Bài giảng Công nghệ sản xuất đường và bánh kẹo - Bài 4: Cô đặc - Trần Thị Thu Trà

1 Cô đặc 1 2 1. Mục đích  Bốc hơi nước mía có nồng độ từ 13-15o Bx  nồng độ mật chè 60-65 o Bx 2. Năng suất bốc hơi M N : Lượng nước bốc hơi F: Tổng diện tích truyền nhiệt   F M N N 3 3.Cơ sở lý thuyết: Lượng nước cần bốc hơi  Quá trình bốc hơi không nên vượt quá 720Bx Sản xuất đường thô: 60 – 700Bx (32 – 370 Be) Sản xuất đường trắng: 50 – 600Bx (27 – 320Be) Lượng nhiệt cần cho bốc hơi gồm: Nhiệt cần để đun nóng nước mía trong đến nhiệt độ sôi Nhiệt để bốc hơi nước mía Nhiệt tổn thất ra ngoài môi trường          2 1 121 1 Bx Bx MMMM N Bốc hơi Nước chè trong M1, Bx1, AP1 Mật chè cô đặc M2, Bx2, AP2 Nước M N 4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NHIỆT ĐỘ SÔI CỦA NƯỚC MÍA  Aùp suất  Nồng độ dung dịch đường  Aùp suất thuỷ tĩnh  Trở lực đường ống 2 5 Aùp suất  Aùp suất giảm  Nhiệt độ sôi của dung dịch giảm 6 Nồng độ dung dịch đường  Trong cùng điều kiện áp lực, Nồng độ tăng  Nhiệt độ sôi của dung dịch đường (mật chè) tăng 7 Aûnh hưởng kết hợp của nồng độ và áp suất 8 3 9 10 Tổn thất tĩnh áp  Aùp suất cột dung dịch trong thiết bị gây nên tăng áp theo chiều cao cột nước  Chênh lệch về điểm sôi giữa bề mặt và dưới đáy cột nước.  Trung bình cột nước cao 1m sự chênh lệch nhiệt độ là 14oC.  Hiện tượng quá nhiệt ở đáy nồi. 11 Sự khác nhau giữa nhiệt độ sôi các lớp phía trên và phía dưới trong dung dịch 12 Tổn thất nhiệt do đường ống  Hơi thứ từ hiệu trước sang hiệu sau  đi qua đường ống  chịu ảnh hưởng của trở lực đường ống  giảm nhiệt độ.  Tổn thất nhiệt do đường ống: Phụ thuộc vào thực tế của từng nhà máy và dựa vào cách nhiệt của từng loại để tính ra.  Thường lấy tổn thất nhiệt:1-1,5OC/hiệu 4 13 Hệ số truyền nhiệt  Lượng nhiệt đi qua diện tích truyền nhiệt 1m2 trong thời gian 1h và làm tăng nhiệt độ lên 1 0 C  1 : hệ số cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành ống truyền nhiệt (W/m 2 . 0 K)  2 : hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến dung dịch đường (W/m 2 . 0 K) ,  C : Chiều dày thành ống và lớp cặn đóng (m) , C : Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu thành ống và lớp cặn đóng (W/m. 0 K)  Trong đó Thời gian làm việc của thiết bị cô đặc Thực tế hệ số truyền nhiệt còn bé hơn K tt = K lt . ( < 1) )/.(, 111 02 21 WKm K C C lt       )(   f C C  14 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt Hệ số cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành ống truyền  1 :  Tính chất của hơi  Lượng khí trong hơi  Dạng ngưng tụ  Trạng thái bề mặt truyền nhiệt Hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến dung dịch đường  2 :  Chênh lệch nhiệt độ hơi và nhiệt độ sôi dung dịch T sôi  và T  2   Nồng độ dung dịch đường   độ nhớt ,  2   