Cô đặc kết tinh nước nho (2)

Đồ án môn học : Cô đặc lạnh GVHD: TS Trần Văn Ngũ
Chương I:
TỔNG QUAN
SVTH: Nguyễn Thị Quỳnh Ngọc 2
Đồ án môn học : Cô đặc lạnh GVHD: TS Trần Văn Ngũ
I. GIỚI THIỆU NGUYÊN LIỆU:
Nho là cây họ nho. Quả thuộc loại mọng nước, hình trứng tròn. Nho có gần hai trăm loại, hình
dạng quả khác nhau, cả màu sắc, độ to nhỏ, thời gian chin và mùi vị cũng khác nhau. Quả chin
vỏ có nhiều màu: đỏ tím, trắng sửa, tím đen, xanh…
Ở nước ta nho được trồng nhiều ở các tỉnh phía nam, tỉnh Ninh Thuận.
Nho dùng để điều trị các bệnh liên quan đến rối loạn trao đổi chất, rối loạn gan, thận và phổi
cùng các bệnh liên quan đến tim mạch. Nho cải thiện quá trình trao đổi chất, lợi tiểu, chống viêm
nhiễm và có tác dụng nhuận tràng. Nho rất tốt với những người bị mệt mỏi hệ thần kinh, những
bệnh nhân huyết áp cao, bệnh nhân phế quản.
Thành phần hóa học của nho:
♦ 65 – 85 % nước
♦ 10-12% đường
♦ 0.5 – 0.7 % các axit hữu cơ ( axit tactalic, axit malic)
♦ 0.1 – 0.3 % pectin
♦ 0.1 – 0.5 % Chất khoáng
♦ Vitamin C, B1, B2, PP cùng các chất thơm khác
II. LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC KẾT TINH:
Sự cô đặc các thực phẩm lỏng ( như trà, cà phê, nước trái cây, rượu….) và một số hóa chất, dược
phẩm là một trong những phương pháp tốt bảo vệ những tính chất vốn có của chúng, bảo quản
lâu, giảm chi phí bảo quản và vận chuyển. Sau khi phục hồi lượng nước sản phẩm gần như dạng
ban đầu
Sự cô đặc có thể thực hiện bằng phương pháp bốc hơi có ( hay không có ) thu hồi các chất bay
hơi, hay bằng phương pháp kết tinh dung môi và thẩm thấu nghịch.
Phương pháp bốc hơi được xem là phương pháp kinh tế và được nghiên cứu kĩ để cô đặc dung
dịch. Có thể thu hồi các chất bay hơi bốc ra cùng với hơi nước trong tháp chưng cất. Tuy nhiên
không thể tránh khỏi phân hủy nhiệt và tác dụng của một sô men dù chỉ ở nhiệt độ 50-70

0
C.
Trong quá trình thẩm thấu nghịch bị mất một phần đáng kể những chất thơm.
Cô đặc bằng kết tinh dung môi thường là nước ( gọi tắt là cô đặc lạnh ) có một loạt các ưu điểm
so với các phương pháp khác, đặc biệt với những sản phẩm kém bền nhiệt và chứa nhiều chất
thơm. Ở nhiệt độ thấp các quá trình phân hủy hóa học và sinh hóa yếu không đáng kể, còn các
cấu tử dễ bay hơi và cấu tử thơm được bảo toàn nguyên vẹn, đảm bảo chất lượng cho sản phẩm.
Nước sạch lấy ra từ kết tinh có thể phục vụ vào chu trình sản xuất.
Cô đặc bằng dược phẩm dùng để sản xuất dược phẩm các chất màu tự nhiên cho thực phẩm, để
sản xuất nước uống được từ các nguồn nước mặn tự nhiên.
1. cơ sở vật lý của cô đặc kết tinh:
Trong quá trình kết tinh sơ cấp hệ 2 cấu tử ( dung môi và nước không tạo dung dịch rắn ) thì
nước tinh khiết được kết tinh ra, nên càng hạ nhiệt độ của hệ thì nồng độ chất tan càng tăng dần.
Sự cô đặc kết tinh dựa trên cơ sở thay đổi điều kiện cân bằng pha khi làm lạnh các hệ đa cấu tử
dị thể ( không đồng nhất ). Hệ này có chứa các phần tử vĩ mô của các chất không được có thể
SVTH: Nguyễn Thị Quỳnh Ngọc 3
Đồ án môn học : Cô đặc lạnh GVHD: TS Trần Văn Ngũ
đóng vai trò như chất khơi mào cho sự tăng trưởng tinh thể. Rất nhiều hóa chất và dược phẩm
lỏng được xem là dị thể. Cơ chế sinh mầm tinh thể trên bềmặt rắn được gọi là cơ chế sinh mầm
dị thể.
Nếu trong quá trình kết tinh nước mà thành phần các cấu tử tan vẫn bảo toàn, còn các tính chất
nhiệt động của dung dịch nước được xác định bởi tương tác ảnh hưởng giữa chúng thì nhóm các
chất tan được xem như một cấu tử tương đương. Khi đó nồng độ chất tan trong dung dịch được
xác định bởi công thức:
x =
OMHM
M
2+
; X =
ONHN

