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
Trang 1- -
BÀI TIỂU LUẬN
CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN TRONG
CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN ĐẮC TRƯỜNG
• Lớp: DHTP15A
• Nhóm 11:
1 Trương Thị Quỳnh Anh (Nhóm Trưởng) 19471561
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM
Trang 2MỤC LỤC
I BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH 1
1 Khái niệm 1
2 Nhiệt động lực học quá trình kết tinh 1
3 Quá trình kết tinh 1
a Quá trình tạo mầm tinh thể 1
b Quá trình phát triển mầm tinh thể 2
II CÁC QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI 3
III PHƯƠNG PHÁP KẾT TINH 4
1 Kết tinh tách một phần dung môi 4
2 Kết tinh với sự thay đổi nhiệt độ 4
3 Kết tinh chân không 5
IV CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH KẾT TINH 5
1 Nhiệt độ 6
2 Nồng độ các chất hòa tan 7
3 Áp suất 8
4 Môi trường xung quanh và trạng thái các chất 8
5 Kích thước tinh thể 8
V THIẾT BỊ KẾT TINH 9
1 Phân loại thiết bị 9
2 Cấu tạo các loại thiết bị 9
a Thiết bị kết tinh làm lạnh bằng không khí và hơi nước 9
b Thiết bị kết tinh chân không 10
c Thiết bị kết tinh làm lạnh bằng dung dịch 11
3 Nguyên lý làm việc của các thiết bị 12
a Thiết bị kết tinh làm lạnh bằng không khí và hơi nước 12
b Thiết bị kết tinh chân không 13
c Thiết bị kết tinh làm lạnh bằng dung dịch 13
VI KẾT LUẬN 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 3I BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH:
1 Khái niệm:
- Kết tinh là một quá trình tự nhiên hoặc nhân tạo khiến hình thành một thể rắn mà trong đó các nguyên tử hoặc phân tử được tổ chức thành một cấu trúc gọi là tinh thể Bên cạnh đó, kết tinh còn được định nghĩa
là kỹ thuật dùng để tách chất rắn với lỏng, quá trình này xảy ra khi dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn và ở dạng tinh thể
- Có nhiều cách hình thành tinh thể, chẳng hạn khi có sự kết tủa trong dung dịch, khi có sự đông đặc hoặc hiếm gặp hơn nữa là khi diễn ra sự lắng đọng trực tiếp của chất khí Các thuộc tính của tinh thể phụ thuộc phần lớn vào những yếu tố như nhiệt độ, áp suất không khí và trong trường hợp tinh thể lỏng thì là thời gian chất lỏng bay hơi
2 Nhiệt động lực học của quá trình kết tinh:
- Động lực của sự kết tinh là sự khác biệt về điện thế hoá học của chất kết tinh trong dung dịch bão hoà và dung dịch quá bão hoà
- Sự tạo mầm và tăng trưởng kích thước tinh thể được xem như là chức năng động lực học của sự kết tinh ở dạng siêu bão hoà
3 Quá trình kết tinh:
• Động lực học của quá trình kết tinh có thể chia ra thành 2 giai đoạn:
a Quá trình tạo mầm tinh thể:
- Mầm tinh thể hay tâm kết được hình thành khi dung dịch ở trạng thái quá bão hoà do dung dịch được làm lạnh hay cho bốc hơi một phần dung môi (vd: trong nồi nấu đường) Ngày nay, người ta cho rằng mầm được tạo ra do sự liên kết của các ion phân tử khi va chạm với nhau của các chất hoà tan trong dung dịch Khi mầm tinh thể đạt đến trạng thái cân bằng với dung dịch thì quá trình kết tinh sẽ dừng lại
