(Đồ án) đồ án tốt nghiệp nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến quá trình tinh chế tinh dầu quế

Dùng phương pháp phân tích sắc kí – khối phổ để phân tích thành phần các cấu tử có trong nguyên ban đầu và các sản phẩm tinh dầu thu được ở phân đoạn 1, phân đoạn 2.. Kết quả của đồ án:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến quá trình tinh chế tinh

dầu quế

NGUYỄN THỊ KIM OANH

oanh.ntk163107@sis.hust.edu.vn

Ngành Kỹ thuật hóa học Chuyên ngành Quá trình – Thiết bị Công nghệ

Hóa học và Thực phẩm

và Thực phẩm

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 7/2021

Lời cảm ơn

Chúng ta là sinh viên Bách Khoa Chúng ta có sức trẻ và nghị lực Chúng ta sống hết mình vì tương lai

Nếu không thử, bạn sẽ không bao giờ biết bạn sẽ làm được những gì Đó là một trong những điều quý giá nhận được từ Bách Khoa Vượt qua những kỳ thi đầu tiên, lần đầu trải qua mùa đồ án đầu tiên với bao điều mới lạ và nhận lại được nhiều bài học quý giá cũng như những kỷ niệm sẽ không bao giờ quên với bạn bè

là ngày ngày miệt mài vẽ đồ án trên thư viện, hay một đêm không ngủ trước ngày bảo vệ Hay niềm vui đến từ việc qua được một môn mà bạn phải học lại đến lần thứ 3 mới vượt qua, tất cả đều là những kỷ niệm đẹp của một thời sinh viên Hơn hết phải tự chính bản thân chúng ta trải qua mới cảm nhận rõ những niềm vui đó

và không quên tự rút ra những kinh nghiệm, bài học cho riêng mình Hành trình năm năm học tại Bách Khoa với 9 kỳ thi đáng nhớ và khép lại bởi mùa đồ án tốt nghiệp Giờ đây, khi nhìn lại chặng đường mình vừa đi qua không hiểu rằng tại sao bản thân lại hoàn thành được đến giờ phút này Năm năm không phải là khoảng thời gian ngắn nhưng không dài như bạn nghĩ, trong hành trình này mình đã đến tập cuối cùng Tại đây, xin chân thành cảm ơn đến Bách Khoa đã tạo ra những tập phim đặc sắc, đậm chất riêng và không kém phần kịch tính cho mình Cảm ơn những người bạn luôn đồng hành, giúp đỡ mình ngày càng tiến bộ Cảm ơn thầy

cô – những nhà giáo tận tụy với phấn bảng đã ngày ngày mang tri thức truyền lại cho thế hệ sinh viên chúng em Và đặc biệt, xin cảm ơn thầy TS Nguyễn Văn Xá

đã định hướng và hướng dẫn em hoàn thành môn học cuối cùng Cảm ơn bộ môn Quá trình – Thiết bị Công nghệ Hóa học và Thực phẩm đã đầu tư trang thiết bị hiện đại để đồ án này hoàn thành Một lần nữa, xin cảm ơn Bách Khoa với những thước phim đắt giá nhất của cuộc đời

Sinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên

Tóm tắt nội dung đồ án Các vấn đề cần thực hiện:

1 Tìm hiểu nguyên cứu tổng quan tinh dầu quế, hiện trạng chế biến và tinh chế tinh dầu quế

2 Các phương pháp dùng để chiết xuất và tinh chế tinh dầu, phương pháp chưng luyện gián đoạn, chưng chân không

3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tinh chế tinh dầu và chất lượng sản phẩm: nhiệt cấp cho đáy, chỉ số hồi lưu,

Phương pháp thực hiện:

Thực hiện thực nghiệm tinh chế tinh dầu quế trên hệ chưng chân không gián đoạn loại đệm nhằm nâng cao hàm lượng cấu tử cinnamaldehyde từ nguyên liệu ban đầu là tinh dầu quế thô Dùng phương pháp phân tích sắc kí – khối phổ để phân tích thành phần các cấu tử có trong nguyên ban đầu và các sản phẩm tinh dầu thu được ở phân đoạn 1, phân đoạn 2

Kết quả của đồ án:

Đồ án hoàn thành các vấn đề cần thực hiện, chỉ ra những ảnh hưởng đến quá trình tinh chế và chất lượng sản phẩm và kết quả sản phẩm tinh dầu thu được, tăng hàm lượng của cấu tử cinnamaldehye lên đến hơn 91% phù hợp với hệ thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm

Nguyễn Thị Kim Oanh Sinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

Mở đầu 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan về tinh dầu quế 3

1.1.1 Tinh dầu quế 3

1.1.2 Thành phần tinh dầu quế 4

1.1.3 Công dụng của tinh dầu quế 9

1.2 Các phương pháp sản xuất và tinh chế tinh dầu hiện nay 13

1.2.1 Các phương pháp sản xuất tinh dầu 13

1.2.2 Các phương pháp tinh chế tinh dầu hiện nay 18

1.3 Hiện trạng chế biến tinh dầu ở Việt Nam hiện nay 20

1.4 Phương pháp chưng luyện gián đoạn 22

1.4.1 Tổng quan về phương pháp chưng luyện gián đoạn 22

1.4.2 Chưng luyện gián đoạn hỗn hợp nhiều cấu tử 26

1.4.3 Tháp chưng chân không loại đệm để tách tinh dầu 28

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 32

2.1 Đối tượng nghiên cứu 32

2.2 Phương pháp thực nghiệm 32

2.2.1 Các thiết bị sử dụng cho thực nghiệm 32

2.2.2 Hệ thống tháp chưng luyện gián đoạn loại đệm 33

2.2.3 Các bước tiến hành thí nghiệm 34

2.3 Phương pháp phân tích, tính toán 35

2.3.1 Phương pháp phân tích 35

2.3.2 Tính lưu lượng hơi đi trong tháp chưng 40

2.3.3 Dự đoán vận tốc sặc lý thuyết 41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THẢO LUẬN 45

3.1 Thành phần tinh dầu nguyên liệu đầu 45

3.2 Ảnh hưởng của nhiệt cấp đến tốc độ pha hơi trong tháp 45

3.3 Ảnh hưởng của nhiệt cấp đến chất lượng của sản phẩm 47

3.3.1 Kết quả chưng tinh dầu ở mức nhiệt 420W 47

3.3.2 Kết quả chưng tinh dầu ở mức nhiệt 540W 53

3.4 Vùng làm việc ổn định của hệ thống tinh chế tinh dầu quế 59

KẾT LUẬN 60

Kết luận 60

Hướng nghiên cứu tiếp theo 60

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 63

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các sản phẩm từ cây quế 3

Hình 1.2 Hương liệu quế và tinh dầu quế 4

Hình 1.3 Một số sản phẩm từ quế 12

Hình 1.4 Sơ đồ chưng bằng hơi nước trực tiếp 15

Hình 1.5 Sơ đồ khối tách tinh dầu 15

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên tắc của quá trình trích ly 16

Hình 1.7 Sơ đồ chưng đơn giản gián đoạn [5] 23

Hình 1.8 Đồ thị t – x – y cho chưng gián đoạn 24

Hình 1.9 Sơ đồ của hệ thống chưng luyện gián đoạn 25

Hình 1.10 Chưng luyện gián đoạn hỗn hợp lý tưởng gồm 4 cấu tử với các hệ số bay hơi tương đối ad 10, bd  , 3 cd  262 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống tinh chế tinh dầu 34

Hình 2.2 Bên trong của GC – MS, với cột của máy sắc ký khí 36

Hình 2.3 Sơ đồ GC – MS 36

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống sắc ký khí 37

Hình 2.5 Bộ tiêm mẫu tự động 38

Hình 2.6 Lò cột 38

Hình 2.7 Đầu dò 39

Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống ghi nhận và xử lý số liệu 39

Hình 2.9 Máy GC với đầu dò MS và hệ thống tiêm mẫu tự động (bao gồm cả Head Space) 40

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn tốc độ hơi ứng với thí nghiệm với các mức nhiệt khác nhau 46

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đáy theo thời gian ở phân đoạn 1 48

Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đỉnh theo thời gian ở phân đoạn 1 49

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đáy theo thời gian ở phân đoạn 2 50

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đỉnh theo thời gian ở phân đoạn 2 51

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đáy theo thời gian ở phân đoạn 1 54

Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đỉnh theo thời gian ở phân đoạn 1 55

Hình 3.8 Đồ thị nhiệt độ đáy thay đổi theo thời gian phân đoạn 2 57

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đỉnh theo thời gian ở phân đoạn 2 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý của tinh dầu quế 4

Bảng 1.2 Thành phần cấu tử chính trong tinh dầu từ lá quế 4

Bảng 1.3 Bảng nhiệt độ sôi của các cấu tử chính trong lá quế 5

Bảng 1.4 Thuộc tính và cấu trúc của eugenol 6

Bảng 1.5 Tính chất cơ bản và cấu trúc của linalool 6

Bảng 1.6 Thành phần cấu tử chính trong tinh dầu vỏ quế 6

Bảng 1.7 Tính chất cơ bản và cấu trúc của cinnamaldehyde 7

Bảng 1.8 Thuộc tính và cấu trúc của cinnamyl axetat 8

Bảng 1.9 Thuộc tính và cấu trúc của coumarin 8

Bảng 1.10 Thuộc tính và cấu trúc của benzaldehyde 9

Bảng 1.11 Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC), nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (MBC) và sức mạnh kháng sinh của tinh dầu quế đối với các vi khuẩn và nấm [2] 10

Bảng 2.1 Thành phần % của các cấu tử có trong tinh dầu quế thôi 32

Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật của các thiết bị chính trong hệ thống thí nghiệm 32

Bảng 2.3 Các hệ số của phương trình Billet - Schultes 42

Bảng 2.4 Thành phần % của các cấu tử trong tinh dầu quế thô 43

Bảng 2.5 Thành phần phần khối lượng và phần mol của các cấu tử 43

Bảng 2.6 Các thông số tính toán cho phương trình Billet - Schultes 44

Bảng 3.1 Thành phần % của các cấu tử có trong nguyên liệu đầu 45

Bảng 3.2 Thời gian thu được 10ml tinh dầu 45

Bảng 3.3 Tốc độ pha hơi trong tháp (m/s) và lưu lượng hơi trung bình của mỗi thí nghiệm (m3/s) 46

Bảng 3.4 Tốc độ pha hơi (m/s) trong tháp ứng với các mức nhiệt khác nhau 46

Bảng 3.5 Kết quả chưng tinh dầu lấy sản phẩm phân đoạn 1 47

Bảng 3.6 Kết quả chưng tinh dầu lấy sản phẩm phân đoạn 2 49

Bảng 3.7 Kết quả phân tích thành phần cấu tử sản phẩm đỉnh phân đoạn 1 51

Bảng 3.8 Kết quả phân tích thành phẩn sản phẩm đỉnh phân đoạn 2 52

Bảng 3.9 Kết quả chưng tinh dầu phân đoạn 1 ở mức nhiệt thấp hơn 53

Bảng 3.10 Kết quả chưng tinh dầu phân đoạn 2 ở mức nhiệt thấp 55

Bảng 3.11 Kết quả phân tích thành phần cấu tử sản phẩm đỉnh phân đoạn 1 57

Bảng 3.12 Kết quả phân tích thành phần cấu tử sản phẩm đỉnh phân đoạn 2 58

Bảng 3.13 Vùng làm việc ổn định của hệ thống tinh chế tinh dầu 59

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

GC-MS Gas chromatography – Mass spectrometry

MIC Minimal Inhibitory concentration

MBC Minimal Bactericidal Concentration (MBC)