Chiều cao dung dịch trong thiết bị    2   Thời gian lưu , tốc độ dòng dung dịch lưu lượng  2   Lớp cặn bám trên bề mặt truyền nhiệt   2  15 Hóa học của quá trình cô đặc  Điều kiện Aùp suất: chân không Nhiệt độ: giảm dần từ 120oC xuống 65oC Sự chuyển hóa của saccharose: Môi trường acid + nhiệt  chuyển hóa saccharose. Tác dụng chuyển hóa và phân hủy sac: không quá 0,01% so với mía 16 Yếu tố ảnh hưởng đến chuyển hoá đường  pH  Nhiệt độ  Thời gian 5 17 18 Sự phân hủy saccharose ảnh hưởng đến Tăng màu sắc  Caramen  Maillard  melanoidin Tăng tinh độ nước mía Chất không đường bị phân huỷ nhất là acid amin và muối carbonate (AP tăng 0,1) Tạo cặn trong thiết bị cô đặc Biểu kiến do thay đổi góc quay khi nghịch đảo đường Giảm pH  Phân hủy amid- ví dụ: aspagagin  Phân hủy đường khử tạo acid hữu cơ  Tạo ra caramen (rất ít) Sự tạo cặn  Cô đặc nước mía  thể tích giảm còn ¼  Chất không đường: ở trạng thái quá bão hòa  Tạo thành cặn trong thiết bị cô đặc  tổn hao nhiệt  Điểm cặn tập trung  Chỗ dung dịch tiếp xúc trực tiếp  Bề mặt truyền nhiệt.  Nhất là hiệu cuối 19 Phương án bốc hơi của hệ cô đặc  Hệ bốc hơi nhiều nồi  Hơi thứ của hiệu trước làm hơi đốt cho hiệu sau  Điều kiện cần: có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch đường  sự chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các hiệu.  Thực tế: Hệ cô đặc 4 hiệu cùng chiều  tăng hiệu suất và giảm giá thành tốt nhất. 20 Thiết bị bốc hơi 6 21 Nồi bốc hơi đa hiệu 22 Nồi bốc kiểu màng rơi 23 Cân bằng nhiệt 24 Cân bằng nhiệt 7 25 Nguyên lý của hệ bốc hơi nhiều hiệu cùng chiều  Nguyên tắc  Tận dụng hết lượng hơi thứ  Đảm bảo yêu cầu công nghệ.  Hơi thứ của nồi cuối nhiệt độ thấp dùng để gia nhiệt 1  Hơi thứ của nồi 1 có nhiệt độ cao dùng để nấu đường, gia nhiệt nước trước khi vào bốc hơi  Phương án gia nhiệt a. Phương án bốc hơi chân không  Ưu điểm: Nhiệt độ hơi thấp tránh được hiện tượng caramen hóa, giảm tổn thất, tránh được phản ứng phụ.  Khuyết điểm: Do nhiệt độ hơi thấp làm giảm khả năng tận dụng hơi thứ. b. Bốc hơi áp lực  Ưu điểm: Lợi dụng được toàn bộ hơi thứ, giảm được diện tích truyền nhiệt .  Khuyết diểm: Đường saccharose bị caramen hóa, đường khử bị phân giải tăng màu sắc của chè. c.Phương pháp bốc hơi áp lực – chân không  Ưu điểm: Tận dụng hơi thứ cho nấu đường và gia nhiệt, màu sắc và chất lượng mật chè đảm bảo yêu cầu công nghệ.  Khuyết điểm: Bố trí thiết bị phức tạp, thao tác và khống chế khó. 26 4. Khống chế quá trình bốc hơi 4.1.Khoảng cách độ chân không và áp suất hơi 4.2.Khống chế chiều cao dung dịch 4.3.Khống chế lượng hút hơi thứ 4.4.Thoát nước ngưng tụ 4.5.Thoát khí không ngưng 27 4.1.Khoảng cách độ chân không và áp suất hơi  Độ chân không càng cao thì điểm sôi càng thấp.  Áp suất hơi càng lớn thì dung dịch sôi càng mạnh.  