đó gọi là độ tăng nhiệt độ sôi Độ tăng nhiệt độ sôi tỷ lệ thuận với nồng độ chất khô trong dung dịch và từ biểu đồ cho sẵn, ta có thể tra nhiệt độ tăng độ sôi D' theo Bx tương ứng Khi áp lực của dung dịch khác áp lực thường, độ tăng nhiệt độ sôi có sai khác một ít và có thể tính theo công thức gần đúng của Tisenco: D' = D af Trong đó : D': độ tăng nhiệt độ sôi ở áp lực bất kỳ Da: độ tăng nhiệt độ sôi ở áp lực thường f: hệ số hiệu chỉnh 2.3.2 - Tổn thất tỉnh áp (D") Tổn thất tỉnh áp là do áp suất cột dung dịch trong thiết bị gây nên. Tức là nhiệt độ sôi của dung dịch cũng phụ thuộc độ sâu, trên mặt thoáng nhiệt độ sôi thấp nhất, càng xuống sâu nhiệt độ sôi càng tăng. Hiệu số giữa nhiệt độ sôi trên mặt thoáng và ở lớp dưới goi là tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tỉnh Dp= p'gh [N/m2] Dp: Hiệu số áp suất thủy tỉnh. r’: khối lượng r iêng của dung dịch ở dạng bọt, kg/m3. gần đúng lấy r’ = r /2 r: khối lượng riêng của dung dịch , kg/m3. g: gia tốc trọng trường, m/s2. h: độ sâu kể từ mặt thoáng đến giữa ống truyền nhiệt , m 2.3.3 - Tổn thất đường ống D"’. Hơi thứ từ hiệu trước qua hiệu sau, qua đường ống giữa hai hiệu, chịu ảnh hưởng của trở lực đường ống làm giảm nhiệt độ. Dựa vào thực tế tổn thất nhiệt độ đường ống giữa hai hiệu thông thường lấy từ 1 - 1,50 C. Tổng tổn thất nhiệt độ: å D tổng = å D '+å D " + å D "' 2.4 - Các phương