tính toán khối lượng chitosan thu hồi

I. GIỚI THIỆU VỀ CHITOSAN:
1. Giới thiệu chung về Chitozan:
Chitozan là một polymer sinh học với các đơn phân N-acetyl glucosamine được
deacetyl hóa một phần. Phần lớn lượng chitosan hiện nay được thu nhận và sử
dụng chủ yếu từ quá trình deacetyl hóa chitin, thành phần chính trong bộ xương
ngoài của động vật giáp xác như tôm, cua hay mực.
Chitosan là dẫn xuất của polymer chitin, sản phẩm phụ trong quá trình chếb iến thủy sản
đặc biệt là tôm và ghẹ. Đầu tôm chiếm khoảng 35-50% tổng trọng lượng Tỉ lệ chitin
trong khối lượng chiếm tới 60-70% và khi sản xuất chitosan được 15-20%. Vỏ tôm chứa
protein (25-40%), chitin (15-20%) và calcium carbonate (45-50%) (Marganof, 2003).

Chitin chitosan
2 Công thức cấu tạo của chitin và chitozan:
3. Ứng dụng của chitozan:
chitozan có nhiều ứng dụng trong các ngành nông nghiệp, công nghiệp, thực
phẩm, y dược và môi trường.
3.1 trong công nghiệp:
từ chitozan có thẻ tạo ra vải col, vải chịu nhiệt, cống thấm….
3.2 Trong nông nghiệp và công nghệ thực phẩm:
Chitosan và các dẫn xuất của chúng đều có tính kháng khuẩn, như ức chế hoạt
động của một số loại vi khuẩn như E.Coli, diệt được một số loại nấm hại dâu tây,
cà rốt, đậu và có tác dụng tốt trong bảo quản các loại rau quả có vỏ cứng bên ngoài
Khi dùng màng chitosan, dễ dàng điều chỉnh độ ẩm, độ thoáng không khí cho thực
phẩm (Nếu dùng bao gói bằng PE thì mức cung cấp oxy bị hạn chế, nước sẽ bị
ngưng đọng tạo môi trường cho nấm mốc phát triển)
Màng chitosan cũng khá dai, khó xé rách, có độ bền tương đương với một số chất
dẻo vẫn được dùng làm bao gói.
Màng chitosan làm chậm lại quá trình bị thâm của rau quả. Rau quả sau khi thu
hoạch sẽ dần dần bị thâm, làm giảm chất lượng và giá trị. Rau quả bị thâm là do
quá trình lên men tạo ra các sản phẩm polyme hóa của oquinon. Nhờ bao gói bằng

màng chitosan mà ức chế được hoạt tính oxy hóa của các polyphenol, làm thành
phần của anthocyamin, flavonoid và tổng lượng các hợp chất phenol ít biến đổi,
giữ cho rau quả tươi lâu hơn.
3.3 Trong y dược:
Từ chitozan vỏ tôm cua có thể sản xuất glucozamin một dược chất quý đang phải nhập
khẩu ở nước ta. Ngoài ra còn sản xuất các loại dược liệu khác như: chỉ phẫu thuật tự hoại,
chito-olygosaccarit, da nhân tạo… cũng được nghiên cứu sản xuất từ chitin- chitosan.
Chitosan còn được dùng sản xuất kem chống khô da, kem dưỡng da ngăn chặn tia cự tím
phá hoại da
3.4 Trong công nghệ môi trường
Hiện nay chitosan được sử dụng để xử lý nước thải trong công nghiệp nuôi tôm, cá.
Trong công nghiệp thực phẩm chitosan là hợp chất polymer tự nhiên an toàn với tính chất
đặc trưng như khả năng kháng nấm, kháng khuẩn, chống oxy hóa, tạo màng, tạo gel, hấp
phụ màu, làm trong và đặc biệt từ chitosan có thể sản xuất ra màng mỏng để bao gói thực
phẩm, màng dễ phân hủy trong môi trường tự nhiên nên vấn đề này có ý nghĩa quan trọng
trong việc xử lý rác thải và bảo vệ môi trường…
II . Sơ đồ và thuyết minh quy trình sản xuất chitin- chitosan
(5 tấn nguyên liệu/ngày).
1. Xử lý acid
Mục đích: khử khoáng trong nguyên liệu (khoáng trải đều trong vỏ tôm và tạo
phức với chitin)
Có thể dùng các acid mạnh để khử khoáng (ưu tiên HCl).
2. Xử lý kiềm
Mục đích: khử protein, lipit và sắc tố
Dùng NaOH thích hợp, có thể sử dụng enzyme protease khử protein.
Xử lý kiềm có thể gộp chung với công đoạn deacetyl.
3. Khử màu
Sử dụng các chất có khả năng khử màu mạnh.
H
2

O
2
(5%), NaOCl (5‰ ), KMnO
4
(1,5%) sau đó tẩy màu KMnO
4
bằng Na
2
S
2
O
3
1% trong acid H
2
SO
4
10%. Thời gian tẩy màu 15 phút.
Sấy
Deacetyl
Chitin
Rửa
Sấy
Dung dịch NaOH 50%, thời gian 20h, nhiệt
độ 65
o
C, tỷ lệ 1/10, xử lý 2 lần.
Chitosan
Rửa
Tẩy màu
H

2
O
2
, nồng độ 0,5%,thời gian 1h.
Dung dịch NaOH 4%, thời gian 20h, nhiệt độ
55
o
C, tỷ lệ 5/1 (v/w).
Rửa trung tính
Phế liệu tôm sú
Khử protein
Dung dịch HCl 4%, tỷ lệ 1/15 (w/v), thời gian
2h, nhiệt độ phòng.
Rửa trung tính
Khử khoáng
4. Rửa
Mục đích: tách dung môi các hợp chất ra khỏi hỗn hợp
Hỗn hợp được ủ với dung môi trước đó đưa vào thùng rửa với nước ở tỉ lệ 1:1 và
tiến hành đảo trộn, rửa cho đến khi nước pH đạt độ trung tính.
5. Sấy:
Mục đích: nguyên liệu sau từng quá trình cần sấy nhằm tách nước ra khỏi mẫu.
Yêu cầu: Sấy bán thành phẩm chitin về độ ẩm 5,1% và chitosan 7,6%
Nguyên tắc: Trong quá trình sấy, nước được tách ra theo nguyên tác bốc hơi.
Trong quá trình sử dụng nguyên tắc sấy đối lưu là dùng không khí nóng làm tác
nhân. Mẫu nguyên liệu sẽ tiếp xúc với không khí nóng trong buồng sấy, một phần
ẩm trong nguyên liệu sẽ được bốc hơi.
Động lực quá trình sấy là do sự chênh lệch áp suất hơi tại bề mặt nguyên liệu và
trong tác nhân sấy, nhờ đó mà các phân tử nước tại bề mặt nguyên liệu sẽ bốc hơi.
Sự chênh lệch ẩm tại bề mặt và tâm của nguyên liệu, nhờ đó mà ẩm tại tâm nguyên
liệu sẽ khuếch tán ra vùng bề mặt.

III. Tính toán thiết kế thiết bị ngâm
Khối lượng phế liệu tôm được sản xuất trong một ngày (1 ngày làm việc 8h):
5 tấn (nguyên liệu /ngày) = 5000 ( kg nguyên liệu / ngày)
Vậy ta có 5000 : 8 = 625 (kg nguyên liệu / h)
Trong công đoạn khử protein:
- Tỷ lệ vỏ tôm/dung dịch NaOH = 1/5
- Lượng dung dịch NaOH 4% cần dùng trong một ngày: 5000 x 5 = 25000
(lit)
- Dung dịch NaOH 4% có khối lượng riêng d = 1,046 g/ml (=1,046kg/l)
nên:
Khối lượng dung dịch NaOH 4% là: m
ddNaOH
= V x d = 25000 x 1,046 =
26150 (kg)
- Độ ẩm ban đầu của nguyên liệu đầu tôm chiếm 75,8% nên lượng ẩm ban
đầu có ở nguyên liệu là: 5000 x 75,8 : 100 = 3790 (kg)
- Lượng chất khô có trong nguyên liệu: 5000 – 3790 = 1210 (kg)
- Hàm lượng protein ban đầu chiếm trong nguyên liệu so với hàm lượng chất
khô là 45,7 % => khối lượng protein ban đầu là: 1210 x 45,7 % = 552,97
(kg)
- Chất lượng cơ bản của chitin sau khi khử protein thì hàm lượng protein còn
lại là 3,3
±
0,6 % vậy lượng protein thoát ra khi tiến hành khử là:
552,97 x 96,7 : 100 = 534,72 (kg)
Phương trình cân bằng vật chất:
m
vỏ tôm
+ m
ddNaOH

= m
vỏ tôm đã khử protein
+ m
protein tách ra
+ m
NaOH sau phản ứng
 m
vỏ tôm đã khử protein
= m
vỏ tôm
+ m
ddNaOH
- m
protein tách ra
- m
NaOH sau phản ứng
= 5000 + 26150 - 534,72 - 26150
= 4465,28 (kg)
Trong công đoạn khử khoáng:
Tỷ lệ vỏ tôm/dung dịch HCl = 1/15
- Lượng dung dịch HCl 4% cần dùng trong một ngày: 5000 x 15 = 75000 (lit)
- Dung dịch HCl 4% có khối lượng riêng d = 1,019 g/ml (= 1,019 kg/l) nên:
Khối lượng dung dịch HCl 4% là: m
dd HCl
= V x d = 75000 x 1,019 = 76425
(kg)
- Hàm lượng khoáng ban đầu chiếm trong nguyên liệu so với hàm lượng chất
khô là 28,9 % => khối lượng khoáng ban đầu là: 1210 x 28,9 % = 349,69
(kg)
o Chất lượng cơ bản của chitin sau khi khử khoáng thì hàm lượng

khoáng còn lại là 2,8
±
1,1 % vậy lượng khoáng thoát ra khi tiến
hành khử là:
349,69 x 97,2 : 100 = 339,9 (kg)
Phương trình cân bằng vật chất:
m
vỏ tôm đã khử protein
+ m
ddHCl
= m
vỏ tôm đã khử khoáng
+ m
khoáng tách ra
+ m
HCl sau phản ứng
 m
vỏ tôm đã khử khoáng
= m
vỏ tôm đã khử protein
+ m
ddHCl
- m
khoáng tách ra
- m
HCl sau phản ứng
= 4465,28 + 76425 - 339,9 - 76425
= 4125,38 (kg)
Trong công đoạn sấy thu chitin:
- Theo chất lượng cơ bản chitin thì độ ẩm (%) của chitin sau khi sấy là 13

±

1,5
- Lượng ẩm tách ra khỏi nguyên liệu là: 4125,38 x 87% = 3589,08 (kg)
Phương trình cân bằng vật chất:
m
vỏ tôm đã khử khoáng
= m
vỏ tôm đã sấy
+ m
nước thoát ra
=> m
vỏ tôm đã sấy
= m
vỏ tôm đã khử khoáng
- m
nước thoát ra
= 4125,38 - 3589,08
= 536,3 (kg)
Vậy lượng chitin thu được sau khi sấy là: 536,3 (kg)
Trong công đoạn deacetyl:
- Tỉ lệ vỏ tôm/dung dịch NaOH 50% = 1/10
- Thể tích dung dịch kiềm đặc NaOH 50% cần dùng:
536,3 x 10 = 5363 (lit)
- Dung dịch NaOH 50% có khối lượng riêng d = 1,5253 g/ml (=1,5253
kg/l):
m
dd
= V
dd

x d = 5363 x 1,5253 = 8180,184 (kg)
- Hiệu suất deacetyl đạt 90%
- Theo phương trình cân bằng vật chất ta có:
m
chitin
+ m
ddNaOH
= m
chitosan
+ m
ddNaOH sau phản ứng
+ m
deacetyl
m
chitosan
= m
chitin
- m
deacetyl
= 536,3 - 90% x 536,3
= 53,36 (kg)