Thông thường độ chân không hiệu cuối là 580-650 mmHg. Nếu độ chân không cao hơn nữa thì độ nhớt dung dịch sẽ tăng làm ảnh hưởng tới đối lưu và truyền nhiệt .  Trường hợp áp suất hơi hiệu I không đủ, độ chân không các hiệu sẽ tăng cao làm ảnh hưởng tới năng suất bốc hơi. 28 4.2.Khống chế chiều cao dung dịch  Ổn định chiều cao dung dịch  Oån định áp lực thoát liệu  Nếu chân không hai hiệu chênh lêïch nhau không nhiều dung dịch không thể từ hiệu trước chảy ra hiệu sau. Mở to van dung dịch ra Nếu không có kết quả thì điều chỉnh giảm chân không hiệu trước & tăng chân không hiệu sau. 8 29 4.3. Khống chế lượng hút hơi thứ  Lượng hơi thứ cần ổn định.  Tránh thay đổi nhiệt độ có ích giữa các hiệu, ảnh hưởng đến nồng độ mật chè.  Nếu dùng hơi cho nấu đường thì cần lấy ở 2 đường : hơi thải và hơi thứ. 4.4.Thoát nước ngưng tụ  Nếu thoát nước không tốt nước ngưng đọng nhiều trong buồng đốtảnh hưởng tới tốc độ bốc hơi  mở to van khí không ngưng để việc thoát nước ngưng tụ dễ dàng. 4.5.Thoát khí không ngưng  Khí không ngưng: làm giảm hệ số truyền nhiệt.  Thoát khí không ngưng không tốt  gây áp suất hiệu trước tăng cao. Mở hết van xả hết khí không ngưng đến khi ổn định. 30 5.Yêu cầu của thiết bị bốc hơi:  Không nên để nước chè trong nồi bốc hơi quá khô cạn  làm tăng nhiệt độ gây hiện tượng caramen hóa.  Nước mía lưu lại trong nồi với thời gian ngắn nhất.  Thao tác đơn giản, tự động hóa dễ dàng.  Trong quá trình bốc hơi không nên lạm dụng nhiệt độ. Nếu nhiệt độ nồi bốc hơi cao sẽ làm mất chân không.  Quá trình vận hành bốc hơi phải đảm bảo 4 yếu tố liên tục và 4 yếu tố ổn định 31 4 yếu tố liên tục  Nước chè cung cấp liên tục.  Hơi nước cung cấp liên tục.  Nước ngưng tụ rút ra liên tục.  Khí không ngưng xả liên tục. 4 yếu tố ổn định Mực nước chè ổn định.  Aùp lực ổn định.  Chân không ổn định.  Nồng độ siro ổn định. NẤU ĐƯỜNG – KẾT TINH 32 9 1. Mục đích QUÁ TRÌNH Nấu đường - Kết tinh Bốc hơi để dung dịch đạt đến nồng độ quá bão hòa và tạo tinh thể. Sản phẩm thu được sau khi nấu gọi là đường non gồm tinh thể đường và mật cái. 34 2. Một số định nghĩa sử dụng trong quá trình nấu đường Độ hòa tan của đường saccharose trong nước: là số gam đường trong 100g nước Dung dịch bão hòa: là dung dịch chứa lượng chất tan tối đa ở nhiệt độ ổn định. Hệ số bão hòa (’): là tỷ số giữa hệ số hòa tan đường saccharose trong dung dịch đường không tinh khiết và hệ số hòa tan trong dung dịch đường tinh khiết ở cùng nhiệt độ. Hệ số bão hòa thể hiện ảnh hưởng của nguồn nguyên liệu đối với quá trình sản xuất 35 Khi ’>1: Độ hòa tan của saccharose trong dung dịch không tinh khiết lớn hơn trong dung dịch tinh khiết. Khi ’=1: Các chất không đường không ảnh hưởng đến độ hòa tan của đường saccharose. Khi ’<1: Các chất không đường làm giảm độ hòa tan của đường saccharose. Thường hệ số bão hòa trong dung dịch đường mía < 1 và không phụ thuộc vào nhiệt độ. 36 Dung dịch quá bão hoà Dung dịch quá bão hòa: là dung dịch chứa lượng chất tan nhiều hơn dung dịch bão hòa ở cùng nhiệt độ. Hệ số quá bão hòa():Là tỷ số giữa lượng đường hòa tan trong một đơn vị nước của dung dịch nghiên cứu với lượng đường hòa tan trong một phần nước của dung dịch bão hòa ở cùng nhiệt độ.  Nếu  > 1:dung dịch quá bão hòa.  Nếu  = 1: dung dịch bão hòa.  Nếu  < 1: dung dịch chưa bão hòa.  Hệ số bão hòa có ý nghĩa quyết định đối với quá trình kết tinh, đến hiệu suất kết tinh và chất lượng sản phẩm. 10 37 3. Động học của quá trình kết tinh đường  Quá trình kết tinh gồm 2 giai đoạn chủ yếu: Sự hình thành tinh thể. Sự phát triển của tinh thể. 38 Kết tinh đường ở 70 0 C  Dung dịch chứa 80% đường saccharose, không chứa đường khửû và thời gian là 0 phút, 5 phút, 10 phút và 30 phút 39 3a. Sự xuất hiện của nhân tinh thể (hay sự tạo mầm) Vùng quá bão hòa thấp  = 1,1 – 1,15 Tinh thể không tự xuất hiện được: không sinh hạt mới  Phát triển kết tinh:nuôi lớn tinh thể Vùng quá bão hòa trung bình  = 1,2 -1,25  Tinh thể có thể tự xuất hiện nếu có kích thích hoặc do có mặt của một số tinh thể sẽ làm phát sinh ra nhiều tinh thể khác Những tinh thể đã có sẽ lớn lên với tốc độ nhanh. Vùng quá bão hòa cao  > 1,3  Tinh thể tự xuất hiện không cần kích thích Tinh thể lớn lên nhanh. 40 3b.Sự phát triển của tinh thể Vùng nào thích hợp? Vùng quá bão hòa thấp và duy trì liên tục ở vùng này để tinh thể lớn lên. Tốc độ kết tinh phụ thuộc vào gì? Quá trình kết tinh là quá trình khuếch tán 11 41 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tinh Nồng độ: Độ quá bão hòa:  Độ quá bão hòa càng lớn thì tốc độ kết tinh càng lớn do hiệu số C – C’ lớn. C = C – C’  Theo định luật Fick, tốc độ kết tinh được tính như sau:  Trong đó: K : tốc độ kết tinh. k : hệ số khuếch tán. d : khoảng đường khuếch tán C – C’ : độ quá bão hòa  Vậy tốc độ kết tinh tỷ lệ thuận với độ bão hòa của dung dịch đường d ) C' - C ( . k K  42 Độ nhớt:  Theo Enstein, hệ số khuếch tán k phụ thuộc vào nhiệt độ  và độ nhớt môi trường :  Tốc độ kết tinh:  Khi độ nhớt  tăng: tốc độ kết tinh K giảm  Khi nhiệt độ tăng: chiều dày lớp mật không chuyển động d tăng, độ nhớt giảm.    '.k k d . ) 'c C ( . '.k K    43 Nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng  độ nhớt giảm, tốc độ kết tinh tăng Nhiệt độ tăng cao  biến đổi hóa học xảy ra nhanh chóng  ảnh hưởng đến chất lượng, gây tổn thất đường. Kết tinh đường trong nồi nấu chân không: giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, tăng nhanh tốc độ bốc hơi nước Độ tinh khiết  Tinh độ càng cao  tốc độ kết tinh càng cao.  Tinh độ thấp  thành phần không đường gây ra độ nhớt lớn  cản trở khuếch tán và tiếp xúc của các hạt đường  tốc độ kết tinh chậm,. 44 Kích thước tinh thể  Tinh thể lớn và bé: Tốc độ kết tinh đều như nhau.  Tinh thể bé  tổng diện tích bề mặt lớn  lượng đường kết tinh trong một thời gian lớn  kết tinh dễ  ít tạo tinh thể dại. Số lượng tinh thể  Số lượng tinh thể quá nhiều  cản trở chuyển động của tinh thể trong đường non  giảm tốc độ kết tinh  Số lượng tinh thể nhiều  khoảng cách gần nhau hơn  d nhỏ  tốc độ kết tinh tăng.  Hai ảnh hưởng này hầu như cân bằng nhau. 12 45 4.1.Cô đặc đầu Nguyên liệu: mật chè hoặc đường hồ. Cấp nhiệt làm bay hơi nước  đưa dung dịch đạt đến trạng thái quá bão  chuẩn bị cho sự tạo mầm tinh thể. Nồng độ cô đặc: Tùy phương pháp gây mầm mà khống chế khác nhau. Lượng nguyên liệu cho vào nồi: Tránh hiện tượng cháy đường  ngập ống truyền nhiệt của nồi nấu Giảm thời gian cô đặc  Nguyên liệu không nên quá nhiều, 46 4.2.Sự tạo mầm tinh thể Dùng kinh nghiệm hoặc các dụng cụ kiểm tra để xác định thời điểm tạo mầm tinh thể. Có thể quan sát sự thay đổi trạng thái của dung dịch trong nồi như: Các bọt hơi chuyển động nhanh trên kính quan sát. Khi cô đặc độ nhớt dung dịch tăng lên (do nồng độ tăng)  Sự truyền nhiệt và sự sôi giảm, các bọt khí chuyển động rất chậm đồng thời các giọt mật rơi chậm trên kính và đọng lại nhiều vết dung dịch đặc 47 Phương pháp tạo mầm tự nhiên  Nấu siro đến quá bão hòa cao  tinh thể đường tự xuất hiện Nhận biết điểm xuất hiện tinh thể: Độ nhớt của siro, giọt siro chảy xuống rất chậm Kinh nghiệm. Ưu điểm: đỡ tốn hạt và bột đường để gieo hạt. Khuyết điểm: o Saccharose rất khó tự kết tinh o Nếu nấu đến nồng độ cao chất lượng đường không đảm bảo o Thời gian nấu kéo dài, khó khống chế lượng mầm. o Tinh thể xuất hiện rấtnhanh và đồng loạt, số lượng nhiều  khó điều hòa theo số lượng ấn định  phẩm chất khó kiểm soát o Sau kết tinh lần thứ 2, hàm lượng các chất phi đường cao, gây cản trở cho sự kết tinh. o Vì vậy phương pháp này ít sử dụng. 48 Phương pháp kích thích  Cô đặc dung dịch đường đến độ quá bão hòa trung  Làm lạnh đột ngột để kích thích sự sinh hạt  Chuyển về vùng quá bão hòa thấp ( = 1,1 – 1,15) để nuôi tinh thể lớn lên  Cần xác định thời điểm kích thích hợp lý, tránh gây hiện tượng các hạt tinh thể dính chùm trong dung dịch quá đặc 13 49 Phương pháp gieo mầm  Cô đặc dung dịch đường đến vùng quá bão hòa thấp  Bổ sung mầm  3 cách tạo mầm Phương pháp tinh chủng: Mầm là đường bột. Ưu điểm: – Điều chỉnh được số lượng và kích thước hạt tinh thể – Rút ngắn thời gian nấu đường – Hạn chế sự xuất hiện tinh thể mới. Khuyết điểm: – Lượng bột đường phải được nghiền nhỏ và đồng đều. – Bột đường để lâu bị vón cục  Phương pháp nấu giống (hay phân cắt): tạo mầm trong nồi giống bằng phương pháp tự nhiên hay kích thích.  