Mở đầu

Tinh dầu thiên nhiên ngày càng được sử dụng phổ biến và là lựa chọn của rất nhiều người tiêu dùng trong đời sống hiện đại Tinh dầu thiên nhiên chứa nhiều cấu tử mang lại nhiều công dụng hữu ích cho sức khỏe và tạo ra môi trường sống thoải mái cho con người và cộng đồng

Từ thế kỷ IX, tinh dầu đã được con người sử dụng và thu được bằng phương pháp chưng cất: nguyên liệu thực vật được xử lý với ancol và sau đó chưng cất với nước để thu được nước thơm Vào thế kỷ XVI, tinh dầu đã được thương mại hóa với các mục tiêu mỹ phẩm, công nghiệp và chữa bệnh Tuy nhiên, đến cuối thể kỷ XIX, các tiến bộ trong công nghệ hóa học đã có thể tách riêng các cấu tử có mùi thơm và sau đó tổng hợp chúng để sử dụng trong y học và công nghiệp mỹ phẩm, nước hoa Sang thế kỷ XX, sự phát triển mạnh mẽ của hóa học đã khiến cho việc sản xuất tinh dầu theo con đường tổng hợp được cải tiến với khối lượng lớn, giá

rẻ, quy trình ổn định và được tiêu chuẩn hóa, do đó tinh dầu tổng hợp đã dần thay thế các loại tinh dầu tự nhiên Các nguyên nhân thúc đẩy việc sản xuất các chất thơm tổng hợp gồm có: con đường tổng hợp có thể tạo ra các sản phẩm tương đương với thiên nhiên nhưng giá thành rẻ hơn; tạo ra các mùi thơm mới chưa tìm thấy trong tự nhiên (đa dạng hơn); có thể cải tiến chất lượng chất thơm (bền hơn, mùi thuần hơn, không có tác dụng phụ) Cho đến đầu những năm 1990 và thời đầu thế kỷ XXI, cách nhìn nhận về tinh dầu đã thay đổi toàn diện Điều này có thể do một số yếu tố: xu hướng sinh thái kêu gọi quay trở về với thiên nhiên và bảo vệ môi trường, các cân nhắc về lợi ích kinh tế nhằm thúc đẩy (khuyến khích) việc tự điều trị cũng như thông tin về mối nguy hại của hóa chất tổng hợp như nguy cơ gây ung thư, ảnh hưởng của hóa chất đến khả năng sinh sản của con người, nhận thức về độc tính của thuốc trừ sâu hóa học cho trái đất, sự toàn cầu hóa khiến cho tinh dầu có thể được sản xuất ở các nước có giá nhân công rẻ… Do đó, từ chỗ bị lãng quên, tinh dầu đã lấy lại vị thế của mình và chiếm lĩnh thị trường các sản phẩm hữu cơ Có thể nói rằng, sự đổi mới này xuất phát từ một phần không hài lòng với các chất hóa học tổng hợp và một phần vào tính tích cực nhấn mạnh rằng các sản phẩm tự nhiên là hoàn toàn vô hại Qua nhiều thế kỷ, có thể thấy rằng các sản phẩm từ thiên nhiên luôn được ưa chuộng và yêu thích vì những giá trị của nó mang lại Đặc biệt, tinh dầu thiên nhiên ngày càng được quan tâm từ những sản phẩm ngoài thị trường đến các phòng nghiên cứu ra những phương pháp tách, chiết tinh dầu một cách hiệu quả và chất lượng cao nhất Có thể nói rằng, tinh dầu thiên nhiên sẽ sớm trở thành một ngành công nghiệp xanh mang lại nhiều giá trị về sức khỏe lẫn kinh tế cho con người

Do hợp chất thiên nhiên, nên chúng chứa nhiều cấu tử, trong đó có cả cấu tử không có lợi (thậm chí độc); tinh dầu phụ thuộc vào nguồn gốc của nguyên liệu… cần phải tinh chế tăng hàm lượng các chất có lợi, loại bỏ các chất không cần thiết

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Tinh dầu thiên nhiên hiện đang được người tiêu dùng lựa chọn trong đời sống hiện nay Tinh dầu, thông thường là chất lỏng gồm các hợp chất thơm dễ bay hơi được tách chiết bằng phương pháp chưng cất bằng hơi nước, ép lạnh từ quả,

lá, vỏ hay rễ cây … Ngoài ra còn nhiều phương pháp để tách tinh dầu là tách chiết dung môi

Tinh dầu là một phần không thể thiếu của các loại cây, do vậy tinh dầu mang lại sức sống và năng lượng tinh khiết từ thảo dược thiên nhiên và có tác dụng mạnh hơn 50 – 100 lần các dược liệu sấy khô khác ( thảo mộc) Hầu hết tinh dầu đều trong, ngoại trừ một vài loại tinh dầu cam, chanh hay hoắc hương thì có màu hổ phách hoặc vàng nhạt

Tinh dầu ngày càng được sử dụng thường xuyên trong sản xuất mỹ phẩm, tạo hương vị cho thực phẩm, hay thêm mùi vào các sản phẩm tẩy rửa sát trùng khác

Tinh dầu trong lịch sử cũng từng được sử dụng trong y học Các ứng dụng trải dài từ làm đẹp cho tới điều trị các vấn đề sức khỏe Tuy nhiên các tuyên bố về hiệu quả của việc điều trị sức khỏe bằng tinh dầu hiện tại phải tuân theo quy định khác nhau tại nhiều quốc gia

 Phân loại tinh dầu gồm:

 Tinh dầu nguyên chất: Tinh dầu nguyên chất là tinh dầu hoàn toàn chiết xuất 100% thiên nhiên không pha trộn với các thành phần hóa học Với một lượng nhất định thì có thể ăn uống được và an toàn cho sức khỏe, ngoại trừ tinh dầu được chiết xuất từ các loại thảo dược ( ở dạng thô) Vì vậy tinh dầu được tách chiết từ những loại như cam, chanh, quế, bạc hà,… thì sẽ ăn uống được với một lượng nhất định ở dạng thô khi chiết tách thành dạng tinh khiết, nếu không ăn uống được thì tinh dầu chưa đảm bảo tinh khiết từ thiên nhiên

 Tinh dầu không nguyên chất: là một phần của tinh dầu nguyên chất pha với các thành phần hóa học khác mà vẫn giữ được hương vị của tinh dầu Hoặc tinh dầu chưa được chiết, tinh chế để tách hoàn toàn tinh khiết

 Hương tinh dầu tổng hợp: thường được tổng hợp từ các chất hóa học

mà có mùi hương tương tự như tinh dầu hay còn gọi là dầu thơm

 Ứng dụng của tinh dầu:

Với lịch sử phát triển hàng ngàn năm, tinh dầu được mệnh danh là báu vật của thiên nhiên, là tủ thuốc của tự nhiên được phát triển thành phương pháp trị liệu, chăm sóc sức khỏe, làm đẹp trên toàn thế giới Giữa thế kỉ XIX, tinh dầu được tập trung nghiên cứu và trở thành một phương pháp trị liệu tổng thể và phổ cập tại nhiều nước như: Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản, Anh, Pháp…

Tinh dầu giúp loại bỏ các tế bào chết trên da, giữ và làm cho da mượt mà, mềm mại; kích hoạt làm tiêu mỡ thừa dưới da, giúp da săn chắc ngăn ngừa mụn trứng cá Tinh dầu giúp trị cảm cúm, nhức đầu, các bệnh về khớp; trị liệu các vấn

đề về gan, thận, mất ngủ, giải độc cho cơ thể, thư giãn, giảm stress Tinh dầu tạo mùi thơm nhẹ nhàng, và tạo cảm giác hoàn toàn thuần khiết cho không gian .Tinh dầu cũng được dùng trong sản xuất một số loại thuốc

Ngoài ra, tinh dầu tự nhiên hiện nay được nhiều người sử dụng thay thế các loại mỹ phẩm thông thường, bởi tính an toàn trong sử dụng và gần như không có tác dụng phụ Bên cạnh tác dụng chăm sóc sắc đẹp, công dụng chăm sóc sức khỏe,

sử dụng tinh dầu làm sạch không khí cũng được nhiều chuyên gia khuyên dùng

1.1 Tổng quan về tinh dầu quế

Tên khoa học của cây quế được gọi là cây quế thanh ( hay còn được gọi là

quế Trà My, quế Trà Bồng) được xác định là Cinnanmomum loureiroi, thuộc:

Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý của tinh dầu quế

Trạng thái vật lý Dạng lỏng, có màu vàng nhạt đến nâu đỏ

Mùi Có mùi đặc trưng giống mùi cinnamaldehyde

Nhiệt độ sôi 248oC

Khối lượng riêng (ở

20oC)

1,052 – 1,070 g/cm3

Tính tan Tinh dầu không tan trong nước, tan trong một số dung

môi hữu cơ như etanol,…

Hình 1.2 Hương liệu quế và tinh dầu quế

1.1.2.1 Các cấu tử chính trong tinh dầu từ lá quế

Các cấu tử có trong tinh dầu lá quế được liệt kê dưới đây:

Bảng 1.2 Thành phần cấu tử chính trong tinh dầu từ lá quế

Z – cinnamyl

acetate

1.00 eugenyl acetate 0.64 benzyl benzoate 4.01 α - humulene 0.57

Thành phần chủ yếu trong lá quế là eugenol chiếm phần lớn, ngoài ra còn các thành phần khác như β - cayryophyllene, cinnamaldehyde, linalool, α - terpenene,…

Dưới đây là bảng thống kê nhiệt độ sôi của các cấu tử có trong tinh dầu quế Nhiệt độ sôi của các cấu tử trải dài từ 155,5 oC đến cao nhất là benzyl benzoate là

323 oC, còn cấu tử chính eugenol là 254 oC do đó để tách được cấu tử chính riêng biệt cần phải lấy sản phẩm ra theo nhiều phân đoạn theo từng khoảng nhiệt độ sôi

Bảng 1.3 Bảng nhiệt độ sôi của các cấu tử chính trong lá quế

benzyl benzoate 323 α - humulene 106,5

Dưới đây là đặc điểm của một số cấu tử chính:

 Eugenol

Danh pháp: 2 – methoxy – 4 – (pro – 2- en – 1 – yl) phenol

Eugenol thuộc nhóm allylbezene Nó là một chất lỏng dầu thơm, không màu đến màu vàng nhạt được chiết xuất từ một số loại tinh dầu như dầu đinh hương, quế, húng quế và lá quế