N
2+
; m =
OkgH
N
21
*
Trong đó:
x, X, m: Tương ứng là nồng độ khối lượng, nồng độ phân mol, nồng độ mol của các cấu tử trong
dung dịch.
MH2O, M, NH2O, N tương ứng là khối lượng và số mol của nước và của các cấu tử không tan
trong dung dịch.
N*: số mol của các cấu tử tan ( tính cho 1kg nước ).
x0 x1 x3 xE
TE
T3
T2
T1
T
TA
A
B
I
( L )
II
( L + A )
III
( L + B)
Hình 1: Giản đồ pha hệ 2 cấu tử không tạo dung dịch rắn ( cân bằng lý tưởng )
SVTH: Nguyễn Thị Quỳnh Ngọc 4

Đồ án môn học : Cô đặc lạnh GVHD: TS Trần Văn Ngũ
Tại điểm I trạng thái của hệ được xác định bởi nhiệt độ T1 và nồng độ x1. Khi làm lạnh đến
nhiệt độ bắt đầu kết tinh T2 thì dung dịch vẫn chưa biến đổi pha mà trở nên bảo hòa ở T2.
Nếu tiếp tục giảm nhiệt độ dung dịch thì xảy ra quá trình kết tinh nước làm nồng độ dung dịch
tăng lên. Khi nhiệt độ T3 < T2 nồng độ cân bằng của chất tan là x3, còn hàm lượng nước đá và
dung dich còn lại ( dịch cái ) trong 1kg hỗn hợp được xác định từ cân bằng vật chất sau:
1.x1 = M0.x0 + Mdx3
Với:
M0, Md: khối lượng nước đá và dịch cái trong 1kg dung dịch tương ứng với nhiệt độ T3.
x0, x1, x3: tương ứng là nồng độ chất tan trong tinh thể nước đá, nồng độ trong hỗn hợp đầu và
trong dịch cái còn lại
Bước đầu ta xem như nước đá không có chất tan ( x0 = 0 )
Vậy Md =
3
1
x
x
M0 =
3
13
x
xx −
Khi giảm nhiệt độ đến T
E
thì thành phần dịch cái biến đổi dần theo đường liquidus AE. ở nhiệt
độ T
E
dung dịch bảo hòa chất tan với nồng độ xE ứng với điểm ơtecti. Dung dịch ơtecti sẽ đóng
rắn đẳng nhiệt ở T
E

dưới dạng một hỗn hợp cơ học của các tinh thể của cả 2 cấu tử. Đường đẳng
nhiệt T
E
là đường solidus kết thúc quá trình kết tinh. Trong các dung dịch nước, điểm ơtecti còn
gọi là điểm cryohydrate
Công nghệ cô đặc nhiều thực phẩm và làm ngọt nước mặn được dựa trên cơ sỏ vật lý nói trên.
Đặc điểm của nó là chỉ tạo một pha rắn ( nước đá ) nếu làm lạnh đến nhiệt độ ơtecti nồng độ tối
đa của sản phẩm là xE.
Quá trình cân bằng lý tưởng ( lý thuyết ) của sự phân riêng ở đây được xem như trong giai đoạn
kết tinh đạt được sự cân bằng pha còn khi phân riêng từ hệ huyền phù thì thu được dịch cái hòan
toàn tách khỏi tinh thể nước đá. Trong các quá trình thực nồng độ chất tan trong pha kết tinh
( nước đá ) xk cao hơn nồng độ cân bằng lý thuyết x0 do một phần dịch cái bị giữ lại trong các
khe hở giữa các lớp tinh thể ( tạp chất ngoại ) và bên trong từng tinh thể ( tạp chất nội ).
SVTH: Nguyễn Thị Quỳnh Ngọc 5
Đồ án môn học : Cô đặc lạnh GVHD: TS Trần Văn Ngũ
x0 x1 x3 xE
TE
T3
T2
T1
T
TA
A
B
I
( L )
II
( L + A )
III
( L + B)