Phương pháp đường hồ (magma): Mầm được tạo ra bằng cách trộn đường hạ phẩm đã ly tâm với “mật chè” Thường làm nguyên gốc để nấu đường thô, thời gian nấu ngắn, dễ nấu nhưng giảm lượng đường. 50 4.3. Nuôi tinh thể Khi đã đủ lượng tinh thể  đưa dung dịch trở về vùng quá bão hòa thấp Duy trì liên tục ở vùng này để tinh thể lớn lên Tránh hiện tượng ngụy tinh. Lưu ý: Nhiệt độ nguyên liệu cho vào nồi nấu:bằng hoặc lớn hơn nhiệt độ trong nồi nấu 3-5 o C: Giữ nhiệt độ sôi trong nồi Tăng khả năng truyền nhiệt Tạo sự đối lưu tốt. Nguyên liệu có tinh độ AP cao cho vào trước, AP thấp cho vào sau 51 4.4.Cô đặc cuối Khi tinh thể đường đạt kích thước nhất định Ngừng cho nguyên liệu vào Duy trì và theo dõi độ quá bão hòa thấp của dung dịch để đường tiếp tục kết tinh Kết tinh đạt yêu cầu Cô đặc đường non đến độ Bx quy định cho mỗi loại đường. Tránh cô đặc quá nhanh có thể tạo tinh thể dại. Nước bốc hơi ít đóng dần van cung cấp hơi lại Tránh nhiệt độ cao Lưu ý đến sự đối lưu của khối đường non trong nồi nấu. Khi đường non đạt yêu cầu kích thước hạt đường, độ Bx Nhả đường non xuống các máng bồi tinh Xông rửa nồi nấu chuẩn bị cho nồi nấu kế. 52 Những biến đổi hóa học Tinh thể saccharose rất bền, ở nhiệt độ dưới 70 o C hầu như không có sự thay đổi nào Những thay đổi của đường non trong quá trình kết tinh chủ yếu phụ thuộc vào thành phần mật. Chuyển hóa đường: pH axit và nhiệt độ nấu đường  phải khống chế pH và ổn định nhiệt độ Phân hủy đường khử: trong quá trình kết tinh, đường khử phản ứng với axit amin tạo chất màu và bị phân hủy thành các sản phẩm không lên men. Phản ứng của các chất không đường hữu cơ: một số axit hữu cơ kết tủa dưới dạng muối canxi và magiê (canxioxalat, magiê, aconitat); tinh bột, pectin kết tinh cùng với saccharose; phản ứng tạo caramen Phản ứng của các chất không đường vô cơ: nồng độ chất không đường tăng theo dung dịch  đạt đến quá bão hòa và có khả năng kết tinh với saccharose. Hiện tượng khó nấu: khi độ kiềm cao, độ nhớt cao  mật bị dẻo khó kết tinh, bốc hơi chậm 14 53 Nguỵ tinh  Ngụy tinh và hiện tượng dính chùm khi dung dịch ở vùng bão hòa cao.  Các hạt đường không đều nhau: làm cản trở quá trình phân mật  mất đường ở khâu ly tâm,.  Chất bẩn bị kẹt trong kẽ giữa các hạt dính lại với nhauĐường bị đen. 54 5. Thiết bị nấu đường  Thiết bị kết tinh chân không kiểu đứng  Buồng đốt, trong có các ống truyền nhiệt, ở giữa có ống trung tâm.  Đáy nồi nấu có  Cửa xả đường,  Đường ống rút giống  Đường ống xả nước ngưng tụ  Hệ thống ống cấp hơi, cấp liệu, cấp nước nóng , nước vệ sinh cho nồi.  Buồng bốc có  Kính quan sát  Cửa làm vệ sinh.  Trên buồng bốc có  Thiết bị thu hồi đường  Ống dẫn hơi thứ đến thiết bị baromet.  Ngoài ra còn có ống thử mẫu,