Eugenol được sử dụng trong sản xuất nước hoa, hương liệu và tinh dầu Ngoài ra, nó cũng được sử dụng như một chất khử trùng và gây tê cục bộ Eugenol

có thể kết hợp với oxit kẽm để tạo thành eugenok oxit kẽm có ứng dụng phục hồi

và phục hình răng trong nha khoa

Bảng 1.4 Thuộc tính và cấu trúc của eugenol

Công thức phân tử C10H12O2

Khối lượng phân tử 164,20 g/mol

Khối lượng riêng 1,06 g/ml

Nhiệt độ sôi 254 oC

 Linalool

Danh pháp: 3,7 – dimethyl – 1,6 – octandien – 3 – ol

Linalool là một chất lỏng không màu, có mùi nhẹ và ngọt xuất hiện trong nhiều loại tinh dầu như quýt, cây bạc hà, chanh, quế… Nó thường được sử dụng nhiều trong thương mại, phần lớn trong đó là do mùi hương dễ chịu của nó Linalool còn được nghiên cứu để ức chế các tế bào ung thư gan khỏi nhân bản, tuy nhiên ở mức độ còn thấp

Bảng 1.5 Tính chất cơ bản và cấu trúc của linalool

Công thức phân tử C10H18O

Khối lượng phân tử 154,25 g/mol

Khối lượng riêng 0,858 – 0,868

g/ml Nhiệt độ sôi 198 – 199 oC

1.1.2.2 Các cấu tử chính trong tinh dầu từ vỏ quế

Thành phần chính của tinh dầu từ vỏ quế là cinnamaldehyde chiếm đến 50,5% Ngoài ra còn một số thành phần khác như z – cinnamyl acetate, eugenol, coumarin, β - cayryophyllene, … Dưới đây là bảng thành phần các cấu tử trong tinh dầu từ vỏ quế

Bảng 1.6 Thành phần cấu tử chính trong tinh dầu vỏ quế

Z – cinnamyl acetate 8.78 eugenyl acetate 0.40

Dưới đây là một số cấu tử chính trong hỗn hợp tinh dầu quế:

 Cinnamaldehyde

Danh pháp IUPAC: (2E) – 3 – phenylprop – 2 – enal

Cinnamaldehyde là một hợp chất hữu cơ xuất hiện trong tự nhiên chủ yếu là đồng phân trans Phân tử này bao gồm một vòng benzen gắn với một aldehyde chưa bão hòa, là một trong những thành phần chính của quế và mang lại cho quế hương vị và mùi Cinnanmaldehyde là một phenylproanoid được tổng hợp một cách tự nhiên theo con đường shikimate Thường có màu vàng nhạt, chất lỏng trong vỏ cây quế và các loài khác của chi cinnamomum

Bảng 1.7 Tính chất cơ bản và cấu trúc của cinnamaldehyde

Công thức phân tử C9H8O

Khối lượng phân tử 132,16 g/mol

Khối lượng riêng 1,0497 g/ml

Nhiệt độ sôi 248oC

Ứng dụng của cinnamaldehyde phổ biến nhất là dùng làm hương liệu trong kẹo cao su, kem, kẹo và đồ uống; mức sử dụng dao động từ 9 – 4900 phần triệu (ppm) có nghĩa là ít hơn 0,5% Cinnamic aldehyde cũng được sử dụng trong một

số nước hoa có hương thơm tự nhiên, ngọt, hoặc trái cây

Cinnamaldehyde có thể được sử dụng như một chất làm tràn thực phẩm; vỏ trấu beechnut có aromatized với cinnamaldehyde có thể được bán dưới dạng bột quế

Cinnamaldehyde cũng được sử dụng làm thuốc diệt nấm Được kiểm nghiệm

có hiệu quả trên hơn 40 loại cây trồng khác nhau, cinnamaldehyde thường được

áp dụng cho hệ thống rễ cây

Cinnamaldehyde cũng là một chất diệt côn trùng an toàn và hiệu quả chống lại ấu trùng muỗi Ở nồng độ cinnamaldehyde lớn gây kích ứng da, và là hóa chất độc hại nhưng chưa có kết luận của cơ quan nào là hợp chất gây ung thư hoặc gây nguy hiểm sức khỏe lâu dài

Cinnamaldehyde cũng có tính kháng khuẩn, là một chất kích hoạt TRPA1,

và có thể kích thích một tập hợp các nơ – ron cảm giác mà chủ yếu là các tế bào thần kinh nhạy cảm với lạnh, gây ra hành vi cảm thụ đau ở chuột Hầu hết chất

cinnamaldehyde trong cơ thể được bài tiết qua nước tiểu dưới dạng acid cinnamic, dạng cinnamaldehyde bị oxy hóa [1]

 Cinnamyl axetat

Danh pháp IUPAC: 3 – phenylprop – 2 – enyl axetat

Cinnamyl axetat là một hợp chất hóa học thuộc họ cinnamyl este, xuất hiện

tự nhiên trong vỏ tươi của quế trong đó nhóm R biến đổi được thay thế bởi một nhóm metyl Cinnamyl axetat là kết quả của liên kết đôi cacbon – cacbon không thơm và có thể tồn tại ở cấu hình dưới đây

Bảng 1.8 Thuộc tính và cấu trúc của cinnamyl axetat

Công thức phân tử C11H12O2

Khối lượng phân tử 176,215 g/mol

Khối lượng riêng 1,057 g/ml

Nhiệt độ sôi 265oC

Cinnamyl axetat thường được sử dụng như một este hương vị trong bánh mì, thức ăn chăn nuôi và có hương thơm trái cây Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong một số mỹ phẩm hay trong một số đồ vệ sinh cá nhân

 Coumarin

Danh pháp IUPAC: 2 – H – chromen – 2 – one

Tên khác: 1 – benzopyran – 2 – one

Coumarin là một hữu cơ thơm, là một chất tự nhiên được tìm thấy trong nhiều loại thực vật có mùi thơm dễ chịu, có mùi hoa quế

Bảng 1.9 Thuộc tính và cấu trúc của coumarin

Công thức phân tử C9H6O2

Khối lượng phân tử 146,145 g/mol

Khối lượng riêng 0,935 g/ml

Nhiệt độ sôi 301oC

Coumarin thường được sử dụng trong một số nước hoa và chất thơm Coumarin được sử dụng như một chất tăng hương thơm tuy nhiên bị cấm làm phụ gia thực phẩm có hương vị, do độc tính gan của nó trong mô hình động vật Nó được sử dụng trong ngành được phẩm như thuốc thử trong quá trình tổng hợp cả

một số chất chống đông Coumarin cũng được sử dụng làm môi trường khuếch đại trong một số laser nhuộm và chất nhạy cảm trong công nghệ quang điện cũ

 Benzaldehyde

Benzaldehyde là hợp chất hữu cơ thuộc loại andehit thơm đơn giản nhất, là chất lỏng không màu, để lâu có màu vàng và mùi hạnh nhân Thường ít tan trong nước dễ tan trong một số dung môi hữu cơ như etanol, ete, benzen, clorofom… Trong không khí, bị oxi hóa thành axit benzoic, thường được dùng để điều chế chất thơm, phẩm nhuộm loại triphenylmetan,…

Bảng 1.10 Thuộc tính và cấu trúc của benzaldehyde

Công thức phân tử C6H5CHO

Khối lượng phân tử 106,124 g/mol

Khối lượng riêng 1,044 g/ml

Nhiệt độ sôi 178oC

Tinh dầu quế có nguồn gốc từ cây thuộc loài Laurus cinnamomum và thuộc

họ thực vật Lauraceae Quế được trồng nhiều ở khu vực Nam Á, ngày nay cây quế được trồng nhiều ở các quốc gia Châu Á và được đưa đi khắp thế giới dưới dạng tinh dầu quế hoặc làm hương liệu, gia vị quế

Tinh dầu quế chứa nhiều chất chống oxy hóa có lợi, chống viêm, kháng khuẩn, ngăn ngừa tiểu đường và nó cũng có thể chữa bệnh tim mạch, hạ chỉ số cholesterol và điều trị các rối loạn sức khỏe thần kinh Thành phần chính của tinh dầu phụ thuộc vào từng bộ phận của cây quế: cinnamaldehyde (vỏ cây), eugenol (lá) hoặc long não (rễ) Tinh dầu chủ yếu bao gồm cinnamaldehyde, cinnamyl axetat, cinnamyl benzoat và các hợp chất khác cho thấy tính kháng khuẩn rất cao

chống lại E.coli ATCC 25922 (MIC = 0,80mg.ml-1), S.aureus ATCC 25923 (MIC

= 0,20mg.ml-1) và hoạt động diệt nấm chống lại C.albicans (MIC = 0,40mg.ml-1),

chống nấm và các hoạt động chống lại Aspergillus ochraceus, Aspergillus parasiticus Nhiều nghiên cứu cho thấy lợi ích tinh dầu quế mang lại như: ngăn

ngừa các mầm bệnh truyền qua thực phẩm và các vi sinh vật tạp nhiễm gây ra hiện tượng biến màu sinh học của thực phẩm được bảo quản Dưới đây là bảng các thông số nồng độ ức chế tối thiểu, nồng độ diệt khuẩn và sức mạnh kháng sinh của tinh dầu quế [2]

Bảng 1.11 Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC), nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (MBC)

và sức mạnh kháng sinh của tinh dầu quế đối với các vi khuẩn và nấm [2]

và các sản phẩm dược phẩm khác nhau Các thành phần quan trọng nhất của quế

là cinnamaldehyde và trans-cinnamaldehyde (Cin), có trong tinh dầu, góp phần tạo

ra mùi thơm và các hoạt động sinh học khác nhau được quan sát thấy từ quế Trên thị trường có hai loại tinh dầu quế chính: tinh dầu từ vỏ quế và tinh dầu

từ lá quế Mặc dù có những điểm tương đồng nhưng hai loại tinh dầu này là những sản phẩm khác nhau với những mục đích sử dụng riêng biệt Tinh dầu vỏ quế được chiết xuất từ vỏ quế có mùi quế đặc trưng và giá thành thường đắt hơn tinh dầu lá quế Tinh dầu từ lá quế có xu hướng màu nhạt hơn và có mùi xạ hương và cay Cả hai loại đều mang lại nhiều lợi ích nhưng tinh dầu vỏ quế thì mạnh hơn

Những lợi tích từ tinh dầu quế mang lại dưới đây:

- Hoạt tính chống oxy hoá, chống viêm:

Các hợp chất chống oxy hoá có trong thực phẩm đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống con người, đóng vai trò như các tác nhân bảo vệ sức khoẻ Với đặc tính cay nóng, khả năng kháng khuẩn tốt, có tác dụng hỗ trợ hệ miễn dịch, khống chế sự phát triển của các loại vi khuẩn, virus hiệu quả

- Với bệnh tim mạch:

Một trong những thành phần hoạt tính được tách ra từ C cassia có tên là methoxycinnamaldehyde làm giảm sự biểu hiện của các phân tử kết gắn tế bào mạch máu-1 (VCAM-1) trong các tế bào nội bào hoạt tính bởi TNFα, cho thấy thiếu máu / tái sản xuất (I / R ) thương tích được cải thiện do sự kích thích của hemeoxygenase- (HO-) Những tác động tiềm tàng của hai hợp chất, aldehyde cinnam và axit cinnamic, được phân lập từ C cassia chống thiếu máu cơ tim, cho thấy rằng quế cũng có tiềm năng được sử dụng để điều trị các bệnh tim mạch Một số nghiên cứu đã báo cáo các tác dụng bảo vệ của cinnamaldehyde đối với hệ thống tim mạch Cinnamophilin là một trong những lignan quan trọng được tách ra từ C philippinensis và đã được khẳng định có hoạt tính ngăn chặn thụ thể thromboxane A2(TXA2) ở chuột nhắt cũng như ở lợn guinea Cinnamophilin đóng vai trò là chất ức chế tổng hợp thromboxane và thuốc đối kháng thụ thể TXA2 và

2-có thể hữu ích khi kết hợp với điều trị các bệnh liên quan đến rối loạn TXA2, ví

dụ như sự kết tập tiểu cầu và ung thư Cinnamophilin chủ yếu ức chế sự gia tăng các tế bào cơ trôi mạch trung gian qua thụ thể thromboxan và có thể có tiềm năng

sử dụng trong phòng bệnh mạch máu và xơ vữa động mạch [3]

Cinnamaldehyde có thể hạ huyết áp Khả năng của cinnamaldehyde trong chức năng giãn mạch có thể là do nó cản trở cả sự phóng thích Ca2+

Cinnamaldehyde ngăn cản sự tiến triển của tăng huyết áp ở bệnh đái tháo đường tuýp 1 và 2 bằng cách giảm bớt sự co bóp mạch máu, ngoài tác dụng insulinotropic của nó trong sự thiếu hụt insulin

- Tác dụng giảm cholesterol và lipid

Một nghiên cứu của quế cho thấy giảm cholesterol, triglycerides và lipoprotein mật độ thấp ở chuột dùng bột quế Cinnamomum cassia (15%) trong 35 ngày Ngoài ra, dầu quế làm giảm mức cholesterol ở gà broiler Một nghiên cứu báo cáo rằng việc dùng quế 1, 3 và 6 g liều mỗi ngày làm giảm glucose máu, triglyceride, cholesterol toàn phần, và mức cholesterol LDL ở người

Các loại hợp chất phenolic và flavonoid đã được phân lập từ quế Epicatechin, catechin, và procyanidin B2, là những hợp chất phenolic cô lập từ quế, cho thấy các hoạt động ức chế đáng chú ý và tiềm ẩn sự hình thành AGEs Các hoạt động chống lại hoạt tính hóa học của các hợp chất phenolic không chỉ do các hoạt động chống oxi hóa của chúng mà còn liên quan đến khả năng bẫy của cacbonyl phản ứng, như methylglyoxal (MGO), carbonyl phản ứng trung gian trong sự hình thành AGE Sự ức chế sự hình thành tuổi bằng cách bẫy các loài carbonyl phản ứng có thể là một cách tiếp cận điều trị hợp lý để điều trị đái tháo đường

Tinh dầu giúp cải thiện mức đường trong máu Ở cả người và động vật, theo các nghiên cứu cho thấy quế tác động tích cực đến việc giải phóng insulin nhằm duy trì lượng đường trong máu ổn định và do đó có thể ngăn ngừa mệt mãn tính,

ủ rũ, thèm đường và ăn quá nhiều Có thể sử dụng tinh dầu quế để mang lại lợi ích

về đường huyết

- Hoạt tính kháng khuẩn

Cho đến nay, một số hoạt động kháng khuẩn của quế và dầu của nó đã được báo cáo trong các nghiên cứu khác nhau Ví dụ, Matan et al báo cáo tác động của dầu quế trên các loại vi khuẩn khác nhau (Pediococcus halophilus và Staphylococcus aureus), nấm (Aspergillus flavus, Mucor plumbeus, Penicillium roqueforti, và Eurotium sp.), và các loài nấm men (Candida lipolytica, Pichia membranaefaciens, Debaryomyces hansenii, và Zygosaccharomyces rouxii ), cho thấy quế là một chất kháng khuẩn tự nhiên

Theo một nghiên cứu đã được công bố chứng minh rằng tinh dầu quế có thể ngăn chặn việc phát triển của các tế bào gây nên tình trang viêm da và tái tạo mô Với đặc tính chống viêm, tinh dầu quế là một phương thuốc tự nhiên mang lại hiệu quả cho các vấn đề về da viêm nhiễm và mụn trứng cá Có thể kết hợp với dầu dừa

và thoa lên da để tận dụng khả năng kháng khuẩn có nó [4]

Quế là một loại thực phẩm đốt cháy chất béo và có khả năng giúp con người giảm cân Cinnamaldehyde là một hợp chất được tìm thấy trong tinh dầu quế có khả năng kích hoạt phản ứng sinh nhiệt và trao đổi chất ở tế bào mỡ, có lợi trong việc giảm cân và ngăn ngừa béo phì

Tinh dầu quế cũng giúp chữa bệnh loét, đó là loại vi khuẩn Helicobacter pylori hoặc H pylori là tác nhân gây ra các vết loét Eugenol là một hợp chât có lợi làm giảm số lượng vết loét cũng như mức độ nghiêm trọng của vết loét Mặc

dù quế không tiêu diệt hoàn toàn nhưng nó làm giảm sự xâm nhập của vi khuẩn ở một mức nào đó

Các nghiên cứu cũng phát hiện ra tinh dầu quế làm ức chế sự phát triển của một số ký sinh trùng có hại, là phương thức điều trị ký sinh trùng hữu ích Quế có tác dụng với bệnh giardiasis, là bệnh nhiễm trùng đường ruột được gây ra bởi ký sinh trùng giardia Ngoài ra, quế cũng có tác dụng gây ức chế đối với loại ký sinh trùng làm gây bệnh sốt rét ở người ( plasmodium falciparum)

Với tác dụng chống viêm, khả năng kháng khuẩn và điều hòa hệ miễn dịch thì tinh dầu quế là một lựa chọn hàng đầu để chống lại các bệnh như đau họng Sự kết hợp nước chanh nóng, mật ong với dầu quế vào mỗi buổi sáng để cải thiện tình trạng đau họng và đồng thời tăng cường hệ miễn dịch

Một tác dụng tuyệt vời từ quế đó chính là khử mùi cho ngôi nhà bằng cách kết hợp với các mùi hương khác như quế, cam, chanh Nó sẽ mang lại cảm giác thư giãn, nhẹ nhàng và giúp lọc không khí tốt hơn

Chống nhiễm nấm, tinh dầu quế có thể điều trị được các chủng nấm như Candida albicans, thường là tác nhân chính gây ra nấm móng chân và nhiều bệnh nhiễm trùng từ nấm khác gây nên Để điều trị nấm móng một cách hiệu quả thì sự kết hợp giữa tinh dầu quế với dầu oliu, dầu dừa là tuyệt vời nhất

Một số sản phẩm trên thị trường có chứa thành phần từ quế, tinh dầu quế:

Hình 1.3 Một số sản phẩm từ quế

Quế đã được sử dụng như là một gia vị trong cuộc sống hàng ngày mà không

có bất kỳ tác dụng phụ Các hoạt động chống oxy hoá và kháng khuẩn có thể xảy

ra thông qua hoạt động trực tiếp trên các chất oxy hóa hoặc các vi khuẩn, trong khi các hoạt động chống viêm, chống ung thư và chống tiểu đường xảy ra gián tiếp thông qua các cơ chế thụ thể Lợi ích sức khoẻ đáng kể của nhiều loại quế đã được khám phá Cần thêm các nghiên cứu để cung cấp các bằng chứng lâm sàng bổ sung cho việc sử dụng truyền thống của gia vị chống lại ung thư và các chứng viêm, chứng tim mạch và thần kinh

1.2 Các phương pháp sản xuất và tinh chế tinh dầu hiện nay

Nguyên liệu để sản xuất tinh dầu là các loại thực vật có chứa tinh dầu Trong thực vật, tinh dầu có thể có ở hoa, lá, rễ, thân, củ,… Có một số thực vật có trong mọi bộ phận của cây đều có chứa tinh dầu Để khai thác chúng trong công nghiệp, thường dụng bộ phận nào có nhiều tinh dầu nhất và tinh dầu có chất lượng cao nhất

Tinh dầu là hỗn hợp các chất hữu cơ có mùi thơm, mùi thơm của tinh dầu là mùi của cấu tử có nhiều nhất trong tinh dầu ( cấu tử chính) Đa số tinh dầu thường rất dễ bay hơi với hơi nước, có mùi thơm, không hòa tan trong nước và khối lượng riêng thường nhỏ hơn nước Ngoài ra còn có một số loại tinh dầu nặng hơn nước như quế, đinh hương Vì những lý do trên nên người ta thường dùng phương pháp chưng cất để tách tinh dầu

Thu hoạch, bảo quản và chế biến sơ bộ cũng là một khâu vô cùng quan trọng trước khi đem đi tách tinh dầu

Nguyên liệu chứa tinh dầu cần phải thu hoạch vào lúc có nhiều tinh dầu nhất

và tinh dầu có chất lượng cao nhất Tùy theo dạng nguyên liệu mà người ta xác định độ chín kỹ thuật để thu hoạch, thường thu hoạch vào sáng sớm, lúc tan sương ( vì trong ngày hàm lượng tinh dầu giảm dần từ sáng đến tối) Khi thu hoạch cần tránh làm dập nát và lẫn tạp chất Thu hoạch xong cần đưa về cơ sở sản xuất ngay Trong quá trình vận chuyển cần cẩn thận tránh hư hỏng nguyên liệu Các cơ sở sản xuất không nên quá xa vùng nguyên liệu (<20km) Một số nguyên liệu khi thu hoạch xong nếu chế biến ở dạng khô cần phải phơi hoặc sấy khô nhằm bảo quản lâu dài Khi thu nhận nguyên liệu cần chú ý đến độ tươi của nguyên liệu, sau khi thu hoạch nếu chưa chế biến cần rải mỏng nguyên liệu, tránh chất đống để phòng ngừa hiện tượng tự bốc nóng

Để chuẩn bị cho quá trình sản xuất được tốt, nguyên liệu cần phải được chế biến sơ bộ, quá trình này gồm:

 Làm sạch tạp chất: dùng sàng để phân loại

 Nghiền: Tinh dầu trong thực vật thường nằm trong các mô của tế bào,

vì thế nghiền nhằm mục đích để giải phóng tinh dầu ra khỏi mô để khi tiến hành sản xuất tinh dầu dễ thoát ra, từ đó rút ngắn quy trình

sản xuất Để nghiền thường dùng máy nghiền búa hoặc nghiền trục Nghiền càng nhỏ thì hiệu suất phá vỡ tế bào càng cao nhưng dễ gây tắc ống dẫn hơi ( tinh dầu + nước) và độ xốp bé làm ảnh hưởng đến quá trình chưng cất Mức độ nghiền được biểu diễn bằng trọng lượng của một đơn vị thể tích nguyên liệu Mỗi nguyên liệu có một dung trọng thích hợp và được xác định trong phòng thí nghiệm

Tùy thuộc từng loại nguyên liệu và trạng thái của tinh dầu trong nguyên liệu

mà người ta dùng các phương pháp khác nhau để tách

 Giữ cho tinh dầu thu được có mùi vị tự nhiên ban đầu

 Qui trình chế biến phải phù hợp, thuận lợi và nhanh chóng

 Phải tách được triệt để tinh dầu trong nguyên liệu, tổn thất tinh dầu trong quá trình chế biến và hàm lượng tinh dầu trong nguyên liệu sau khi chế biến (bã) càng thấp càng tốt

 Chi phí đầu tư vào sản xuất là ít nhất

1.2.1.1 Tách tinh dầu bằng phương pháp chưng cất

Cơ sở vật lý quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp

Chưng bằng hơi nước trực tiếp:

Khi chưng bằng hơi nước trực tiếp, người ta phun hơi nước qua lớp chất lỏng bằng một bộ phận phun Hơi nước có thể là bão hòa hay quá nhiệt Trong quá trình tiếp xúc giữa hơi nước và lớp chất lỏng, cấu tử cần chưng sẽ khuếch tán vào trong hơi Hỗn hợp hơi nước và cấu tử bay hơi đó được ngưng tụ và tách thành sản phẩm Quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp hợp lý nhất là chỉ dùng để tách cấu

tử không tan trong nước khỏi tạp chất không bay hơi, trường hợp này sản phẩm sẽ phân lớp: cấu tử bay hơi và nước

Ưu điểm của quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp:

 Giảm được nhiệt độ sôi của hỗn hợp có lợi đối với các chất dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao cũng như đối với các chất có nhiệt độ sôi quá cao

 Chưng bằng hơi nước trực tiếp có thể tiến hành gián đoạn hay liên tục

Hình 1.4 Sơ đồ chưng bằng hơi nước trực tiếp

Sơ đồ a là chưng gián đoạn bao gồm:

1.2.1.2 Tách tinh dầu bằng phương pháp trích ly

Trích ly là quá trình tách một hoặc một số chất tan trong chất lỏng hay trong chất rắn bằng một chất lỏng khác – gọi là dung môi Nếu quá trình tách chất hòa tan trong chất lỏng bằng một chất lỏng khác thì gọi là trích ly lỏng – lỏng Nếu quá trình tách chất hòa tan trong một chất rắn bằng một chất lỏng thì gọi là trích ly rắn – lỏng

Quá trình trích ly được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp hóa chất và thực phẩm Mục đích:

 Tách các cấu tử quý

 Thu được dung dịch có nồng độ đậm đặc (đối với trích ly lỏng – lỏng)

 Cũng như chưng luyện nó là một trong những phương pháp chủ yếu để phân tách một hỗn hợp đồng nhất thành các cấu tử thành phần

Trích ly lỏng – lỏng:

Quá trình trích ly chất lỏng gồm ba giai đoạn:

 Giai đoạn trộn lẫn dung dịch đầu (gồm dung môi đầu L và cấu tử cần tách M) với dung môi thứ G Cấu tử phân bố (cấu tử cần tách) M sẽ di chuyển

từ dung dịch vào dung môi thứ cho đến khi đạt được cân bằng giữa hai pha

 Giai đoạn tách pha Hai pha này phân thành lớp nên tách ra rất dễ dàng, một pha gồm dung môi thứ G và cấu tử phân bố M, gọi là pha trích Một pha gồm dung môi đầu L và một ít cấu tử trong dung dịch đầu và trong dung môi thứ có hòa tan một phần vào nhau nên mỗi pha gồm ba cấu tử

 Giai đoạn hoàn nguyên dung môi: tách cấu tử ra khỏi dung môi

Sơ đồ nguyên tắc của quá trình trích ly:

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên tắc của quá trình trích ly

Trong công nghiệp sản xuất tinh dầu, phương pháp này dùng để tách tinh dầu trong các loại hoa (hàm lượng tinh dầu ít) Phương pháp này có thể tiến hành

ở nhiệt độ thường (khi trích ly) và có thể lấy được những thành phần quý như sáp, nhựa thơm trong nguyên liệu mà phương pháp chưng cất không thể tách được Vì thế, chất lượng của tinh dầu sản xuất bằng phương pháp này khá cao

Bản chất của quá trình trích ly là quá trình khuếch tán nên người ta thường dựa vào các định luật khuếch tán của FICK để giải thích và tính toán

Chất lượng của tinh dầu thu được bằng phương pháp trích ly phụ thuộc rất nhiều vào dung môi dùng để trích ly, vì thế dung môi dùng để trích ly cần phải đảm bảo được các yêu cầu sau:

 Nhiệt độ sôi thấp để dễ dàng tách tinh dầu ra khỏi dung môi bằng phương pháp chưng cất, nhưng không được thấp quá vì sẽ gây tổn thất dung môi, dễ gây cháy và khó thu hồi dung môi (khó ngưng tụ)

 Dung môi không tác dụng hóa học với tinh dầu

 Độ nhớt của dung môi bé để rút ngắn thời gian trích ly (độ nhớt nhỏ khuếch tán nhanh)

 Dung môi hòa tan tinh dầu lớn nhưng hòa tan tạp chất bé

 Dung môi không ăn mòn thiết bị, không gây mùi lạ cho tinh dầu và đặc biệt không gây độc hại

 Dung môi phải rẻ tiền và dễ mua

Sơ đồ khối tách tinh dầu bằng phương pháp trích ly:

1.2.1.3 Tách tinh dầu bằng phương pháp cơ học

Phương pháp này chủ yếu dùng để tách tinh dầu trong các loại vỏ quả như cam, chanh, quýt Trong loại nguyên liệu này, tinh dầu nằm trong những túi tế bào ở bề mặt ngoài Khi tác dụng lực cơ học vào vỏ của các loại quả thì tinh dầu

sẽ được tách ra Tinh dầu tách ra bằng phương pháp này mang lại chất lượng tốt hơn so với phương pháp chưng cất, giữ lại được hương tự nhiên của các nguyên liệu, nhưng hiệu suất thấp Người ta thường dùng các cách như sau:

 Vắt, bóp: Quả được cắt ra làm 2÷3 phần, dùng thìa tách thịt quả để riêng rồi dùng tay vắt bóp cho tinh dầu thoát ra ngoài Tinh dầu thoát

ra được thấm vào bông, khi bông đã bão hòa tinh dầu, vắt lại cho vào cốc, đem lọc, lắng, sấy thu được tinh dầu thành phẩm Vỏ đã vắt xong đem chưng cất để thu hết tinh dầu

 Bào, nạo: Dùng nguyên quả rồi xát mặt ngoài của vỏ vào bề mặt nhám, tế bào vỏ quả sẽ vỡ ra, tinh dầu thoát ra ngoài, lớp gai của bàn xát phải vừa phải để tránh đâm thủng ruột quả, nếu ruột quả bị thủng

sẽ gây khó khăn vì tinh dầu sẽ bị lẫn nước quả và lớp cùi bên trong bị nạo rách sẽ hút mất một ít tinh dầu Phương pháp này cũng như phương pháp trên gây tổn thất nhiều tinh dầu Tinh dầu cam, chanh, quýt tách này bằng phương pháp này muốn sử dụng trong thực phẩm

ta phải tách bớt tecpen, chủ yếu là limonen, vì nếu không tách thì limonen sẽ bị oxy hóa thành pinen có mùi nhựa thông

 Ép: Có thể ép nguyên quả bằng những máy ép đặc biệt, trong quá trình ép có dội nước.Để tách tinh dầu ra, cần phải lọc để loại bớt tạp chất, sau đó dùng máy li tâm có tốc độ 15000 ÷20000 vòng/phút để tách tinh dầu

Tinh dầu quế là một trong những nguyên liệu được dùng phổ biến trong dược phẩm, mỹ phẩm và trong sản xuất công nghiệp khác Tuy nhiên, tinh dầu quế tinh khiết (hàm lượng cinnamaldehyde > 99%) chưa thực sự được sản xuất nhiều tại Việt Nam mà nhập từ nước ngoài

Việt Nam – một nước với nguồn tài nguyên dồi dào và phong phú trong đó

có sản lượng quế mỗi năm rất lớn ở các tỉnh như Yên Bái, Lào Cai, Quảng Nam, Nhưng sản phẩm quế mới chỉ dừng lại ở các sản phẩm như vỏ quế khô, bột quế, tinh dầu quế thô, xuất khẩu ra nước ngoài với giá thành rẻ để làm hương liệu mà nhập khẩu lại các sản phẩm mỹ phẩm, tinh dầu tinh khiết với giá rất cao Do đó, cần thiết một giải pháp cho các sản phẩm quế hiện nay

Tinh chế tinh dầu quế nâng cao hàm lượng cấu tử cinnamaldehyde là một giải pháp kịp thời cho quế của Việt Nam hiện nay Ngoài việc nâng cao chất lượng tinh dầu đạt chuẩn quốc tế để xuất khẩu còn có thể dùng để tổng hợp thành nhiều loại hương liệu cho công nghiệp và đời sống con người

Và hiện nay, con người ngày càng hướng về các sản phẩm thiên nhiên, ưa chuộng các hương liệu và mỹ phẩm từ thiên nhiên ngày càng cao Nên việc tinh chế tinh dầu quế tại Việt Nam hiện nay rất phù hợp và có khả năng phát triển mạnh trong tương lai

Hiện nay, các phương pháp thường được sử dụng để tách tinh dầu bao gồm chiết xuất bằng dung môi, chưng cất gián đoạn và sắc ký quy mô lớn

Phương pháp chiết xuất bằng dung môi sử dụng dung môi cacbon đioxit gần đây đã được sử dụng để tinh chế dầu Phương pháp khắc phục được nhược điểm của phương pháp chiết truyền thống sử dụng dung môi hữu cơ và tạo ra một lượng chất thải lớn Quy trình chiết xuất đã được áp dụng cho các sản phẩm tự nhiên, đặc biệt là trong công nghệ dược phẩm

Ưu điểm chính của hệ thống là nhiệt độ thấp do giới hạn của carbon đioxit là

31 oC và 73,8 bar Ở nhiệt độ thấp, các hợp chất bền nhiệt sẽ không bị phá hủy, và các đặc tính cảm quan của tinh dầu không bị thay đổi

Phương pháp này được sử dụng nhiều để tách riêng các chất trong dược phẩm

và tách các thành phần hóa học từ tinh dầu đã được công bố trong nhiều nghiên cứu bao gồm chiết xuất phân đoạn để loại bỏ tecpen từ dầu cam quýt, làm tăng nồng độ linalylacetat trong tinh dầu oải hương, tách phân đoạn gừng khô để sản xuất dầu dễ bay hơi chất lượng cao,… Phương pháp sử dụng dung môi là một công nghệ sạch cho năng suất và độ tinh khiết tốt, nhưng áp suất vận hành cao, cần phải

có thiết bị hiện đại, nhiều vấn đề rủi ro và không hiệu quả về chi phí đầu tư [5] Các phương pháp sắc ký quy mô lớn không phù hợp về mặt kinh tế để tách tinh dầu, vì vậy phương pháp này không được sử dụng mặc dù lĩnh vực nghiên cứu tinh dầu ngày càng tăng

Phương pháp phổ biến nhất để tách tinh dầu là chưng cất phân đoạn vì vận hành đơn giản, chi phí đầu tư thấp Chưng cất chân không gián đoạn thường được

sử dụng do khi vận hành nhiệt độ thấp và có thể chưng cất nhiều loại tinh dầu khác nhau Phương pháp chưng cất phân đoạn dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của các cấu tử và phụ thuộc vào các tính chất vật lý, hóa học của cấu tử và áp suất, nhiệt độ của quá trình chưng cất Năng suất tách cũng phụ thuộc vào khối lượng

và khả năng tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi của hỗn hợp Do đó, các thông số của tháp chưng như đường kính, chiều cao, đệm, đĩa… ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả

Tinh dầu là hỗn hợp của nhiều cấu tử các nhau, dễ bay hơi và không bền nhiệt, phân hủy hoặc oxy hóa ở nhiệt độ cao hoặc khi có ánh sáng Do đó quá trình chưng cất thường được thực hiện ở áp suất chân không để giảm nhiệt độ hóa hơi của hỗn hợp Chất lượng tinh dầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, do dó để đảm bảo chất lượng của tinh dầu thì phương pháp tách phải ổn định và đạt tiêu chuẩn Sử dụng phương pháp chưng cất phân đoạn là cần thiết để nâng cao độ ổn định của tinh dầu và giá trị thương mại của tinh dầu

Khi sử dụng áp suất chân không vào phương pháp chưng gián đoạn thì nhiệt

độ hệ chưng sẽ giảm tránh được hiện tượng phân hủy nhiệt của tinh dầu, nâng cao chất lượng tinh dầu Đồng thời, nhiệt lượng cần cấp để gia nhiệt đáy cũng sẽ giảm đáng kể, tiết kiệm chi phí

1.3 Hiện trạng chế biến tinh dầu ở Việt Nam hiện nay

Giá trị kinh tế từ quế và tinh dầu quế mang lại:

Với nhiều ứng dụng tuyệt vời từ các sản phẩm quế, nhiều địa phương mở rộng sản xuất và đưa quế vào là cây trồng chủ lực của địa phương, nhằm giúp địa phương xóa đói giảm nghèo phát triển kinh tế

Quế Trà My, Quảng Nam đã và đang trở thành cây trồng chủ lực và mang lại nguồn thu nhập ổn định cho đồng bào các dân tộc ở đây Với diện tích trồng quế khoảng 3.688 ha, bình quân hàng năm, toàn huyện thu hoạch và bán ra khoảng 1.000 tấn quế khô Với giá bán từ 60.000 – 70.000 đồng/kg, mỗi héc ta quế (khoảng 1.000 – 1.200 cây) có thể thu về 1 – 1,2 tỷ đồng Có thể thấy tiềm năng kinh tế từ cây quế rất cao nên việc trồng quế ở đây đang ngày càng phát triển và thay thế các loại cây trồng kém hiệu quả kinh tế Ngoài các sản phẩm quế khô thì tinh dầu quế Trà My tỉnh Quảng Nam được công nhận là sản phẩm OCOP 3 sao, được chiết xuất hoàn toàn từ cành lá và vỏ quế từ 15 năm tuổi trở lên bằng phương pháp chưng cất hơi nước Sản phẩm là tinh dầu được đóng chai với nhiều dung tích khác nhau

để phù hợp với nhu cầu của khách hàng hiện nay

Quế ở Lào Cai đang được đưa vào sản phẩm nông nghiệp chủ lực khuyến khích đầu tư sản xuất và sơ chế Tại đây, quế thường được trồng thành rừng, sản phẩm chính là vỏ quế chiếm đến 73% , 20% tinh dầu chưng cất từ lá, gỗ quế chiếm 7% doanh thu từ quế Trung bình mỗi ha quế thu hoạch được khoảng 6 – 8 tấn vỏ quế khô, 8 – 10 tấn lá, 80 – 100 m3 gỗ… Hiện nay, giá thành thu mua vỏ quế khô

ở mức 52.000 đồng/ kg cùng với nguồn thu nhập từ thân, cành lá quế thì 1 ha quế cho thu được hơn 600 triệu đồng Tính đến tháng 5/2019, theo chi cục kiểm lâm tỉnh Lào Cai cho biết diện tích quế toàn tỉnh là 26.6651 ha Lào Cai có tiềm năng lợi thế về nguyên liệu quế tuy nhiên về cơ sở sản xuất và chế biến sản phẩm quế còn hạn chế, đặc biệt là chiết xuất tinh dầu sử dụng công nghệ còn thô sơ và kém hiệu quả, sản phẩm là dầu thô với hàm lượng thấp Tỉ lệ quế được qua sơ chế chiếm khoảng 3 – 5% sản lượng thu được hàng năm Như vậy, khoảng 95 – 97% sản lượng thu được bán dưới dạng nguyên liệu thô, là nguyên liệu cho các nhà máy ở Yên Bái, Hà Nội,… để chế biến Sau khi được chế biến quế Lào Cai đều mang nhãn hiệu của các đơn vị khác Quế Lào Cai chưa xây dựng được một thương hiệu riêng cho mình

Tại Yên Bái, quế trở thành cây trồng chủ lực tại nơi đây, quế và các sản phẩm quế mang lại giá trị cao và giúp nhiều hộ dân thu hàng trăm triệu đồng từ rừng Quế Diện tích quế hàng năm cho thu hoạch hơn 6.000 tấn cành, lá nguyên liệu với giá thành trung bình 3.000 đồng/kg, mang lại thu nhập 18 tỷ đồng; tinh dầu đạt 35 tấn với giá bán bình quân 6 triệu đồng/kg cho thu nhập 21 tỷ đồng; hơn

2.000 tấn vỏ quế khô cho thu nhập khoảng 50 tỷ đồng Tính trung bình mỗi ha quế mang lại thu nhập khoảng 500 triệu đồng cho người dân

Qua đây, có thể thấy được tiềm năng của cây quế Việt Nam mang lại, tuy nhiên ngành sản xuất quế vẫn còn lạc hậu, lao động sản xuất quế chủ yếu là các hộ đồng bào ít người, chưa được đầu tư lớn, vì vậy năng suất còn thấp và chất lượng chưa cao, chưa thể đáp ứng được nhu cầu của thị trường trong và ngoài nước Ngành xuất khẩu quế còn quá nhỏ bé so với tiềm năng vốn có và mới chỉ dừng lại ở xuất khẩu sản phẩm thô nên giá thành chưa cao Để phát triển cây quế bền vững và đạt hiệu quả kinh tế cần có những chính sách phù hợp, khuyến khích các doanh nghiệp, công ty đầu tư cơ sở chế biến sâu sản phẩm tinh dầu quế và tiêu thụ sản phẩm cho người trồng quế trên địa bàn Những hướng đi đó sẽ mang lại nhiều triển vọng cho cây quế, mang lại hiệu quả lâu dài, nhằm góp phần xóa đói giảm nghèo cho người dân

Trong khai thác, cần hướng dẫn cho người dân khai thác hợp lý để không ảnh hưởng đến sự phát triển và chất lượng của cây quế Tránh khai thác ồ ạt, khai thác trắng, chặt cây, tỉa cành không khoa học, tác động xấu đến sự sinh trưởng và phát triển của cây

Ngoài ra, các doanh nghiệp đang hoạt động cần hỗ trợ tiền giống, vườn ươm, làm đường cho người dân để thuận tiện trong việc vận chuyển nguyên liệu về nhà máy, bảo đảm chất lượng sản phẩm và hướng mạnh vào xuất khẩu

Tinh dầu, hương liệu – xuất rẻ, nhập đắt

Theo số liệu của Hải quan TP Hồ Chí Minh, năm 2003 Việt Nam xuất khẩu được 852.000 USD tinh dầu – hương liệu (TD-HL) và 2.875.000 USD mỹ phẩm (MP) chế biến tổng hợp từ TD- HL các loại nhưng đã nhập khẩu trở lại với giá trị tương ứng là 1.750.000 USD và 152.368.000 USD

Nhu cầu về tinh dầu và hương liệu mĩ phẩm trên thế giới có xu hướng tăng nhanh do con người sử dụng nhiều những sản phẩm từ thiên nhiên

Với lợi thế có một nguồn tài nguyên mạnh và dồi dào, từ nguyên liệu phổ biến quen thuộc cho đến các loại hiếm hoi đều có mặt ở trong các loại cây cỏ thực vật phong phú của Việt Nam Tinh dầu là nguyên liệu cơ bản để bán tổng hợp ra nhiều hợp chất tự nhiên quan trọng trong ngành công nghiệp Hương Liệu- Mỹ Phẩm Các hãng dược phẩm trên thế giới ngày càng có nhu cầu nhiều loại tinh dầu chứa các chất chưa tổng hợp nhân tạo như citrinellal, geraniol, cilral… Hiện nay, các ngành công nghiệp thực phẩm, hương liệu, mỹ phẩm, y tế, đã nghiên cứu đầu

tư phát triển các cây tinh dầu hương liệu và từng bước hình thành mạng lưới tiêu thụ và xuất nhập khẩu, tạo các mặt hàng có giá trị cao

Về lưu thông, phân phối tinh dầu, hương liệu, mỹ phẩm thì hiện nay do các doanh nghiệp tổ chức phân phối điều tiết về giá cả, chủng loại trên địa bàn rộng khắp cả nước theo một mạng lưới riêng Hiện nay, tinh dầu trên thị trường Việt

Nam chủ yếu là tinh dầu thô và có rất nhiều hệ thống chưng tinh dầu thô được đầu

tư nhưng giá thành bán ra lại chưa cao

Công nghệ thiết bị sản xuất tinh dầu ở Việt Nam còn nhiều hạn chế mới dừng lại ở giai đoạn chưng thô Việt Nam chưa có hệ thống thiết bị tinh chế tinh dầu do vậy chưa nâng cao được giá trị sản phẩm tinh dầu Việc nghiên cứu công nghệ là bước đầu rất quan trọng để có thể thiết kế chế tạo hệ thống chưng cất chân không

để tinh chế tinh dầu chất lượng cao Hiện nay có một số công ty đầu tư thiết bị chưng một số tinh chế như:

 Công ty CP tinh dầu, VAST, khu công nghiệp Quang Minh HN, có

hệ thông chưng cất 200kg/mẻ, hiệu suất thu hối chưa cao…phụ thuộc vào nguyên liệu…

 Công ty CP tinh dầu Yên Bái đã có hệ thống tháp, tuy nhiên chưa vận hành được phải bán thanh lý…

Hầu hết, các công ty chưa thực hiện được các dự án tinh chế một số tinh dầu mặc dù có đầu tư trang thiết bị nhưng chưa đạt hiệu quả Do đó, các tỉnh trồng nhiều quế và các loại tinh dầu khác hiện đang chưa đầu tư công nghệ để sản xuất lên quy mô lớn Phương pháp chưng đã rất phổ biến trong chiết xuất tinh dầu thô nhưng chưng luyện chân không gián đoạn loại đệm thì chưa được phổ biến Trong

đồ án này sẽ làm rõ những ưu thế của hệ chưng này

1.4 Phương pháp chưng luyện gián đoạn

Chưng luyện là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại Động lực của quá trình này là độ bay hơi khác nhau hay nhiệt hóa hơi khác nhau của các cấu tử

ở cùng nhiệt độ

Khác với chưng liên tục là quá trình ổn định, vì vậy tất cả thông số về vật chất và nhiệt lượng không đổi ở mỗi vị trí của thiết bị Chưng gián đoạn làm việc theo từng mẻ và thành phần hơi lỏng thay đổi theo thời gian Do đó nhiệt độ sôi cũng thay đổi

Hệ thống chưng gián đoạn đơn giản được thể hiện ở sơ đồ hình dưới đây

Hình 1.7 Sơ đồ chưng đơn giản gián đoạn [6]

Trong quá trình chưng, hơi được lấy ra ngay và cho ngưng tụ Dung dịch đầu

F có thành phần xF Khi đun đến nhiệt độ sôi hơi bốc lên có thành phần tại điểm

P1 ứng với 1 Vì trong hơi luôn có thành phần cấu tử dễ bay hơi nhiều hơn trong lỏng, nên sau thời điểm 2ta thu được thành phần sản phẩm đỉnh tại P2 nhỏ hơn tại

P1 và thành phần lỏng chuyển dần về cấu tử khó bay hơi Vì vậy, cuối cùng ta có chất lỏng còn lại trong bình chưng với thành phần xW< xF Tại thời điểm khác nhau thu được sản phẩm đỉnh cũng có thành phần khác nhau tại xp1 xp2 xp3 thành phần trung bình biểu thị tại điểm P là xp [7]

Chưng đơn giản gián đoạn được sử dụng cho các trường hợp:

 Khi nhiệt độ sôi của hai cấu tử khác xa nhau

 Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

 Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

 Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

Tính toán quá trình chưng đơn giản gián đoạn dựa trên phương trình cân bằng vật liệu

Tại thời điểm i thành phần cấu tử dễ bay hơi trong bình là L.x Trong khoảng thời gian d sẽ có một lượng lỏng bốc hơi là dL với thành phần dx Nồng

độ hơi y ở thời điểm i cũng giảm sau khoảng thời gian d là (y-dy)

Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi tại thời điểm xét:

Các đạo hàm bậc hai dL.dx hoặc dL.dy rất nhỏ so với các thừa số khác nên

bỏ qua Vậy rút ra:

dL dx

L  y x

Tích phân phương trình trên thu được sản phẩm đáy W:

Tinh dầu thiên nhiên nói chung chứa rất nhiều cấu tử với hàm lượng và nhiệt

độ sôi khác nhau do đó trong quá trình chưng thành phần của hỗn hợp thay đổi liên tục do đó rất cần thiết chưng gián đoạn để tách riêng biệt cấu tử chính theo nhiều phân đoạn Để dừng và lấy sản phẩm theo giai đoạn thì tinh dầu phù hợp chưng luyện gián đoạn

Hình 1.8 Đồ thị t – x – y cho chưng gián đoạn

Chưng luyện gián đoạn:

Chưng luyện gián đoạn hỗn hợp lỏng có tầm quan trọng rất to lớn Đây là phương pháp tách hỗn hợp lỏng được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm

và ở quy mô sản xuất nhỏ

Ưu điểm chính của phương pháp chưng luyện gián đoạn so với phương pháp chưng luyện liên tục là ở sự đơn giản và đa năng của hệ thống chưng luyện: chỉ cần một hệ thống thiết bị đơn giản có thể tách được nhiều các hỗn hợp lỏng khác nhau Với hệ thống thiết bị này, từ một hỗn hợp đầu có thể tạo ra được các sản phẩm khác nhau chỉ đơn giản bằng cách thay đổi chỉ số hồi lưu Thậm chí, ngay

cả hỗn hợp nhiều cấu tử cũng có thể tách được bằng chưng luyện gián đoạn chỉ

trong một tháp nếu như các cấu tử sau khi tách được chứa trong các bình khác nhau

Nhược điểm của phương pháp chưng luyện gián đoạn chính là hỗn hợp lỏng

có thời gian lưu tại nhiệt độ cao khá lâu Khi đó khả năng phân hủy nhiệt và suy giảm chất lượng sản phẩm sẽ tăng lên Ngoài ra, năng lượng cần thiết cho quá trình tách nhìn chung sẽ lớn hơn so với phương pháp chưng luyện liên tục

Có thể coi tháp chưng luyện gián đoạn như là đoạn luyện của tháp chưng luyện liên tục Trong hệ thống chưng luyện gián đoạn, hỗn hợp đầu được đưa vào đáy tháp theo từng mẻ Hỗn hợp đáy (1) được đun nóng bằng hơi gián tiếp đến nhiệt độ sôi và giữ cho sôi đều đặn ( đáy tháp có thể gắn liền hoặc tách rời tháp ) Hơi tạo thành vào tháp (2) Quá trình xảy ra ở trong tháp giống như đoạn luyện trong tháp chưng luyện liên tục Hơi từ đĩa trên cùng đi vào thiết bị ngưng tụ (3)

Ở đó một phần lỏng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng, phần còn lại đi vào thiết

bị làm lạnh (4) để vào thùng chứa sản phẩm (5) Khi muốn thu nhiều loại sản phẩm

có thể đặt nhiều thùng chứa ứng với từng sản phẩm Sau khi chưng xong, sản phẩm đáy được tháo ra và cho hỗn hợp đầu vào để tiến hành mẻ mới Quá trình chưng luyện gián đoạn có thể tiến hành theo hai cách: chưng luyện gián đoạn với chỉ số hồi lưu không đổi hoặc với thành phần sản phẩm đỉnh không đổi

Hình 1.9 Sơ đồ của hệ thống chưng luyện gián đoạn

Chưng luyện gián đoạn thường được sử dụng nhiều cho các hệ có năng suất vừa và nhỏ khi chỉ cần dùng một tháp chưng luyện Đây là kỹ thuật tách đã có từ lâu được sử dụng rộng rãi để phân tách, tinh chế, loại bỏ tạp chất trong các quá trình công nghiệp hóa học, thực phẩm và dược phẩm Ưu điểm chính của phương pháp chưng luyện gián đoạn so với phương pháp chưng luyện liên tục là ở sự đơn giản và đa năng của hệ thống chưng luyện: chỉ với một thiết bị có thể tách được nhiều các hỗn hợp lỏng khác nhau Khi đã có hỗn hợp đầu thì có thể tạo được các sản phẩm khác nhau chỉ đơn giản bằng cách thay đổi chỉ số hồi lưu R Thậm chí

ngay cả hỗn hợp nhiều cấu tử cũng có thể tách được bằng chưng luyện gián đoạn chỉ trong một tháp khi mà các cấu tử sau khi tách được chứa trong các bình khác nhau Nhược điểm của phương pháp chưng luyện gián đoạn chính là hỗn hợp lỏng

có có thời gian lưu tại nhiệt độ cao khá lâu Khi đó làm tăng khả năng phân hủy nhiệt và suy giảm chất lượng sản phẩm Ngoài ra năng lượng cần thiết cho quá trình tách nói chung sẽ lớn hơn với phương pháp chưng luyện liên tục [6]

Chưng luyện gián đoạn hỗn hợp nhiều cấu tử tuân theo phương trình Rayleich Cho cấu tử i bất kỳ của hỗn hợp phương trình có dạng:

xBi

Di Bi

d dB

B x x



Hệ phương trình trên được giải bằng các phương pháp số Nồng độ của các cấu tử i trong sản phẩm đỉnh xDi tương ứng với nồng độ của các cấu tử này trong hỗn hợp đáy xBi sẽ xác định được dựa vào mô hình chính xác của tháp chưng luyện (mô hình MESH)

Kết quả của việc giải mô hình MESH cho tháp chưng luyện gián đoạn hỗn hợp lý tưởng gồm 4 cấu tử ở chế độ hồi lưu RL = 5 với số đĩa của tháp n = 20 đuộc thể hiện trên hình dưới đây:

Hình 1.10 Chưng luyện gián đoạn hỗn hợp lý tưởng gồm 4 cấu tử với các hệ số

(Số đĩa n=20; chỉ số hồi lưu R L = 5; các cấu tử i của hỗn hợp được tách ở dạng tinh khiết ở các giai đoạn kế tiếp nhau (nồng độ của các cấu tử i ở các giai đoạn xDi 1,0)

Thay đổi nồng độ của các cấu tử trong sản phẩm đỉnh cho thấy một cách rõ ràng là các cấu tử này được tách thành công ở dạng tinh khiết bằng phương pháp chưng luyện gián đoạn Các cấu tử tinh khiết thu được được đựng trong các bình đựng sản phẩm theo thứ tự hệ số bay hơi tương đối giảm dần tại các thời điểm thích hợp

Hỗn hợp lỏng trong bình chưng trước tiên bị mất dần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp a Đồng thời khi đó nồng độ của các cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn b, c và d

sẽ tăng lên Khi hầu như toàn bộ cấu tử a đã được tách ra thì hỗn hợp lỏng trong bình chưng sẽ bắt đầu giảm nồng độ của cấu tử b và kế tiếp là c Cuối cùng là cấu

tử d có nhiệt độ sôi cao nhất sẽ nhận được ở dạng tinh khiết ở cả trong lỏng trong bình chưng và trong lỏng của sản phẩm đỉnh

So sánh các kết quả tách cùng một hỗn hợp bằng phương pháp chưng đơn giản và bằng phương pháp chưng luyện gián đoạn cho thấy bằng phương pháp chưng luyện gián đoạn hỗn hợp sẽ được tách triệt để hơn và độ tinh khiết của các phân đoạn sản phẩm sẽ cao hơn Ngoài ra, nếu tăng số đĩa n của tháp chưng luyện

và tăng chỉ số hồi lưu RL thì kết quả tách còn được cải thiện hiệu quả hơn nữa Đối với các hỗn hợp rất khó tách có thể áp dụng một số chế độ tách đặc biệt

để có thể đạt hiệu quả tách cao hơn Ở chế độ này, lúc đầu tháp được cho làm việc

ở chế độ hồi lưu hoàn toàn ( R  ) trong một khoảng thời gian nhất định Sau

đó một lượng nhỏ hỗn hợp đỉnh được lấy ra Hai bước tách trên sau đó được lặp đi lặp lại một số lần Chế độ tách trên cho phép nhận được hỗn hợp đỉnh rất tinh khiết nhưng lượng nhiệt tiêu tốn sẽ rất cao

Chế độ làm việc với tiêu tốn năng lượng nhỏ nhất (như trong trường hợp hỗn hợp 2 cấu tử) về nguyên tắc cũng có thể mở rộng cho trường hợp hỗn hợp nhiều cấu tử [7]

Ảnh hưởng của lượng lỏng bị giữ lại trong tháp đến chưng luyện gián đoạn:

Trong tháp chưng luyện luôn có một lượng lỏng HL bị giữ lại trong tháp (trên các đĩa hoặc trong lớp đệm của tháp) Lượng lỏng này có ảnh hưởng rất lớn đến

độ tinh khiết và hiệu suất thu được của các sản phẩm Lượng lỏng HL sẽ ảnh hưởng tới hiệu suất thu các sản phẩm vì lượng lỏng này sẽ cản trở việc tăng nhanh cũng như giảm nhanh nồng độ của các cấu tử trong hỗn hợp đỉnh Chính vì vậy khi lượng lỏng HL tăng lên, lượng các phân đoạn trung gian không đạt chất lượng về nồng độ cũng sẽ tăng lên

Tuy nhiên, ảnh hưởng của lượng lỏng bị giữ lại trong tháp HL tới độ tinh khiết của hỗn hợp đỉnh chưa rõ ràng Các thông tin đã được công bố trong các tài liệu là không nhất quán Một số tác giả lại phát hiện ra là khi lượng lỏng bị giữ lại trong tháp HL tăng thì độ tinh khiết của sản phẩm lại có thể tăng cường

Để có thể nghiên cứu ảnh hưởng của lượng lỏng bị giữ lại trong tháp HL đến chưng luyện gián đoạn thì cần phải xét hành vi động của tháp [7]

Cho tháp chưng luyện gián đoạn các phương trình cơ bản có dạng sau:

 Phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử i (i=1 k cấu tử):

, ,

1 , 1 1 , 1 , , , , ,

( ) ( ) L j i j

1,0 0

k

i j i

1,0 0

k

i j i

Hầu hết các quá trình tách đều được thực hiện trong các tháp loại đĩa hoặc loại đệm Dưới đây là một số yếu tố ảnh hưởng đến việc sử dụng tháp đệm để tinh chế tinh dầu:

 Khả năng ứng dụng để tách các hệ ở điều kiện áp suất chân không:

tháp đệm có trở lực P nhỏ hơn nhiều so với tháp loại đĩa So với tháp đĩa, diện tích tự do thường chiếm 8 -15% diện tích tiết diện ngang của đĩa thì tháp đệm chiếm đến khoảng 50% diện tích tiết diện ngang của tháp, và trở lực do dòng lỏng trong tháp tạo ra thường tương đối nhỏ Áp suất đáy thấp hơn tháp đĩa, do đó, trong tháp đệm hệ số bay hơi tương đối của các cấu tử ở phần dưới của tháp sẽ cao hơn nhiều và vì vậy có thể giảm được chỉ số hồi lưu, giảm nhiệt độ sôi đáy tháp cũng như giảm công suất của thiết bị đun bay hơi đáy tháp Ngoài ra, mức độ phân hủy nhiệt của các sản phẩm cũng sẽ giảm xuống, năng suất của tháp sẽ tăng lên và tiêu hao năng lượng cũng sẽ nhỏ hơn Đây chính là ưu thế chính của tháp loại đệm

 Khả năng ứng dụng trong các trường hợp cần trở lực cần trở lực

nhỏ: do tháp đệm có trở lực nhỏ hơn tháp đĩa nên tháp đệm được sử dụng

trong mọi trường hợp khi trở lực của tháp sẽ giảm sẽ mang lại hiệu quả kinh tế

 Khả năng sửa chữa để nâng cấp và hoàn thiện các thông số của tháp

đệm: ưu điểm về trợ lực của tháp đệm so với tháp loại đĩa sẽ rất có giá

trị khi tiến hành sửa chữa nâng cấp tháp chân không Bằng cách tối ưu hóa áp suất làm việc chân không của tháp, sẽ có thể giảm được trở lực của tháp đệm Sự giảm này có thể sẽ làm tăng năng suất của tháp và cải thiện được điều kiện tách của hỗn hợp Tháp đệm nối với bơm hút chân không sẽ giảm được tỷ số áp suất trước và sau hút vì vậy có thể khắc

phục được công đoạn yếu kém nhất là hút chân không Và khi cần thay đổi các khoảng cách giữa các đĩa thì sẽ khó hơn thay đổi chiều cao của đệm

 Khả năng phá bọt và nhũ tương: trong tháp đệm tốc độ pha hơi và pha

lỏng đều nhỏ nên có khả năng ngăn chặn hình thành bọt Đệm loại đổ lộn xộn thường xử lý hiện tượng tạo bọt trong tháp rất tốt

 Khả năng chế tạo đường kính bé: tháp loại đệm thường có giá thành

thấp hơn và có nhiều lợi thế hơn so với tháp loại đĩa

 Khả năng chịu môi trường ăn mòn: các loại vật liệu dùng để chế tạo

đệm đa dạng hơn nhiều so với các vật liệu dùng để chế tạo đĩa Các loại đệm được chế tạo từ gốm sứ và chất dẻo (plastic) có giá thành thấp hơn

và có hiệu quả cao hơn Sử dụng đệm thay thế cho tháp đĩa trong môi trường có khả năng ăn mòn cao sẽ là sự thay thế hợp lý hơn

 Lượng lỏng bị giữ lại trong tháp nhỏ hơn: thông thường, lượng lỏng

bị giữ lại trong tháp đệm nhỏ hơn so với tháp đĩa Đây là ưu thế khi cần giảm khả năng polyme hóa, giảm khả năng phân hủy nhiệt, hoặc có thể coi đây là giải pháp an toàn nhằm giảm số lượng các hóa chất độc hại có thể tạo thành do phân hủy hoặc do polyme hóa

 Ứng dụng trong các quá trình chưng gián đoạn: Lượng lỏng bị giữ lại

trong tháp nhỏ nên có thể thu được lượng sản phẩm đỉnh cao hơn so với tháp đĩa [8]

Hiện nay, quá trình chưng chân không được sử dụng ngày càng phổ biến trong công nghệ hóa học, với các hợp chất hữu cơ ví dụ như tinh dầu thường có tính chất không bền nhiệt thì những thông số như chênh lệch áp suất và nhiệt độ giữa đáy và đỉnh tháp rất quan trọng để quyết định hiệu quả quá trình Một số đặc điểm khi tách tinh dầu ở áp suất chân không:

 Khi làm việc với hệ chưng cất chân không phải đảm bảo toàn bộ thiết bị phải kín và chỉ dùng nước làm lạnh khi nhiệt độ ở đỉnh lớn hơn 50 oC

 Khi áp suất giảm xuống, nhiệt độ sôi của hệ sẽ giảm nên độ bay hơi của các cấu từ tăng lên

 Nhiệt độ hệ chưng cất thấp thì khả năng phân hủy, polyme hóa giảm đi, tinh dầu không bị cháy và đổi màu do nhiệt độ cao

 Nhiệt độ sôi giảm dẫn đến nhiệt lượng cần cung cấp để đun sôi sản phẩm đáy không quá cao Do đó, tháp có thể dùng nguồn năng lượng kinh tế hơn như hơi nước, nước nóng… [9]

Để thỏa mãn các yêu cầu về nhiệt độ đun nóng và nhiệt độ làm nguội thì cần phải chọn đúng áp suất làm việc của tháp hoặc bổ sung thêm các cấu tử có nhiệt

độ sôi thấp Thông thường, để giảm nhiệt độ làm việc, quá trình tách cần phải được tiến hành ở áp suất chân không Về mặt kỹ thuật, để tạo được áp suất làm việc của tháp trong khoảng 0,06 – 0,08 bar chỉ cần sử dụng bơm chân không kiểu roto một cấp Trong trường hợp nếu cần áp suất làm việc của tháp khoảng 0,013 bar sẽ phải

sử dụng bơm chân không hai cấp Chân không cao hơn ( 2 – 5) 10-3 rất ít khi sử dụng trong tháp chưng cất vì khi đó chi phí vận hành và chi phí đầu tư cho hệ thống tạo bơm chân không sẽ rất cao

Tháp chưng luyện loại đệm có những ưu điểm sau:

 Có bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu suất cao

 Cấu tạo đơn giản

 Trở lực trong tháp không lớn

 Giới hạn làm việc tương đối rộng

Nhược điểm: khó làm ướt đều đệm, do đó nếu tháp cao quá thì chất lỏng phân bố không đều Vì vây khi tháp cao người ta phải chia tầng và ở mỗi tầng có đặt thêm bộ phận phân phối lỏng

Khi tiến hành chưng luyện ở áp suất chân không trở lực tối đa cho phép của tháp đệm sẽ do các yêu cầu của quá trình quyết định, nhưng để đảm bảo cho dòng lỏng được phân bố đồng đều trên bề mặt của đệm trở lực thường không nhỏ hơn 8mm cột H2O/m chiều cao lớp đệm Nếu như cần phải có áp suất rất thấp ở đáy thì cần phải sử dụng loại đệm có trở lực thấp được chế tạo từ các lưới có mắt nhỏ (như các vòng Hypefit, Multifil hoặc Dixon)

Đệm thường được sử dụng trong tháp chưng được chia làm 3 loại:

 Đệm đổ lộn xộn trong tháp: đây là các viên đệm rời rạc, có hình dạng đặc trưng riêng và được đổ lộn xộn (ngẫu nhiên) vào trong tháp (trong tháp

Cả đệm lộn xộn và đệm cấu trúc đều được sử dụng phổ biến trong công nghiệp Đệm loại lưới có ứng dụng hạn chế, chủ yếu dùng trong các thiết bị trao đổi nhiệt loại bay hơi trực tiếp tuy nhiên khó làm sạch khi có khả năng tắc nghẽn cao [7]

Để lỏng phân bố đều, phía trên từng lớp đệm đều được lắp bộ phận phân phối lỏng Giữa các lớp đệm ở những khoảng cách đều đặn theo chiều cao lớp của tháp được lắp các bộ phận phân phối lại chất lỏng Khi sử dụng các bộ phận phân phối lại chất lỏng kiểu không tự gom lỏng cần phải lắp thêm các bộ phận gom lỏng hình chữ V để gom lỏng chảy từ lớp đệm ở phía trên xuống Sau đó, lượng lỏng này sẽ đi qua một ống gắn bên trong tháp để xuống bộ phận phân phối lỏng ở dưới Dòng lỏng sẽ trộn với dòng lỏng mới từ ngoài tháp vào (nếu có) trước khi đi vào

bộ phân phối lỏng

Dòng hơi từ thiết bị đun bay hơi ở đáy tháp, đi qua tấm chắn, sau đó đi vào ngay phía trên bình chứa lỏng ở đáy tháp

Do đó, để thực hiện tách các hỗn hợp không bền nhiệt dễ bị phân hủy như tinh dầu quế thì nên chưng cất ở áp suất chân không Khi đó, nhiệt độ hệ chưng cất

sẽ thấp xuống đặc biệt ở đáy nên hạn chế được tinh dầu bị phân hủy

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong đồ án này là tinh dầu quế thô, có hàm lượng cấu

tử cinnamaldehyde Dưới đây là thành phần các cấu tử cụ thể có trong tinh dầu:

Bảng 2.1 Thành phần % của các cấu tử có trong tinh dầu quế thôi

2.2.1 Các thiết bị sử dụng cho thực nghiệm

Thí nghiệm được tiến hành tại phòng C4 – 107 Đại học Bách Khoa Hà Nội Các thiết bị thí nghiệm bao gồm:

Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật của các thiết bị chính trong hệ thống thí nghiệm

1 Bơm chân không VE125S - Lưu lượng 5.4 m3/h ( 90 lít/ phút)

- Tần số làm việc: 50/60 Hz – 220V

- Công suất: 180W

2 Bếp đun bình cầu - Nhiệt độ tối đa 380oC

- Công suất tối đa: 600W

3 Nhiệt kế - Dải nhiệt độ đo: 0 oC– 300 oC

- Độ chia nhỏ nhất: 2oC