ĐỀ TÀI "Công nghệ sản xuất sorbitol" pdf

C«ng nghÖ s¶n xuÊt sorbitol








TS Vò ThÞ Thu Hµ
ViÖn Hãa häc C«ng nghiÖp

Hµ Néi - 6/2007





I. Mở đầu

Sorbitol là một loại đờng tự nhiên thuộc nhóm polyol và đợc chuyển
hoá thành fructoza trong cơ thể con ngời. Trong tự nhiên, ngời ta tìm thấy
chúng trong nhiều loại rau. Sorbitol có ứng dụng rộng rãi trong các ngành thực
phẩm, mỹ phẩm, y tế và các ứng dụng công nghiệp khác. Sorbitol đợc sản
xuất từ quá trình hydro hoá glucoza (sản phẩm của quá trình lên men tinh
bột).
Hin nay, mỗi năm nc ta sử dụng đến vài chục nghìn tấn sorbitol và
phi nhp ngoi hoàn toàn. Ngoài ra, trong chiến lợc phát triển ngành công
nghiệp Hoá dợc, Chính phủ có đề cập đến việc xây dựng nhà máy sản xuất
vitamin C sử dụng nguyên liệu sorbitol. Tn dụng ngun nguyên liu sn có
trong nc sn xut sorbitol phục vụ nhu cầu trong nớc, đồng thời làm
nguyên liệu cho nhà máy sản xuất vitamin C thì không những thay th c
nguyên liu nhp ngoi m còn có th có sn phm xut khu.
Vì lý do đó, trong khuôn khổ chuyên đề này, sẽ có phần trình bày các
công nghệ hydro hoá glucoza thành sorbitol trên thế giới, phân tích u nhợc
điểm và đề xuất các phơng án công nghệ tiến tiến và hiệu quả nhằm định
h
ớng công nghệ sản xuất sorbitol có độ sạch cao áp dụng ở Việt Nam. Phần
công nghệ lên men tinh bột (sắn, gạo ) để sản xuất glucoza sẽ không đợc đề

cập ở đây. Công nghệ này đã đợc nghiên cứu từ rất lâu ở Việt Nam và đã
đợc đa vào sản xuất công nghiệp với công nghệ sản xuất ngày càng đợc cải
tiến và hoàn thiện hơn.



3


II. Tổng quan về sorbitol, sản lợng và tình hình tiêu
thụ

Sorbitol (hay hexa-ancol, d-glucozahexitol, sorbite, sorbol, d-glucitol,
E420), là một loại đờng tự nhiên thuộc nhóm polyol và đợc chuyển hoá
thành fructoza trong cơ thể con ngời. Sorbitol đợc nhà hoá học ngời Pháp
Joseph Boussingault phân lập lần đầu tiên năm 1872 từ quả một loại lê [1].
Sorbitol có ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, mỹ phẩm, y tế và
các ngành công nghiệp khác. Sorbitol đợc sử dụng nh một chất làm ngọt có
hàm lợng calo thấp và là chất thay thế đờng cho ngời bị bệnh tiểu đờng.
Sorbitol đợc sử dụng để ngăn ngừa sự mất nớc của cơ thể và nhiều bệnh lý
khác, trong đó có các bệnh về tiêu hoá và bệnh mất trơng lực của túi mật.
Trong công nghiệp, sorbitol đợc sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất
vitamin C. Với ứng dụng là phụ gia thực phẩm, ngời ta tìm thấy sorbitol
trong rất nhiều loại thực phẩm nh bánh, kẹo, kem, xúc xích, kẹo cao
suTrong kem đánh răng, sorbitol (hàm lợng 70 %) chiếm 35 40 % [2].
Sorbitol có ứng dụng trong thành phần thuốc đánh răng là nhờ nó có những
tính chất đặc biệt, có vai trò nh một chất ổn định, chất giữ ẩm, chất làm dịu
vị, chất kháng khuẩn trong miệng. Sorbitol còn có trong thành phần của nhiều
mỹ phẩm chăm sóc sắc đẹp vì nó có tác dụng giữ ẩm và làm cho làn da trở nên
mềm mại và mịn màng [3]. Trong ngành sản xuất thuốc lá, sorbitol có tác

dụng ngăn ngừa sự vỡ vụn của sợi thuốc lá và là chất dịu vị trong thuốc lá
nhai. Ngoài ra, sorbitol còn có ứng dụng trong ngành tổng hợp polyme (nh
chất ổn định và chống oxy hoá), ngành chế biến polyme (chất dẻo hoá dùng
trong kỹ thuật đúc phun), ngành điện hoá và ngành dệt [4]. Bảng 1 tóm tắt các
ứng dụng đa dạng liên quan đến các đặc tính của sorbitol và Hình 1 biều diễn
thị trờng tiêu thụ sorbitol toàn cầu. Điều này giải thích vì sao rất nhiều ngành
công nghiệp có sự quan tâm đặc biệt đến sản l
ợng sorbitol [5].


4


Bảng 1 . Các tính chất và ứng dụng của sorbitol

Lĩnh
vực
Tính chất ứng dụng
Thực
phẩm
- Tăng thời gian bảo quản
- Làm dịu vị
- Giữ ẩm
- Làm ngọt
- Không ảnh hởng đến hàm lợng đờng
trong máu
- Không làm hỏng răng (không bị lên men)
Chế biến thực phẩm:
- Kẹo cao su
- Sôcôla

- Bánh mỳ
- Đồ uống
- Kem
Mỹ
phẩm
- Giữ ẩm
- Không làm hỏng răng
- Hoá dẻo
- Làm cho da mịn màng
- Sữa rửa mặt
- Kem đánh răng
- Bọt cạo râu

Dợc - Các tính chất sinh lý học
- Thay thế đờng cho ngời bị bệnh tiểu
đờng
- Chất nền
- Giữ ẩm
Có trong :
- Viên nén
- Viên nhộng
- Dịch nhũ tơng
- Siro chống ho
Công
nghiệp
- Hoá dẻo
- Làm dịu vị
- Bền nhiệt
- Bền với axit và bazơ
- Nhớt

- Giữ ẩm
- Tạo nhũ
- Tác nhân tạo phức càng cua với kim loại
nặng
- Nguyên liệu sản
xuất vitamin C
- Chất tẩy rửa
- Công nghiệp giấy,
vải, da
- Gelatin
- Keo dán
- Hạn chế sự oxy
hoá dầu bởi các
kim loại nặng
- Thuốc nổ
- Sơn và verni
- Polyuretan
- Este nhựa thông


5
Kem đánh răng 28%
Thực phẩm, bánh kẹo 35%
Vitamin C 10%
Mỹ phẩm 8%
Chất tẩy rửa 9%
Dợc phẩm
7%
Thị trờng tiêu thụ sorbitol ở Mỹ

Thị trờng tiêu thụ sorbitol ở châu Âu
Thực phẩm, bánh kẹo 28
%
Kem đánh răng,
mỹ phẩm 23%
Vitamin C 15%
Dợc phẩm 13%
Khác
7%
PU 7%
Chất tẩy rửa 6%

Thị trờng tiêu thụ sorbitol ở châu á
Kem đánh răng, mỹ phẩm 30%
Vitamin C 36%
Thực phẩm,
bánh k
ẹ
o
13%
Dợc phẩm 7%
Chất tẩ
y
rửa 8%
Khác
6%

Hình 1 . Thị trờng tiêu thụ sorbitol toàn cầu
(Llợc trính từ Sổ tay kinh tế về hoá chất, 8/2005)

6
Trên thế giới, công suất sản xuất hiện tại đối với sorbitol loại 70% đã
vợt quá 2 triệu tấn/năm, chủ yếu do một số nhà sản xuất dới đây
[6] (Bảng 2):

Bảng 2. Các nhà sản xuất sorbitol lớn trên thế giới

Nhà sản xuất Địa điểm nhà máy Công suất nhà máy (t/n)
Roquette Pháp
Trung Quốc
Hàn Quốc
300 000
160 000
20 000
Sorini Indonesia
Trung Quốc
156 000
120 000
ADM Mỹ 163 000
Cargill Đức 100 000
SPI Mỹ
Brazil
177 000
50 000
Shouguang Sơn Đông - Trung Quốc 150 000
Nikken Nhật Bản 90 000
Purechem Thái Lan 40 000

Hiện tại, các nhà máy sản xuất sorbitol trên thế giới đang chạy 2/3 công

suất thiết bị. ở châu á, sản lợng sorbitol theo lý thuyết là 1 triệu tấn/năm và
các nhà máy mới chạy khoảng 67% công suất của mình.
Trên thị trờng, sorbitol đợc bán dới dạng lỏng và rắn. Dới đây là một
số đặc tính của các dạng sorbitol thơng phẩm [7] (Bảng 3).


7
Bảng 3 . Đặc tính của các dạng sorbitol thơng phẩm

TT Thông số Đơn
vị
Đặc tính tiêu chuẩn

Lỏng Bột
1

2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Vẻ bề ngoài

D-Sorbitol

pH
Trọng lợng riêng
Đờng tổng
Đờng khử
Clo (Cl)
Sunfat (SO
4
)
Kim loại nặng (Pb)
Asen (As)
Độ ẩm
Chỉ số khúc xạ
-

%
-
g/ml
%
%
ppm
ppm
ppm
ppm
%
-
Siro trong suốt, gần nh
không màu
68,0-71,0
6,0-7,0 (dung dịch10%)
1,28-1,31

0,5 max
0,1 max
50 max
100 max
5,0 max
2,0 max
28,0-31,0
1,455-1,465
Bột màu trắng

96,0 min
5,0-7,0(dung dịch 1%)
1,45-1,50
0,5 max
0,15 max
100 max
150 max
8,0 max
3,0 max
1,0 max
-

Sorbitol dạng dung dịch có các ứng dụng sau đây :
- Chất thấm ớt trong kem đánh răng
- Chất đờng (calo thấp và không gây sâu răng) trong thực phẩm và bánh kẹo
- Chất làm mềm da trong mỹ phẩm
- Thành phần không phải đờng ăn trong một số công thức thực phẩm
- Chất ổn định cho các dung dịch huyền phù cho sản xuất thuốc chữa
bệnh và vitamin
Sorbitol dạng bột tinh khiết (hay sorbitol loại C), có các ứng dụng sau đây:

- Nguyên liệu lên men để sản xuất vitamin C

8
ở Trung Quốc, 55% sorbitol đợc sản xuất thành sorbitol loại C để làm
nguyên liệu sản xuất vitamin C cho 5 nhà sản xuất lớn cung cấp vitamin C cho
toàn thế giới với sản lợng khoảng 200. 000 tấn sorbitol C/năm.
ở Việt Nam, trong chiến lợc phát triển công nghiệp hoá Dợc, Chính
phủ có đề cập đến việc xây dựng nhà máy sản xuất vitamin C công suất 1.000
tấn/năm sử dụng nguồn nguyên liệu trong nớc. Vì thế, việc sản xuất sorbitol
loại C cũng cần thiết ở nớc ta.
- Làm chất nền cho sản xuất các chất tẩy rửa: Có nhiều nhà sản xuất este
sorbitan và este etoxylat trên thế giới dùng sorbitol C làm nguyên liệu
nền để sản xuất nhiều chất tẩy rửa loại không ion đặc biệt.
- Làm tá dợc sản xuất thuốc viên: nhu cầu sorbitol bột trong dợc phẩm
rất lớn, chủ yếu làm chất làm ngọt calo thấp hay làm tá dợc trong
thuốc viên. Sản phẩm sorbitol dạng bột có thị trờng rất tiềm năng với
lợi nhuận cao nhng sẽ đòi hỏi vốn đầu t lớn (chủ yếu cho tháp sấy
phun).
ở Việt nam, do không có thị trờng xác định cho các sản phẩm sorbitol
dạng bột nên trong báo cáo nghiên cứu tiền khả thi trình Tổng công ty Hoá
chất Việt Nam, Công ty Unilever Việt Nam đề nghị thiết kế nhà máy sản xuất
sorbitol chủ yếu dới dạng siro 70% cho đến khi thị trờng tiêu thụ loại
sorbitol bột phát triển rõ ràng. Tuy nhiên, trong thời gian chờ đợi thị trờng
phát triển, Viện Hoá học Công nghiệp đã và đang đầu t nghiên cứu và phát
triển công nghệ sản xuất sorbitol bột bằng phơng pháp sấy phun. Vì vậy,
trong chuyên đề này, ngoài việc tìm hiểu công nghệ hydro hoá glucoza thành
sorbitol, một số thông tin cơ bản liên quan đến công nghệ chế biến sorbitol
bột bằng phơng pháp sấy phun cũng sẽ đợc trình bày.
Hiện tại, giá bán sorbitol (loại không kết tinh dùng trong kem đánh răng)
ở châu á hầu nh không đổi và khá thấp. Ví dụ, giá sorbitol chào hàng (CIF)

tại cảng Sài Gòn của nhà sản xuất Sorini là 345 USD/tấn (đóng gói trong
thùng phuy) [7].
ở Việt Nam, chỉ riêng nhu cầu sử dụng dung dịch sorbitol 70 % làm
nguyên liệu sản xuất kem đánh răng tại nhà máy của Unilever Việt Nam
(ULVN) đã vào khoảng 10 000 tấn/năm và hiện đang phải nhập ngoại hoàn
toàn. ULVN thấy đợc cơ hội tăng sản lợng sản xuất kem đánh răng cho thị

9
trờng nội địa và xuất khẩu do ULVN giành đợc một số hợp đồng cung cấp
sản phẩm kem đánh răng cho một số công ty thuộc Unilever tại một số nớc
châu á. Vì vậy, kế hoạch tìm kiếm nguồn cung cấp sorbitol đáp ứng yêu cầu
20. 000 tấn/năm với giá rẻ hơn giá hiện tại đang đợc đặt ra.

III. Quá trình công nghệ hydro hoá glucoza thành
sorbitol

Phản ứng hydro hoá glucoza thành sorbitol là phản ứng toả nhiệt nhẹ. Về
mặt nhiệt động học, phản ứng hydro hoá glucoza thành sorbitol xảy ra hoàn
toàn tại 150C.
Trên thực tế, ngời ta thờng tiến hành phản ứng ở 100 - 140C dới áp
suất hydro trong khoảng 10 - 125 atm [8]. Độ chuyển hoá và chọn lọc của quá
trình thờng rất cao. Sản phẩm phụ của quá trình là axit glucozanic (tạo thành
bởi phản ứng Cannizaro) và mannitol (tạo thành bởi quá trình epime hoá
sorbitol).

HOOH
OHHO
O
HO
HOOH

OHHO
HO
HO
D-Glucoza
Sorbitol
HOOH
HOOOH
HO
HO
Axit
g
luconic
Man ni tol
HOOH
HO OH
HO
HO
H
2
Xúc tác


Xúc tác truyền thống cho quá trình hydro hoá glucoza thành sorbitol là
xúc tác Ni-Raney hoặc Ni hoạt tính mang trên chất mang. Gần đây, hệ xúc tác
Ru trên các chất mang khác nhau đã dần dần thay thế hệ xúc tác Ni vì hệ xúc

10
tác Ru có nhiều u điểm hơn. Với xúc tác thế hệ mới Ru/C, có thể tiến hành
phản ứng hydro hoá trong điều kiện không quá khắc nghiệt mà vẫn đạt hiệu
suất trên 99%. Hơn nữa, các chất xúc tác thế hệ mới không bị tan vào môi

trờng phản ứng làm cho tuổi thọ của xúc tác kéo dài đồng thời quá trình tinh
chế sản phẩm trở nên đơn giản hơn rất nhiều.
Trên thế giới hiện nay tồn tại 2 dạng công nghệ, công nghệ gián đoạn và
công nghệ liên tục. Bảng 4 phân loại các công nghệ hydro hoá glucoza thành
sorbitol.

Bảng 4 . Các công nghệ hydro hoá glucoza thành sorbitol

Công nghệ Trạng thái của
xúc tác
Xúc tác Thiết bị
hydro hoá
Mức độ
tiên tiến
Gián đoạn
Xúc tác ở dạng
huyền phù trong
dung dịch glucoza
Ni-Raney Thiết bị chịu
áp có khuấy
Truyền
thống
Xúc tác ở dạng
huyền phù trong
dung dịch glucoza
Ni-Raney
hoặc Ni/chất
mang, hoặc
Ru/C
ống phản ứng

chịu áp nối
tiếp nhau
Tiên tiến
Liên tục
Xúc tác ở dạng lớp
cố định trong ống
phản ứng
Ru/C
ống phản ứng
trickle-bed, có
lới đỡ xúc tác
Tiên tiến
nhất

III.1. Các quá trình gián đoạn
Trên 80% quá trình sản xuất sorbitol trên thế giới dựa trên quá trình gián
đoạn. So với quá trình liên tục, công nghệ gián đoạn có các u điểm là có độ
mềm dẻo cao tức là có thể thay đổi nguồn nguyên liệu theo từng mẻ.
Các thông số chính của quá trình (đợc công bố trên tài liệu) nh sau :
- Dung dịch glucoza: 40 50 %
- Xúc tác: Ni-Raney
- Nhiệt độ: 120 150C

11
- áp suất hydro : 30 100 bar (29,6-98,7 atm)
- Khối lợng xúc tác/glucoza : 3-6%
- pH: 5-6
- Thời gian phản ứng: 2-4 giờ
Các quá trình trên cho phép chuyển hoá nguyên liệu glucoza (độ tinh
khiết 98,5 - 99,5% với hiệu suất sorbitol nằm trong khoảng 97- 98%. Siro

sorbitol đợc lọc đợc làm sạch bằng nhựa trao đổi ion và than hoạt tính.
Sau đây là một số công nghệ gián đoạn sản xuất sorbitol trên thế giới.

Công nghệ Itali Progetty Impianti Chimici-PIC s.r.l [9]

Dung dịch D-glucoza sạch và xúc tác đợc trộn trong thùng chứa nguyên
liệu. Hỗn hợp tạo thành đợc bơm theo từng mẻ vào thiết bị phản ứng hydro
hoá. Quá trình hydro hoá D-glucoza đợc tiến hành ở áp suất khoảng 30 bar
(29,6 atm) và điều kiện nhiệt độ mềm.
Bên trong thiết bị phản ứng đợc thiết kế để đảm bảo có sự tiếp xúc tốt
nhất giữa hai pha lỏng-khí. Điều đó là cần thiết để phản ứng xảy ra hoàn toàn
trong một thời gian ngắn. Nhiệt của phản ứng đợc tải ra bằng hệ thống làm
lạnh gián tiếp. Sau khi mẻ phản ứng kết thúc, thiết bị đợc xả áp.
Xúc tác đợc tách khỏi dung dịch sorbitol đi ra từ thiết bị phản ứng nhờ
thiết bị lọc.
Sau khi lọc, siro sorbitol đợc đa tới hệ thống tinh chế để loại bỏ vết các
hợp chất không mong muốn.
Sản phẩm nhận đợc là dung dịch sorbitol 50%. Dung dịch này sẽ đợc
dùng trực tiếp làm nguyên liệu cho các quá trình chế biến tiếp theo không cần
cô đặc (ví dụ, làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất axit ascorbic (vitamin
C)). Khi sorbitol đợc ứng dụng trong ngành mỹ phẩm ( ví dụ kem đánh
răng), hay trong sản xuất thực phẩm, đồ uống thì dung dịch sorbitol phải đợc
làm đặc tới 70%. Quá trình cô đặc xảy ra khi gia nhiệt siro sorbitol trong chân
không ở thiết bị cô đặc một giai đoạn.


12
Yêu cầu vận hành
Công suất của dây chuyền sản xuất khá đa dạng và đợc thiết kế theo yêu
cầu. Dới đây là mức tiêu hao nguyên liệu và các chất phụ trợ cụ thể của một

dây chuyền đang sản xuất sorbitol theo công nghệ PIC (Bảng 5).

Bảng 5 . Chỉ tiêu tiêu hao nguyên liệu và năng lợng cho 1 tấn sorbitol thành
phẩm dựa trên 100% chất khô
STT Nguyên liệu và phụ trợ
Đơn
vị
Chỉ tiêu tiêu hao
1
Nguyên liệu
D-glucoza
Hydro

Kg
Nm
3

1.010
135
2
Xúc tác
kg 0,1
3
Hoá chất
Dung dịch NaOH (quy về 100%)
Dung dịch HCl (quy về 100%)
Peroxit hữu cơ
NaCl

kg

kg
kg
kg

5,0
3,0
5,0
10,0
4
Phụ trợ
Nớc làm lạnh
Nitơ
Hơi nớc
Điện
Khí phục vụ đo lờng

m
3
Nm
3
Kg
kWh
Nm
3

80
20
900
300
70

Dung dịch sorbitol thành phẩm của dây chuyền có nồng độ 50 % trọng
lợng. Công suất của dây chuyền là 33 tấn dung dịch/ngày (9.000-10-000
tấn/năm).

Công nghệ của Lurgi Life Science LLS [10]
Hãng Lurgi Life Science đa ra công nghệ dựa trên việc sử dụng xúc tác
Ni- Raney hoặc xúc tác Ru/C.

Đặc trng của quá trình Ru/C
- Chi phí đầu t thấp
- Hoạt tính xúc tác cao, tốc độ chuyển hoá cao
- Tỷ lệ nớc thải giảm

13
- Chất thải rắn giảm (không cần thiết bị lọc)
- Có thể tái sinh và sử dụng tuần hoàn xúc tác
- Dễ dàng cân đối xúc tác bổ xung và xúc tác cũ
- Không tạo ra nhiều axit glucozanic
- Thích hợp cho mọi phẩm cấp sorbitol (thực phẩm, dợc phẩm, kết
tinh, không kết tinh) phù hợp theo tiêu chuẩn UPS, BP, JIS, DAB
Mô tả quá trình
Hình 2 mô tả sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị hydro hoá theo công
nghệ LLS.
Trớc khi đa nguyên liệu vào thiết bị phản ứng, pH dung dịch nguyên
liệu (glucoza) đợc điều chỉnh trong thùng cấp nguyên liệu. Giá trị pH là một
thông số quan trọng ảnh hởng tới quá trình phản ứng. Độ axit cao sẽ sẽ làm
ảnh hởng tới hoạt tính của xúc tác, đặc biệt là xúc tác Ni-Raney. Thông
thờng dung dịch sau phản ứng có tính axit nhẹ.

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hệ thiết bị hydro hoá theo công nghệ của LLS

Sorbitol đợc sản xuất theo mẻ trong thiết bị hydro hoá. Khí hydro đợc
đa vào tiếp xúc với huyền phù glucoza và xúc tác. Phản ứng toả nhiệt diễn ra
ở áp suất lớn nhất là 40 bar (39,5 atm) và nhiệt độ 100 - 140C trong thiết bị.
Hệ thống làm lạnh giữ cho mức nhiệt độ ổn định.

14
Sau khi kết thúc phản ứng, dung dịch sorbitol thô có lẫn chất xúc tác
(dạng huyền phù) đợc tháo qua thùng xả áp để chuyển đến thùng lọc.
Sau khi lọc bằng thiết bị lọc cơ học, chất xúc tác đợc tuần hoàn trở lại
thiết bị phản ứng. Đối với xúc tác Ru/C, không cần trang bị thiết bị lọc tinh.
Xúc tác mới bổ sung và xúc tác cũ lấy ra từ thiết bị lọc đợc cân đối nhờ bộ
phận điều khiển. Hầu hết các công đoạn đợc thực hiện tự động.
Trong trờng hợp sử dụng xúc tác Ni-Raney, dung dịch sorbitol thô trong
thùng lọc còn chứa một phần xúc tác Ni-Raney. Phần còn lại đợc giữ lại
trong thiết bị phản ứng sau khi để lắng. Xúc tác lơ lửng sẽ đợc loại nhờ quá
trình lọc cơ học và đợc tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng. Dịch lọc sorbitol
đợc chuyển qua thùng chứa dịch lọc. Phần Ni tan trong nớc lọc sẽ đợc bù
bởi xúc tác mới.
Tiếp theo quá trình lọc là quá trình trao đổi ion trong thiết bị trao đổi ion.
Các tạp chất trong nớc lọc đợc khử khoáng và khử axit bằng nhựa trao đổi
ion vận hành theo nguyên tắc lọc kép. Sau đó, dung dịch đã khử khoáng đợc
cô đặc trong thiết bị cô đặc.
Chỉ tiêu tiêu hao
Bảng 6 sau đây đa ra chỉ tiêu tiêu hao nguyên liệu và năng lợng để sản
xuất 1 tấn dung dịch sorbitol 70 % (trọng lợng).
Bảng 6 . Chỉ tiêu tiêu hao nguyên liệu và năng lợng

Nguyên liệu, năng lợng Đơn vị đo Số lợng
Glucoza (quy khô, hàm lợng 100 %)
Hydro

Xúc tác :
- Hoặc Ni-Raney
- Hoặc Ru/C
Hơi áp suất thấp
Nớc khử ion
Điện năng
kg
Nm
3

kg
kg
kg
m
3
kWh
715 730
100

0,8
0,18
560 630
1,5 2,8
30 - 40


15

Công nghệ Sorini [7]
Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ Sorini sản xuất sorbitol từ

glucoza đợc trình bày trong Hình 6. Phần trong khung chấm chấm là các
thiết bị xử lý và tinh chế sản phẩm.
Trớc tiên, dung dịch glucoza thu đợc từ quá trình lên men tinh bột
đợc chuyển vào thiết bị phản ứng. Chất xúc tác sử dụng trong quá trình này
là Ni-Raney, nhiệt độ phản ứng là 140 160C, áp suất khí H2 là 40 60 bar
(39,5-59,2 atm) và thời gian phản ứng là 3,5 4 giờ. Hỗn hợp sau phản ứng sẽ
đợc làm sạch, sau đó chuyển sang bồn lọc. Chất xúc tác sau lọc sẽ đợc hoạt
hoá để tái sử dụng.
Dung dịch sorbitol sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng đợc khử màu bằng
than hoạt tính rồi đợc trao đổi ion để loại bỏ tạp chất, các axit amin, các cặn
glucozanat, v.v Nhựa trao đổi ion (cả anion và cation) thờng là nhựa của
hãng Rohm & Haas, với tên thơng phẩm là IRA, 29, 120 và 910 cộng thêm
AMP 200.

Hình 6. Sơ đồ nguyên lý quá trình hydro hoá gián đoạn

16
III.2. Quá trình liên tục
Công nghệ hydro hoá liên tục glucoza thành sorbitol đợc phân thành 2
loại: công nghệ sử dụng xúc tác dạng huyền phù trong dung dịch glucoza và
công nghệ sử dụng xúc tác ở dạng lớp cố định trong thiết bị phản ứng dạng
dòng liên tục [11-18].
Trong trờng hợp đầu tiên, ngời ta có thể sử dụng xúc tác xúc tác Ni
mang trên chất mang hoặc xúc tác Ru/C, và sau quá trình phản ứng cần phải
tiến hành công đoạn xử lý sản phẩm. Trong trờng hợp sau, ngời ta sử dụng
xúc tác Ru/C và không cần giai đoạn tinh chế sản phẩm. Gần 20% sản lợng
sorbitol trên thế giới đợc sản xuất theo công nghệ liên tục sử dụng xúc tác
huyền phù.
Quá trình hydro hoá liên tục glucoza sử dụng xúc tác dạng lớp cố định để
sản xuất sorbitol là công nghệ tiên tiến nhất, cho hiệu suất cao nhng còn khá

mới mẻ nên cha đợc ứng dụng đại trà trên thế giới. Lý do chính là do các
nhà đầu t không muốn bỏ công nghệ truyền thống họ đang áp dụng để đầu t
xây dựng dây chuyền công nghệ mới. Họ thích chọn hớng cải tiến công nghệ
truyền thống hơn là hớng áp dụng công nghệ mới. Vì thế, công nghệ hydro
hoá liên tục glucoza sử dụng xúc tác dạng lớp cố định thờng đợc khuyên
dùng đối với các nhà máy xây mới. Thực tế, hiện nay công nghệ này đã đợc
áp dụng tại các cơ sở sản xuất của Roquette (Pháp).
Hình 7 là sơ đồ nguyên lý của hệ thống thiết bị hydro hoá glucoza theo
công nghệ liên tục với lớp xúc tác cố định. Một số ảnh kèm theo là hình ảnh
một số thiết bị chính trong hệ [19].


17


Hình 7. Sơ đồ nguyên lý và một số hình ảnh thiết bị phản ứng

Hệ thống gồm các phần chính sau đây:
- Hệ thống nạp liệu: gồm có hệ thống nạp glucoza (bình chứa dung dịch
glucoza 40%, bơm cao áp, các đờng ống và van) và hệ thống cung cấp
hydro (gồm máy nén khí H
2
nguyên liệu make up và máy nén khí
hydro hồi lu)
- Hệ thống tiền gia nhiệt: gia nhiệt glucoza trớc khi đa vào thiết bị
phản ứng
- Hệ thống phản ứng: gồm ống phản ứng bằng thép không gỉ đợc gia
nhiệt bằng điện (chia thành các vùng độc lập) với hệ thống điều khiển
nhiệt độ đảm bảo nhiệt độ đồng đều trong toàn bộ ống phản ứng. Đáy
ống phản ứng đợc trang bị lới đỡ xúc tác còn đỉnh thì đợc trang bị

18
bộ phận phân phối đặc biệt đảm bảo sự phân phối một cách hiệu quả
hỗn hợp khí/lỏng qua lớp xúc tác.
- Hệ thống thu hồi sản phẩm: bao gồm thiết bị làm lạnh sản phẩm mà
nhiệt thu đợc từ quá trình đó đợc tận dụng để tiền gia nhiệt hỗn hợp
phản ứng, thiết bị tách khí lỏng ở áp suất cao và thiết bị tách khí lỏng ở
áp suất thấp, van lấy sản phẩm tự động và thùng chứa sản phẩm.
- Hệ thống phân tích chất lợng sản phẩm: máy sắc ký HPLC
Khí hydro cung cấp cho hệ thống có thể đến từ 2 nguồn: bình khí hydro
hoặc máy sinh khí hydro. Glucoza có thể đợc sản xuất từ quá trình lên men
tinh bột, thờng là tinh bột sắn.
Đặc điểm nổi bật của công nghệ này là không cần hệ thiết bị xử lý và
tinh chế sản phẩm, bởi vì sản phẩm khi ra khỏi thiết bị phản ứng đã không bị
nhiễm bẩn nh trong trờng hợp sử dụng xúc tác trên cơ sở Ni.
III.3. Phân tích các quá trình công nghệ áp dụng
Qua việc tìm hiểu các công nghệ và xúc tác sử dụng cho quá trình hydro
hoá glucoza thành sorbitol, chúng ta có thể nhận thấy các u, nhợc điểm của
các quá trình công nghệ hiện hành.
Bảng 7 và hình 8 tóm tắt một số u, nhợc điểm chính của ba công nghệ.
Bảng 7: So sánh các công nghệ hydro hoá glucoza đang hiện hành

Công nghệ gián đoạn
Công nghệ liên tục với
lớp xúc tác huyền phù
Công nghệ liên tục với
lớp xúc tác cố định
Độ mềm dẻo cao
vì có thể thay đổi
nguồn nguyên liệu

theo từng mẻ
Công suất thấp
Kém mềm dẻo
hơn


Công suất cao
Chỉ có thể thay đổi
nguồn nguyên liệu
khi chạy hết vòng
đời của xúc tác
Công suất cao

19
Thiết bị phản ứng
có thể tích lớn và
đắt tiền
Quá trình lọc, rửa
xúc tác, tinh chế
sản phẩm rất phức
tạp
Tiêu hao nguyên
liệu và năng lợng
cao
Chi phí nhân công
cao
Chi phí sản xuất
cao
Có rất nhiều chất
thải rắn và lỏng

cần đợc xử lý
Thiết bị phản ứng
nhỏ, gọn

Quá trình lọc,
rửa xúc tác, tinh
chế sản phẩm
phức tạp
Tiêu hao nguyên
liệu và năng
lợng thấp
Chi phí nhân
công thấp
Chi phí sản xuất
cao
Có nhiều chất
thải rắn và lỏng
cần đợc xử lý
Thiết bị phản ứng
nhỏ, gọn

Không cần lọc, rửa
xúc tác. Không
cần tinh chế sản
phẩm
Tiêu hao nguyên
liệu và năng lợng
thấp
Chi phí nhân công
thấp

Chi phí sản xuất
thấp
Không có chất thải

Công nghệ gián đoạn và CN liên
tục với xúc tác huyền phù
Công nghệ liên tục với lớp xúc tác
cố định
Hình 8: Các công đoạn chính trong quá trình sản xuất sorbitol

20
Từ các so sánh trên, dễ dàng nhận thấy công nghệ liên tục sử dụng xúc
tác ở dạng lớp cố định có nhiều u điểm hơn hẳn hai công nghệ còn lại.
Không những thế, các u điểm này lại là các tiêu chí quan trọng nhất, có tính
chất quyết định hiệu quả của quá trình sản xuất. Chẳng hạn, quá trình công
nghệ liên tục với lớp xúc tác cố định có hệ thống thiết bị nhỏ gọn, không cần
hệ thống thiết bị xử lý và tinh chế sản phẩm, chi phí nhân công, tiêu hao
nguyên liệu và năng lợng thấp dẫn đến chi phí sản xuất thấp. Ví dụ, đối với
nhà máy công suất 20. 000 tấn/năm, công nghệ gián đoạn cần thiết bị phản
ứng có thể tích phản ứng là 13 m
3
(thể tích tổng là 16 m
3
) nhng công nghệ
liên tục sử dụng lớp xúc tác cố định chỉ cần thiết bị phản ứng có thể tích lớp
xúc tác là 2,5 m
3
(thể tích tổng khoảng 7,5 m
3
).

Một điều cần đặc biệt lu ý là công nghệ gián đoạn và công nghệ liên tục
sử dụng xúc tác Ni-Raney tạo ra rất nhiều chất thải rắn và lỏng cần đợc xử lý
trong khi công nghệ liên tục với lớp xúc tác cố định không có chất thải.
Bảng 8 so sánh u, nhợc điểm của hai loại xúc tác hiện hành.

Bảng 8. So sánh hai loại xúc tác hiện hành

Xúc tác Ni-Raney Xúc tác Ru/C
Hoạt tính và độ chọn lọc cao
(98% và 98,8%)
Xúc tác nhanh bị giảm hoạt tính
Pha hoạt tính bị tan vào môi
trờng phản ứng làm giảm hoạt
tính xúc tác và nhiễm bẩn sản
phẩm
Bảo quản xúc tác Ni-Raney rất
phức tạp vì nó bắt cháy khi tiếp
xúc với không khí
Giá xúc tác Ni-Raney cha xử
lý bởi kiềm đặc (hợp kim Al-
Ni) thấp (28 000 USD/tấn)
Hoạt tính và độ chọn lọc cao hơn
(99,9% và 99%)
Xúc tác rất bền (tuổi thọ cao)
Pha hoạt tính không bị tan vào
môi trờng phản ứng. Sản phẩm
có độ sạch siêu cao (không cần
qua quá trình xử lý)
Xúc tác Ru/C rất dễ bảo quản

Giá xúc tác Ru/C cao (70 000
USD/tấn)


21
Thật dễ dàng nhận ra xúc tác Ru/C u việt hơn hẳn xúc tác truyền thống
Ni-Raney cả về hoạt tính, độ chọn lọc và độ bền. Hơn nữa, xúc tác Ru/C
không bị tan vào môi trờng phản ứng trong khi xúc tác Ni-Raney bị tan ra
làm nhiễm bẩn sản phẩm. Trớc khi đa vào thiết bị phản ứng, xúc tác Ni-
Raney cần đợc bảo quản trong các điều kiện rất nghiêm ngặt, tuyệt đối
không đợc để tiếp xúc với không khí vì nó dễ dàng bắt cháy trong không khí.
Ngợc lại, việc bảo quản xúc tác Ru/C rất dễ dàng vì nó đã đợc thụ động hoá
lớp bề mặt ngoài ngay sau khi điều chế.
Mặc dù Ni-Raney rẻ hơn Ru/C nhng nếu tính chi phí xúc tác để sản
xuất 1 tấn sorbitol thì công nghệ sử dụng xúc tác Ru/C vẫn hiệu quả hơn. Ví
dụ: theo số liệu do Lurgi công bố, để sản xuất 1 tấn sorbitol 70% cần 0,8 kg
Ni-Raney (tức là cần ít nhất là 22,4 USD chi phí cho xúc tác) trong khi sử
dụng xúc tác Ru/C sẽ cần 0,18 kg (với hàm lợng Ru 1,5%) tức là cần 12,6
USD chi phí cho xúc tác.

III.4. Quá trình chế biến và bảo quản sản phẩm

III.4.1. Sorbitol dạng dung dịch
Sản phẩm sorbitol thu đợc sau quá trình phản ứng có nồng độ 40%
trọng lợng. Để có thể thơng mại hoá sản phẩm, cần tiến hành quá trình cô
đặc để nâng nồng độ sorbitol lên 68 71%.
Trong công nghiệp, ngời ta thờng sử dụng thiết bị cô đặc tuần hoàn
cỡng bức (Hình 9). Trong thiết bị này, dòng chất cần cô đặc đợc bơm từ
dới lên qua các ống hoặc tấm. ở phía ngoài các ống, ngời ta thờng sử

dụng hơi nớc để gia nhiệt. Nhờ đó, bề mặt gia nhiệt trong hệ thống tăng
lên nhng bề mặt hoá hơi thì vẫn bị hạn chế vì các ống (hoặc tấm) vẫn chứa
đầy chất lỏng. Vì vậy chất lỏng trong ống trở nên quá nhiệt. Chỉ đến khi
chất lỏng tràn qua đỉnh ống, hơi mới thoát ra đợc và nhiệt độ chất lỏng
giảm đi. Để tách chất lỏng và hơi, ngời ta thờng sử dụng thiết bị tách ly
tâm. Để có đợc độ bay hơi nh mong muốn, chất lỏng đ
ợc hồi lu trong
hệ thống. Vì vậy, nồng độ của sản phẩm đợc kiểm soát bởi lợng chất cô
đặc đợc tháo khỏi thiết bị.

22


Hình 9. Sơ đồ nguyên lý thiết bị cô tuần hoàn cỡng bức

III.4.2. Soritol dạng bột
Sorbitol bột đợc điều chế theo hai phơng pháp:
- Phơng pháp kết tinh bằng cách sử dụng thiết bị phun kết hợp làm
lạnh [20].
- Phơng pháp sấy phun [21].
Các sản phẩm sấy phun của các loại đờng rợu có hàm lợng calo thấp
nh sorbitol và xylitol có giá trị ứng dụng rất cao vì chúng có những tính chất
rất thích hợp cho việc sản xuất viên nén và có tính tan rất cao. Ví dụ, viên nén
sorbitol điều chế từ nguyên liệu sorbitol thu đợc bằng phơng pháp sấy phun
có các tính chất sau:
- Nhiệt độ chảy là 96C
- Trọng lợng riêng đống (theo DIN 53 912) là 0,3 0,6 g/ml
- Lợng gamma-sorbitol ít nhất là 90 %
- Bề mặt riêng BET là 0,7 1,5 m
2

/g
- Độ bền liên kết ít nhất là 7N/m
2
với lực nén là 10 000 N

23
- Bị vỡ vụn dới 1 % với lực ép viên ít nhất là 10 000 N
Kết quả nghiên cứu cho thấy sorbitol thu đợc bằng phơng pháp sấy
phun phù hợp với quá trình nén trực tiếp hơn sorbitol thông thờng thu đợc
bằng phơng pháp kết tinh. Thông thờng, trong sản phẩm của quá trình
hydro hoá xúc tác glucoza, thờng có một lợng lớn đồng phân lập thể hexitol
đợc tạo ra. Thành phần đồng phân có thể do nguyên liệu đầu hoặc do điều
kiện hydro hoá. Sự có mặt của một lợng dù rất nhỏ đồng phân idiol, galactiol
hoặc talitol sẽ hạn chế khả năng chịu nén của sorbitol. Do đó, lợng các đồng
phân trên có mặt nhiều nhất chỉ nên khoảng 1 %.
Viên nén sorbitol thu đợc từ nguyên liệu sorbitol sấy phun có một số u
điểm so với các phơng pháp đã đợc biết trớc đây. Với nguyên liệu này,
viên nén với lực nén 10 000 N, có đờng kính 10 mm, khối lợng 0,3 g có thể
chịu đợc khoảng 7 N/mm
2
, với lực ép viên 20. 000N có thể chịu đợc 11
N/mm
2
. Với viên nén sorbitol thu đợc từ nguyên liệu sorbitol tinh thể, độ bền
liên kết chỉ khoảng 2,5 N/mm
2
với lực ép viên 10. 000 N và chỉ có thể tăng lên
5 N/mm
2
với lực ép viên 20. 000 N. Các viên nén sorbitol thu đợc từ nguyên

liệu sorbitol sấy phun có độ bền mài mòn ít hơn 1 % với lực ép viên 10. 000 N
và giảm xuống 0,2 0,3 % với lực ép viên từ 15. 000 N trở lên. Trong khi đó,
các dạng sorbitol khác có độ bền mài mòn hơn 6 % với lực ép viên 10. 000 N
và chỉ giảm xuống 5 % với lực ép viên lớn hơn 15. 000 N. Nh vậy, nhờ
phơng pháp điều chế sorbitol bằng kỹ thuật sấy phun, các máy ép viên dùng
để sản xuất viên nén có thể vận hành ở lực nén tơng đối thấp.
Chính nhờ có bề mặt không đồng đều nên sorbitol sản xuất theo phơng
pháp sấy phun có thể kết hợp đợc với một lợng phụ gia (ví dụ: bột ca cao,
màu và các phụ gia khác) khá lớn. Khả năng hấp phụ của sorbitol thu đợc
theo phơng pháp này cao hơn nhiều so với các loại sorbitol nén viên khác.
Thậm chí với một lợng lớn chất phụ gia (chiếm hơn 20 % trọng lợng) vẫn
thu đợc hỗn hợp đồng đều và viên nén đợc sản xuất từ hỗn hợp này vẫn có
vẻ bề ngoài đồng nhất.
Với phơng pháp điều chế đặc biệt nh kỹ thuật sấy phun dung dịch, có
thể phân bố các phụ gia tan trong nớc nh màu, vitamin và các hợp chất
tơng tự một cách hoàn toàn đồng đều trong sorbitol hoặc trong các sản phẩm

24
viên nén đợc sản xuất từ sorbitol. Trong khi đó các viên nén thu đợc bằng
cách trộn màu vào sorbitol tinh thể trớc khi ép viên có các vệt màu lốm đốm
trên bề mặt.
Tuy có nhiều u điểm nh vậy, nhng việc sản xuất sorbitol bằng phơng
pháp sấy phun không phải là đơn giản. ở trạng thái bình thờng, dung dịch
sorbitol đậm đặc có độ nhớt rất cao và đòi hỏi một khoảng thời gian kết tinh
rất lâu. Hơn nữa, nhiệt độ nóng chảy của loại đờng này thờng thấp hơn
100C. Vì vậy, không thể sấy phun sorbitol bằng các hệ thống sấy phun thông
thờng mà cần phải sấy bằng những hệ thống sấy phun hai giai đoạn, có khả
năng sấy khô ở nhiệt độ thấp. Đây là hệ thống sấy phun công nghiệp thành
công nhất để xử lý các sản phẩm này. Hệ thống này có thể sấy đợc những sản
phẩm có tính chất giữ ẩm, dạng nhiệt dẻo và có khả năng kết tinh chậm đồng

thời có trạng thái vật liệu trung gian sền sệt ở nhiệt độ sấy thấp hơn nhiệt độ
sấy có thể đạt đợc của các thiết bị sấy phun thông thờng.
Hình 10 là sơ đồ nguyên lý mô tả hoạt động của thiết bị sấy phun hai giai
đoạn.

Hình 10. Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy phun hai giai đoạn

25
Hệ thống sử dụng vòi phun trong tháp đồng dòng. Các hạt sản phẩm
đợc sấy đến gần khô trong buồng sấy chính (buồng 1) sẽ rơi xuống một băng
tải chuyển động (dới dạng lớp vật liệu xốp kết tụ). Khí từ buồng sấy chính sẽ
đi xuyên qua băng tải chứa vật liệu này trớc khi thoát ra ngoài qua xyclon
(vùng băng tải ngay dới buồng sấy gọi là vùng lu sản phẩm). Sau đó, vật
liệu đợc tải từ từ qua vùng sấy bổ sung (post-drying, buồng 2 và 3). Quá trình
làm lạnh và đóng gói đợc tiến hành trong buồng 4 bằng cách sử dụng khí khô
đợc làm lạnh nếu cần thiết.

III.5. Một vài ví dụ về chi phí đầu t vốn [7]
Chi phí đầu t dự tính thay đổi rất lớn tuỳ thuộc vào nguồn gốc của thiết
bị nhà máy, chi phí giá đất tại chỗ và chi phí lắp đặt, hạ tầng,v.v Sau đây là
một số ví dụ tham khảo về một số dự án vừa đầu t.
1. Công ty Global Bio-chem Technology Group tuyên bố vào tháng
11/2004 đã ký hợp đồng liên doanh với công ty Mitsui & Co., Ltd.,
Mitsui & Co., (H.K.) Ltd. và Nikken Fine Chemicals Co. Ltd. (tất cả
của Nhật Bản) cho một nhà máy sản xuất sorbitol tại Trung Quốc với
công suất thiết kế khoảng 60. 000 tấn sorbitol 70%/năm. Tổng vốn đầu
t cho dự án là 15 triệu USD.
2. LG đã xây dựng nhà máy tại Lianyungang, tỉnh Giang Tây (Trung
Quốc) năm 1998 1999 với thiết bị từ Mỹ, công suất 20. 000 tấn/năm.
Chi phí đầu t khoảng 15 triệu USD. Nhà máy này sau đó đợc bán cho

Roquette, Pháp và Roquette đã đầu t nâng công suất lên 100. 000
tấn/năm.
3. Nhà máy Khalista (của Sorini) với công suất thiết kế 40 000 tấn/năm tại
tỉnh Liễu Châu (Trung Quốc) có chi phí đầu t thông báo là 28 triệu
USD.
4. Nhà máy Purechem ở Thái Lan đợc mở rộng nhiều lần với công suất
hiện tại khoảng 40.
000 tấn/năm có chi phí tổng cộng qua các giai đoạn
là 29 triệu USD

26