Nghiên cứu tính toán, thiết kế thiết bị cô đặc chân không trong dây chuyền công nghệ sản xuất bột chè hoà tan từ lá chè tươi

Xuất phát từ những nhu cầu thực tế trên, ñể tạo ra sản phẩm mới sao cho có thể sử dụng trực tiếp hoặc làm nguyên liệu cho nhiều sản phẩm chè chế biến khác, ña dạng hóa sản phẩm chè chế b

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-


    -

LÊ THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ðẶC CHÂN KHÔNG TRONG DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BỘT CHÈ HÒA TAN TỪ LÁ CHÈ TƯƠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Mã số : 60.52.01.03 Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THANH HẢI

HÀ NỘI - 2013

Lời cam ñoan

Tôi xin cam ñoan những số liệu và kết quả thí nghiệm trong luận văn là trung thực ñều có ñược trên cơ sở ño ñạc thí nghiệm,

và chưa ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào

Tôi xin cam ñoan mọi sự giúp ñỡ trong luận văn ñều ñược cảm ơn và các thông tin ñược sử dụng ñều có nguồn gốc và trích dẫn rõ ràng

Tác giả

Lê Thị Thúy

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện ựề tài, tôi ựã nhận ựược nhiều sự giúp ựỡ của các thầy cô, ựồng nghiệp, các cơ quan, bạn bè Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô, ựồng nghiệp và bạn bè

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thanh Hải người ựã hướng

dẫn, chỉ bảo, khắch lệ tôi tận tình trong suốt quá trình làm ựề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô trong Bộ môn thiết bị bảo quản và chế biến nông sản, Khoa Cơ - điện, Khoa Công nghệ thực phẩm trường đại học Nông nghiệp Hà Nội ựã giúp ựỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện ựề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh ựạo Viện máy nông nghiệp, TS

Nguyễn đình Tùng Viện trưởng Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy

Nông nghiệp, ThS đoàn Văn Cao cùng ựồng nghiệp trong cơ quan ựã tạo

ựiều kiện giúp ựỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện ựề tài

Xin chân thành cảm ơn sinh viên Nguyễn Thị Dinh, Nguyễn Thị Lan Hương khóa 54 ngành công nghệ thực phẩm Trường đHNN Hà Nội ựã giúp ựỡ và hỗ trợ tôi rất nhiều trong thời gian thực hiện ựề tài

Trong quá trình thực hiện ựề tài bản thân ựã có rất nhiều cố gắng song không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong ựược sự góp ý của các thầy cô cùng toàn thế các bạn ựể ựề tài ựược hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 0

MỞ ðẦU 1

I Tính cấp thiết 1

II Mục ñích và nhiệm vụ nghiên cứu 3

A Mục ñích nghiên cứu 3

B Nhiệm vụ nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 4

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về cây chè 4

1.1.1 Tên gọi và nguồn gốc cây chè 4

1.1.2 Phân loại các giống chè 4

1.1.3 Các ñồi chè ở Việt Nam 6

1.2 Thành phần hóa học của lá chè 7

1.3 Tác dụng của lá chè 10

1.4 Tình hình sản xuất và tiêu thụ chè trên thế giới và Việt Nam 12

1.4.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ chè trên thế giới 12

1.4.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ chè ở Việt Nam 14

1.5 Quy trình công nghệ chế biến chè hòa tan 15

1.5.1 Tìm hiểu sơ lược nguồn nguyên liệu chế biến chè hòa tan 15

1.5.2 Quy trình chế biến chè hòa tan 16

1.5.3 Một số sản phẩm trà hòa tan trên thị trường Việt Nam 19

1.6 Tổng quan nghiên cứu thiết bị cô ñặc trên thế giới và Việt Nam 19

1.6.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thiết bị cô ñặc trên thế giới 21

1.6.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thiết bị cô ñặc ở Việt Nam 34

CHƯƠNG 2 36

ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2.1 ðối tượng nghiên cứu 36

Hình 2.1 Sơ ñồ công nghệ và thiết bị cô ñặc dung dịch chè 36

2.2 Vật liệu, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 38

2.2.1 Vật liệu thí nghiệm 38

2.3 Phương pháp nghiên cứu 40

CHƯƠNG 3 44

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH CÔ ðẶC 44

3.1 Một số tính chất vật lý của quá trình cô ñặc 44

3.2 Cơ sở lý thuyết về loại bỏ nước 47

3.3 Cơ sở tính toán nhiệt ñộ sôi và tổn thất nhiệt ñộ của dung dịch 49

CHƯƠNG 4 53

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 53

4.1 Ảnh hưởng của ñiều kiện cô ñặc 53

4.2 Ảnh hưởng của ñiều kiện cô ñặc ñến tính chất cảm quan của dịch ép 54

4.3 Ảnh hưởng của ñiều kiện cô ñặc 55

4.4 Nhận xét 58

CHƯƠNG 5 60

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CÔ ðẶC VÀ THIẾT BỊ PHỤ 60

5.1 Tính lượng hơi nước bốc hơi sau quá trình cô ñặc 60

5.2 Tổn thất nhiệt ñộ trong thiết bị 61

5.2.1 Tính tổn thất nhiệt ñộ do nhiệt ñộ sôi 61

5.2.2 Tổn thất nhiệt do trở lực thủy lực gây 62

5.2.3 Tính tổn thất nhiệt ñộ do áp suất thủy tĩnh 62

5.2.4 Hiệu số nhiệt ñộ hữu ích của thiết bị cô ñặc [3, trang 147] là 62

5.3 Tính toán kích thước thiết kế thiết bị cô ñặc chân không 63

5.4 Nhiệt lượng tiêu hao chung ñể làm bay hơi dung dịch 64

5.4.1 Tính toán nhiệt tổn thất Q6 65

5.4.2 Lượng hơi ñốt cần thiết làm bay hơi dung dịch 66

5.5 Tính bề dày của thiết bị cô ñặc chân không 66

5.6 Tính toán thiết bị ngưng tụ 68

5.7 ðường kính các ống dẫn và cửa ra vào của thiết bị 69

5.8 ðường kính ống dẫn hơi ñốt 70

5.9 ðường kính ống dẫn dung dịch 70

5.10 ðường kính ống dẫn hơi thứ 70

5.11 Tính ñường kính ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ 71

5.12 Chọn bơm chân không vòng nước: 71

KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 73

Kết luận 73

ðề nghị 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

Danh mục hình

Hình 1.1 Giống chè Trung Quốc lá to 4

Hình 1.2 Giống chè Trung Quốc lá ……… …5

Hình 1.3 Giống chè Shan 5

Hình 1.4 Giống chè Ấn ðộ 5

Hình 1.5 ðồ thị biểu hiện diện tích, sản lượng chè thế giới 13

Hình 1.6 Thị trường xuất khẩu chè ở Việt Nam năm 2009 15

Hình 1.7 Quy trình công nghệ chế biến chè hòa tan 17

Hình 1.8 Quy trình công nghệ chế biến chè hòa tan từ lá chè tươi 17

Hình 1.9 Một số sản phẩm chế biến từ chè hòa tan 19

Hình 1.10 Sơ ñồ nguyên lý thiết bị cô ñặc có ống tuần hoàn trung tâm 21

Hình 1.11 Thiết bị cô ñặc phòng ñốt treo 22

Hình1.12 Thiết bị cô ñặc có phòng ñốt ngoài thẳng ñứng 23

Hình 1.13 Thiết bị cô ñặc phòng ñốt ngoài nằm ngang 24

Hình 1.14 Thiết bị cô ñặc tuần hoàn cưỡng bức 25

Hình 1.15 Thiết bị cô ñặc không tuần hoàn loại màng 26

Hình 1.16 Thiết bị cô ñặc có vành dẫn chất lỏng 27

Hình 1.17 Sơ ñồ thiết bị cô ñặc thẩm thấu ngược 28

Hình 1.18 Sơ ñồ nguyên lý cấu tạo và thiết bị cô ñặc một nồi 29

Hình 1.19 Sơ ñồ nguyên lý cấu tạo thiết bị cô ñặc ba nồi xuôi chiều 30

Hình 1.20 Sơ ñồ thiết bị cô ñặc nhiều nồi ngược chiều 31

Hình 1.21 Sơ ñồ thiết bị cô ñặc 3 nồi song song 31

Hình 1.22.Thiết bị máy cô ñặc tuần hoàn ngoài 2cấp 32

Hình 1.23 Sơ ñồ nguyên lý và hình ảnh máy cô ñặc chân không dạng thùng quay 34

Hình 2.2 Nguyên liệu lá chè già (03 lá gốc của cành chè) 38

Hình 2.3 Thiết bị cô quay chân không 39

Hình 2.4 Một số dụng cụ ñã sử dụng trong thí nghiệm 39

Hình 2.5 ðường chuẩn axit gallic 41

Hình 3.1 Quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa của dung môi 47

Hình 3.2 ðường cong nhả (theo Gornarin 1974) 48

Hình 3.3 ðồ thị thay ñổi nhiệt ñộ trong quá trình cô ñặc 51

Hình 4.1 Ảnh hưởng của ñiều kiện cô ñặc ñến hàm lượng chất hòa tan 54

Hình 4.2 Ảnh hưởng của ñiều kiện cô ñặc ñến hàm lượng cafein và 56

Hình 4.3 ðồ thị trên biểu hiện mối quan hệ giữa nồng ñộ chất khô 57

Hình 4.4 Sự thay ñổi màu sắc/nồng ñộ chất khô ở 57

Hình 4.5 Sản phẩm chè hòa tan thu ñược từ công ñoạn cô ñặc 58

ra ngoài biên giới quốc gia và việc xuất khẩu chè ñóng vai trò quan trọng

ñã và ñang trở thành một trong những ngành xuất khẩu mũi nhọn của cả nước Mặt khác, hiện nay ngành chè cũng ñang trực tiếp giải quyết việc làm cho hàng triệu lao ñộng với thu nhập không nhỏ và kéo theo hàng loạt các ngành nghề khác cùng phát triển ñặc biệt là ngành công nghiệp chế biến, tạo ra ñộng lực quan trọng thúc ñẩy các quan hệ kinh tế ñối ngoại phát triển, thực hiện mục tiêu công nghiệp hóa-hiện ñại hóa nông nghiệp nông thôn Việt Nam

Với ưu thế về khí hậu, ñất ñai thổ nhưỡng, lao ñộng và sự ưa chuộng của thị trường thế giới, mặt hàng chè Việt Nam ñã tự hào ghi tên mình trên bản ñồ chè thế giới, hiện tại Việt Nam là nước ñứng thứ 5 thế giới về sản lượng và kim ngạch xuất khẩu chè Khoa học phát triển, các nghiên cứu về chè ngày càng chứng tỏ sản phẩm chè không những có mùi vị thơm ngon, hấp dẫn người thưởng thức mà còn mang lại vô số những lợi ích có giá trị cho sức khỏe con người ví dụ tác dụng giải nhiệt chống khát, lợi niệu giải ñộc kích thích tiêu hóa, làm giảm mỡ máu và chống béo phì, cải thiện trí nhớ, tăng cường chức năng miễn dịch, chống viêm loét ñường tiêu hóa, …

Vì thế, ngày càng có nhiều người sử dụng chè làm thức uống chính bổ sung cho cơ thể Tuy nhiên, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế

kéo theo xã hội càng phát triển khi ñó thời gian ñể thưởng thức chè theo cách truyền thống bị hạn chế Nhiều người có xu hướng chuyển sang chọn lựa các sản phẩm chè ñược chế biến sẵn sử dụng nhanh gọn và tiết kiệm thời gian Do ñó, nhiều nhà khoa học cùng với các công ty, nhà máy, doanh nghiệp ñã tìm cách chế biến các loại chè sao cho ñáp ứng nhu cầu của xã hội như chè hòa tan, chè túi lọc, nước chè ñóng chai, Tuy nhiên, sản phẩm chè hòa tan sao cho có hương vị ñáp ứng nhu cầu của người Việt Nam chưa ñược quan tâm nghiên cứu

Xuất phát từ những nhu cầu thực tế trên, ñể tạo ra sản phẩm mới sao cho có thể sử dụng trực tiếp hoặc làm nguyên liệu cho nhiều sản phẩm chè chế biến khác, ña dạng hóa sản phẩm chè chế biến, tăng giá trị cây chè Việt Nam ñáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước cũng như xuất khẩu Dưới sự

hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Thanh Hải cùng sự giúp ñỡ của các

thầy cô trong Khoa Cơ - ðiện, Khoa Công nghệ thực phẩm Trường ñại học

Nông nghiệp Hà Nội tôi tiến hành nghiên cứu ñề tài: ‘‘Nghiên cứu tính

toán, thiết kế thiết bị cô ñặc chân không trong dây chuyền công nghệ sản xuất bột chè hòa tan từ lá chè tươi”

Trong quy trình công nghệ sản xuất bột chè hòa tan từ lá chè, cô ñặc là một trong những khâu quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp ñến năng suất, chất lượng sản phẩm và chi phí giá thành cho quá trình sản xuất Ở nước ta hiện nay, các thiết bị cô ñặc chủ yếu ñược nhập khẩu từ nước ngoài, giá thành cao và không hoàn toàn phù hợp ñể cô ñặc dịch chè – một loại dung dịch có hàm lượng chất khô hòa tan ban ñầu rất thấp và rất dễ biến ñổi dưới tác dụng của nhiệt, vì vậy việc nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ

và thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị cô ñặc nhằm hoàn thiện dây chuyền sản xuất bột chè hòa tan từ lá chè tươi là rất cần thiết

II Mục ñích và nhiệm vụ nghiên cứu

A Mục ñích nghiên cứu

- Có ñược các tính toán, thiết kế cơ bản của thiết bị cô ñặc chân không một nồi cỡ nhỏ góp phần hoàn thiện thiết bị trong dây chuyền công nghệ sản xuất bột chè hòa tan từ lá chè tươi ñáp ứng nhu cầu xã hội

B Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan nghiên cứu về cây chè, công nghệ và thiết bị

cô ñặc chân không

- Lựa chọn sơ ñồ quy trình công nghệ chế biến chè hòa tan từ lá chè tươi

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị cô ñặc

- Áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ñể xác ñịnh ảnh hưởng của các thông số công nghệ ñến các thành phần hóa học quyết ñịnh chất lượng sản phẩm cũng như giá trị cảm quan

- Tính toán, thiết kế thiết bị cô ñặc chân không

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về cây chè

1.1.1 Tên gọi và nguồn gốc cây chè

Cây chè có tên khoa học là Camellia sinensis, chè thuộc ngành hạt kín (Angiopermae), lớp hai lá mầm (Dicotyledonae), bộ chè (Theales), họ chè (Theaceae), chi chè (Camellia) ñồng nghĩa với Thea, loài Camellia

sinensis Về nguồn gốc cây chè, ñây là một vấn ñề lịch sử - khoa học – văn hóa chè mà các học giả thế giới ñã nghiên cứu tranh luận hơn 2 thế kỷ qua nhưng vẫn chưa ñi ñến kết luận ðến nay ñã công bố trên thế giới 5 thuyết

về nguồn gốc cây chè, gồm thuyết Trung Hoa, thuyết Ấn ðộ, thuyết nhị nguyên, thuyết triết trung và thuyết Việt Nam

1.1.2 Phân loại các giống chè

Dựa theo ñặc ñiểm thực vật học, ñặc ñiểm sinh hóa, nguồn gốc phát sinh cây chè, Cohen Stuart (1919) ñã chia Camellia sinensis thành 4 loại: chè Trung Quốc lá to, chè Trung Quốc lá nhỏ, chè Shan, chè Ấn ðộ ñặc ñiểm của từng loại chè ñược tóm tắt như sau:

a, Chè Trung Quốc lá to (Camellia sinensis var macrophylla)

ðặc ñiểm: thân gỗ nhỡ cao tới 5m trong

ñiều kiện sinh trưởng tự nhiên Lá to, dài

12-15cm, rộng 5-7cm màu xanh nhạt, bóng Năng

suất phẩm chất tốt, nguyên sản ở Vân Nam,Tứ

Xuyên (Trung Quốc)

Hình 1.1 Giống chè Trung Quốc lá to

b, Chè Trung Quốc lá nhỏ (Camellia sinensis var Bohea)

ðặc ñiểm: cây bụi thấp phân thành

nhiều cành, lá nhỏ, màu xanh ñậm, dài 3,5

-6,5cm Năng suất thấp phẩm chất bình

thường Khả năng chịu rét ở nhiệt ñộ -120C

ñến -150C Phân bố chủ yếu ở miền ñông,

ñông nam Trung Quốc, Nhật Bản và một số

vùng khác Hình 1.2 Giống chè Trung Quốc lá

nhỏ

c, Chè Shan (Camellia sinensis var Shan)

ðặc ñiểm: thân gỗ, cao từ 6-10m Lá

to và dài 15 -18cm màu xanh nhạt Tôm chè

có nhiều lông tơ, trắng và mịn trông như

tuyết Có khả năng thích ứng trong ñiều kiện

ấm ẩm, ở ñịa hình cao, năng suất cao, phẩm

chất thuộc loại tốt nhất Nguyên sản ở Vân Hình 1.3 Giống chè Shan

Nam Trung Quốc

d, Chè Ấn ðộ (Camellia sinensis var Assamica)

ðặc ñiểm: thân gỗ cao tới 17m phân

cành thưa Lá dài tới 20-30cm, mỏng, mềm

thường có màu xanh ñậm.Rất ít hoa quả,

không chịu ñược rét Năng suất, phẩm chất

tốt Trồng nhiều ở Ấn ðộ, Miến ðiện, Vân

Nam ( Trung Quốc) và một số vùng khác Hình 1.4 Giống chè Ấn ðộ Bốn loại chè trên ñều ñược trồng ở Việt Nam, nhưng phổ biến nhất

vẫn là chè (Camellia sinensis var macrophylla) ñược trồng nhiều nhất ở các

tỉnh Trung Du với các tên gọi của ựịa phương tùy theo màu lá như Trung

du xanh, Trung du vàng và (Camellia sinensis var Shan) ựược trồng ở các

tỉnh miền núi phắa Bắc và miền Nam Tây Nguyên (Lâm đồng) mỗi ựịa phương có các giống khác nhau như: Shan Mộc Châu, Shan tham Vè, Shan trấn Ninh ngoài ra các giống chè lai và chè nhập nội cũng ựược trồng phổ biến như PH1 ( Phú Hộ) giống 1A, LDP 97, LDP1 lai cho năng suất cao Trong ựó giống chè Trung du chiếm khoảng 47(% ) tiếp ựến là giống chè Shan 24(%) giống chè PH1 6(%) các giống chè chất lượng khác 23%

1.1.3 Các ựồi chè ở Việt Nam

Việt Nam nằm trong vùng gió mùa đông nam, cái nôi của cây chè khắ hậu ựất ựai thắch hợp với cây chè Lượng mưa dồi dào 1700- 2000mm/năm Nhiệt ựộ 21 - 25 0C, ựộ ẩm không khắ 80-850C, hàng năm cây chè cho búp tới 9 tháng Ở nước ta hầu hết các tỉnh ựều trồng chè với tổng diện tắch trên 130.000 ha, nhưng sản xuất kinh doanh chè chỉ có vị trắ quan trọng tại 6 vùng chè tập trung dưới ựây

a, Vùng chè Tây Bắc: miền núi Tây Bắc bao gồm các tỉnh Lai Châu, Sơn

La đây là vùng chè cũ vốn có của Việt Nam, trước khi người Pháp chiếm đông Dương Là vùng núi cao nguyên hiểm trở, phần lớn diện tắch ở ựộ cao dưới 1000m Giống chè ựược trồng chủ yếu ở ựây là chè Shan và giống chè Trung Du, trong ựó chè Shan phù hợp với phát triển tốt hơn cho chất lượng cao hơn, hiện nay ựã trồng thêm một số giống chè mới như LDP1,

LDP2, TR777,

b, Vùng chè Việt Bắc- Hoàng Liên Sơn: bao gồm các tỉnh Tuyên Quang, Hà

Giang, Lào Cai, Hòa Bình và phắa tây Yên Bái, sản lượng búp chè tươi chiếm 31.15% tổng sản lượng chè búp tươi cả nước Giống chè chủ yếu là chè Shan và Trung du, hiện nay ựã có một số giống chè mới như: Bát Tiên, đại Bạch trà, TR777, ựang ựược trồng nhưng với diện tắch nhỏ, nhằm khảo nghiệm ựể thay ựổi cơ cấu giống chè cho phù hợp với ựòi hỏi của người tiêu dùng

c, Vùng chè Trung Du Bắc Bộ: vùng chè Trung Du Bắc Bộ, nằm tại ranh

giới giữa miền ñồng bằng Bắc Bộ, bao gồm các tỉnh Phú Thọ, Bắc Cạn, Thái Nguyên, Phía Nam Yên Bái, Hà Tây, Hòa Bình và Hà Nội ðây là vùng chè quan trọng về diện tích và sản lượng Sản lượng búp chè tươi chiếm khoảng 26.22% tổng sản lượng búp chè tươi cả nước Giống chè chủ yếu là chè Trung Du và một số giống mới PH1, LDP1,

d, Vùng chè Bắc Trung Bộ: ñây là vùng chè lâu ñời của Việt Nam, trước

thời kỳ pháp thuộc người dân ở ñây ñã trồng và biết chế biến chè ñơn giản gọi là chè Bạng (Thanh Hóa) Vùng này bao gồm các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh Các giống chè ñược trồng chủ yếu ở vùng này là: chè Trung du, PH1, và một số giống của ñịa phương chè của Nghệ An

e, Vùng chè Tây Nguyên: ñây là vùng có ñịa hình khá phức tạp, có nhiều

núi và cao nguyên rộng và bằng phẳng bao gồm các tỉnh Lâm ðồng, Gia Lai – Kon Tum và ðắc Lắc Giống chè chủ yếu của vùng này là chè Shan, chè Ấn ðộ gieo bằng hạt Sản lượng chè búp tươi chiếm 31% tổng sản lượng búp chè tươi cả nước, trong ñó tỉnh Lâm ðồng có sản lượng búp chè tươi lớn nhất nước

1.2 Thành phần hóa học của lá chè

- Nước: Nước là thành phần lớn nhất của búp chè (75-82%) Nước tham gia

trực tiếp vào nhiều phản ứng thủy phân, oxi hóa khử Hàm lượng nước có quan hệ mật thiết ñối với quá trình chế biến chè Nếu nguyên liệu chè bị mất nước quá nhanh thì biến ñổi sinh hóa diễn ra nhanh và không triệt ñể, ñôi khi enzyme bị ức chế nếu hàm lượng nước quá thấp (<10%) Nước trong nguyên liệu chè nhiều hoặc ít ñều làm cho lá chè bị nát khi vò ðồng thời, nước liên quan tới ñịnh mức chỉ tiêu nguyên liệu cho một ñơn vị sản

phẩm trong sản xuất các loại chè

- Hợp chất phenol (tanin): Tanin chè là hỗn hợp phức tạp của các hợp chất

phenol bao gồm các chất polyhydroxylphenol ñơn giản (chủ yếu là catechine), các chất polyphenol ña phân tử (chủ yếu là tanin “ñặc biệt”) và các hợp chất thực vật phi tanin có màu và vị rất ñắng Tanin trong chè là thành phần hóa học quyết ñịnh ñến các tính chất màu sắc, hương vị của các loại chè sản phẩm do chính chúng tạo ra, hoặc do những biến ñổi hóa học của chúng ñem lại Tanin bị biến ñổi ở nhiệt ñộ cao (180-2000C) Hợp chất polyphenol thường chiếm khoảng 20-30% chất khô trong chè Thành phần

tanin trong lá chè tươi gồm:

• Nhóm chất catechin (thuộc nhóm chất polyhydroxylphenol – monomer) chiếm khoảng trên 80% tổng lượng tanin chè, có vị chát- ñắng mạnh hơn so với tanin ñặc biệt

• Nhóm tanin ñặc biệt: Chính là polyphenol ña phân tử, tạo màu và vị chát dịu cho chè

• Nhóm chất phi tanin: Gồm 7 catechin khac nhau là Epicatechin (EC), Epigalocatechin (EGC), Galocatechin (GC), Epicatechingalat (ECG), Epigalo catechingalat (EGCG), Galocatechingalat (GCG) và catechin

- Cafein: Ankaloid chính của chè là Cafein, chúng có khả năng kích thích

thần kinh trung ương, tăng cường hoạt ñộng thần kinh, kích thích hoạt ñộng của thận và lưu thông máu Cafein là dẫn xuất của purine có tên và gọi theo cấu tạo là 1, 3, 5- trimethylxanthine, chiếm khoảng 3 – 4% tổng lượng chất khô trong lá chè tươi Cafein có khả năng liên kết với tanin và các sản phẩm oxi hóa của tanin ñể tạo nên các muối Tanat cafein Các muối này tan trong nước nóng, không tan trong nước lạnh và tạo nên hương thơm, và sắc nước chè xanh, giảm vị ñắng và nâng cao chất lượng thành phẩm

- Protein và acid amin: Protein trong búp chè phân bố không ñồng ñều,

chiếm khoảng 15% tổng lượng chất khô của lá chè tươi Protein có thể kết hợp với trực tiếp với Tanin, polyphenol, tạo ra những hợp chất không tan làm ñục nước chè ñen Nhưng trong chế biến chè xanh protein kết hợp với một phần Tanin làm cho vị ñắng và chát giảm ñi, vì thế ở chừng mực nào

ñó Protein có lợi cho phẩm chất chè xanh Ngày nay, người ta ñã tìm thấy

17 acid amin có trong chè Trong ñó 10 acid amin cơ bản là: Theanine, phenylalanine, leucine, isoleucine, valine, Tyrosine, glutamine, serine, glutamic, aspartic Các acid amin này có thể kết hợp với ñường, tanin tạo ra các hợp chất aldehyde, alcol có mùi thơm cho chè ñen, và chúng cũng góp

phần ñiều vị cho chè xanh

- Carbohydrates: Trong thành phần Carbohydrate của chè, ñáng quan tâm

nhất là là loại ñường tan Dưới tác dụng của nhiệt và các yếu tố khác, các loại ñường sẽ biến ñổi tạo nên hương vị ñặc trưng cho thành phẩm Ngoài

ra, các loại ñường còn tác dụng với Protein, acid amin tạo nên hương thơm

cho chè

- Chất màu: Hàm lượng chlorophyll thấp, khoảng 0,24- 0,85% chất khô và

thay ñổi tùy theo giống và ñộ non già của nguyên liệu (nguyên liệu non có

hàm lượng thấp)

Trong quá trình chế biến, hàm lượng các chất màu giảm nhiều, chúng bị phân hủy và biến ñổi dưới tác dụng của nhiệt ñộ cao và enzym tương ứng tạo cho sản phẩm mất mùi hăng ngái khó chịu

- Vitamin và khoáng: Trong búp chè chứa hầu hết các loại vitamin như vit

A, B1, B2, PP, ñặc biệt Vitamin C có rất nhiều trong chè, cao gấp 3- 4 lần

so với cam, chanh Trong quá trình chế biến chè ñen hàm lượng vit C giảm nhiều, còn trong chè xanh thì giảm không ñáng kể

Vì vậy hàm lượng Vitamin C trong chè xanh thường cao gấp 10 lần so với chè ñen.Trong chè thành phần khoáng chủ yếu là K, chiếm gần 50% tổng lượng khoáng

- Enzyme: Là nhân tố quan trọng trong quá trình sinh trưởng và chế biến

chè, ñặc biệt trong chế biến chè ñen Enzyme có vai trò quyết ñịnh chiều hướng biến ñổi các phản ứng sinh hóa trong giai ñoạn làm héo, vò, lên

men Trong búp chè có 2 loại enzyme chủ yếu là:

- Nhóm enzyme thủy phân : amilase, protease, glucosidase, …

- Nhóm enzyme oxi hóa – khử : peroxidase, polyphenoloxidase, … Enzyme peroxidase, polyphenoloxidase ñóng vai trò quan trọng nhất và có tác dụng khác nhau trong quá trình lên men chè ñen Các enzyme này ñều hoạt ñộng mạnh ở 45°C, ñến 70°C thì hoạt ñộng yếu hẳn ñi và ở nhiệt ñộ cao hơn sẽ bị vô hoạt hoàn toàn Trong chế biến chè xanh, không cần tạo nên những biến ñổi sinh hóa cho tanin, nên enzyme không có ích cho quá trình chế biến.Vì vậy, ngay từ giai ñoạn ñầu của quá trình chế biến chè xanh người ta phải dùng nhiệt ñộ cao ñể vô hoạt enzyme bằng cách chần hoặc sao

1.3 Tác dụng của lá chè

- Tác dụng chống oxy hóa của polyphenol

Tác dụng sinh học của các polyphenol trong lá chè ñược giải thích là

do chúng có tác dụng khử các gốc tự do giống như tác dụng của chất chống oxy hóa Các gốc tự do ñược sinh ra và tích lũy trong quá trình sống chính

là nguyên nhân dẫn ñến bệnh tật và làm tăng tốc ñộ quá trình lão hóa của

cơ thể con người

- Tác dụng ñối với enzym

Nhờ tác dụng sinh học ñối với enzym mà các flavonoit có trong chè

có khả năng ức chế sự phát triển của tế bào ung thư, mau chóng làm lành vết thương, giảm các nguy cơ về bệnh tim mạch,… Catechin trong chè có khả năng ức chế sự phát triển của enzym gọi là butylcholinestara, enzym này có nhiều trong các protein có trong óc của những bệnh nhân bị bệnh lú lẫn, chính enzym này làm phân hủy nhanh chóng chất dẫn truyền thần kinh của hệ giao cảm và ở khớp nối thần kinh cơ

- Tác dụng kháng sinh, chống viêm nhiễm

Tác dụng chống viêm nhiễm và kháng khuẩn của flavonoit ñã ñược nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới chứng minh Về tác dụng kháng sinh, một số hợp chất anthocyamin và axit phenolic có ảnh hưởng lên vi khuẩn Salmonella và thấy có tác dụng kìm hãm rõ rệt Hầu hết các chất này

có khả năng kìm hãm sự hô hấp hay phân chia của vi khuẩn khi có mặt glucoza Từ lâu lá chè ñược sử dụng ñiều trị một số bệnh viêm nhiễm như ghẻ lở, mụn nhọt, viêm họng, là những bệnh lên quan tới các chủng vi khuẩn có khả năng gây viêm nhiễm bên trong và bên ngoài

Theo nghiên cứu của Almajano ñã cho thấy: hầu hết các polyphenol ñều có khả năng kháng khuẩn Trong một vài nghiên cứu ñiều tra về ảnh hưởng của polyphenol trong chè ñối với các bệnh về ñường ruột ñã chỉ ra

rằng Các catechin, các polyphenol trong chè có hoạt tính chống khuẩn

- Tác dụng ñối với ung thư

Tác dụng ñối với ung thư vú: những nghiên cứu ñã cho thấy sử dụng trà xanh có thể có những lợi ích là bảo vệ chống lại dạng ưng thư trong ñó

có ung thư vú

- Tác dụng ñối với ung thư phổi

Nhiều nghiên cứu cho kết quả EGCG trong trà xanh là chống lại sự hoạt ñộng của quá trình oxy hóa làm tổn thương chuỗi di chuyền AND ñồng thời chống lại những sự ñột biến của AND và làm ức chế ựu phát triển các bứu trong phổi

- Tác dụng ñối với tim mạch

Các khoa học Nhật Bản cho biết rằng nếu mỗi ngày người Nhật ñều dùng trà xanh thì tỷ lệ chết vì bệnh ung thư và tim mạch giảm ñi một cách

rõ rệt Bằng cách uống 2-4 ly trà xanh mỗi ngày thì những rủi ro về bệnh tim mạch giảm ñi 40-50%

Như vậy, trong lá chè thực sự có nhiều hoạt tính sinh học quí giá, cần ñược ñặc biệt chú ý nhằm phục vụ sức khỏe con người

1.4 Tình hình sản xuất và tiêu thụ chè trên thế giới và Việt Nam

1.4.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ chè trên thế giới

Chè ñược trồng ở nhiều quốc gia trên thế giới, các nước sản xuất

chè lớn trên thế giới như Ấn ðộ, Trung Quốc, Srilanca, Kenia, Thổ Nhĩ

Kỳ, Indonesia, Nhật Bản, hàng năm sản lượng chè ñạt 2,5 triệu tấn chè, trong ñó 80% có nguồn gốc châu Á(chủ yếu từ Trung Quốc, Ấn ðộ, Srilanca) Năm 2002, tổng diện tích trồng chè trên thế giới ñạt 2.550.000

ha, trong ñó tập trung chủ yếu ở Trung Quốc 1.086.000 ha (80.7%), Indonesia 129.000 ha (4,7%), Kenya 97.000 ha (3,5%), Việt Nam 82.000

ha (3.08%) Hiện có khoảng 20 nước trên thế giới xuất khẩu và hơn 60 nước nhập khẩu chè những nước như châu Âu, châu Mỹ tuy không sản xuất chè nhưng nhu cầu dùng chè cao nhất với ước tính ở một số nước như sau: (Anh 4,4kg chè khô/người/năm, Ireland 3,6 kg, Canaña 0,75 kg, Mĩ 0,35

kg, Australia 2,7 kg, Xrilanca 1,45 kg, Ấn ðộ 0,52 kg, Trung Quốc 0,3 kg,

Việt Nam 0,274 kg) Diễn biến về diện tích chè và sản lượng chè một số năm gần ñây ñược thể hiện như (hình 1.5)

Hình 1.5 ðồ thị biểu hiện diện tích, sản lượng chè thế giới

giai ñoạn 1999 -2008 (Nguồn: FAO, 2011)

Qua phân tích trên ta thấy nhu cầu dùng chè và các sản phẩm ñược chế biến từ chè trên thế giới ngày càng tăng không những về số lượng mà

còn ña dạng hóa mặt hàng (International Tea Committee - ITC), trước ñây

các nước châu Á, châu Âu, châu Mỹ ưu dùng sản phẩm chè ñen, chè xanh thì ngày nay phần lớn chuyển sang dùng sản phẩm chè: chè hòa tan, chè túi nhúng, chè dược thảo, chè uống liền, chè hữu cơ…sản phẩm chè túi nhúng (chè túi lọc): Xuất hiện năm 1904 nhưng ñến năm 1970 mới ñược thương mại hoá và trong vòng hai mươi năm qua ñã tăng từ 20% lên ñến 90% thị phần tiêu thụ chè Có thể coi chè túi nhúng là bước ngoặt ñầu tiên trong quá trình công nghệ chế biến chè chủ yếu ñược ưa chuộng ở các nước phương Tây Sản phẩm Chè hoà tan: mặc dù ñược sáng chế từ hơn một trăm năm nhưng mãi gần ñây mới ñược sản suất và tiêu thụ nhiều

Hiện nay, có 8 nước sản xuất chè hoà tan ñó là: Mĩ, Thụy Sĩ, Anh, Xrilanca, Ấn ðộ, Kenya, Nhật Bản và Trung Quốc sản phẩm chè hòa tan ñược tiêu thụ chủ yếu ở Mĩ, ước tính mỗi năm Mĩ tiêu thụ khoảng 85.000 tấn chè/năm trong ñó lượng chè hoà tan chiếm 33%

1.4.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ chè ở Việt Nam

Ở Việt Nam, cây chè có khả năng thắch nghi rộng từ các tỉnh Lâm đồng ựến Hà Giang nhưng tập trung chủ yếu ở 6 vùng chè lớn: vùng chè Tây Bắc, vùng chè Việt Bắc Ờ Hoàng Liên Sơn, vùng chè Trung du Bắc

Bộ, vùng chè Tây Nguyên, vùng chè Duyên hải miền Trung

Trong 10 năm (1995-2005), diện tắch trồng chè ựã tăng gấp 2 lần, năm 2006 Việt Nam là nước xuất khẩu chè ựứng thứ 7 thế giới với diện tắch trồng chè ựạt 112 nghìn ha, xuất khẩu sang 67 thị trường khác nhau, trong ựó Pakixtan là thị trường lớn của Việt Nam với sản lượng xuất khẩu năm 2006 tăng 34% so với năm 2005 Ấn độ là thị trường ựạt mức tăng trưởng xuất khẩu chè cao nhất năm 2006 với mức tăng 299% về lượng và 293% về giá trị so với năm 2005 Năm 2009 xuất khẩu chè sang Pakistan ựạt 31.000 tấn với kim ngạch 46 triệu USD, chiếm 23% về lượng và 25,6%

về trị giá so với tổng lượng và trị giá xuất khẩu chè của Việt Nam đứng thứ hai là Nga ựạt 21.850 tấn với kim ngạch 27 triệu USD, tăng 76,5% về lượng và tăng 67,4% về trị giá so với năm trước, chiếm 16,3% về lượng và 15,2% về trị giá đứng thứ ba là đài Loan với lượng xuất khẩu chè năm

2009 ựạt 20.000 tấn với kim ngạch 24,4 triệu USD, tăng 14,5% về lượng và tăng 13,7% về trị giá, chiếm 15% về lượng và 13,6% về trị giá Các thị trường khác còn nhỏ lẻ (hình 1.6)

Thị trường xuất khẩu chè năm 2009

5,500

-Lượng (tấn) Trị giá USD

Hình 1.6 Thị trường xuất khẩu chè ở Việt Nam năm 2009

Tóm lại nhu cầu tiêu thụ chè ngày càng tăng, ñiều ñó ñòi hỏi chất lượng sản phẩm tốt và cần ña dạng hoá sản phẩm phù hợp với thị hiếu người tiêu dùng Bởi vậy, yêu cầu ñòi hỏi nhà nghiên cứu sản xuất chè phải làm sao ñể cho chè có sức cạnh tranh lớn với các loại nước uống khác, như vậy sẽ thúc ñẩy sự phát triển bền vững ñối với ngành chè thế giới nói chung

và Việt Nam nói riêng

1.5 Quy trình công nghệ chế biến chè hòa tan

1.5.1 Tìm hiểu sơ lược nguồn nguyên liệu chế biến chè hòa tan

Chè hòa tan hay chè tinh chất, là phần khô thu ñược khi sấy phun dung dịch chè có nồng ñộ chất khô 25% - 30% hầu hết nguồn nguyên liệu

là chè thành phẩm, phế phẩm trong quá trình sản xuất Ở Liên Xô, mỗi hecta trồng chè hàng năm có thể cho 3-4 tấn nguyên liệu gồm lá chè già, cành chè non ñể sản xuất chè hòa tan

Ở Việt Nam, cây chè là cây mũi nhọn trong ngành nông nghiệp ñể xuất khẩu, với diện tích 130 nghìn ha, hằng năm sản xuất ra khoảng 800-

850 nghìn tấn nguyên liệu chè, chế biến và xuất khẩu khoảng 130 nghìn tấn chè khô các loại Trong quá trình sản xuất ñã tạo ra một lượng lớn phế loại như bồm, cẵng, xơ râu, chè vụn với khối lượng rất lớn Mặt khác theo số liệu của trại TN chè Phú hộ cứ 1ha thu hái 5 tấn nguyên liệu chè, thì ñến cuối năm lượng chè già ñốn bỏ ñi cũng vào khoảng 5 tấn Như vậy, hằng năm ta có khoảng 500-600 nghìn tấn chè lá già ñốn bỏ ñi, hiện nay chỉ ñược dùng làm phân bón, mà trong lá chè già có chứa khoảng 10-15% hàm lượng P-catechin (P-catechin mà chủ yếu là chất epigallocatechingallat có vai trò lớn trong việc chữa bệnh như bệnh ung thu, bệnh về ñường ruột, tim mạch, cao huyết áp) ñó chính là nguồn nguyên liệu rồi dào và rẻ tiền có thể chế biến thành những sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao như nước giải

khát từ sản phẩm chè bột hòa tan Vì vậy, ñây sẽ là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho chế biến chè hòa tan

1.5.2 Quy trình chế biến chè hòa tan

Qua phân tích, tìm hiểu, nghiên cứu quy trình chế biến chè hòa tan

ñã ñược sản xuất tại các nước trên thế giới như hình (1.7) cho thấy chủ yếu các nước sử dụng chè thành phẩm chè xanh, chè ñen trong quy trình chế biến chè hòa tan do vậy quy trình này không thích hợp với việc sản xuất chè hòa tan uống liền từ lá chè tươi Dựa trên các quy trình công nghệ của các nước kết hợp với yêu cầu thực tiễn tác giả ñã ñưa ra quy trình công nghệ chế biến chè hòa tan (hình 1.18) ñáp ứng ñược yêu cầu từ lá chè tươi, không qua công nghệ chế biến thành chè thành phẩm do ñó ñáp ứng ñược màu sắc, mùi vị của chè

Làm héo Nguyên liệu (ñọt chè

Làm khô (phơi, sấy,

Hình 1.7 Quy trình công nghệ chế biến chè hòa tan

a Chè xanh hòa tan; b Chè ựen hòa tan

Hình 1.8 Quy trình công nghệ chế biến chè hòa tan từ lá chè tươi

Giải thắch sơ ựồ quy trình công nghệ

Chè ựược rửa sạch, ựể ráo, sau ựó diệt men bằng cách ựem chần trong nước sôi thời gian 1 phút Nguyên liệu chần sau ựó ựược ựể ráo rồi cho qua máy cắt sơ bộ trong thời gian 30 giây Nghiền trên máy CYF-AS22

Diệt men

Sơ chế

Nghiền, ép, lọc

Nguyên liệu (lá chè già, ựọt chè tươi)

Bã chè

Xử lý ủ,

bổ sung chế phẩm

vi sinh

Phân bón

sử dụng

ựể bón cho chè

Cô ựặc (chân không)

Sấy

Bột chè hòa tan

đóng bao bảo quản

Dịch

với sàng nghiền có ñường kính Φ6mm Sau ñó ñược ñem ñi ép ở áp lực 331,61N/cm2 ñể lấy dịch Dịch chè ñược lọc với màng lọc 125µm nhằm

loại bỏ những tạp chất không tan trong nước ñể tinh sạch dịch chiết, ñồng thời góp phần tạo nên sản phẩm bột trà hoà tan có ñộ hoà tan tốt và sau ñó ñem dịch lọc ñi cô ñặc chân không

Công ñoạn cô ñặc làm tăng nồng ñộ chất khô trong dịch triết,và chuẩn bị cho quá trình sấy, mục ñích làm giảm một lượng nước khá lớn trong dịch chè trước khi ñưa vào sấy do ñó làm giảm ñáng kể chi phí về năng lượng và cả thời gian sấy Công ñoạn sấy phun làm bốc hơi nhanh nước trong dung dịch chè tạo sản phẩm dạng bột với ñộ ẩm thấp ñể bảo quản ñược lâu hơn

Công ñoạn ñóng gói nhằm tạo thuận tiện cho người tiêu dùng, sản phẩm có trọng lượng phù hợp cho người tiêu dùng sử dụng; bên cạnh ñó dựa vào màu sắc và cách bố trí còn làm cho sản phẩm thu hút người tiêu dùng Bảo quản giúp bảo vệ thực phẩm tránh khỏi ảnh hưởng không tốt của môi trường xung quanh như: ñộ ẩm, nhiệt ñộ, ánh sáng…chè hoà tan có ñộ

ẩm rất thấp và rất dễ bị hút ẩm

1.5.3 Một số sản phẩm trà hòa tan trên thị trường Việt Nam

Chè hòa tan có dạng bột tơi xốp, rất mịn, gồm những hạt nhỏ, màu vàng nhạt (chè xanh), nâu nhạt (chè ñen) Tùy vào nguyên liệu mà sản phẩm chè hòa tan lại có hương vị khác ( hình 1.9)

Hình 1.9 Một số sản phẩm chế biến từ chè hòa tan

a Trà hòa tan hương chanh; b Trà chanh lipton ice tea;

c Nestea chanh; d Trà hòa tan Harris

1.6 Tổng quan nghiên cứu thiết bị cô ñặc trên thế giới và Việt Nam

ðịnh nghĩa về cô ñặc: Là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của

dung dịch chứa chất hòa tan không bay hơi ở nhiệt ñộ sôi với mục ñích:

- Làm tăng nồng ñộ chất tan;

- Tách chất hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh)

- Thu hồi dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất)

Quá trình cô ñặc ñược tiến hành ở nhiệt ñộ sôi, ở mọi áp suất có thể (ở áp suất khí quyển, áp suất cao, hay áp suất chân không)

Các phương pháp cô ñặc ñã và ñang ñược dùng trong ngành chế biến thực phẩm ñược phân ra thành các phương pháp sau:

- Cô ñặc ở áp suất khí quyển: theo phương pháp này quá trình dung

dịch sôi và bốc hơi ñược nhờ bên dưới nồi ñược ñốt bằng than/bằng củi và hơi thứ không ñược sử dụng mà thải ra ngoài không khí Phương pháp có ưu ñiểm ñơn giản nhưng không kinh tế, chất lượng sản phẩm kém, mùi vị và màu sắc dễ bị biến ñổi ñặc biệt khi nồng ñộ tăng cao dễ bị cháy ở ñiều kiện nhiệt

ñộ cao

- Cô ñặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển: thường dùng cho các

dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt ñộ cao như các dung dịch muối vô cơ Hơi thứ thường ñược dùng cho quá trình cô ñặc hay các quá trình ñun nóng khác

- Cô ñặc ở áp suất chân không: Dùng cho các dung dịch có nhiệt ñộ sôi

cao và dung dịch mà thành phần của chúng dễ bị phân hủy dưới tác dụng của nhiệt ñộ Khi áp suất giảm thì nhiệt ñộ sôi của dung dịch giảm, do ñó hiệu số giữa nhiệt ñộ của hơi ñốt và của dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm ñược diện tích bề mặt truyền nhiệt Phương pháp cô ñặc chân không có ưu ñiểm có thể dùng hơi ñốt ở áp suất thấp, ñiều ñó rất có lợi khi ta dùng hơi thải của các quá trình sản xuất khác Cô ñặc chân không cho phép ta cô ñặc những dung dịch ở nhiệt ñộ sôi cao (ở áp suất thường) có thể gây ra những phản ứng phụ không cần thiết Mặt khác do nhiệt ñộ sôi của dung dịch thấp thì tổn thất nhiệt

ra môi trường sẽ nhỏ hơn khi cô ñặc ở áp suất thường

Mỗi phương pháp cô ñặc trên ñều có những ñặc trưng riêng trong việc giải quyết các bài toán công nghệ Tuy vậy có thể nói, phương pháp cô ñặc chân không là một giải pháp thích hợp cho việc cô ñặc những dung dịch mà thành phần của chúng dễ bị biến ñổi bởi tác dụng của nhiệt ñộ (ñiển hình như dung dịch chè)

1.6.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thiết bị cô ñặc trên thế giới

Qua nghiên cứu tìm hiểu tổng quan cho thấy một số loại thiết bị cô ñặc ñang ñược sử dụng trên thế giới như sau:

- Thiết bị cô ñặc có ống tuần hoàn trung tâm,

- Thiết bị cô ñặc loại phòng ñốt ngoài,

- Thiết bị cô ñặc loại có tuần hoàn cưỡng bức,

- Thiết bị cô ñặc loại màng,

- Thiết bị cô ñặc có vành dẫn chất lỏng,

- Thiết bị cô ñặc thẩm thấu ngược

ðể làm sáng tỏ hơn tính năng và nguyên lý hoạt ñộng thiết bị nêu trên thông qua việc phân tích tóm tắt những ưu, nhược ñiểm của chúng như dưới ñây

* Thiết bị cô ñặc có ống tuần hoàn trung tâm (hình 1.10)

Hình 1.10 Sơ ñồ nguyên lý thiết bị cô ñặc có ống tuần hoàn trung tâm

1- vỏ; 2-phòng ñốt; 3- ống truyền nhiệt; 4- ống tuần hoàn trung tâm;

5- phòng phân ly; 6- bộ phận tách bọt

*Thiết bị cô ñặc phòng ñốt treo (hình 1.11)

Hình 1.11 Thiết bị cô ñặc phòng ñốt treo

1- phòng ñốt; 2- thân thiết bị; 3- ống dẫn hơi ñốt; 4- bộ phận tách bọt;

5- ống dẫn bọt; 6- ống dẫn nước rửa

Ưu ñiểm

- Phòng ñốt treo này có thể tháo ra khỏi thiết bị ñể cọ rửa và sửa chữa Hơi ñốt ñi vào phòng ống 3 rồi phun ra không gian bên ngoài ống truyền nhiệt.Giữa thân thiết bị 2 và thân phòng ñốt 1 tạo thành khe hở hình

vành khăn và lúc thiết bị làm việc thì khe hở ñó chứa ñầy dung dịch (ñóng vai trò như ống tuần hoàn)

Nhược ñiểm

- Thiết bị có cấu tạo phức tạp và kích thước lớn do có khoảng trống vành khăn thiết bị này thường có bề mặt truyền nhiệt F là 75,95,150m2; và kích thước ống truyền nhiệt d = 57,5÷63,5mm; 64÷70mm; chiều dài ống L

= 1300 ÷ 1700mm

Ứng dụng: Thiết bị cô ñặc loại này thường ñược dùng ñể cô ñặc dung dịch

có kết tinh và ñược ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất như ñể

cô ñặc thuốc

* Thiết bị cô ñặc loại phòng ñốt ngoài (hình từ 1.12 ñến 1.13)

Hình1.12 Thiết bị cô ñặc có phòng ñốt ngoài thẳng ñứng

1- phòng ñốt; 2- phòng bốc; 3- ống tuần hoàn; 4- bộ phận tách bọt

Hình 1.13 Thiết bị cô ñặc phòng ñốt ngoài nằm ngang

1- phòng bốc; 2- phòng ñốt; 3- bộ phận tách bọt

Ưu ñiểm

Thiết bị loại này có buồng ñốt và không gian bốc hơi (buồng bốc) hoàn toàn tách rời nhau Chúng chỉ liên hệ với nhau bằng ống nối do ñó có

những ưu ñiểm sau:

- Giảm bớt ñược khoảng cách theo chiều cao giữa buồng ñốt và không gian bốc hơi; có thể ñiều chỉnh ñược sự tuần hoàn;

- Hoàn toàn tách hết bọt, vì buồng ñốt cách xa không gian hơi;

- Có khả năng sử dụng không gian hơi như là một bộ phận phân ly loại ly tâm;

- Một không gian hơi có thể nối với hai hoặc nhiều buồng ñốt và như vậy có thể luân phiên nhau sửa chữa buồng ñốt mà không phải ngừng sản xuất

Nhược ñiểm

- Thiết bị có cấu tạo phức tạp

*Thiết bị cô ñặc loại có tuần hoàn cưỡng bức (hình 1.14)

Hình 1.14 Thiết bị cô ñặc tuần hoàn cưỡng bức

1-Cửa cấp liệu; 2- Cấp hơi ñốt; 3- Cửa tháo sản phẩm; 4- Ống truyền nhiệt; 5-ðường

ra hơi thứ; 6-Bộ phận phân ly; 7- Ống thoát khí của buồng ñốt; 8- Ống thoát nước

ngưng

Ưu ñiểm

- Dung dịch ñối lưu cưỡng bức hình 1.14, dùng bơm ñể tạo vận tốc

dung dịch từ 1.5 – 3.5m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu ñiểm: tăng cường

hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch ñặc sệt, ñộ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt ðược sử dụng rộng rãi trong sản xuất ñường, muối tinh, cô ñặc

Nhược ñiểm

- Dung dịch cho vào phòng ñốt 1 qua cửa ống tuần hoàn 3 Dung dịch ñặc ñi

ra ở phần dưới của phòng bốc 2 ở dạng sản phẩm, còn phần lớn lại chảy về ống 3 do bơm tuần hoàn hút và trộn lẫn với dung dịch ñầu ñi vào phòng ñốt

- Nếu lấy tốc ñộ tuần hoàn là 2m/s thì mức chất lỏng sôi ở mức càng cao Thực tế nên lấy tốc ñộ tuần hoàn bé hơn 1,5 – 3,5m/s là phù hợp Nếu chọn tốc ñộ tuần hoàn bé hơn 1m/s thì không có lợi, bởi vì trong trường hợp này chất lỏng ở trong ống sẽ sôi ở mức thấp và quá trình bốc hơi có tuần hoàn cưỡng bức sẽ gần giống như bốc hơi với tuần hoàn tự nhiên Nhưng nếu chọn tốc ñộ tuần hoàn quá lớn cũng không có hiệu quả, vì khi tốc ñộ lớn hơn 4m/s thì hệ số truyền nhiệt cũng không tăng lên ðối với những dung dịch kho cô ñặc có cặn bám lên thành ống hoặc tạo ra tinh thể thì không nên chọn tốc ñộ nhỏ hơn 2,5m/s

*Thiết bị cô ñặc loại màng ñược thể hiện như hình 1.15

Hình 1.15 Thiết bị cô ñặc không tuần hoàn loại màng

Ưu ñiểm

- Thiết bị cô ñặc loại màng có hệ số truyền nhiệt lớn khi có mức chất lỏng thích hợp Nếu mức chất lỏng cao quá , hệ số truyền nhiệt sẽ giảm vì tốc ñộ chất lỏng giảm, ngược lại nếu mức chất lỏng quá thấp bề mặt truyền nhiệt của phía ống ở trên sẽ bị khô (vì dung dịch bốc hơi hết)

- Áp suất thủy tĩnh nhỏ, do ñó tổn thất do áp suất thủy tĩnh nhỏ

Nhược ñiểm

- Khó làm sạch vì ống dài,

- Khó ñiều chỉnh khi áp suất hơi ñốt thay ñổi và mức dung dịch thay ñổi,

- Không thích hợp với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh

*Thiết bị cô ñặc có vành dẫn chất lỏng

Hình 1.16 Thiết bị cô ñặc có vành dẫn chất lỏng

1- phòng ñốt; 2- vỏ thiết bị; 3- tấm ngăn; 4- ống tuần hoàn;

5- phòng phân ly; 6- ñáy kết tinh

Ưu ñiểm

- Loại thiết bị này có tốc ñộ tuần hoàn tương ñối lớn = 3m/s trong lúc ñó ở các loại thiết bị có tuần hoàn tự nhiên khác tốc ñộ tuần hoàn chỉ ñạt 1 – 1,5m/s

Mặt khác vì dung dịch không sôi trong ống truyền nhiệt nên bề mặt truyền nhiệt ít bị bám cặn

- Thiết bị loại này thích hợp, với các dung dịch ñậm ñặc, kết tinh và dung

dịch nhớt…

Nhược ñiểm

- Khó vệ sinh cọ rửa ống truyển nhiệt

* Thiết bị cô ñặc thẩm thấu ngược

Một trong những loại thiết bị cô ñặc mới ñược ứng dụng trong thời

gian gần ñây sử dụng công nghệ màng lọc bán thấm ñể cô ñặc

Thiết bị cô ñặc thẩm thấu ñược nghiên cứu và ứng dụng ñầu tiên bởi công

ty GE Osmonics của Mỹ và ñược triển khai ở các nước trên thế giới như: Brazil, China, Denmark, England, France, Germany, Hong Kong, Italy, Japan,…

Hình 1.17 Sơ ñồ thiết bị cô ñặc thẩm thấu ngược

Nguyên lý của thiết bị dựa trên khả năng lọc bán thấm của màng lọc

RO (màng lọc thẩm thấu ngược), màng lọc RO cho phép phân tử nước và các phân tử nhỏ hơn nước ñi qua, còn các phân tử có kích thước lơn hơn nước ñược giữ lại Dựa trên nguyên tắc này phần dịch không qua ñược màng lọc RO sẽ có nồng ñộ chất khô cao hơn nồng ñộ chất khô sau khi lọc

cao hơn trước khi lọc So với phương pháp gia nhiệt làm bốc hơi nước có

và không có chân không, phương pháp cô ñặc thẩm thấu làm tăng nồng ñộ

mà không cần sử dụng nhiệt, do vậy chất lượng của sản phẩm ñược giữ nguyên màu sắc, mùi vị và các chất vi lượng trong sản phẩm ñược bảo toàn

Nhược ñiểm

- Không cô ñặc ñược các sản phẩm có ñộ nhớt cao và ở nồng ñộ chất khô cao

- Thiết bị cô ñặc có giá thành cao hơn so với các thiết bị cô ñặc dạng nhiệt

*Theo phương pháp thực hiện quá trình: Phân ra thành hệ thống thiết bị cô

ñặc một nồi, và hệ thống cô ñặc nhiều nồi trong ñó hệ thống cô ñặc một nồi

ñược dùng khi không dùng hơi thứ làm chất tải nhiệt ñể ñun nóng (hình 1.18)

Hình 1.18 Sơ ñồ nguyên lý cấu tạo và thiết bị cô ñặc một nồi

1- thùng chứa; 2- bơm; 3- thùng cao vị; 4- lưu lượng kế;5- thiết bị ñun nóng; 6- nồi cô ñặc;

7 - bơm; 8- thùng chứa sản phẩm;9- thiết bị ngưng tụ; 10- bộ phận thu hồi bọt; 11- ống

baromet

Dung dịch ñầu từ thùng chứa 1 ñược bơm vào thùng 3, sau ñó chảy qua lưu lượng kế 4 vào thiết bị ñun nóng 5 Ở ñây dung dịch ñược ñun

nóng ñến nhiệt ñộ sôi và ñi vào thiết bị cô ñặc 6 thực hiện quá trình bốc hơi Hơi thứ và khí không ngưng ñi qua phía trên của thiết bị cô ñặc vào thiết bị ngưng tụ

Trong thiết bị ngưng tụ nước làm lạnh từ trên ñi xuống, ở ñây hơi thứ sẽ ñược ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống 11 ra ngoài, còn khí không ñược ngưng ñi qua thiết bị thu hồi bọt 10 rồi vào bơm hút chân không Dung dịch sau khi cô ñặc ñược bơm ra ở phía dưới thiết bị cô ñặc ñi vào thùng chứa 8

- Hệ thống thiết bị cô ñặc nhiều nồi: (hình từ 1.19 ñến 1.21) ñể tiết kiệm và làm giảm bớt lượng hơi nước tiêu hao làm nóng thiết bị người ta tiến hành

cô ñặc trong thiết bị nhiều nồi Hệ thống bao gồm nhiều nồi nối tiếp nhau,

áp suất ở nồi sau thấp hơn so với nồi trước, vì vậy nhiệt ñộ của dung dịch nồi sau nhỏ hơn nồi trước Do sự phân bố nhiệt ñộ sôi của dung dịch nên có thể dùng hơi thứ của nồi trước làm hơi ñốt cho nồi sau

\

Hình 1.19 Sơ ñồ nguyên lý cấu tạo thiết bị cô ñặc ba nồi xuôi chiều

1, 2, 3- nồi cô ñặc; 4- thiết bị gia nhiệt nguyên liệu ñầu;5- thiết bị ngưng tụ; 6- thiết

bị tách bọt; 7- bơm chân không

Như vậy chỉ có nồi ñầu tiên của hệ thống sẽ ñun bằng hơi mới Hơi thứ của nồi ñầu tiên ñưa ñi ñể ñun nóng nồi thứ hai, ở nồi này áp suất và

nhiệt ñộ sôi của dung dịch thấp hơn so với nồi ñầu tiên Nhiệt lượng chứa trong hơi thứ nồi ñầu tiên ñủ ñể làm sôi dung dịch ở nồi thứ hai Hơi thứ ở nồi thứ hai lại ñun nóng và làm sôi dung dịch ở nồi thứ 3 của

hệ thống,

Nếu nồi cuối cùng của hệ thống làm việc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thì hơi thứ của nó vẫn có thể sử dụng ñược vào các công việc khác tuỳ theo yêu cầu của quá trình sản xuất tiếp theo Nếu nồi cuối cùng làm việc ở áp suất chân không thì hơi thứ của nó sẽ ñi vào thiết bị chiết

Hệ thống cô ñặc nhiều có thể làm việc xuôi chiều, ngược chiều (hình 1.20) hoặc song song (hình 1.21),…

Hình 1.20 Sơ ñồ thiết bị cô ñặc nhiều nồi ngược chiều

Hình 1.21 Sơ ñồ thiết bị cô ñặc 3 nồi song song

Hình 1.22.Thiết bị máy cô ñặc tuần hoàn ngoài 2cấp (hình trái) và 3 cấp loại

Ưu ñiểm

- Tiết kiệm nhiệt lượng ñáng kể vì sử dụng ñược hơi thứ Khi số nồi càng nhiều thì lượng hơi ñốt tiêu hao ñể làm bốc hơi 1 kg nước của sản phẩm ở trong thiết bị càng nhỏ

- Chất lượng sản phẩm tốt vì thời gian cô ñặc liên tục, nhiệt ñộ sôi thấp, thời gian cô ñặc nhanh

- Năng suất thiết bị cao