Nghiên cứu một số thông số cơ bản của hệ thống thiết bị lọc agar theo phương pháp ly tâm

Luận văn

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học nông nghiệp I

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nªu trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè trong bÊt

đ4 tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành đề tài này

Nhân dịp này tôi cũng muốn bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình và bạn bè đ4 giúp đỡ, động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện để tài

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Mục lục

Lời cam đoan i

Lơi cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các từ viết tắt vii

Lời mở đầu 0

Chương I Tổng quan nghiên cứu 9

1.1 nguyên liệu để sản xuất agar 9

1.1.1 Nguyên liệu rau câu 9

1.1.2 Đặc điểm và công dụng của agar 11

1.2 Quy trình sản xuất Agar 14

1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng máy lọc Agar ở trong và ngoài nước 17 1.3.1 Máy lọc khung ép 18

1.3.2 Máy ly tâm lọc thẳng đứng 19

1.3.3 Máy ly tâm nằm ngang tháo b4 bằng dao 19

1.3.4 Máy ly tâm lắng lọc nằm ngang tháo b4 bằng vít xoắn 21

1.3.5 Máy lọc ly tâm liên tục SCG 22

1.3.6 Máy ly tâm đẩy b4 bằng pittông 23

1.4 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 25

1.4.1 Mục đích nghiên cứu 25

1.4.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 25

Chương 2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 26

2.1 Đối tượng nghiên cứu 26

2.2 Phương pháp nghiên cứu 28

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 28

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 28

2.2.3 Phương pháp đo đạc các số liệu thí nghiệm 28

2.2.4 Phương pháp xử lý số và gia công số liệu 30

Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc 33

3.1 Vận tốc lọc và các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc lọc 33

3.1.1 Vận tốc lọc và các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc lọc 33

3.1.2 Phương trình lọc 36

Chương 4 Xác định một số thông số của máy lọc agar theo phương pháp ly tâm 40

4.1 Quy luật thay đổi áp suất trong buồng lọc 40

4.1.1 áp suất chất lỏng trong rôto máy ly tâm 40

4.1.2 áp suất chất lỏng theo phương vuông góc với bề mặt vật lọc 42

4.1.3 áp suất chất lỏng theo phương bề mặt vật lọc 42

4.2 Chuyển động của b4 trên cánh vít 43

4.2.1 Phân tích điều kiện làm việc 43

4.2.2 Điều kiện trượt của b4 trên cánh vít 44

4.2.3 Các lực tác động lên khối b4 46

4.2.5 Hệ phương trình động lực học của khối b4 52

4.3 Chi phí năng lượng cho máy lọc agar 55

4.4 Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến áp suất lọc 57

4.4.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới áp suât vuông góc bề mặt lọc 57

4.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới áp suất dọc theo phương bề mặt vật lọc 61

Chương 5 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm 65

5.1 vật liệu và dụng cụ thí nghiệm 65

5.1.1 Vật liệu và điều kiện thí nghiệm 65

5.1.2 Dụng cụ thí nghiệm 65

5.2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm 65

5.2.1 ảnh hưởng của tốc độ quay rô to x1 (vg/ph) 65

5.2.2 ảnh hưởng của lượng chất lỏng cung cấp x2 (lít/h) 71

Kết luận và đề nghị 76

1 Kết luận 76

2 §Ò nghÞ 76

Tµi liÖu tham kh¶o 77

Phô lôc 79

Phô lôc 1 79

Phô lôc 2 80

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu

Chữ viết tắt Nghĩa đầy đủ

Lời mở đầu

Từ xưa tới nay nhân dân ta đ4 biết sử dụng rau câu chỉ vàng để chế biến thức ăn, nhưng ngày nay với sự nâng cao hiểu biết về khoa học kỹ thuật người

ta đ4 biết thêm được rất nhiều công dụng của nó, một trong những công dụng

đó có một công dụng rất quan trọng đó là chế biến ra agar

Agar là một chất keo háo nước, nó có rất nhiều công dụng và được sử dụng rộng r4i trong các ngành như: trong công nghệ thực phẩm, trong ngành công nghiệp dệt, trong ngành công nghệ sinh học, trong ngành y… Hiện nay agar là sản phẩm không thể thiếu và hầu như là rất khó thay thế trong các ngành công nghiệp

Hiện nay trong nước cũng có nhiều cơ sở sản xuất agar, tuy nhiên sản lượng sản xuất hàng năm vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ trong nước, nhất là nguồn agar chất lượng cao vì trong nước chưa có một quy trình công nghệ tiên tiến nên hiện nay nước ta vẫn phải nhập agar từ nước ngoài Trong khi đó nguồn nguyên liệu rau câu chỉ vàng ở nước ta rất dồi dào, tạo điều kiện rất thuận lợi cho việc phát triển ngành sản suất agar Trong qui trình công nghệ sản xuất agar thì khâu lọc là khâu quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp

đến năng suất và chất lượng của agar Hỗn hợp nguyên liệu trước khi lọc ở dạng dung dịch, trong đó thành phần chính là rau câu sau khi được xử lý kiềm

và axit sẽ tan trong nước khi đun sôi trong nồi nấu ở áp suất thường Do dung dịch agar có đặc điểm là đông đặc ở nhiệt độ nhỏ hơn 400C, nên việc lọc nhanh dung dịch agar ngay sau khi đưa ra khỏi nồi nấu là nhu cầu cần thiết để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ở Việt Nam, hiện nay chỉ có một

số Công ty liên doanh với nước ngoài hoặc được Nhà nước hỗ trợ vốn mới

được trang bị máy lọc agar Còn lại phần lớn các cơ sở sản xuất vẫn sử dụng các hệ thống lọc thủ công nên năng suất và chất lượng agar rất thấp Rất nhiều doanh nghiệp muốn đổi mới công nghệ và hệ thống thiết bị lọc nhưng do giá

thành thiết bị rất cao, nên không chấp nhận được Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy lọc agar với chất lượng tốt, giá thành hạ phù hợp với khả năng đầu tư vốn của các cơ sở sản xuất trong nước là vấn đề rất cấp thiết

Được sự cho phép của khoa Sau Đại học và khoa Cơ Điện Trường Đại Học Nông Nghiệp I, dưới sự hướng dẫn của PGS TS Trần Như Khuyên, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu một số thông số cơ bản của hệ thống thiết bị lọc Agar theo phương pháp ly tâm”

Đề tài gồm có 3 phần:

Phần 1: Mở đầu

Phần 2: Nội dung đề tài

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu

Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc

Chương 4: Xác định một số thông số của máy lọc agar theo phương pháp ly tâm

Chương 5: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Phần 3: Kết luận và đề nghị

Chương I Tổng quan nghiên cứu 1.1 nguyên liệu để sản xuất agar

Nguyên liệu để sản xuất agar là các loại rong biển, trong đó loại rong biển được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là rau câu chỉ vàng

1.1.1 Nguyên liệu rau câu

Rau câu là một loại tảo, nó sinh sống trong các ao đầm nước lợ, trong

eo vịnh biển nông và trên các b4i triều của hầu hết các tỉnh ven biển, phổ biến

là ven biển các tỉnh Miền Bắc và Miền Trung ở một số vùng rau câu hầu như phát triển quanh năm Sinh lượng tự nhiên có khi tới 500 ữ 1000 (g/m2) Rau câu chỉ vàng có tên khoa học là Glacilaria asiatica, tên Tiếng Anh là Seaweed

Đây là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất Agar, một loại Agar có giá trị kinh tế cao ở Việt Nam rau câu chỉ vàng có nhiều ở: Móng Cái, Cẩm Phả, Hoành Bồ (Quảng Ninh), An Hải, Đồ Sơn (Hải Phòng), Hải Hậu (Nam Định), Quảng Xương, Hoằng Hoá (Thanh Hoá), Sông Gianh [3], [14]

a) Đặc điểm cấu tạo

Rau câu thuộc loài cây sống một năm, khi phơi khô có màu vàng, thân

có hình trụ tròn hay phiến dẹt Rau mọc thành từng chùm hoặc từng cây đơn

độc, phần cuối gốc có bàn bám hình đĩa tròn để bám vào đá, vỏ ốc… Chất rau mềm, dai hoặc cứng, dòn dễ g4y Cấu tạo bên trong của thân rau có thể chia làm hai phần rõ rệt: tầng lõi và tầng da (hình 1.1) [5], [15]

- Tầng da: Ngoài cùng là màng keo trong suốt bao quanh cơ thể, rồi đến tầng da, tầng da chia làm hai phần: da ngoài và da trong Da ngoài: có từ 4-6 lớp tế bào nhỏ vách dày, hình hơi tròn, sắp xếp khít nhau, chứa sắc tố, đây là tầng đồng hoá chủ yếu của cơ thể Da trong: có từ 1-2 lớp tế bào hình đa giác,

vách hơi dày, sắp xếp khít nhau, có ít sắc tố, trong tế báo chứa hạt vật chất

- Tầng lõi: Có một hàng tế bào trụ tròn nối tiếp nhau từ ngọn tới gốc gọi

là tế bào trung trụ Bao quanh là 4-5 hàng tế bào đa giác hoặc hơi tròn lớn dần

từ ngoài vào trong gọi là tế bào vây trụ

Tầng da Tầng lõi Hình 1.1 Mặt cắt ngang thân rau câu

b) Thành phần hoá học

Thành phần của rau câu gồm có nước và chất khô, trong đó nước là thành phần có hàm lượng cao nhất, chiếm từ 87ữ94% trọng lượng, còn lại là chất khô chiếm từ 6ữ13% trọng lượng Trong thành phần của chất khô chủ yếu là agar, ngoài ra còn có các chất như protein, khoáng… Thành phần của các chất này thay đổi tuỳ theo từng vùng và từng thời điểm thu hoạch Như đối với loài rau câu chỉ vàng ở vùng Hải Phòng thì hàm lượng agar chiếm tới 25ữ40%, protein có hàm lượng từ 7ữ13%, còn chất khoáng có hàm lượng từ 15ữ25%

1.1.2 Đặc điểm và công dụng của agar

a/ Đặc điểm của Agar

Agar là một polysaccarit có trọng lượng phân tử lớn được chiết rút từ rong câu Theo các nhà nghiên cứu Nhật Bản agar gồm có Agaroz (khoảng 30%) và Agaropectin (khoảng 70%) và được gọi chung là agar [7]

- Agaroz là một polyosid do hai thứ đường (galacto piranoz và anhidrogalactoz) dính nhau ở vị trí 1-4 và 1-3

- Trong Agaropectin, có H2SO4, acid glicuromic và acid piruvic, và nhất

là galactoz và anhydrogalactoz Acid sulfuric eter hoá chức rượu C6 của

đường ấy Sức đông của Agaroz lớn hơn Agaropectin

Hàm lượng agaroz và Agaropectin thay đổi theo mỗi loài rong, theo môi trường sống và thời gian sinh trưởng của chúng Chẳng hạn trong rong câu chỉ vàng ở Châu Phi và Achentina có hàm lượng agaroz là 80%, còn ở Nhật và Chi Lê chỉ có 40%, vì vậy mà agar ở Châu Phi và Achentina tạo gel chắc với nồng độ 0,3% trong khi của Nhật và Chi Lê tao gel chắc khi nồng độ lớn hơn 1,2%

b) Tính chất của agar

Agar có một số tính chất sau:

Agar là chất kết tinh không định hình, không màu, hút nước trương nở, không tan trong nước lạnh và nước ấm Hoà tan trong nước nóng và khi làm nguội thì đông lại thành khối có tính đàn hồi

Agar khi hoà tan tạo thành dung dịch có độ nhớt cao, có tính keo, nó thường bị kết tủa bởi alacol, axeton và rượu Amylic

Agar dễ bị phân huỷ cắt mặt bởi axit và kiềm khi gia nhiệt ở nhiệt độ

cao làm cho sức đông giảm đi Sức công phá của một số chất đối với Agar

được sắp xếp theo thứ tự: Phèn chua> HNO3>H2SO4> Oxalic> HCL> Kiềm

Sức đông của Agar phụ thuộc vào hàm lượng gốc (-SO3), nếu (-SO3) trong phân tử lớn thì sức đông giảm Khi lượng (-SO3) tăng đến 4% thì Agar hoàn toàn mất khả năng đông đặc

Gel Agar có tính thuận nghịch nhiệt và đàn hồi cũng như gel Polysaccarit khác, liên kết tham gia chủ yếu tạo gel là liên kết hydro Nồng độ càng cao thì bán kính lỗ sàng càng nhỏ, lỗ gel càng lớn thì hiệu quả lọc càng thấp Khi làm khô gel sẽ tạo ra màng trong suốt, bền cơ học, có thể bảo quản lâu dài mà không bị hỏng

Agar có chứa một số gốc điện tích âm (gốc sunfat và gốc cacbonyl) nên gel Agar cũng có tính chất trao đổi ion Nhưng khả năng này thấp, vì nồng độ Agar sản xuất thường chỉ vào khoảng 1% Vì thế trong điện ly người ta dùng Agaroz làm chất mang điện tốt hơn là Agar và Agaroz chứa gốc sunfat

Có thể khử gốc sunfat khỏi Agaroz và Agar bằng cách xử lý với NaHBH4 trong môi trường kiềm nhẹ (khi đó gốc sunfat bị thuỷ phân), sau đó rửa bằng nước cất

Agar tồn tại trong rong nguyên liệu ở trạng thái Polyme phức tạp hơn rất nhhiều so với Agar ở dạng chế phẩm tinh khiết

c) Công dụng của Agar

Do có sự chênh lệch giữa nhiệt độ đóng băng (400C) và nhiệt độ đông (800C) lớn nên agar là một chất được sử dụng rất quan trọng trong ngành vi sinh học, sinh học và thực phẩm Từ lâu agar đ4 được sử dụng rộng r4i trong nhiều ngành của nền kinh tế quốc dân, trong văn hoá mỹ thuật và trong nghiên cứu khoa học kỹ thuật…[7]

Trong y học: Agar được sử dụng làm môi trường nuôi cấy vi trùng,

giám định đặc tính vi khuẩn Kết hợp để chế thuốc nhuận tràng, chế các loại thuốc viên, thuốc cao Làm vỏ bọc thuốc khó uống, làm khuôn răng, mắt giả, thuốc đông máu, chỉ khâu vá trong phẫu thuật ngoại khoa, làm chất nhũ hoá trong công nghệ làm dầu cá, làm thuốc chống đau khớp…

Trong công nghệ thực phẩm: Agar được dùng với mục đích keo hoá, tạo nhũ, ổn định nhũ tương… Trong thực phẩm người ta coi agar như là một phụ gia, chỉ cần nồng độ 1% là tối đa vì tại nồng độ đó đ4 tạo cho agar một sức đông khá cao, khống chế độ nhớt hoặc làm ổn định thực phẩm Theo các chuyên gia FAO sự đồng hoá agar trong cơ thể con người không dễ dàng, agar

được tiêu hoá trong cơ thể con người không hoàn toàn, lượng calo cung cấp có thể rất nhỏ vì vậy agar được dùng như các món ăn kiêng đặc biệt Các công trình nghiên cứu cho thấy tỷ lệ polysaccarid trong agar được đồng hoá là rất nhỏ chiếm tỷ lệ thấp, vì vậy giá trị dinh dưỡng của agar trong thực phẩm là không đáng kể Sau đây là một số công dụng của agar trong thực phẩm:

- Agar được dùng để sản xuất mứt, kẹo Trong sản xuất mứt ướt agar

được dùng làm chất ổn định hóa và định hình như: trong sôcôla, salat quả, nước sốt kem… mục đích tạo nhũ và ngăn ngừa sự mất nước

- Trong công nghiệp thịt và đặc biệt là sản xuất xúc xích, dùng agar cho phép giảm lượng chất béo, cholesterol và đảm bảo cho độ đông kết của xúc xích

- Agar có tác dụng quan trọng như làm dung dịch ổn định, tránh lắng cặn trong nhà máy đồ hộp, dùng để lọc trong chế biến rượu, làm trương xốp bánh mì, làm giấy bọc bánh kẹo Ngoài ra còn làm món ăn, giải khát rất ngon

mà hiện nay rất phổ biến trên thị trường Việt Nam

Trong công nghiệp dệt và hoá chất: Dùng Agar làm keo hồ tơ lụa, vải sợi Làm sơn nước thay cho keo xương dùng trong phim ảnh Agar còn dùng làm chất cách điện, dùng làm chất cầm màu trong kỹ nghệ in hoa, được dùng

trong kỹ nghệ sản xuất giấy và thuộc da, dùng trong nghiên cứu hoá học các chất dẻo, pha chế thuốc đánh răng

Trong nông nghiệp: Agar được sử dụng để làm môi trường chế phân vi sinh (1 kg agar có thể chế được một lượng phân vi sinh đủ bón cho 1 ha lúa) hoặc làm môi trường chọn giống cho các loại rong đơn bào kinh tế như Rong cầu (Chlorella), Rong dẹp (Platymonas)…

Ngoài ra agar cũng được dùng trong điêu khắc, khảo cổ và trong những công việc khác đòi hỏi phải tái tạo hình mẫu cực kỳ chính xác và hoàn hảo Agar còn được dùng để sản xuất thức ăn nuôi côn trùng trong các giai đoạn ấu trùng của chúng Trong nhiều năm trở lại đây người ta còn dùng agar để nuôi phong lan

Agar mang lại giá trị kinh tế rất lớn , nó có rất nhiều công dụng như vậy Vì thế nhu cầu về agar hàng năm là tương đối cao, nhất là những nước có nền kinh tế phát triển [19], [20]

ở Việt Nam ngành sản xuất agar còn là một ngành mới Nhưng với thế mạnh, tiềm năng sẵn có thì nước ta đang khuyến khích đẩy mạnh công tác nghiên cứu, sản xuất chế biến agar nhằm đưa ngành chế biến agar thành một ngành kinh tế mạnh Đây là một ngành có tiềm năng rất lớn để góp phần vào

sự phát triển của cả nền kinh tế quốc dân

1.2 quy trình sản xuất Agar

a) Sơ đồ qui trình công nghệ

Hiện nay ở trong và ngoài nước, việc sản xuất agar được thưc hiện theo quy trình công nghệ được thể hiện trên sơ đồ hình 1.2 [16], [6]

b) Các khâu chính trong qui trình công nghệ

Quy trình công nghệ sản xuất agar bao gồm các khâu chính như sau:

- Làm sạch sơ bộ: rau nguyên liệu thu mua ở các cơ sở về được rửa sạch bùn đất bằng nước sạch Sau đó vớt ra để khô

Agar (bột, trắng,

Làm sạch sơ bộ (rửa sạch bùn đất 1)

Lạnh đông (rút kiệt nước) Tan giá

Phơi, sấy khô

Nghiền thành bột

Đóng gói Nguyên liệu

(Rong câu chỉ vàng)

Hình 1.2.Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất agar

- Xử lý kiềm: rau đ4 rửa sơ bộ đưa đi sử lý kiềm (thường là NaOH 3- 4% ở nhiệt độ 90 + 20 C trong 1-1,5 h) Công đoạn sử lý NaOH có tác dụng tách được gốc sunfat, khử được Prôtêin và lipit

- Rửa kiềm: sau khi sử lý kiềm rau được đưa đi rửa bằng nước sạch Đầu tiên vớt rong ra cho chay bớt kiềm sau đó cho vào thùng khuấy đảo và thay nước liên tục

- Xử lý axit: xử lý axit (axit citric và axit sunfuric), cho rau câu vào trộn

đều và ngâm trong thời gian 30 phút

- Rửa axit: trước khi đưa vào nấu chiết phải rửa sạch axit Rửa bằng nước máy 3-4 lần

- Nấu chiết: Trong quá trình nấu chiết rau câu có sự hỗ trợ của axit axêtic Thời gian nấu từ 2-3 h

- Lọc trong: phần dung dịch tan được đưa vào lọc để thu phần nước thạch Cần phải lọc thạch ở nhiệt độ 85- 900C Phần b4 thu được từ công đoạn nấu chiết cộng với phần b4 trong quá trình lọc được đưa đi ép để lấy phần nước thạch còn sót trong b4 Phần b4 kiệt bỏ đi

- Làm nguội: phần nước thạch thu được sẽ đưa đi làm nguội

- Cắt nhỏ thạch và ép thạch: thạch sau khi được làm nguội sẽ được cắt nhỏ thành những sợi nhỏ Những sợi thạch nhỏ được cho vào các bao vải, đem

đi ép để loại bớt nước

- Lạnh đông, tan giá và phơi sấy: thạch sau đó được làm lạnh để rút kiệt nước còn lại trong thạch Thạch rút kiệt nước được đem đi làm tan băng, sau

đó phơi sấy kết hợp để làm khô hoàn toàn thạch

- Nghiền nhỏ và đóng gói: thạch khô được tiếp tục đem đi nghiền nhỏ

thành phẩm

c) Đặc điểm, yêu cầu đối với quá trình lọc

Theo quy trình công nghệ trên lọc agar là khâu có ý nghĩa quyết định

đến năng suất và chất lượng sản phẩm

Nước Agar sau khi nấu chiết có nồng độ Agar khoảng 1- 1.2%, nồng độ pha rắn tạp chất chiếm khoảng 10% Do ở nhiệt độ thường Agar đông thành keo và khi tan trong nước nóng thì dung dịch của nó có độ nhớt cao nên nước triết Agar trước khi đem đi lọc phải được đun nóng tới nhiệt độ lớn hơn 800C

để đảm bảo quá trình lọc được tốt Yêu cầu sau khi lọc, nước lọc chỉ còn lại 1,5% pha rắn

1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng máy lọc Agar ở trong và ngoài nước

Trong công nghiệp hoá chất và thực phẩm nói chung và trong công nghệ sản xuất agar nói riêng lọc đóng vai trò quan trọng, vì qua lọc người ta

có thể phân riêng huyền phù ở bất cứ dạng nào, với nồng độ nào để thành nước trong và b4 Việc phân riêng huyền phù bằng phương pháp lọc sẽ nhanh hơn và triệt để hơn so với phương pháp lắng Đặc biệt với những huyền phù lo4ng có nồng độ pha rắn dưới 5%, các hạt rắn có kích thước bé hoặc các hạt nhẹ không kết tủa, không có khả năng lắng, hoặc với những dịch lỏng có độ nhớt cao như dịch lỏng thu được sau khi nấu rong câu thì chỉ có thể sử dụng phương pháp lọc mới tách được Khâu lọc là khâu không thể thiếu trong quy trình công nghệ sản xuất agar Vì vậy lọc là quá trình đ4 được biết từ lâu, song thời gian đầu người ta chỉ dùng vách ngăn bằng sợi cát, gốm sứ hoặc vải, và cũng chỉ dùng để lọc rượu vang Nhưng ngày nay, kỹ thuật lọc đ4 được phát triển ở trình độ cao và được áp dụng rộng r4i

Đặc biệt ngày nay, do nhu cầu của sản xuất ngày càng phát triển, công

nghệ lọc được áp dụng rộng r4i và được kết hợp với nhiều phương pháp khác để tạo ra những loại máy lọc có năng xuất, hiệu quả làm việc cao hơn rất nhiều, một trong số đó là các loại máy lọc ly tâm ở các nước phát triển người ta sử dụng các máy lọc ly tâm trong quy trình công nghệ sản xuất agar là rất phổ biến, nhưng ở Việt Nam thì vẫn còn sử dụng những máy lọc thủ công đơn giản [9], [10], [18]

1.3.1 Máy lọc khung ép

Đây là loại máy làm việc gián đoạn, có thể tháo b4 bằng tay, bằng dao, được

sử dụng trong quy trình công nghệ sản xuất agar của công ty cổ phần Việt Xô (hình 1.3)

a b

Hình1.3 Máy lọc khung

a) Các khung ép b/ Thùng chứa bao ngoài

Máy gồm có các khung ép vào nhau, hai đầu có hai vít để thay

đổi khoảng cách giữa các khung, phía dưới là máng hứng dịch lỏng chảy xuống Bao bên ngoài là thùng chứa

- Ưu điểm: Có thể làm việc với tải trọng lớn, lượng tải trọng có thể thay

đổi Cấu tạo đơn giản, dễ vận hành, bảo dưỡng, giá thành hạ

- Nhược điểm: Năng suất thấp, Chất lượng sản phâm không cao B4 có

độ ẩm lớn, gây l4ng phí lớn và cần nhiều sức để vận hành

1.3.2 Máy ly tâm lọc thẳng đứng

Đây là loại máy lọc ly tâm thẳng đứng, làm việc theo mẻ (hình 1.4) Loại máy MP315 này được sử dụng nhiều trong các nhà máy chế biến thực phẩm, trong các dây truyền chế biến nước sốt cà chua, nước hoa quả chà và agar…

- Ưu điểm: Chất lượng sản phẩm cao Có thể lọc được nhiều loại sản phẩm khác nhau

- Nhược: Lọc theo mẻ, mỗi mẻ 10l Chi phí năng lượng lớn Giá thành cao Không phù hợp với sản xuất ở Việt Nam

Hình 1.4- Máy ly tâm lọc thẳng đứng MP315 1.3.3 Máy ly tâm nằm ngang tháo bã bằng dao

Máy ly tâm tháo b4 bằng dao tránh không h4m máy khi tháo b4, do đó tiết kiệm đ−ợc thời gian và năng l−ợng (hình 1.5) ở đây b4 đ−ợc cạo nhờ có thanh dao hay thanh gạt Dao có thể chuyển dịch lên xuống nhờ có bộ phận thuỷ lực Các giai đoạn nạp liệu, ly tâm và cạo b4 cứ nối tiếp nhau từ giai đoạn

nọ đến giai đoạn kia mà không phải ngừng máy Thời gian từng giai đoạn dài ngắn là do điều chỉnh bộ phận tự động Nh−ng tổng thời gian cho một chu kỳ

ít hơn loại máy ly tâm cạo b4 bằng tay

Thiết bị gồm có thùng (1) lắp trên trục nằm ngang (2), huyền phù theo ống (4) đi vào thùng Đóng mở thùng nhờ một van đ−ợc điều chỉnh bằng bộ phận tự động thuỷ lực B4 đ−ợc cạo rơi xuống máng (5) rồi rơi ra ngoài

Hình1.5 Máy ly tâm nằm ngang tháo bG bằng dao

1 rôto; 2 vỏ máy; 3 dao cắt b4; 4 xy lanh thuỷ lực; 5 máng

hứng b4; 6 trục máy; 7 ổ đỡ

- Ưu điểm: Thời gian của một chu lỳ ngắn hơn rất nhiều so với loại tháo b4 bằng tay hoặc trọng lực, năng xuất cao, tiết kiệm được năng lượng do không phải dừng và mở máy khi tháo b4, quá trình hoàn toàn tự động

- Nhược điểm: Chiều dài của máy bị hạn chế, hở máng tháo, b4 bị nghiền nát, khó thay vải lọc và tiêu hao năng lượng cho việc cạo b4 khá lớn 1.3.4 Máy ly tâm lắng lọc nằm ngang tháo bã bằng vít xoắn

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy ly tâm lắng lọc nằm ngang tháo b4 bằng vít xoắn được thể hiện trên Hình 1.6

Hình 1.6 Máy ly tâm nằm ngang làm việc liên tục, tháo bG bằng vít xoắn

1 Hộp giảm tốc vi sai; 2.7 ổ đỡ; 3 rôto ngoài; 4 rôto trong;(vít xoắn); 5 ống dẫn huyền phù; 6 nắp rôto; 8 bánh đai; 9 cửa tháo nước trong; 10 vỏ máy; 11 cửa tháo b4; 12 nắp rôto đồng thời là ngõng trục rỗng

- Nguyên lý hoạt động:

8

Huyền phù theo ống nạp liệu (1) được đưa vào nón quay (2) rồi qua các

lỗ ở miệng nón vào không gian giữa rôto lắng (3) Dưới tác dụng của lực ly tâm, b4 lắng sát thành trong của rôto (3), được vít tải (4) đưa vào rôto lọc (5) Nước trong được đẩy ra cửa chảy tràn (9) và đi ra ngoài Từ rôto lọc, b4 được chuyển chỗ liên tục nhờ các cánh dẫn hướng (6), nước trong qua các lỗ của thành rôto, nhờ quạt hút (7) đưa về bộ phận chứa để sử dụng tiếp tục Quạt (7)

có tác dụng làm khô b4 B4 từ rôto lọc được đẩy vào quạt (8), ở đây b4 được trộn lẫn với không khí nóng có nhiệt độ 100 ữ 1400C được sấy khô và theo ống dẫn vào xyclon Thời gian khử nước và sấy khô trong giai đoạn này khoảng 8 ữ 10(s)

1.3.5 Máy lọc ly tâm liên tục SCG

Ta có sơ đồ máy lọc ly tâm liên tục SCG được thể hiện trên Hình 1.7:

Hình 1.7 Máy lọc ly tâm liên tục SCG

Máy lọc ly tâm liên tục SCG do công ty Cosimi của Pháp sản xuất, đây

là loại máy lọc ly tâm liên tục có công năng suất 200l/h Chế độ vận hành của máy được lập trình tự động để có thể lọc được các nguyên liệu khác nhau Hiện nay máy lọc SCG được sử dụng rộng r4i trong các nhà máy chế biến thực phẩm, đặc biệt là trong các nhà máy sản xuất agar Tuy nhiên loại máy này có giá thành rất cao nên chưa phù hơp với khả năng đầu tư của các cơ sở sản xuất agar ở trong nước

1.3.6 Máy ly tâm đẩy bã bằng pittông

Có cấu tạo gồm thùng quay (1), đáy thùng gắn chặt vào trục rỗng (2) Bên trong trục có cán pittông (4), một đầu lắp đĩa (9), một đầu lắp pittông (3)(hình 1.8)

Hình 1.8 Máy ly tâm nằm ngang, tháo bG bằng pittông

1 vỏ máy; 2 rôto; 3 nón phân phối huyền phù; 4 ống dẫn huyền phù;

5 pittông đẩy b4; 6 cửa tháo b4; 7 cửa tháo nước lọc; 8 trục pittông; 9

trục rỗng của rôto;

Huyền phù theo đường ống đi vào chóp nón (5) chảy qua khe giữa chóp

và pittông vào thùng quay Thành thùng có đục lỗ và lót lưới lọc (6) Nước trong qua lưới lọc, lỗ thùng ra ngoài vỏ (7) rồi theo đường ống đi ra ngoài B4

được giữ lại trên bề mặt vải lọc bị pittông đẩy ra Pittông chuyển động qua lại 12-16 lần trong một phút Thay đổi chiều chuyển động của pittông do bộ phận

tự động điều chỉnh bơm răng khía Mỗi lần chuyển động qua lại của pittông thì b4 bị cạo với chiều dày 40 đến 50 mm Trên đường ra, b4 có thể được rửa bằng hệ thống phun nước

Loại máy ly tâm cạo b4 bằng pittông có:

- Ưu điểm: Làm việc liên tục, b4 ít bị nghiền nhỏ và năng suất cao

- Nhược điểm: Nước lọc không được trong, tiêu hao năng lượng lớn Lưới lọc dễ bị mòn do pittông

Để tăng khả năng lọc và năng suất người ta cấu tạo máy ly tâm đẩy b4 bằng pittông nhiều tầng

1.4 mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

1.4.1 Mục đích nghiên cứu

Xác định một số thông số chính của máy lọc agar theo phương pháp ly tâm làm cơ sở cho việc thiết kế chế tạo máy lọc agar phục vụ cho các cơ sở sản xuất agar ở trong nước

1.4.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu đặc diểm cấu tạo và tính chất lý hoá của nguyên liệu sản xuất agar;

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình lọc agar;

- Xác định các thông số cơ bản của quá trình lọc agaz theo phương pháp

ly tâm;

- Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của một số thông số đến quá trình lọc

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy lọc agar theo phương pháp ly tâm (ký hiệu: LAG- 1) được thể hiện trên Hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy lọc agar LAG- 1

1- phễu cấp liệu; 2 - nắp; 3 - thùng đựng nước thạch; 4 – cửa thoát nước thạch; 5- cửa thoát b4; 6- trục ngoài; 7- mặt bích đỡ; 8- bánh đai; 9- bu long; 10 - trục trong; 11- ổ bi nhỏ; 12- ổ bi lớn; 13- bu lông; 14- cánh gạt b4; 15- nỉa nối; 16- rôto trong; 17- rôto ngoài; 18- khung; 19- điều chỉnh đai; 20- động cơ; 21- bánh đai; 22- dây

Máy cấu tạo gồm hai rô to lồng vào nhau (rôto lớn, rôto nhỏ) Hai trục

bị động gắn với hai rôto cũng lồng vào nhau Trục ngoài rỗng, còn trục trong

đặc Hai rôto nhận chuyển động từ một động cơ Chúng quay cùng chiều, quanh 1 trục với tốc độ khác nhau Rôto trong quay chậm hơn rôto ngoài khoảng 2 ữ 3% nhờ tỷ số truyền khác nhau thông qua hệ thống truyền đai Rôto nhỏ ở trong được lắp thêm vít xoắn có tác dụng cạo b4 bám trên bề mặt trong của rôto lớn, đồng thời đẩy lớp b4 đó ra ngoài theo chiều từ trên xuống dưới Rôto ngoài có cấu tạo kiểu sàng đục lỗ, gồm 3 lớp Lớp giữa là lớp vải lọc, 2 lớp bên ngoài là lưới sàng bằng kim loại Kích thước lỗ sàng thường rất nhỏ, tuỳ thuộc và tính chất của huyền phù Rôto được chế tạo theo kiểu hình côn và nghiêng so với phương thẳng đứng một góc17 ữ 230 để đảm bảo cho b4

có thể chuyển động dọc theo thành rôto

Máy có nguyên lý hoạt động như sau: Khi cho hỗn hợp huyền phù vào trong máy, thì cả hai rôto nhận được truyền động từ động cơ làm nó quay, và nhờ kích thước puly khác nhau mà hai rôto quay với tốc độ khác nhau theo yêu cầu Hỗn hợp huyền phù trong máy cũng quay và dưới tác dụng của lực ly tâm nước lọc sẽ tách ra và văng ra ngoài qua thành của rôto lớn Còn lại b4 sẽ

được các cánh vít vận chuyển xuống dưới và ra ngoài

Loại máy này có ưu điểm:

- Máy làm việc liên tục do b4 được tháo ra một cách liê tục nên có năng suất cao, giảm được nhiều công lao động

- Thời gian chất lỏng qua máy ngắn nên khắc phục được tình trạng đông kết do giảm nhiệt độ

- Lọc theo phương pháp ly tâm nên máy có khả năng phân ly cao, nên

có thể tách được pha rắn có kích thước rất nhỏ, nhờ đó độ sạch của nước lọc

được nâng cao

Tuy nhiên do số vòng quay của rôto cao nên chi phí năng lượng có thể

lớn hơn so với một số máy khác

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

ứng dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết của Hagen – Poisey để nghiên cứu quá trình lọc agar theo phương pháp ly tâm

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

áp dụng phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố để nghiên cứu ảnh hưởng riêng của những yếu tố vào đến các thông số ra Nguyên tắc của phương pháp này

là cố định các yếu tố khác và cho một yếu tố biến thiên để xác định ảnh hưởng của yếu tố đó đến các thông số mục tiêu [17]

Đối với máy lọc agar nghiên cứu, các yếu tố vào được lựa chọn như sau:

- Tốc độ quay của rôto n, x1(vg/ph)

- Lượng cung cấp chất lỏng q, x2(kg/s)

Các thông số ra:

- Độ sạch sản phẩm δ , y1 (%)

- Chi phí điện năng riêng Nr, y2 (kWh/tấn)

2.2.3 Phương pháp đo đạc các số liệu thí nghiệm

a) Phương pháp xác định độ sạch của sản phẩm

Trong sản phẩm sau khi lọc lấy một lượng mẫu có khối lượng M, cho lên lưới lọc tiêu chuẩn (lưới lọc có hai lớp vải lọc) Sau một thời gian t chất lỏng thoát qua lớp lưới lọc ta thu được lớp b4 trên bề mặt vật lọc Sau đó ta

đem lớp b4 đó đi vắt kiệt và cân xác định được khối lượng b4 là m

Độ sạch của sản phẩm được xác định theo công thức:

δ = 100 - α

Trong đó: α là độ sót b4 trong nước lọc (%)

% 100

m

=

α

Trong đó: m- khối lượng b4 còn sót

M- khối lượng mẫu đem phân tích

b) Phương pháp xác định chi phí điện năng riêng

Để xác định chi phí điện năng riêng trong mỗi lần làm thí nghiệm chúng tôi dùng các thiết bị chuyên dụng bao gồm công tơ điện, vôn kế, am pe

kế, trong đó vôn kế dùng để kiểm tra điện áp, tính toán công suất và điện năng tiêu thụ để đối chiếu với công tơ điện

Để tăng độ chính xác, trên đĩa công tơ điện chúng tôi chia làm 8 khoảng nhỏ, do hệ số của công tơ là k = 250 v/kwh, cho nên mỗi vạch trên đĩa công tơ điện ứng với một giá trị là 1/2000 kwh Do vậy mà kết quả đo được

đảm bảo độ tin cậy

Phương pháp tiến hành: cho một khối lượng nguyên liệu q nhất định vào máy, khi máy làm việc dùng đồng hồ bấm giây để xác định thời gian lọc t (phút) đồng thời đếm được số vạch trên đĩa công tơ là a Mức tiêu thụ điện năng tính theo công thức:

Nr =

q2

a

(2.1)

Hình 2.2 Sơ đồ điện xác định mức tiêu thụ điện năng

2.2.4 Phương pháp xử lý số và gia công số liệu

a) Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm

Trong nghiên cứu thực nghiệm của máy, các kết quả đo đạc đều là kết

quả ngẫu nhiên, trong kỹ thuật nông nghiệp xác suất tin cậy thường dùng

trong khoảng 0,7 ữ 0,9, xác suất của dụng cụ đo trong khoảng 0,95 ữ 0,99 Vì

vậy để đảm bảo dộ tin cậy thì các thí nghiệm phải được lặp lại nhiều lần dể

đảm bảo xác suất tin cậy của dụng cụ Nếu trong quá trình khảo nghiệm khi

thấy các số liệu có sai lệch bất thường, chúng tôi phải tiến hành đo lại để đảm

bảo độ tin cậy cao

Trong quá trình xử lý số liệu đo đạc, chúng tôi áp dụng các quy tắc của

xác suất thống kê toán học sau khi đ4 lặp lại n lần chúng ta nhận được các giá

1 i iXn

1

X (2.2) + Sai số bình phương trung bình:

1n

XXn

1 i

2 i i

ư

ư

=δ

∑

= (2.3) + Sai số trung bình:

ntb

δ

=

δ (2.4) Giá trị độ tin cậy được tính theo tiêu chuẩn student với α = 0,05, bậc tự

do f = n-1 Khi đó độ tin cậy sẽ là:

Đối với các số liệu nghi ngờ sẽ được kiểm tra lại theo tiêu chuẩn 3σ như sau:

Xnghi ngờ - X>3σ thì loại bỏ

b) Phương pháp gia công số liệu

- Phương sai yếu tố

Phương sai yếu tố là tổng bình phương sai lệch ở từng thí nghiệm, giữa các giá trị trung bình tổng thể (y ) với các giá trị trung bình của y ứng với mỗi mức yếu tố xi (gọi là yj) thì:

( )2

1 2

1

k

j j j

yyS

k j

n i

ij ij tn

Dùng tiêu chuẩn Fisher này để đánh giá tỷ số:

2

tn

2 ytS

S

F= (2.7)

Đối chiếu với trị số Fb (tra bảng tiêu chuẩn Fisher với α = 0,05 và bậc tự

do f1 = n-1, f2 = N-k)

Nếu F > Fb thì yếu tố có ảnh hưởng thực sự tới các thông số ra

- Kiểm tra tính thuần nhất của phương sai

Để đánh giá tính thuần nhất của phương sai ta phải tính phương sai thí

nghiệm ngẫu nhiên đối với mỗi thí nghiệm ở mỗi mức biến thiên của yếu tố

n

i

j ij

(2.8) Vì số thí nghiệm lặp lại lớn hơn 2 (n =3) nên có thể áp dụng tiêu chuẩn Cooren [8] để đánh giá xem tỷ số Gk giữa hai phương sai cực đại Sj 2

max với tổng phương sai ∑Sj2 có đảm bảo không vượt quá tiêu chuẩn Gb (tra bảng với

max j

S

SG

1 2

chương 3 cơ sở lý thuyết của quá trình lọc 3.1 Vận tốc lọc và các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc lọc

z.F r.P.à

τ

∆π8

ngăn và b4;

∆P- hiệu số áp suất hai phía của vật ngăn, N/m2

∆P= ∆p1+ ∆p2

∆p1- hiệu số áp suất hai phía của vách ngăn

∆p2- hiệu số áp suất hai phía của b4

τ- thời gian truyền chất lỏng, s

F- diện tích lớp vật lọc, m2

Vậy tốc độ lọc là: v =

l

z.r.P.à

∆π8

∆π

1 1

1 1

4 1

8 .h

p.z.r

2 2

2 2

4 2

8 .h

p.z.r.αà

∆π

(3.4) Chỉ số 1 ứng với vách ngăn, còn chỉ số 2 ứng với b4

1

4 1 18

ρ

=π

αn.r

2

4 2 2

8

ρ

=π

αn.r

Cuèi cïng ta cã:

v=

(h htd)

P+ρ

µ

∆

2 2

+

∆2 2 2 4 2 8

ρµ

ρ µ

tăng động lực học thì trở lực của b4 cũng tăng theo quy luật:

ρ2= ρ0.∆Pm (3.9)

∆P- động lực lọc, Ns/m2

m- chỉ số nén ép b4, m= 0 và thường được xác định bằng thực nghiệm

ρ0- trở lực riêng của b4 khi chưa bị nén ép

Đối với b4 không bị nén ép thì m = 0 nên ρ2 = ρ0 = const

Vì vậy, với b4 bị nén ép người ta thường cho thêm các chất ổn định kết lại, tạo thành dạng hạt

- Chiều dày lớp b4 htd:

Chiều dày lớp b4 htd Thời gian lọc càng lớn thì chiều dày lớp b4 càng tăng, còn vận tốc lọc càng giảm Muốn vận tốc lọc không đổi thì phảI dùng phương pháp tháo b4 liên tục

3.1.2 Phương trình lọc

a) Cơ sở thiết lập phương trình lọc

Phương trình lọc được thiết lập từ phương trình xác định lưu lượng tức thời của chất lỏng theo công thức (3.8) bằng cách tích phân phương trình này

Để thực hiện được phép tích phân ta cần biến đổi đại lượng chiều dày lớp b4 tương đương h sang thể tích lọc V theo công thức sau:

Ta có:

h2=

F

V cbk

ρ ; htd=

F

V.c

bk

ρ

0 (3.10)

Trong đó: V- lượng nước lọc đi qua bề mặt F trong thời gian τ (kể từ khi quá trình lọc bắt đầu) (m3)

c- khối lượng b4 khô được giữ lại trên bề mặt lọc ứng với một đơn vị thể tích nước lọc chảy qua (kg/m3) Do đó c.V là toàn bộ khối lượng b4 đọng lại trên bề mặt lọc sau thời gian τ

V0- thể tích nước lọc tương đương chui qua vật ngăn để tạo lớp b4 có trở lực bằng trở lực của vách ngăn, m3

ρbk- khối kượng riêng của b4 khô

Công thức (3.8) ta có lưu lượng tức thời của nước lọc là:

=τd

dV

(h htd)

F.P+ρ

à

∆2 2

Thay h2 và htd vào công thức ta có:

=τd

dV

(V V )

c.r

F.P

à

∆0

2

(3.11)

hay (V0 + V).dV =

c.r

d.F.P

b) Phương trình lọc với áp suất không thay đổi

Vì ∆P = const nên ta có thể lấy tích phân hai vế của phương trình như

d.F.PdV

.VV

b

V

(3.13) Kết quả là:

V.V0 + =

2

V

c.r

.F.Pbà

F.P

1

2

=à

∆

rút ra b = 2

2 P.F

c.r.b

τ = b.(V2 + 2.V0.V), s (3.17)

Lượng nước lọc sau thời gian τ được tính theo công thức

5 2

bV

Để giữ cho vận tốc lọc không đổi ta phải tăng dần động lực học để thắng được trở lực do lớp b4 ngày càng dày lên Trong trường hợp này ta có thể thay đại lượng

τd

F.Pov b

v+à

(3.19)

2F.P

VV.c.r

∆

+à

=

τ (3.20)

Trong đó: ∆Pv- hiệu số áp suất tức thời tại lưu lượng nước lọc V nào đó

ở đây ta đặt 2

F.P

c.r.v

V =

22

2

0

2 2

v

Vb

c r b

bv1 =

P

c.r b