- Trạng thái bão hoà của dung dịch có thể tồn tại trong một khoảng thời gian nhất định được gọi là chu kì cảm ứng và có thể kéo dài từ vài giây đến vài tháng, mà trong khoảng thời gian này không có mầm tinh thể xuất hiện Chu kì cảm ứng phụ thuộc vào bản chất của chất tan và dung môi, mức độ bão hoà của dung dịch, nhiệt độ và phương pháp khuấy trộn, các tạp chất hay các tác động cơ học
Trang 4- Khi trạng thái quá bão hoà quá lớn vượt quá giới hạn nhất định đến vùng bão hoà cao thì quá trình kết tinh tự nhiên bắt đầu Lúc này lượng mầm tinh thể rất nhiều, dung dịch sẽ đóng rắn chứ không tạo thành những tinh thể riêng biệt
- Có một số dung dịch mặc dù có độ quá bão hoà rất lớn nhưng vẫn không xuất hiện mầm tinh thể, khi đó cần kích thích quá trình kết tinh bằng cách cho vào dung dịch đó một lượng nhỏ các tinh thể chất tan hoặc tinh thể của các chất khác có cấu trúc tinh thể giống chất tan (gọi
là chất trợ mầm) hoặc các biện pháp tác động cơ học như làm rung động, lắc, ma sát… Độ nhám của bề mặt thiết bị kết tinh và vật liệu làm bằng cách khuấy cũng có ảnh hưởng đến quá trình tạo mầm
- Có bao nhiêu mầm tinh thể sẽ phát triển thành bấy nhiêu hạt tinh thể
Số mầm càng nhiều thì thu được những tinh thể nhỏ với các cạnh kém phát triển, chủ yếu tạo thành những tinh thể dạng mãnh Trái lại số mầm ít sẽ tạo điều kiện hình thành những tinh thể lớn, thu được những tinh thể đều và có góc cạnh hơn
- Trong thực tế, việc tăng hiệu suất thu hồi và giảm thời gian kết tinh là yêu cầu lớn nhất của quá trình sản xuất, nên xu hướng tăng số lượng mầm cần được chú ý hơn vì tinh thể sản xuất ra có hạt nhỏ khó li tâm hơn Quá trình làm nguội nhanh, khuấy trộn mạnh tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo thành một lượng lớn mầm tinh thể, điều này gây bất lợi cho quá trình sản xuất
b Quá trình phát triển mầm tinh thể:
Sự thay đổi tốc độ kết tinh theo thời gian
Trang 5- Tinh thể phát triển về kích thước và đạt giá trị tới hạn của mầm tinh thể có năng lượng bề mặt lớn nên nó hấp thụ các chất hoà tan trong dung dịch
- Theo thuyết khuếch tán sau khi xuất hiện mầm tinh thể, trên bề mặt mầm sẽ kết tụ chất hoà tan (trong dung dịch ở trạng thái tĩnh) Cùng với sự phát triển lớn lên của mầm do vật chất khuếch tán từ môi trường xung quanh lên bề mặt mầm, chất tan xung quanh mầm sẽ loãng dần tức là mất đi tính chất quá bão hoà của dung dịch Lúc này nếu như không có chất hoà tan từ môi trường xung quanh đi vào thì quá trình phát triển của các tinh thể sẽ ngừng lại
- Vậy đồng thời xảy ra với quá trình phát triển của tinh thể là quá trình
di chuyển vật chất bằng cách khuếch tán phân tử và đối lưu do sự chênh lệch nồng đọp giữa tâm tinh tạo mầm và môi trường xung quanh
- Chiều dày lớp khuếch tán phụ thuộc vào cường độ khuấy của dung dịch, vì vậy trong giai đoạn này khuấy trộn mang tính chất quyết định: + Làm giảm bề dày lớp màng phim -> tăng tốc độ kết tinh
+ Làm các hạt mầm không lắng xuống đáy và nhiệt độ đồng đều trong cả khối
+ Làm cho các hạt mầm luôn có cơ hội tiếp xúc với dung dịch mới dẫn đến tăng tốc độ kết tinh
+ Làm bay hơi nước nhanh hơn
- Dung dịch đậm đặc có độ bão hòa > 70%
- Chất tan chủ yếu phải có khả năng hoà tan thấp hơn chất hoà tan phụ
- Biến đổi:
+ Hóa lý: chuyển từ pha lỏng sang rắn tinh thể dựa vào tính hoà tan hạn chế của chất rắn và thường kèm theo toả nhiệt
+ Biến đổi khác: có sự phân huỷ các chất hoà tan
Trang 6III PHƯƠNG PHÁP KẾT TINH:
- Điều kiện cần thiết để xảy ra quá trình kết tinh là phải tạo được những dung dịch quá bão hoà, tức là làm mất cân bằng pha của hệ
- Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể mà có thể áp dụng các phương pháp kết tinh có tách dung môi hoặc không tách dung môi (hạ nhiệt độ của dung dịch) và kết tinh chân không
- Các quá trình kết tinh có thể thực hiện theo phương pháp gián đoạn hay liên tục
+ Quá trình gián đoạn có nhược điểm như thiết bị cồng kềnh, tinh thể nhận được không đều, thao tác vất vả
+ Quá trình liên tục được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp
do năng suất cao, tinh thể nhận được đều đặn
1 Kết tinh tách một phần dung môi:
- Phương pháp này áp dụng kết tinh các dung dịch có độ hòa tan của các cấu tử ít phụ thuộc vào nhiệt độ
- Để tách dung môi thực hiện các phương pháp sau:
• Cô đặc dung dịch (cho bay hơi tại nhiệt độ sôi):
+ Phương pháp này là cấp nhiệt vào để đun nóng dung dịch thực phẩm đạt đến nhiệt độ sôi làm cho dung môi thường là nước bốc hơi, làm cho nồng độ dung dịch tăng, nhiệt độ sôi của dung dịch thực phẩm tăng theo độ tăng nồng độ
+ Nhược điểm: ảnh hưởng đến chất lượng màu mùi, vitamin, các
hợp chất sinh học, bởi nhiệt và oxy của không khí, các tinh thể
bị dính lên bề mặt truyền nhiệt…
• Cho bay hơi dung môi tại nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ sôi của dung dịch: cho bay hơi tự nhiên (thực hiện trong thiết bị hở), hoặc cho bay hơi ở áp suất chân không
2 Kết tinh với sự thay đổi nhiệt độ: (kết tinh không tách dung môi):
- Phương pháp này được áp dụng để kết tinh từ các dung dịch khi độ hòa tan của các cấu tử phụ thuộc vào nhiệt độ
Trang 7- Để hạ nhiệt độ dung dịch thường dùng nước lạnh hay nước muối Phương pháp này có thể làm việc liên tục hay gián đoạn:
+ Kết tinh liên tục: được thực hiện trong nhiều thiết bị nối nhau, dung dịch đi từ thiết bị này qua thiết bị khác và sản phẩm lấy ra liên tục
+ Kết tinh gián đoạn: cho dung dịch vào đầy thiết bị, sau kết tinh xong, nước cái và tinh thể được tháo ra ngoài
3 Kết tinh chân không:
- Trong phương pháp kết tinh chân không, một phần dung môi được bay hơi nhờ vào nhiệt vật lí của dung dịch Hơi bay ra theo đường bơm chân không
- Nhiệt độ của dung dịch ở trạng thái bão hòa sẽ giảm đến nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất chân không trong thiết bị Dung dịch sẽ đạt đến trạng thảo quả bảo hòa và kết tinh Dung môi bay hơi không chỉ do nhiệt vật lí của dung địch mà còn do sự toả nhiệt khi kết tinh
- Kết tinh tiến hành đồng thời bay hơi do hút chân không và làm lạnh sẽ tăng cường quá trình và xảy ra trong toàn bộ thể tích dung dịch, do đó các tinh thể sẽ hạn chế dính vào bề mặt thiết bị và thời gian rửa thiết bị
sẽ được rút ngắn
IV CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH KẾT TINH:
- Việc sắp xếp các hạt trong quá trình tạo mầm để tạo nên tinh thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Nếu những yếu tố này không tác động thì chắc chắn tinh thể sẽ không được tạo ra:
+ Nhiệt độ (ảnh hưởng trực tiếp)
+ Nồng độ các chất hoà tan
+ Áp suất
+ Môi trường xung quanh và trạng thái các chất
+ Kích thước tinh thể
Trang 81 Nhiệt độ (ảnh hưởng trực tiếp):
- Nhiệt độ phải ở mức thích hợp thì các nguyên tử, phân tử mới tập hợp lại với nhau Với các chất khí, khi nhiệt độ tăng thì độ tan của nó trong dung môi giảm đi cho nên hoàn toàn có thể đuổi các chất khí như oxy, carbondioxid ra khỏi dung môi bằng cách đun nóng để tránh làm biến đổi, phân hủy và đảm bảo độ ổn định của dược chất
- Với các chất rắn thu nhiệt khi hòa tan, khi nhiệt độ tăng thì độ tan của
nó cũng tăng lên còn với chất rắn tỏa nhiệt khi hòa tan, độ tan của chất
đó sẽ giảm đi khi nhiệt độ tăng lên Do đó trong quá trình bào chế, có thể tác động nhiệt thích hợp hoặc không tác động tùy thuộc vào bản chất chất tan để tăng độ tan của chúng trong dung môi
➢ Ví dụ: Ảnh hưởng đến quá trình kết tinh của mật ong:
- Dưới 10oC: Nhiệt độ này làm chậm quá trình kết tinh, mật chỉ đặc và dẻo lại
- Từ 10oC – 20oC: Ở nhiệt độ này, mật rất dễ và nhanh bị kết tinh
- Từ 21oC – 26oC: Đây là nhiệt độ lý tưởng để bảo quản mật ong do đó mật sẽ khó bị kết tinh
- Trên 27oC: Mật không bị kết tinh, tuy nhiên bảo quản mặt ở nhiệt độ
sẽ nhanh chóng làm hỏng mật và khi sử dụng rất nguy hiểm tới sức khỏe
- Từ 10oC – 20oC: Là nhiệt độ phổ biến trong mùa đông của miền Bắc (Đây là lý do tại sao người tiêu dùng ở miền Trung và miền Nam ít gặp mật ong kết tinh vì thường nhiệt độ ở đây hầu như cao quanh năm và hiếm khi nhiệt độ thấp dưới 20 độ C)
Trang 92 Nồng độ các chất hoà tan:
- Các chất như protein, muối khoáng, chất béo trong thực phẩm sẽ hòa tan với nước tạo thành dung dịch tương tự như keo Để nước đông lại với nhau thì các phân tử nước phải tách khỏi dung dịch này
- Do đó khi có chất hòa tan thì nhiệt độ của nước phải giảm để làm chậm quá trình tan, tăng lực liên kết các phân tử nước với nhau để kết tinh
- Ứng dụng: trong việc lựa chọn dung môi hoặc hỗn hợp dung môi thích hợp với chất tan
➢ Ví dụ:
- 1M acid sulfuric (H2SO4) là 2N trong phản ứng acid-base vì mỗi mol acid surfuric cung cấp 2 mol ion H+ Nhưng 1M acid sulfuric là 1N trong phản ứng kết tủa sulfate, vì 1 mol acid sulfuric cung cấp 1 mol ion sulfate
- Nếu hoà tan calcium carbonate (CaCO3) trong 1 lít nước, hợp chất phân
li thành các ion Ca2+ và CO32-, CO32- tiếp tục phân li thành HCO3- và
H2CO3 Thực tế không có CaCO3 tồn dư, vì vậy mặc dù ta thêm 1 mol CaCO3 vào dung dịch, dung dịch lại không chứa 1M chất này Tuy vậy,
ta vẫn có thể nói dung dịch chứa 1F CaCO3
Trang 103 Áp suất:
• Áp suất và tinh khiết của vật liệu:
- Đây cũng là yếu tố quan trọng tác động đến quá trình này Ảnh hưởng của áp suất (đối với chất khí)
- Theo định luật Henry: Ở nhiệt độ không đổi, lượng chất khí hoà tan trong một thể tích chất lỏng xác định tỉ lệ thuận với áp suất của nó trên
bề mặt chất lỏng Khi áp suất tăng thì độ tan của chất tan tăng lên còn khi áp suất giảm đi thì độ tan của chất khí cũng giảm
- Tuy nhiên định luật Henry chỉ đúng trong trường hợp các chất khí có
độ tan nhỏ trong điều kiện áp suất không quá cao
4 Môi trường xung quanh và trạng thái các chất:
- Ngoài ra, kết tinh còn bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường xung quanh và cả trạng thái của các chất Nếu dung dịch trong trạng thái quá bão hòa thì quá trình kết tinh sẽ diễn ra
- Với các dung dịch siêu bão hòa thì kết tinh sẽ không thể xảy ra Lúc này, chúng ta cần phải cho thể tinh thể hạt để thúc đẩy quá trình tạo mầm
5 Kích thước tinh thể:
- Kích thước: làm nhỏ kích thước tiểu phân sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc với dung môi do đó làm tăng tốc độ hòa tan của chất rắn
- Chất rắn có thể tồn tại ở dạng kết tinh hoặc vô định hình Độ tan của dạng vô định hình lớn hơn độ tan của chất ở dạng tinh thể do dạng kết tinh có cấu trúc mạng lưới tinh thể tương đối bền vững nên cần năng lượng để phá vỡ cấu trúc vì thế mà khả năng hoà tan khó hơn so với dạng vô định hình
- Tuy nhiên dạng tinh thể ổn định hơn so với dạng vô định hình và chất rắn ở dạng vô định hình có xu hướng chuyển về dạng tinh thể Với các chất khó tan thì nên chuyển về dạng vô định hình để tăng độ tan Dược chất không ổn định nhứng khó tan ở dạng tinh thể thì có thể thêm các chất làm tăng độ tan thích hợp
Trang 11➢ Ví Dụ:
- Kim cương và than chì là các chất rắn được cấu tạo từ cùng các nguyên
tử cacbon (C) nhưng có cấu trúc tinh thể khác nhau, nên chúng có tính chất không giống nhau Kim cương rất cứng và không dẫn điện; còn than chì khá mềm và dẫn điện
- Chất rắn có thể kết tinh ở hai dạng: vô định hình và tinh thể
1 Phân loại thiết bị:
- Thiết bị kết tinh có thể được chia thành 3 loại trong quá trình sử dụng:
+ Thiết bị kết tinh bằng làm lạnh dung dịch (liên tục)
+ Thiết bị kết tinh làm lạnh bằng không khí và nước (liên tục)
+ Thiết bị kết tinh chân không (gián đoạn)
2 Cấu tạo các loại thiết bị:
a Thiết bị kết tinh làm lạnh bằng không khí và nước:
Trang 12- Loại thiết bị đơn giản nhất là 1 thùng hở vuông, bên trong có treo những tấm bản hoặc sợi chỉ để cho hạt tinh thể bám vào đó Thiết bị này thuộc loại gián đoạn năng suất thấp
- Trong công nghiệp người ta thường dùng những loại thiết bị khác như thiết bị tháp gọi là tháp kết tinh, thiết bị kết tinh loại màng, thiết bị kết tinh thùng quay
- Loại thiết bị kết tinh thùng quay là thùng hình trụ tựa trên con lăn đỡ Thùng đặt với 1 góc nghiêng nhỏ Để giảm mất mát nhiệt người ta cách nhiệt cho thùng hay là đặt trong thùng vỏ, dể tránh hiện tượng tinh thể dính vào thành thùng người ta đặt ống hơi phía dưới thùng để trong trường hợ bị dính
Thiết bị kết tinh làm lạnh bằng không khí
b Thiết bị kết tinh chân không:
- Thiết bị này dùng phương pháp bốc hơi đoạn nhiệt trong chân không của một phần dung môi để làm lạnh để tạo độ bão hòa cho dung dịch + Áp dụng hiệu quả chỉ đối với cặp chất tan-dung môi có độ hòa tan thay đổi mạnh theo nhiệt đó
+ Hiệu suất lí thuyết của quá trình tỉ lệ thuận với độ chênh lệch giữa nồng độ nhập liệu vầ độ hòa tan của chất rắn ở nhiệt độ cân bằng
- Loại thiết bị có thùng nối với bơm chân không và thiết bị ngưng tụ Sau khi kết tinh ta tăng áp suất trong thiết bị đến áp suất thường rồi tháo tinh thể và nước cái
❖ Ưu điểm: