Tổng quan về Nấu đường và Kết tinh trong Công nghệ mía đường (P1)

Nấu đường và kết tinh đường là công đoạn quan trọng, quyết định đến chất lượng và tính tinh tế của quá trình sản xuất đường tinh luyện từ mía. Bài này, chúng ta cùng tìm hiểu về Phần 1 quá trình này nhé!

1. Lý thuyết quá trình kết tinh

Mục đích của quá trình nấu đường là tách nước ra khỏi mật chè, đưa dung dịch đến trạng thái quá bão hoà để thực hiện quá trình kết tinh đường. Sản phẩm sau khi nấu đường là đường non và mật cái.

Hình dạng tinh thể saccharose

Tinh thể đường saccharose kết tinh từ dung dịch thuộc hệ đơn tà có 3 trục (hai trục thẳng và một trục nằm nghiêng).

Tuy nhiên hình dạng tinh thể đường có thể thay đổi tuỳ theo chất không đường có trong dung dịch, nhiệt độ thực hiện quá trình kết tinh, hệ số bão hoà…

Độ hoà tan của đường saccharose trong nước, và trong dung dịch không tinh khiết

Độ hoà tan của đường saccharose trong nước được biểu diễn bằng số gam đường trong 1 gam nước. Trong dung dịch không tinh khiết độ hoà tan của đường saccharose phụ thuộc vào các chất không đường, một số thì làm tăng độ hoà tan của saccharose như: KCl, NaCl…, một số khác thì ngược lại như: K₂SO₄…

Hệ số bão hoà (α’): Là tỷ số giữa hệ số hoà tan saccharose trong dung dịch đường không tinh khiết (H₁) và hệ số hoà tan trong dung dịch tinh khiết (H₀) trong cùng điều kiện về nhiệt độ:

α’ = H₁/H₀

• Khi α’ >1 thì độ hoà tan saccharose trong dung dịch không tinh khiết lớn hơn trong dung dịch tinh khiết;
• Khi α’ = 1 thì độ hoà tan saccharose trong dung dịch không tinh khiết lớn hơn trong dung dịch tinh khiết (hay nói cách khác các chất không đường không ảnh hưởng đến độ hoà tan);
• Khi α’ < 1 chất không đường làm giảm độ hoà tan của saccharose.

Hệ số bão hoà phụ thuộc vào độ tinh khiết dung dịch và chất lượng chất không đường có trong dung dịch. Hệ số bão hoà có ý nghĩa quan trọng trong sản xuất, nó thể hiện ảnh hưởng của nguồn nguyên liệu đối với quá trình sản xuất.

Hệ số quá bão hoà (α): Là tỷ số giữa lượng đường hoà tan trong một đơn vị nước của dung dịch nghiên cứu (H) với lượng đường hoà tan trong một phần nước của dung dịch bão hoà (H₁) ở cùng nhiệt độ:

α = H/H₁

• Khi α > 1 dung dịch quá bão hoà;
• Khi α = 1 dung dịch bão hoà;
• Khi α < 1 dung dịch chưa bão hoà.

Hệ số quá bão hòa có ý nghĩa quyết định đối với quá trình kết tinh, hiệu suất kết tinh và chất lượng sản phẩm. Đối với dung dịch saccharose tinh khiết H₁ = H₀. Trong dung dịch đường không tinh khiết việc xác định H₁ khá phức tạp, vì vậy trong thực tế đối với dung dịch đường không tinh khiết người ta tra theo bảng độ hoà tan đường tinh khiết, từ đó tìm được hệ số bão hoà biểu kiến (α₁) theo công thức: α₁ = H/H₀

Sự liên hệ giữa hệ số quá bão hoà thực, hệ số quá bão hoà biểu kiến và hệ số bão hoà dung dịch: α₁ = α₁/α’

Động học của quá trình kết tinh đường

Saccharose là chất rất khó xuất hiện nhân tinh thể trong dung dịch quá bão hoà của nó. Theo thực nghiệm, tinh thể chỉ xuất hiện khi α > 1,3 ÷ 1,4. Để tăng tốc độ xuất hiện tinh thể, người ta áp dụng các biện pháp kích thích tạo mầm hay phương pháp tinh chủng, lúc đó tinh thể sẽ xuất hiện ở giá trị α = 1,2 ÷ 1,25.

Theo quan điểm động học, quá trình xuất hiện nhân tinh thể trong môi trường lỏng là hiện tượng liên hợp của các phân tử chất hoà tan di động. Điều kiện cần thiết để tạo nhân tinh thể là có sự tập tụ cục bộ của các phân tử chất hoà tan và phân bố các phân tử này vào vị trí của chúng trong lưới tinh thể. Vậy, các tinh thể nằm trên ranh giới của 2 quá trình kết tinh và hoà tan.

Theo Silin: Trên bề mặt tinh thể và dung dịch luôn xảy ra hai quá trình:

• Lắng chất hoà tan trên bề mặt tinh thể vào dung dịch, khi đó các phân tử hay các nhóm phân tử tách ra khỏi bề mặt tinh thể, nếu điều kiện quá bão hoà đủ lớn những nhóm phân tử này sẽ là những nhân tinh thể mới.
• Nếu điều kiện quá bão hoà chưa đủ lớn thì những mầm sẽ hoà tan vào dung dịch (do độ hoà tan của nó lớn hơn đường bình thường rất nhiều). Lúc này chỉ những tinh thể sẵn có lớn lên mà thôi, không xuất hiện mầm tinh thể mới.

Tốc độ kết tinh

Là lượng đường kết tinh trong 1 phút trên 1m² bề mặt tinh thể, đơn vị (mg/m².phút):

K = S/F.τ

Trong đó:

• S: lượng đường kết tinh trong dung dịch quá bão hoà, (mg);
• F: bề mặt tinh thể, (m²);
• τ: thời gian kết tinh, (phút);

Bề mặt tinh thể phụ thuộc vào số lượng của chúng, nếu lượng tinh thể càng nhiều, kích thước càng nhỏ, bề mặt tinh thể càng lớn, lượng đường kết tinh nhiều. Bề mặt mỗi tinh thể phụ thuộc vào khối lượng của nó theo công thức:

f = 4,12 x ³√(p²)

Trong đó

• f: bề mặt một tinh thể, (cm²);
• p: khối lượng một tinh thể, (g);
• 4,12 là hệ số thực nghiệm cho tinh thể saccharose

Cơ sở lý thuyết của quá trình kết tinh

Dựa trên cơ sở nghiên cứu và kết quả thực nghiệm, Silin cho rằng quá trình kết tinh chủ yếu là quá trình khuếch tán và ông giải thích như sau:

• Tinh thể được bao quanh bởi một lớp dung dịch không chuyển động với chiều dày d.
• Ngay trên bề mặt tinh thể là dung dịch quá bão hoà với nồng độ C’, cách bề mặt tinh thể một khoảng d là dung dịch quá bão hoà với nồng độ C. Do sự chênh lệch nồng độ, các phân tử đường sẽ khuếch tán đến bề mặt tinh thể thì lập tức kết tinh thành tinh thể mới, và ở bề mặt tinh thể mới này lại có nồng độ C’ như cũ. Như thế, quá trình kết tinh lại được thực hiện tiếp tục.

Qua đó, ta nhận thấy tốc độ kết tinh chính là tốc độ khuếch tán. Theo định luật Fick: lượng đường khuếch tán S tỷ lệ thuận với hiệu số nồng độ (C – C’), bề mặt khuếch tán F, thời gian kết tinh τ, và tỷ lệ nghịch với đoạn đường khuếch tán d:

S = τFk₁(C – C’)/d

Vậy, tốc độ kết tinh: K = k₁(C – C’)/d

Trong đó k₁ là hệ số khuếch tán. Theo Enstein, hệ số khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối (T) và độ nhớt môi trường (η).

k₁ = k’T/η    (trong đó k’ là hằng số)

Vậy K = k’T(C – C’)/(dη)

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh

• Độ quá bão hoà dư;
• Nhiệt độ;
• Độ tinh khiết của dung dịch;
• Độ nhớt;
• Sự khuấy trộn;
• Kích thước tinh thể;
• Số lượng tinh thể trong đường non.

2. Quá trình hoá học của giai đoạn nấu đường

Sau khi được tạo thành tinh thể đường saccharose rất bền, hầu như chúng không có sự biến đổi cề cấu trúc cũng chư các biến đổi đặc biệt khác khi nhiệt độ dưới 70°C. Tuy nhiên lớp mật bao quanh tinh thể không bền, do đó đường non không bền. Sự thay đổi của đường non trong quá trình kết tinh chủ yếu phụ thuộc vào thành phần mật cái.

Sự phân giải đường

Trong giai đoạn nấu đường xãy ra quá trình chuyển hoá đường saccharose thành đường khử, sự chuyển hoá này phụ thuộc vào nhiệt độ nấu đường và pH đường non.

Dưới tác dụng của nhiệt độ, đường khử sẽ phản ứng với các acid amin tạo thành những hợp chất màu, ngoài ra đường khử bị phân huỷ thành các sản phẩm không lên men.

Tách cặn lắng đọng muối phi đường

Trong quá trình kết tinh một số acid hữu cơ chuyển thành hợp chất không tan và kết tủa dưới dạng muối canxi, muối magie.

Các chất khác (như: tinh bột pectin…) có khả năng kết tinh cùng đường saccharose và liên kết bền trong tinh thể đường.

Hiện tượng khó nấu

Khi nấu một số mẻ đường có xuất hiện hiện tượng như: đường non đặc cứng lại trong nồi, bốc hơi chậm, không kết tinh được… Hiện tượng này thường xảy ra khi mật chè chứa lượng muối canxi cao, ngoài ra khi dung dịch có pH cao thì quá trình nấu đường chậm (vì một phần đường ở dạng saccarat).

Khi mía nguyên liệu còn non, chất keo nhiều, độ nhớt lớn thì quá trình nấu đường cũng gặp khó khăn, đặc biệt là khi nấu các loại đường có chất lượng thấp.

>> Đón xem: Tổng quan về Nấu đường và Kết tinh trong Công nghệ mía đường (P2)

FOODNK