Quá trình cô đặc và keo tụ Tiểu luận môn CQTCB CNTP

Tiểu luận môn các quá trình cơ bản trong công nghệ thực phẩm do thầy Nguyễn Đắc Trường hướng dẫn iuh trường đại học công nghiệp Hồ Chí Minh tọa lạc tại đường Nguyễn Văn Bảo Viện sinh học và thực phẩm tại nhà F lầu 4 trở lên nhé các bạn

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM

Nhóm: 7 Lớp: DHTP15A

NHÓM 7

Huỳnh Phúc Đạt

Đặng Thị Thanh Loan

Nguyễn Thị Hạnh

Mai Thị Tuyết Anh

Lê Văn Hải

Bùi Tuấn Tùng

Nguyễn Hữu Quan

Nguyễn Đắc Trường Nguyễn Đắc Trường

MỤC LỤC

1 QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 5

1.1 Bản chất quá trình 5

1.2 Các biến đổi của quá trình 5

1.2.1 Biến đổi vật lý 5

1.2.2 Biến đổi hóa học 5

1.2.3 Biến đổi hóa lý 6

1.2.4 Biến đổi sinh học 6

1.2.5 Biến đổi cảm quan 6

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cô đặc 6

1.3.1 Sự chênh lệch nhiệt độ các tác nhân gia nhiệt và nhiệt độ sôi của nguyên liệu 6

1.3.2 Hiện tượng cặn bám trên bề mặt trao đổi nhiệt 6

1.3.3 Hiện tượng màng biên 7

1.3.4 Độ nhớt nguyên liệu 7

1.3.5 Hiện tượng tạo bọt 7

1.3.6 Tổn thất do hơi thứ 7

1.3.7 Thời gian cô đặc 7

1.3.8 Cường độ bốc hơi 7

1.3.9 Nhiệt độ sôi 7

1.4 Vấn đề thiết bị 8

1.4.1 Phân loại thiết bị 8

1.4.2 Cấu tạo thiết bị 8

2 QUÁ TRÌNH KEO TỤ 15

2.1 Bản chất quá trình 15

2.1.1 Khái niệm 15

2.1.2 Cơ chế hoạt động của keo tụ 16

2.2 Các biến đổi của quá trình keo tụ 16

2.2.1 Biến đổi vật lý 16

2.2.2 Biến đổi hóa học 16

2.2.3 Biến đổi cảm quan 16

2.2.4 Biến đổi sinh hóa 16

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ 17

2.3.1 Ảnh hưởng của pH 17

2.3.2 Liều lượng của chất keo và chất trợ keo tụ 17

2.3.3 Độ đục ban đầu 17

2.3.4 Chất hữu cơ 17

2.3.5 Anion, Cation trong nước 17

2.3.6 Hiệu ứng khuấy 17

2.3.7 Thế năng zeta của hệ 18

2.3.8 Nhiệt độ keo tụ là yếu tố sau cùng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ tạo bông 18

2.3.9 Nhiệt độ nước 18

2.3.10 Tạp chất trong nước 18

2.3.11 Môi chất tiếp xúc 18

2.3.12 Tốc độ khuấy trộn 18

2.4 Vấn đề thiết bị keo tụ 19

3 KẾT LUẬN 28

4 TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

1.1 Bản chất quá trình

- Quá trình cô đặc: tăng nồng độ cấu tử trong dung dịch bằng cách tách một phần dung

môi ở nhiệt độ sôi dưới tác dụng của nhiệt Dung môi tạo ra trong quá trình cô đặc gọi

là hơi thứ

I.2 Các biến đổi của quá trình

I.2.1 Biến đổi vật lí

- Khi cô đặc, dung môi bay hơi, nồng độ chất hòa tan tăng dần, nhiệt độ sôi, độ nhớt,

khối lượng riêng tăng, nhưng hệ số truyền nhiệt giảm, hàm lượng không khí còn lại trong gian bào và hòa tan trong sản phẩm cũng giảm

- Trong quá trình cô đặc nhiều biến đổi vật lí cũng xảy ra trong nguyên liệu như hàm

lượng chất thô tăng, độ nhớt tăng, tỉ trọng tăng…Tuy nhiên khối lượng và thể tích nguyên liệu giảm đi, hoạt độ của nước trong nguyên liệu cũng giảm

I.2.2 Biến đổi hoá học

- Dưới tác dụng của nhiệt trong quá trình cô đặc, các thành phần hoá học trong nguyên

liệu có thể phản ứng với nhau hoặc phân huỷ

Ví dụ quá trình cô đặc nước trái cây, các vitamin như vitamin C sẽ bị phân huỷ Biến đổi này cũng làm giảm giá trị dinh dưỡng của sản phẩm.

- Trong quá trình cô đặc, do nước bốc hơi nên giá trị pH của thực phẩm cũng sẽ thay đổi

theo

- Tốc độ của phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình cô đặc bằng nhiệt sẽ phụ thược

chủ yếu vào thời gian cô đặc và giá trị nhiệt độ

I.2.3 Biến đổi hoá lí

- Biến đổi hoá lí quan trọng trong quá trình cô đặc bằng nhiệt là sự chuyển pha của

nước Nước tồn tại ở trạng thái lỏng trong nguyên liệu trước khi cô đặc sẽ chuyển thành trạng thái hơi và thoát ra môi trường bên ngoài

- Trong quá trình cô đặc có thể xảy ra sự đông tụ protein trong nguyên liệu nếu nhiệt độ

cô đặc cao và đủ làm biến tính bất thuận nghịch protein

I.2.4 Biến đổi sinh học

- Khi cô đặc ở áp suất thường, do nhiệt độ cô đặc cao nên các enzyem trong nguyên liệu

bị vô hoạt, nhiều vi sinh vật bị ức chế Các biến đổi hoá sinh và sinh học gần như không xảy ra

- Khi cô đặc ở áp suất chân không, do nhiệt độ cô đặc thấp nên một số enzyme và vi sinh

vật chịu nhiệt có thể hoạt động được

- Quá trình cô đặc xảy ra làm hạn chế khả năng hoạt động của vi sinh vật ở nồng độ cao.

I.2.5 Biến đổi cảm quan

- Phải thực hiện nghiêm ngặt để bảo đảm các cấu tử quý của sản phẩm, mùi vị đặc trưng

được giữ nguyên, đạt được mức độ yêu cầu, các thành phần chủ yếu không được thay đổi

- Phải giữ nguyên cấu tử quý thu hồi dung dịch lỏng rắn.

- Có thể cô đặc ở trạng thái áp suất, áp suất chân không để hạn chế sự tổn thất vitamin

đảm bảo thành phần hoá học không bị mất đi, hạn chế tăng màu, tổn thất đường

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cô đặc

1.3.1 Sự chênh lệch nhiệt độ các tác nhân gia nhiệt và nhiệt độ sôi của

nguyên liệu.

- Nếu sự chênh lệch nhiệt độ của hơi bão hoà và nhiệt độ sôi của nguyên liệu càng lớn

thì tốc dộ truyền nhiệt sẽ càng lớn

1.3.2 Hiện tượng cặn bám trên bề mặt trao đổi nhiệt

- Trong thiết bị cô đặc bốc hơi, bề mặt truyền nhiệt có 2 mặt tiếp xúc: một mặt tiếp xúc

với nguyên liệu cần cô đặc và một mặt tiếp xúc với hơi bão hoà Một số cấu tử của nguyên liệu trong quá trình cô đặc có thể bị bám dính trên bề mặt truyền nhiệt

1.3.3 Hiện tượng màng biên

- Lớp nguyên liệu chặn dòng với bề mặt tiếp xúc truyền nhiệt (lớp màng biên) thường

tạo ra một trở lực lớn cho quá trình truyền nhiệt Để làm giảm chiều dày cho màng biênnày các nhà sản xuất có thể tạo ra một dòng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức trong thiết bị cô đặc

1.3.4 Độ nhớt của nguyên liệu

- Khi tăng độ nhớt của nguyên liệu chỉ số Reynolds sẽ giảm nên tốc độ truyền nhiệt sẽ

giảm đi

1.3.5 Hiện tượng tạo bọt

- Trong quá trình cô đặc bằng nhiệt bên trong dung dịch nguyên liệu sẽ xuất hiện những

bong bóng hơi Nếu trong dung dịch nguyên liệu có chứa những cấu tử có khả năng làm bền bọt như protein thí sẽ hình thành một lớp bọt trên bề mặt dung dịch trong thiết

bị, lớp bọt này có khả năng giảm tốc độ thoát hơi thứ ra khỏi dung dịch cần cô đặc

1.3.6 Tổn thất do hơi thứ

- Trong quá trình cô đặc hơi thứ thoát ra khỏi thiết bị có thể lôi theo một số cấu tử có

trong nguyên liệu ở dạng sương mù Tổn thất chất khô càng nhiều nếu sự sôi diễn ra quá mãnh liệt trong thiết bị bốc hơi Để hạn chế sự tổn thất này các thiết bị cô đặc thường được thiết kế với khoảng không gian rộng, kèm theo bộ phận tách cấu tử lôi cuốn theo

1.3.7 Thời gian cô đặc

- Là thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị cô đặc cho sự bốc hơi nước ra khỏi

nguyên liệu để đạt đến độ khô yêu cầu

- Thời gian cô đặc phụ thuộc vào phương pháp làm việc của thiết bị và cường độ bốc hơi

của sản phẩm Các thiết bị cho nguyên liệu vào, sản phẩm ra liên tục và sản phẩm có cường độ bốc hơi lớn thì thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị càng ngắn

1.3.8 Cường độ bốc hơi

- Cường độ bốc hơi của sản phẩm phụ thuộc cường độ trao đổi nhiệt giữa hơi nóng và

sản phẩm bốc hơi Cường độ trao đổi nhiệt được đặc trưng bằng hệ số truyền nhiệt của quá trình cô đặc Hệ số truyền nhiệt càng lớn, cường độ bốc hơi càng cao

1.3.9 Nhiệt độ sôi

- Khi tiến hành một quá trình cô đặc thực phẩm người ta đun nóng khối sản phẩm tới

nhiệt độ sôi Nước trong sản phẩm bốc hơi cho đến khi nồng độ chất khô đã đến nồng

độ yêu cầu thì ngừng quá trình cô đặc và cho sản phẩm ra khỏi thiết bị

- Nhiệt độ sôi của sản phẩm phụ thuộc áp suất hơi ở trên bề mặt, nồng độ chất khô và

tính chất vật lý, hóa học của sản phẩm

1.4 Vấn đề thiết bị

1.4.1 Phân loại thiết bị

- Phân loại theo áp suất

+Cô đặc áp suất thấp+Cô đặc áp suất cao+Cô đặc áp suất thường

- Phân loại theo thiết bị cô đặc +Cô đặc 1 nồi

+Cô đặc nhiều nồi

- Phân loại theo cách thức hoạt động +Hoạt động gián tiếp

+Hoạt động liên tục

1.4.2 Cấu tạo thiết bị

- Các loại thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi được dùng phổ biến, gồm hai phần chính: + bộ phận đun sôi dung dịch( phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi

dung dịch ;

+ bộ phận bốc hơi( phòng bốc hơi ) là một phòng trống, ở đây hơi thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng – hơi của dung dịch sôi (khác với thiết bị chỉ có phòng đốt) Có thể cấu tạo thêm bộ phận phân ly hơi lỏng ở trong phòng bốc hơi hoặc ở trên ống dẫn hơi thứ,

để thu hồi cách hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo

- Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị: chế độ làm việc ổn định, ít bám cặn, dễ làm sạch, dễ

điều chỉnh và kiểm tra Cường độ truyền nhiệt lớn( hệ số truyền nhiệt K lớn)

* Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm

Cấu tạo: - Phần dưới của thiết bị là phòng đốt, có các ống truyền nhiệt và ống tuần

hoàn tương đối lớn

- Dung dịch ở trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài ống

5 bộ phận thu hồi cấu tử

- Đầu tiên dung dịch sẽ được cho vào các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn qua van,

sau đó mở van hơi cho hơi vào Phải để dung dịch phủ kín toàn bộ các ống mới được

mở van hơi Nhằm tránh hiện tượng cháy

- Tại phòng đốt này, dung dịch trong các ống sẽ được truyền nhiệt từ hơi đốt ở bên

ngoài Trong ống truyền nhiệt dung dich sẽ sôi lên và trở thành hỗn hợp hơi-lỏng Hỗn hợp này nóng nên khối lượng riêng giảm

đi và bị đẩy từ dưới lên miệng ống Còn trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra ít hơn, dẫn đến khối lượng của hỗn hợp hơi-lỏng lớn hơn và sẽ bị đẩy xuống dưới Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và

từ trên xuống trong ống tuần hoàn

- Phía trên phòng đốt là phòng bốc hơi Ở đây, hơi thứ sẽ mang theo những cấu tử Vì

thế, có bộ phận tách bọt nhằm thu hồi lại những cấu tử

- Trong quá trình truyền nhiệt, dung dịch được cô đặc sẽ thoát ra qua

cửa II , nước ngưng tụ sẽ thoát ra qua cửa IV Còn hơi thứ sau khi được loại cấu tử sẽ thoát ra qua cửa

- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa và làm sạch.

- Nhược điểm: tốc độ tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng.

 Thiết bị cô đặc phòng ngoài kiểu đứng

Cấu tạo – Nguyên tắc làm việc:

- Các ống truyền nhiệt có thể làm dài( đến 7m) nên cường độ tuần hoàn lớn, do đó

cường độ bốc hơi lớn

- Đôi khi ghép một vài phòng đốt vào một buồng bốc hơi để làm việc thay thế khi cần

làm sạch và sửa chữa để đảm bảo quá trình làm việc liên tục

- Dung dịch đi vào phòng đốt 1 được đun sôi, tạo thành hỗ hợp lỏng –hơi đi qua ống 5

vào phòng bốc hơi, ở đây hơi thứ được tách ra và đi lên phía trên, dung dịch còn lại đi

về phòng đốt 1 theo ống tuần hoàn 3

- Ưu điểm:

Có thể ghép một vài phòng đốt vào một buồng bốc hơi để làm việc thay thế khi cần làm sạch và sửa chữa đảm bảo quá trình làm việc liên tục

- Nhược điểm:

Thiết bị có cấu tạo phức tạp, kích thước lớn

 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài nằm ngang

Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc:

- Phòng đốt là thiết bị truyền nhiệt ống chữ U

- Dung dịch ở nhánh dưới của ống truyền nhiệt chuyển động từ trái qua phải,còn ở

nhánh trên từ phải qua trái

- Phòng đốt được đặt trên một chiếc xe nhỏ và dễ dàng tách khỏi phòng bốc hơi để làm

- Nhược điểm: Cấu tạo phức tạp kích thước lớn.

 Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức

Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc:

- Dung dịch dưa vào phòng đốt bằng bơm tuần hoàn.

- Dung dịch đặc đi ra ở phần dưới của phòng bốc hơi, còn phần chính chảy về ống do

bơm tuần hoàn hút và trộn lẫn với dung dịch đầu đi vào phòng đốt

- Tốc độ của dung dịch ttrong ống truyền nhiệt bằng 1,5 đến 3,5 m/s, do đó hệ số cấp

nhiệt lớn hơn trong tuần hoàn tự nhiên tới 3 đến 4 lần

- Có thể làm việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ có ích nhỏ (3 - 50C) vì cường độ

tuần hoàn không phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ mà phụ thuộc vào năng suất của bơm

Ưu điểm:

- Tránh được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt

- Có thể cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn tự nhiên khó thực hiện.

Nhược điểm:

- Tốn năng lượng để bơm

- Thường ứng dụng khi cường độ bay hơilớn

- Tuần hoàn cưỡng bức có thể thực hiện ở những thiết bị khác nhau( phòng đốtngoài, phòng đốt treo)

 Thiết bị cô đặc một nồi

- Dung dịch đầu từ thùng chứa 1 được bơm đưa lên thùng cao vị 3, sau đó chảy qua lưu

lượng kế 4 vào thiết bị đun nóng 5, ở đây dung dịch được đun sôi rồi đi vào thiết bị cô đặc 6 thực hiện quá trình bốc hơi Hơi thứ và khí không ngưng đi lên phía trên đỉnh thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ 9 từ dưới lên

- Trong thiết bị ngưng tụ nước lạnh phun từ trên xuống tiếp xúc với hơi thứ và hơi thứ sẽ

được ngưng tụ lại thành lỏng cùng với nước lạnh chảy qua ống bazômét 11 ra ngoài, còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt 10 vào bơm chân không rồi ra ngoài Dung dịch sau khi cô đặc được bơm 7 vận chuyển ra ở đáy thiết bị đi vào bồn chứa 8

 Thiết bị cô đặc nhiều nồi

- Hơi đốt có nhiệt độ cao được vào 1 để đun sôi dung dịch, và hơi thứ bay lên ở các nồi

di chuyển giống như ở cô đặc nhiều nồi xuôi chiều, còn dung dịch ban đầu đi vào nồi 4

và được vận chuyển dần tới nồi 1 nhờ bơm

- Với hệ thống cô đặc ngược chiều thì nhiệt độ dung dịch trong các nồi giảm dần từ nồi

đầu tới nồi cuối, còn nồng độ dung dịch lại tăng dần từ nồi cuối đến nồi đầu, do đó độ nhớt dung dịch

- thay đổi không đáng kể, kết quả hệ số truyền nhiệt trong các nồi hầu như không đổi.

 Thiết bị cô đặc chân không

- Sản phẩm cần cô đặc chân không có nhiệt độ sôi dưới 100 độ C

- Phân loại:

Cô đặc chân không nhiều nồi

Cô đặc liên tục

Cô đặc gián đoạn

- Cấu tạo chung chân không:

Khoang đun nóng nguyên liệu

Khoang chứa hơi

Khoang ngưng tụ

- Nguyên lý hoạt động:

Nguyên liệu được đưa vào khoang đun nóng nguyên liệu.Dưới tác dụng của bơm chânkhông, nồi cô đặc được hút chân không, tạo chênh lệch áp suất

Hơi được cấp để gia nhiệt làm sôi nguyên liệu, nước trong nguyên liệu được bốc hơi.Phần hơi thứ( hơi nước) sẽ được chuyển sang thiết bị ngưng tụ ống xoắn, được làm lạnh và ngưng tụ chứa trong bình chứa nước ngưng tụ.

Quá trình bốc hơi làm nước cô đặc

 Bồn cô đặc hở có cánh khuấy

- Tính năng: cô đặc dịch chiết xuất ở giai đoạn cuối, cô đặc dịch thành dạng cao đặc

trước khi mang đi sấy khô

- Nồi cô được thiết kế hình lòng máng, với thiết kế 3 lớp và gia nhiệt bằng hơi nóng Nồi

có thể nghiêng dễ dàng nhờ tay quay, thuận tiện cho việc lấy thành phẩm Phía trên nắpnồi có lắp động cơ cánh khuấy, giúp tăng cường khả năng trao đổi nhiệt và bốc hơi, đồng thời không bị cháy nguyên liệu ở thành nồi

- Bồn có cánh khuấy gắn mô tơ phía trên

2 QUÁ TRÌNH KEO TỤ

2.1Bản chất quá trình 2.1.1 Khái niệm:

- Keo tụ là quá trình kết hợp các hạt lơ lửng khi cho các chất keo tụ vào nước (các hợp

chất cao phân tử) Khác với đông tụ, quá trình keo tụ không chỉ diễn ra do tiếp xúc trựctiếp mà còn do sự tương tác lẫn nhau giữa các phân tử chất keo tụ hấp phụ các hạt lo lửng trong nước

- Sự keo tụ thúc đẩy quá trình tạo bông hydroxit kim loại (thường dùng là muối nhôm và

sắt) nhằm tăng vận tốc lắng, giảm chất đông tụ, giảm thời gian đông tụ và tăng vận tốc lắng

- Chất keo tụ có thể là hợp chất tự nhiên và tổng hợp Chất keo tụ tự nhiên là tinh bột,

este, xenlulo,….Chất keo tự tổng hợp như là poliacrilamit (PAA) hay thông dụng hơn

hết hiện nay là polytetsu ([Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m) hoặc cũng có thể là PAC như đã giới thiệu ở trên.

2.1.2 Cơ chế hoạt động của chất keo tụ:

- Hấp phụ phân tử chất keo tụ trên bề mặt hạt keo, tạo thành mạng lưới phân tử chất keo

tụ Dưới tác dụng của chất keo tụ giữa các hạt keo tạo thành cầu nối polime, các hạt keo tích điện âm thúc đẩy quá trình keo tụ với các hydroxit kim loại qua đó tạo thành hạt keo lớn hơn giúp tăng khả năng lắng tách nhanh và hoàn toàn ra khỏi nước Quá trình trên sẽ được đẩy nhanh 2-3 lần và tăng hiệu quả lắng trong khi thêm silicat hoạt tính

2.2Các biến đổi của quá trình keo tụ 2.2.1 Biến đổi vật lí