K
C
F
Hình 2: Giản đồ cân bằng pha hệ 2 cấu tử không tạo dung dịch rắn ( cân bằng thực )
2. công nghệ sản xuất:
Quá trình cô đăc kết tinh gồm có 2 giai đoạn chủ yếu: kết tinh và phân riêng.
Để thu được dịch cô đặc có nồng độ cao thì phải tiến hành quá trình theo từng bậc giảm dần
nhiệt độ kết tinh hay sử dụng phương pháp có hồi lưuu nhằm cải thiện chỉ tiêu hiệu quả năng
lượng của thiết bị cô đặc ( TBCĐ)
2.1 giai đoạn kết tinh
Mục đích của giai đoạn này là tạo một huyền phù có tinh thể nước đá ( magma – concentrat ) có
kích thước từ 200 – 400 micron. Tùy theo đặc tính của pha kết tinh tạo được người ta chia ra làm
kiểu kêt tinh khối và kiểu kết tinh bề mặt ( hay còn gọi là kết tinh động tuyến ).
Đặc trưng của kết tinh khối là sự tạo thành các tinh thể trong khắp thể tích của dung dịch khi đạt
một độ qúa lạnh hay quá bão hòa đồng đều.
Hình dạng và kích thước của các tinh thể được tạo thành phụ thuộc vào mức độ quá lạnh hỗn
hợp, điều kiện thoát nhiệt kết tính, tính chất và nồng độ chất tan.
SVTH: Nguyễn Thị Quỳnh Ngọc 6
Đồ án môn học : Cô đặc lạnh GVHD: TS Trần Văn Ngũ
xp
Tp
xp
Tkt
Td
T
x
X
? T
? Tt
? x

Khi làm lạnh chậm và dộ quá nhiệt bé thì tạo được những tinh thể rất lớn, thô có bề mặt ruêng bé
và có rất ít dung dịch bị bám ở bề mặt tinh thể ( dạng một lớp mỏng ). Khi tăng tốc độ thoát nhiệt
tạo được độ quá lạnh lớn trong dung dịch thì tạo được vô số mầm tinh thể nước đá và trong tinh
thể chứa khá nhiều chất tan bị hấp phụ. Hàm lượng chất tan trong tinh thể nước đá còn tăng lên
trong các trường hợp khi tốc độ tăng trưởng kích thước tinh thể vượt quá tôc độ khuyếch tán của
chất tan trong pha lỏng do sự tăng nồng độ chất tản ở vùng gần bề mặt của tinh thể đang tăng
trưởng và làm giảm nhiệt độ kết tinh cục bộ. Đặc trưng sự biến đổi rnhiệt độ và nồng độ của
dung dịch ở bề mặt tinh thể biểu diễn ở đồ thị. Trong lòng dung dịch quá lạnh có nhiệt độ T’p
nồng độ chất tan là xp. Độ quá lạnh ΔT = Tkt – Tp ( Tkt nồng độ kết tinh tương ứng với nồng độ
cân bằng xp ). Trước bề mặt kết tinh đang di động thì nồng độ dung dịch khá cao ( xd >xp ), ứng
với nồng độ cân bằng Td, tức độ quá lạnh thực tế ΔTt = Tđ – Tp và độ quá bão hòa của dung
dịch tại bề mặt tinh thể là Δx = xđ –xp.
Sự kết tinh khối có thể thực hiện trong các thiết bị có bề mặt truyền nhiệt hay bằng sự tiếp xúc
trực tiếp của dung dịch với tác nhân lạnh theo chế độ làm việc liên tục hay gián đoạn.
Các thiết bị kết tinh khối thường dùng loại vỏ áo hay kiểu xoắn nhúng ngập để làm lạnh.
Quá trình kết tinh xảu ra khi hỗn hợp kết tinh được khuấy mạnh, gradient nhiệt độ giữa dung
dich và bề mặt truyền nhiệt rất bé, làm cho các tinh thể sinh mầm và trưởng thành trong lòng hỗn
hợp. Nhưng cũng có khi bắt đầu tạo thành tinh thể ở bề mặt truyền nhiệt.
Phần nước đá tạo thành ở bề mặt truyền nhiệt phải được cơ cấu dao cạo ra và trộn lẫn trong pha
lỏng tạo nên hỗn hợp huyền phù ngày càng nhiều tinh thể nước đá.
Quá trìn kết tinh bề mặt ( hay kết tinh động tuyến ) được thực hiện bằng cách thoát nhiệt qua lớp
tinh thể nước đá bám ở bề mặt truyền nhiệt để vào môi trường làm việc. Quá trình có thể được
thực hiện gián đoạn không có tách pha rắn ở bbề mặt truyền nhiệt hay ở chế độ tách liên tục
nước đá từ bề mặt kết tinh. Khi đó nhiệt độ dung dịch hơi cao hơn nhiệt độ cân bằng 1 chút.
Các thiết bị kiểu liên tục thường có dạng thùng quay hay loại vỏ áo.
2.1 Giai đoạn phân riêng:
SVTH: Nguyễn Thị Quỳnh Ngọc 7