quá trình kết tinh trong công nghệ thực phẩm

BÀI TIỂU LUẬN
CÁC Q TRÌNH CƠ BẢN TRONG
CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM
CHỦ ĐỀ: QUÁ TRÌNH KẾT TINH


Bản chất quá trình:
Khái niệm:

I.
1.
-

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 cịn 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 đơng 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
khơng khí và trong trường hợp tinh thể lỏng thì là thời gian chất
lỏng bay hơi.
Nhiệt động lực học của quá trình kết tinh:

2.

-

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 hồ.
Q trình kết tinh:

3.
•

Động lực học của q 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 hồ 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 khơng 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.

-

Khi trạng thái quá bão hoà quá lớn vượt quá giới hạn nhất định đến
vùng bão hồ cao thì q trình kết tinh tự nhiên bắt đầu. Lúc này
lượng mầm tinh thể rất nhiều, dung dịch sẽ đóng rắn chứ khơng tạo
thành những tinh thể riêng biệt.

-

Có một số dung dịch mặc dù có độ q bão hồ rất lớn nhưng vẫn
khơng xuất hiện mầm tinh thể, khi đó cần kích thích q 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 q
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:

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 hồ tan
trong dung dịch.

Sự thay đổi tốc độ kết tinh theo thời gian
-

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
lỗng dần tức là mất đi tính chất q bão hồ của dung dịch. Lúc
này nếu như khơng có chất hồ tan từ mơi 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 ln có cơ hội tiếp xúc với dung dịch mới

dẫn đến tăng tốc độ kết tinh
Làm bay hơi nước nhanh hơn
Các quá trình biến đổi:

II.
-

Dung dịch đậm đặc có độ bão hịa > 70%.

-

Chất tan chủ yếu phải có khả năng hồ tan thấp hơn chất hồ tan
phụ.
Biến đổi:

-

Hóa lý: chuyển từ pha lỏng sang rắn tinh thể dựa vào tính hồ tan
hạn chế của chất rắn và thường kèm theo toả nhiệt.
+ Biến đổi khác: có sự phân huỷ các chất hồ tan.

+


-

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 mơi hoặc không tách dung môi (hạ nhiệt độ
của dung dịch) và kết tinh chân khơng.

-

Các q 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 cơng nghiệp
do năng suất cao, tinh thể nhận được đều đặn.

a)

Kết tinh tách một phần dung môi:

-

Phương pháp này áp dụng kết tinh các dung dịch có độ hịa tan của
các cấu tử ít phụ thuộc vào nhiệt độ.

-

Để tách dung mơi thực hiện các phương pháp sau:
• Cơ đặc dung dịch (cho bay hơi tại nhiệt độ sơi):

•

+

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 khơng 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.


b)

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.

-

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.
+

+

c)

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.

Kết tinh chân không:

-

Trong phương pháp kết tinh chân không, một phần dung mơi 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 hịa và kết tinh. Dung mơi bay hơi
khơng chỉ do nhiệt vật lí của dung địch mà cịn 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 q trình và xảy ra trong tồn 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.


III.

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
khơng tác động thì chắc chắn tinh thể sẽ không được tạo ra:

+

Nhiệt độ (ảnh hưởng trực tiếp)
Nồng độ các chất hồ tan
Áp suất
Mơi trường xung quanh và trạng thái các chất

Kích thước tinh thể

+
+
+
+

a)

Nhiệt độ (ảnh hưởng trực tiếp):

-

Nhiệt độ môi trường khi diễn ra q trình kết tinh.

-

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 mơi giảm đi cho nên hồn tồn có thể đuổi các chất
khí như oxy, carbondioxid ra khỏi dung mơi 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 q trình
bào chế, có thể tác động nhiệt thích hợp hoặc khơng tác động tùy

thuộc vào bản chất chất tan để tăng độ tan của chúng trong dung
mơi.
Ví dụ: Ảnh hưởng đến q trình kết tinh của mật ong:
Dưới 100oC: Nhiệt độ này làm chậm quá trình kết tinh, mật chỉ đặc
và dẻo lại.
Từ 100oC – 200oC: Ở nhiệt độ này, mật rất dễ và nhanh bị kết tinh.
Từ 210oC – 260oC: Đây là nhiệt độ lý tưởng để bảo quản mật ong
do đó mật sẽ khó bị kết tinh.


-

-

-

Trên 270oC: Mật khơng 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 100oC – 200oC: 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 (thường nhiệt độ ở đây hầu như cao quanh
năm và hiếm khi nhiệt độ thấp dưới 20 độ C).

b)

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
đơng lại với nhau thì các phân tử nước phải tách khỏi dung dịch
này.

-

Do đó khi có chất hịa 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 mơi hoặc hỗn hợp dung mơi
thích hợp với chất tan.
Ví dụ:
1M acid sulfuric (H2SO4) là 2 N 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 (CaCO 3) 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 khơng có CaCO3 cịn lại trong. 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.


-

-

c)
•
-

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 khơng đổi, lượng chất khí hồ 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 cịn 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.

d)

Môi trường xung quanh và trạng thái các chất:

-

Ngồi ra, kết tinh cịn 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 hịa thì kết tinh sẽ khơng thể xảy ra.
Lúc này, chúng ta cần phải cho thể tinh thể hạt để thúc đẩy q
trình tạo mầm.
e)

Kích thước tinh thể:

-

Kích thước: làm nhỏ kích thước tiểu phân sẽ làm tăng diện tích tiếp
xúc với dung mơi do đó làm tăng tốc độ hịa tan của chất rắn.

-

Chất rắn có thể tồn tại ở dạng kết tinh hoặc vô định hình. Độ tan
của dạng vơ 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 hồ tan
khó hơn so với dạng vơ định hình.

-

Tuy nhiên dạng tinh thể ổn định hơn so với dạng vơ định hình và
chất rắn ở dạng vơ định hình có xu hướng chuyển về dạng tinh thể.

Với các chất khó tan thì nên chuyển về dạng vơ định hình để tăng
độ tan. Dược chất khơng ổn định nhứng khó tan ở dạng tinh thể thì
có thể thêm các chất làm tăng độ tan thích hợp.




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; cịn than chì khá mềm và dẫn điện.
Chất rắn có thể kết tinh ở hai dạng : vơ định hình và tinh thể: