LÀM SẠCH NƯỚC MÍA BẰNG PHƯƠNG PHÁP SUNFIT HÓA

Mục đích của việc làm sạch nước míaLoại bỏ tối đa chất không đường ra khỏi nước mía hỗn hợp, đặc biệt là các chất có hoạt tính bề mặt, chất keo.Trung hoà nước mía hỗn hợp do trong môi trường acid, đường bị chuyển hoá thành đường khử vậy nên khi trung hoà sẽ làm hạn chế quá trình hình thành đường khử làm cho hiệu suất cũng như năng suất tăng lên.Loại bỏ tất cả những chất rắn dạng lơ lửng trong nước míaIICƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LÀM SẠCH NƯỚC MÍAtác dụng của pHTÁC DỤNG CỦA CHẤT ĐIỆN LITÁC DỤNG CỦA ION CA2+LƯU HUỲNH ĐIOXITTÁC DỤNG CỦA SO2CACBON ĐIOXIT (CO2)P2O5 (PHOTPHAT PENTAOXIT)TRAO ĐỔI IONPHƯƠNG PHÁP SULFIT HÓA ACID: quy trình công nghệ và phân tích

I/MỤC ĐÍCH CỦA VIỆC LÀM SẠCH

Hoạt động của vi sinh vật trong nước mía cũng tạo nên các chất keo

khác nhau, đặc biệt là levan và dextan

ĐẶC ĐIỂM CỦA NƯỚC MÍA HỖN HỢP

Các chất keo này gây nhiều ảnh hưởng không tốt đối với quá trình sản xuất: lọc nước mía, phân mật và kết tinh đường khó khăn, nước mía có nhiều bọt, giảm hiệu quả tẩy màu, tinh chế đường thô khó khăn hơn

Loại bỏ tối đa chất không đường ra khỏi

nước mía hỗn hợp, đặc biệt là các chất có

hoạt tính bề mặt, chất keo.

Trung hoà nước mía hỗn hợp do trong môi

trường acid, đường bị chuyển hoá thành

đường khử vậy nên khi trung hoà sẽ làm

trong nước mía.

MỤC ĐÍCH CỦA LÀM SẠCH NƯỚC MÍA HỖN HỢP

II/CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LÀM SẠCH NƯỚC

MÍA

Ngưng kết

chất keo

Làm chuyển hóa đường saccaroza

Phân hủy đường saccaroza

Phân hủy đường khử

Tách loại chất không đường

TÁC DỤNG CỦA PH

Ngưng kết chất keo:

Chất keo trong nước mía chia làm 2 loại:

Chất keo thuận nghịch

• Keo khi đã bị ngưng tụ (ví dụ, dưới tác dụng của

nhiệt), nếu thay đổi điều kiện của môi trường không

có khả năng trở lại trạng thái keo ban đầu

Chất keo không thuận nghịch

• Keo khi đã bị ngưng tụ nhưng nếu thay đổi điều kiện môi trường, có khả năng trở lại trạng thái ban đầu.

Nước mía hỗn hợp gồm 2 loại keo:

Keo ưa nước

• Keo ưa nước nhiều như protein, pectin, pentosan Keo ít nước như sắc tố, chất béo, sáp mía.

Keo không ưa nước

Keo tồn tại trong nước mía và ở trang thái ổn định khi keo mang điện tích hoặc có lớp

nước bao bọc bên ngoài Nếu vì 1 nguyên

nhân nào đó, keo mất các tính chất trên và sẽ

điện của các chất keo khác nhau thì khác

nhau (pHanbumin = 4,6 ÷ 4,9 ; pHasparagin

= 3 ).

Ở pH đẳng điện, đối với keo ưa nước và không ưa nước, sản sinh tác dụng trung hoà điện theo sơ đồ sau:

Trung hòa điện

Keo không ưa nước

Kết tủa

Trong kỹ thuật sản xuất đường mía, có

2 điểm pH làm ngưng tụ chất keo: pH trên dưới 7( pH đẳng điện) và pH trên dưới 11( pH ngưng kết của protein

trong môi trường kiềm mạnh) Điểm này không gọi là điểm đẳng điện vì lúc

đó trong nước mía có đường sacaroza

và lượng vôi nhiều sẽ tạo thành hợp chất có tính hấp phụ protein tạo

thành hợp chất có tính kết tủa

Sản xuất đường theo phương pháp

cacbonat hoá có thể lợi dụng 2 điểm ngưng tụ keo Đối với phương pháp sunfit hoá chỉ lợi dụng được một điểm ngưng tụ

Làm chuyển hóa đường saccaroza

Khi nước mía ở môi trường

Tốc độ chuyển hoá tăng theo sự tăng nồng độ [_H+ ] trong nước mía,nếu nồng độ H+ trong nước mía càng lớn thì tốc độ chuyển hoá

càng nhanh Mặt khác, các axit khác nhau sẽ làm chuyển hoá saccaroza với tốc độ khác

nhau

Đường bị chuyển hoá không chỉ gây tổn thất đường mà còn giảm độ tinh khiết của mật

chè và ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh

đường.Sự tồn tại của glucoza và fructoza

trong mật cuối là hậu quả của sự chuyển hoá saccaroza

Phân hủy đường saccaroza

Trong môi trường kiềm, dưới tác dụng của nhiệt, đường sacaroza bị phân huỷ

Khi pH càng cao,lượng chất phân huỷ càng lớn Sản phẩm phân huỷ của sacaroza rất phức tạp: fufurol, 5-hidroximetyl -fucfurol,

metylglioxan, glixeandehyt, dioxiaxeton, axit lactic, axit trioxiglutaric, axit trioxibuteric, axit axetic, axit focmic v v

Những sản phẩm đó có thể tiếp tục bị oxi hoá dưới tác dụng của oxi không khí

Phân hủy đường khử

Trong nước mía hỗn hợp có chừng 0,3 - 2,4% đường khử Khi nước mía ở môi

trường axit, sự tồn tại của đường khử

tương đối ổn định.

Ở pH = 3 đường khử ổn định nhất.

Nếu pH của nước mía hay dung dịch

đường vượt quá 7 sẽ phát sinh các phản ứng phân huỷ đường khử, sự phân huỷ

này dựa vào pH hay nhiệt độ Tốc độ phân huỷ của đường khử trong nước mía tương đối chậm.

Trị số pH càng cao, tốc độ phân huỷ càng lớn.

Tách loại chất không đường

Đối với pH khác nhau, có thể tách loại được các chất không đường khác nhau.

Khi pH = 7 -10, các muối vô cơ của

Al2O3 , P2O5, SiO2, Fe2O3, MgO dễ bị

tách loại trong đó Al2O3, P2O5, SiO2 có

thể bị loại hơn 95%, còn Fe2O3, MgO có

thể bị loại đến 60%.

Khi pH khoảng 7,0, tách loại được 50%

chất keo (pentozan).

Khi pH khoảng 5,6 trên 98% protein có thể

bị tách loại, nếu vượt quá trị số pH đó, hiệu

quả tách loại rất thấp.

Khi chọn pH thích hợp để loại chất không đường, không nên tách loại đơn độc từng chất mà phải xét 1 cách toàn diện để tách loại nhiều chất không đường.

Hiệu quả tách loại chất không

đường còn phụ thuộc vào giống mía và hiệu quả làm sạch có thể biểu thị bằng hiệu quả loại chất không đường

khống chế điều kiện nhiệt độ.

Khống chế nhiệt độ tốt sẽ thu được những tác dụng chính sau:

Nếu khống chế nhiệt độ không tốt thường gặp các trường hợp không

sẫm.

Trong NMHH có chứa hàm lượng đường khử nhất định, dưới tác dụng của nhiệt

độ, đặc biệt ở nhiệt

độ cao, đường khử bị phân huỷ tạo các chất màu và các axit

hữu cơ.

Đun nóng nước mía

có tác dụng thuỷ phân vụn mía, sản sinh chất keo.

Độ hòa tan của khí SO2 có liên quan đến nhiệt độ nước mía: nhiệt độ dung dịch càng cao, độ hòa tan của SO2 càng thấp.

Vôi là hóa chất quan trọng được dùng nhiều trong sản xuất đường Các phương pháp sản xuất đường hiện nay đều dùng vôi.

Vôi là chất vô định hình có độ phân tán cao Khi hòa tan trong nước có tính chất keo Độ hòa tan của vôi trong nước còn giảm khi nhiệt độ

tăng Herzfelt tìm được công thức độ hòa tan của vôi phụ thuộc vào nhiệt độ.

Z = 0,1394 - 0,000649t - 0,00000157t2 Trong đó: Z : độ hòa tan của vôi

t : nhiệt độ, 0C.

TÁC DỤNG CỦA CHẤT ĐIỆN LI

VÔI

Ngoài ra độ hòa tan của vôi còn phụ thuộc vào hàm lượng chất khô của dung dịch, nồng độ đường saccaroza và chất không đường.

Độ hòa tan của vôi tăng khi nhiệt độ giảm và nồng độ của đường và

chất không đường tăng

Tác dụng của vôi:

Kết tủa hoặc đông tụ

những chất không

đường,đặc biệt

protein,pectin,chất

màu và những axit

tạo muối không tan

Tạo các điểm đẳng điện

để ngưng kết các chất

keo

Phân hủy một số chất không đường,đặc biệt đường chuyển hóa,amit.Do đó để hạn chế sự phân hủy đường cần có những phương án cho vôi thích hợp:cho vôi vào nước mía lạnh,cho vôi vào nước mía nóng,cho vôi phân

đoạn,

Làm trơ phản ứng axit của nước mía hỗn hợp

và ngăn ngừa sự chuyển hóa đường

sacaroza.

Tác dụng cơ học: Những chất kết tủa được tạo thành có tác dụng kéo theo những chất lơ lửng

và những chất không đường khác

Trung hòa các axit

hữu cơ và vô cơ

Sát trùng nước mía: Với

độ kiềm khi có 0,35%

CaO, phần lớn vi sinh vật không sing trưởng

Tuy nhiên có trường hợp phải dùng đến lượng 0,8% CaO

Những phản ứng do tác động của ion Ca2+ thuộc loại phản ứng kết tủa

và đông có thể phản ứng với những anion để tạo ra muối canxi

Ca2+ + 2 A- CaA2Trong đó A: anion

Tùy theo độ hòa tan của muối canxi trong nước mía, có thể chia làm 3 nhóm như sau:

TÁC DỤNG CỦA ION CA2+

• Muối canxi không tan

• VD:muối cacbonat, oxalat, sunfat hoặc photphat canxi.

• Muối canxi khó tan

• VD:muối của axit glicolic, glioxilic, malonic, adipic, sucxinic, tricacboxilic và hidroxixitronic

• Muối canxi dễ tan

• VD:muối canxi của các axit focnic, propionic, lactic, butiric, glutaric, sacarinic, asfactic và glutamic.

Ion OH- từ nước vôi cho vào nước mía có tác dụng trung hòa axit tự do.

Ion OH-tác dụng với ion kim loại tạo thành muối.

2Al3+ + 3[Ca2+ + 2(OH)- = 2Al(OH)3 + 3Ca2+

Mg2+ + Ca2+ + 2(OH)- = 2Mg(OH)2 + Ca2+

Những ion trên tồn tại trong dung dịch ở dạng

hidroxit.

Nếu trong dung dịch thừa vôi sẽ tạo những phản

ứng kiềm và sẽ dẫn đến hàng loạt phản ứng phân

hủy.

TÁC DỤNG CỦA ION

OH-SO2 dùng trong sản xuất đường có thể

ở dạng khí, lỏng hoặc muối (NaHSO3,

Na2SO3, Na2S2O4), và hiện nay

thường dùng nhất là dạng khí

SO2 có khả năng giảm pH (mà ở trị số

pH thấp hiệu quả tẩy màu tốt hơn)

nên khí SO2 tác dụng mạnh hơn

NaHSO3 và Na2SO3

LƯU HUỲNH ĐIOXIT

Trung hòa lượng vôi

dư trong nước mía

Hòa tan muối canxi

Biến muối cacbonat thành muối sunfit

Tẩy màu và

ngăn ngừa

sự tạo màu

TÁC DỤNG CỦA SO2

• Tạo kết tủa CaSO3 có tính hấp phụ :

Khi cho SO2 vào nước mía có vôi dư, phản ứng xảy ra như sau:

Ca(OH)2 + H2SO3 = CaSO3 + 2H2O

CaSO3 là chất kết tủa có khả năng hấp phụ các chất không đường, chất màu và chất keo có trong dung dịch

• Làm giảm độ kiềm, độ nhớt của dung dịch:

Nước mía sau khi trung hòa, một phần chất keo bị loại nên làm giảm độ nhớt mật chè Hơn nữa trong nước mía có hàm lượng kali, canxi nhất định Sau khi thông khí SO2 tạo thành canxi sunfit và kali sunfit:

K2CO3 + H2SO3 = K2SO3 + CO2 + H2OCaCO3 + H2SO3 = CaSO3 + CO2 + H2O

Sự thay đổi từ muối K2CO3, CaSO3 thành K2SO3, CaSO3 có ý nghĩa

quan trọng Muối cacbonat có khả năng tạo mật lớn và có ảnh hưởng đến màu sắc của dung dịch đường

Muối sunfit khả năng tạo mật kém và lại có khả năng làm giảm độ kiềm

và độ nhớt của mât chè, có lợi cho thao tác nấu đường và kết tinh,

đồng thời hạn chế sự phát triển của sinh vật

• Tẩy màu và ngăn ngừa sự tạo màu:

Tẩy màu :

SO2 là chất khử có khả năng biến chất màu của nước mía hoặc mật

chè thành chất không màu sắc hoặc màu nhạt hơn Có thể biểu diễn

sự khử theo sơ đồ sau:

SO2 + H2O = H + + HSO3

-HSO3 - +H2O = HSO4 - + H2

Nhưng những chất màu bị khử, dưới tác dụng của oxi không khí lại

trở thành chất màu Điều đó giúp ta giải thích được hiện tượng sinh màu trong thời gian bão quản đường thành phẩm sản xuất theo phương pháp

SO2 Đối với mật chè và đường non hiện tượng trở lại màu trên không nhiều.

H2SO3 và muối của nó khử màu kém hơn Na2S2O4 vì từ hidrosunfit sản sinh đến 6 nguyên tử hidro.

Na2S2O4 = 2Na + + S2O4

2-S2O4 2- + 4H2O = 2HSO4 - +3H2

• Ngăn ngừa sự tạo màu:

SO2 không chỉ làm mất màu mà còn ngăn ngừa sự sinh màu, tác dụng này còn quan trọng hơn cả sự khử màu

Khí CO2 được sản xuất từ lò vôi

của nhà máy đường.Trước khi

phản ứng,CO2 cần được hòa tan

trong nước.Do đó về mặt kỹ thuật

sự hấp thụ CO2 trong dung dịch

kiềm có ý nghĩa quan trọng

Tác dụng của CO2 đối với quá

trình làm sạch nước mía:

CACBON ĐIOXIT (CO2)

Tạo kết tủa với vôi

Phân ly muối sacarat canxi

hòa tan muối canxi kết tủa

• Tạo kết tủa với vôi:

Trước hết, CO2 hòa tan trong nước và thủy phân thành axit cacbonic đồng thời

CO2 tác dụng với OH- tạo thành HCO3- :

-HCO3- = H+ + CO3-2

Ion CO3-2 phản ứng với vôi theo phương trình:

Ca2+ + CO3-2 = CaCO3

Như vậy khi thông CO2 vào nước mía, CO2 tác dụng với vôi dư tạo chất kết tủa:

CO2 + H2O = H2CO3CaO + H2O = Ca(OH)2Ca(OH)2 + H2CO3 = CaCO3 + 2 H2O

CaCO3 là chất kết tủa có khả năng hấp phụ các chất không đường cùng kết tủa

• Phân ly muối sacarat canxi:

Khi cho CO2 vào nước mía, CO2 phân giải muối sacarat thành sacaroza và

CaCO3 kết tủa, lúc nhiệt độ tăng đến 70-800 C tác dụng phân hủy tương đối hoàn toàn

C12H22O11.CaO + CO2 = C12H22O11 + CaCO3C12H22O11.2CaO + 2CO2 = C12H22O11 + 2CaCO3C12H22O11.3CaO + 3CO2 = C12H22O11 + 3CaCO3

Nếu thông CO2 vào nước mía quá lượng sẽ làm CaCO3 kết tủa thành hòa tan

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2

Muối Ca(HCO3)2 dưới tác dụng nhiệt sẽ tạo thành CaCO3 đóng cặn trong các thiết bị truyền nhiệt và bốc hơi

Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + H2O

Hàm lượng photphat trong mía là yếu tố rất quan trọng Bản thân cây mía chứa một hàm lượng P2O5 nhất định Lượng P2O5 trong mía phụ thuộc vào điều kiện canh tác, phân bón…

Qua thí nghiệm và thực tế sản xuất, lượng P2O5 có ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả làm sạch nhất là đối với sản xuất đường thủ công

Để có hiệu quả làm sạch tốt lượng P2O5 trong nước mía cần 0,3 - 0,5 g/l, nhưng thường trong nước mía ít khi đạt hàm lượng trên nên phải cho thêm vào, thường ở dạng muối super photphat Ca(H2PO4)2 Trong sản xuất đường tinh luyện cho ở dạng axit photphoric.

P2O5 (PHOTPHAT PENTAOXIT)

Tác dụng chủ yếu của P2O5

P2O5 dạng muối hoặc axit sẽ kết hợp với vôi tạo thành muối photphat canxi kết tủa:

Ca(H2PO4)2 + Ca(OH)2 = Ca3(PO4)2 + H3PO4 + H2O

Kết tủa Ca3(PO4)2 có tỷ trọng lớn có khả năng hấp phụ chất keo và chất màu cùng kết tủa Chất keo trong nước mía chủ yếu là keo của axit silic, của sắt, nhôm Khi vôi làm sạch nước mía có đủ lượng P2O5 nhất định thì hiệu quả làm sạch tăng lên rõ rệt

Trong sản xuất đường thủ công, tác dụng hấp phụ của Ca3(PO4)2 là yếu

tố chủ yếu để làm sạch nước mía Đối với việc tinh luyện đường vàng (đường thô), dùng axit photphoric để tách chất màu của hợp chất

phenol và sắt Trong những thùng lắng đặc biệt có thể tách 20 -40 %

chất màu

Khái niệm và phân loại

Chất trao đổi ion là hợp chất cao phân tử, không tan trong nước, có khảnăng giải phóng ion và trao đổi ion của mình với ion khác có trong dung dịch.Chất trao đổi ion dương có tính acid mạnh hoặc yếu và trao đổi ion âm có tính kiềm mạnh và yếu

Trong đó P* là logarit hằng số phân ly của acid và kiềm

TRAO ĐỔI ION

2RdNa + CaCl2= Rd2Ca + 2NaClRdNa

Chất trao đổi ion làm việc với chu kỳ Na quá trình trao đổi trên được biểu diễn bằng phương trình:

Những nhóm họat động tiêu biểu của chất trao đổi ion dương:

Tính chất của chất trao đổi ion dương

Chất trao đổi ion dương

trường trung tính và môi trường kiềm.

Chất trao đổi ion dương với nhóm hoạt động OH

có tính acid yếu chỉ cho ion H+ trong dung dịch kiềm.

Chất trao đổi ion âm

Chất trao đổi ion âm chứa nhóm hoạt động có tính kiềm, có khả năng phân ly trong dung dịch

Những chất trao đổi ion âm kiềm mạnh có khả năng cho ion ở pH bất kỳ

Những nhóm hoạt động tiêu biểu của chất trao đổi ion âm:

-NH2

=NH

≡N

III/LÀM SẠCH NƯỚC MÍA BẰNG PHƯƠNG PHÁP SULFITE

Phương pháp SO2 có thể chia làm 3 loại:

Phương pháp

sunfit hóa axit

• Thông SO2 vào nước mía đến pH acid và thu được sản phẩm đường trắng.Đây là phương pháp có nhiều ưu điểm nên

được dùng rộng rãi trong công nghệ sản xuất đường

nhiều nên hiện nay không còn sử dụng nữa

PHƯƠNG PHÁP SULFIT HÓA ACID

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

THUYẾT MINH QUY TRÌNH

1.Cho vôi sơ bộ

• Nhằm mục đích:

• Trung hòa nước mía, hạn chế sự chuyển

hóa

• Tạo pH đẳng điện ngưng kết hệ keo

• Ức chế sự phát triển của vi sinh vật

• Hình thành nhân kết tủa có lợi cho sự tạo

thành chất kết tủa

• Nhiệt độ cao độ hòa tan của

muối trong dung dịch nước mía giảm,

sự kết tủa CaSO3, Ca3(PO4)2 hoàn

toàn

• Nếu nhiệt độ quá cao làm giảm sự

hấp thụ SO2 vào nước mía, ảnh

hưởng đến hiệu quả làm sạch

3 Thông SO2 lần 1

• Tạo một phần kết tủa CaSO3 hấp phụ tạp chất phi đường

• Tẩy màu một phần nước mía

• Tạo pH đẳng điện vùng acid để ngưng kết các chất keo có điểm đẳng điện thấp

4.Trung hòa nước mía

• Để giảm sự chuyển hóa đường khi đưa nước mía sang gia nhiệt

2

• Tạo nhiều kết tủa CaSO3

5 Tác dụng của gia nhiệt 2

• Tiếp tục làm ngưng kết hệ keo

• Nhiệt độ tăng, độ nhớt giảm tốc độ lắng tăng

• Nhiệt độ tăng, độ hòa tan CaSO3 giảm kết tủa càng hoàn toàn

6 Lắng & lọc

• Trích các tạp chất phi đường đã kết tủa hoặc hấp phụ vào kết tủa ra khỏi dung dịch nước mía để tăng độ thuần khiết

AP từ đó tăng η tổng thu hồi giảm tổn thất

7 Gia nhiệt 3

• Sau lắng lọc nhiệt độ dung dịch giảm

do đó cần gia nhiệt để giúp cho quá trình bốc hơi được an toàn, nâng cao hiệu quả bốc hơi (trợ giúp cho quá

9.Thông SO2 lần 2

• Khử chất màu thành chất không màu

• Giảm độ nhớt của mật chè (nước mía sau bốc hơi) có lợi cho kết tinh đường