Nhiệm vụ nấu đường là tách nước từ mật chè, đưa dung dịch đến quá bão hòa. Sản
phẩm nhận được sau khi nấu gọi là đường non gồm tinh thể đường và mật cái.
Quá trình nấu đường được thực hiện trong nồi nấu chân không để giảm nhiệt độ sôi
của dung dịch, tránh hiện tượng caramen hóa và phân hủy đường. Nhiệt độ nấu đường trong
khoảng 70 800C. Đối với các sản phẩm cấp thấp, quá trình kết tinh còn tiếp tục thực hiện
trong các thiết bị kết tinh làm lạnh bằng phương pháp giảm nhiệt độ
1 Cơ sở lý thiết của quá trình kết tinh đường:
1.1 Độ hòa tan của sacaroza trong nước:
58
Độ hòa tan của sacaroza trong nước tăng khi nhiệt độ tăng. Độ hòa tan thường được
biểu diễn bằng số gam đường trong một gam nước, gọi là hệ số hòa tan H0.
1.2 Độ hòa tan của sacaroza trong dung dịch không tinh khiết:
Trong dung dịch không tinh khiết độ hòa tan của sacaroza phụ thuộc vào các chất
không đường. Chúng có ảnh hưởng khác nhau đến độ hòa tan của sacaroza. Một số làm tăng độ hòa tan của sacaroza như KCl, NaCl một số khác làm giảm như K2SO4. Nói chung các
chất tro làm tăng độ hòa tan sacaroza, ngược lại đường khử và một số muối hữu cơ làm giảm
độ hòa tan. Ảnh hưởng đến độ hòa tan của đường không chỉ số lượng chất không đường và nhiệt độ mà còn thành phẩm và chất lượng của chúng. Đó là tác nhân rất quan trọng không
thể quên được vì ảnh hưởng đến độ tinh khiết và sự tạo mật cuối.
1.3 Hệ số bão hòa :
Tỷ số giữa hệ số hòa tan sacaroza trong dung dịch đường không tinh khiết [H1] và hệ
số hòa tan trong dung dịch tinh khiết [H0] ở cùng một nhiệt độ gọi là hệ số bão hòa []:
= H1
H0
Khi >1 độ hòa tan của sacaroza trong dung dịch không tinh khiết lớn hơn trong
dung dịch tinh khiết.
Khi = 1 các chất không đường không ảnh hưởng đến độ hòa tan sacaroza
Khi < 1 các chất không đường làm giảm độ hòa tan của sacaroza.
Do đó hệ số bão hòa phụ thuộc vào độ tinh khiết dung dịch và chất lượng của các chất
không đường có trong dung dịch.
Hệ số bão hòa có ý nghĩa quan trọng trong sản xuất, nó thể hiện ảnh hưởng của nguồn
nguyên liệu đối với quá trình sản xuất.
1.4 Hệ số quá bão hòa:
Dung dịch chứa nhiều đường hơn dung dịch bão hòa gọi là dung dịch quá bão hòa.
Đường chỉ kết tinh từ dung dịch nầy bằng cách làm bay hơi nước hoặc làm lạnh để giảm độ
hòa tan của đường ở nhiệt độ thấp .
Hệ số qúa bão hòa: Mức độ quá bão hòa của dung dịch được đo bằng hệ số quá bão hòa. Đó là tỷ số giữa lượng đường hòa tan trong 1 đơn vị nước của dung dịch nghiên cứu với lượng
đường hòa tan trong 1 phần nước của dung dịch bão hòa ở cùng một nhiệt độ: = H
H1
Trong đó:: Hệ số quá bão hòa
H: Lượng đường trong 1 phần nước của dung dịch nghiên cứu.
H1: Lượng đường trong một phần nước của dung dịch bão hoà
Nếu: > 1 dung dịch quá bão hòa
= 1 dung dịch bão hòa
< 1 dung dịch chưa bão hòa
Đối với dung dịch sacaroza tinh khiết H1 = H0, có thể tra bảng. Đối với 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 cũng tra theo bảng độ hòa tan đường tinh khiết được hệ số
quá bão hòa biểu kiến:
1 = H
H0
59
1.6 Động học của quá trình kết tinh đường:
Quá trình kết tinh đường gồm hai giai đoạn: Sự xuất hiện nhân tinh thể [mầm] và sự
lớn lên của tinh thể với tốc độ nhất định.
1.6.1 Sự xuất hiện nhân tinh thể hay sự tạo mầm:
Trên đồ thị trạng thái của dung dịch sacaroza chia ra 3 vùng quá bão hòa:
Vùng ổn định: Hệ số bão hòa thấp = 1,1 1,15. Trong vùng này tinh thể chỉ lớn lên
mà không xuất hiện các tinh thể mới
Vùng trung gian: = 1,2 1 ,25. Trong vùng này không chỉ tinh thể lớn lên mà còn
xuất hiện một lượng nhỏ tinh thể mới.
Vùng biến động: >1,3. Ở đây các tinh thể sacaroza sẽ tự xuất hiện không cần sự
tạo mầm hoặc kích thích.
Đối với dung dịch sacaroza không tinh khiết, giá trị hệ số quá bão hòa giữa các vùng
khác nhau phụ thuộc vào nồng độ chất không đường.
Thực tế trong quá trình sản xuất người ta cố gắng khống chế < 1,3 để tránh tạo thành
các tinh thể dại
Hình 5.1: Đồ thị quá bão hoà của sacaroza
1.6.2 Sự lớn lên của tinh thể [tốc độ kết tinh]:
Định nghĩa: Tốc độ kết tinh là lượng đường kết tinh trong 1phút trên 1m2 bề mặt tinh thể
[mg/m2.phút]
Theo Kukharenko, lượng đường kết tinh S trong dung dịch quá bão hòa là:
S = KFT , mg.
Trong đo F: Bề mặt tinh thể, m2.
60
T: thời gian kết tinh, ph.
Khi F =1, T =1 thì S = K và K là tốc độ kết tinh.
Bề mặt các tinh thể phụ thuộc vào số lượng của chúng. Nếu số lượng tinh thể càng
nhiều, kích thước nhỏ, F càng lớn, lượng đường kết tinh nhiều. Nhưng trong thực tế sản xuất cần khống chế sản phẩm theo kích thước, theo số tinh thể yêu cầu tạo điều kiện thao tác dễ
dàng.
Bề mặt của mỗi tinh thể phụ thuộc vào khối lượng của nó theo công thức
f = 4,12 3 p2
Trong đó f: Bề mặt tinh thể, cm2.
p: Khối lượng 1 tinh thể được xác định bằng phương pháp cân 1 số lượng
tinh thể có kích thước quy định để lấy giá trị trung bình của p, g.
4,12: Hệ số thực nghiệm cho tinh thể sacaroza [theo Kukharenko].
1.7 Cơ sở lý thuyết của quá trình kết tinh và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
kết tinh
1.7.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình kết tinh :
Dựa trên cơ sở nghiên cứu các phản ứng dị thể và kết quả thực nghiệm của Andreev
và nhiều người khác, Silin cho rằng quá trình kết tinh chủ yếu là quá trình khuếch tán và giải
thích như sau:
Tinh thể đường được bao quanh một lớp dung dịch không chuyển động với chiều dày d
d
c
C
Ngay sát bề mặt của tinh thể, dung dịch chứa quá bão hòa vì ở đây tồn tại mọi điều
kiện để lượng đường dư từ dung dịch quá bão hòa kết tinh. Như vậy ở bề mặt tinh thể có nồng độ c ứng với dung dịch bão hòa. Cách bề mặt tinh thể khoảng d, dung dịch quá bão hòa với nồng độ C. Do sự chênh lệch nồng độ [C c] đường sẽ khuếch tán qua lớp dung dịch không chuyển động d. Khi các phân tử đường khuếch tán đến bề mặt tinh thể thì lập
tức kết tinh. Ở bề mặt tinh thể mới lại có nồng độ c như cũ, do đó quá trình kết tinh lại tiếp tục. Như vậy bên cạnh quá trình khuếch tán các phân tử lên bề mặt tinh thể, còn có quá trình liên kết các phân tử sacaroza trong lưới tinh thể. Nhưng Xilin cho rằng quá trình kết
tinh chủ yếu là quá trình khuếch tán. Do đó, tốc độ kết tinh là tốc độ khuếch tán
Tốc độ kết tinh chính là tốc độ khuếch tán, theo định luật Fick, lượng đường khuếch tán S tỉ
lệ thuận với hiệu số nồng độ [C c], tỉ lệ nghịch với khoảng đường khuếch tán d và tỉ lệ thuận với bề
mặt khuếch tán F và thời gian:
S = k1 [C c] F: [6.1]
d
k1[C c]
Tốc độ kết tinh K= [6.2]
d
61
Theo Einsteins, hệ số khuếch tán k1 phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối T và độ nhớt môi trường
:
k1 = k T
trong đó k hằng số
K = kT [C c] [6.3]
d
Dựa vào công thức này có thể phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ.
Nhưng ngoài tốc độ khuếch tán các phân tử trên bề mặt tinh thể, còn phải kể đến tốc độ liên
kết các phần tử sacaroza trong lưới tinh thể. Trong phương trình [6.1], bỏ qua yếu tố thứ hai, cho
rằng sự liên kết các phân tử vào lưới tinh thể xảy ra rât nhanh so với tốc độ kết tinh. Theo nghiên cứu
của Mark và Xavinov đối với các dung dịch muố, nhận thấy khi tăng tốc độ khuấy, tốc độ kết tinh
tăng nhưng khi đạt cực đại thì tốc độ kết tinh không thay đổi nữa, lúc này lớp mật bao quanh tinh thể
rất nhỏ [d 0] và theo quan sát của Mark, ở ngay bề mặt tinh thể còn tồn tại một ít dung dịch quá bão
hòa [nồng độ C1]. Sự bão hòa cần thiết để chuyển đường hòa tan sang trạng thái kết tinh. Tốc độ
chuyển dịch đó tỉ lệ với [C1 c]2 [hai2 nồng độ đó đều ở ngay bề mặt tinh thể ]. Ta có :
K = k2[C1 c] [6.4]
Trong đó: k2 hằng số
Vì rằng tốc độ đó cũng bằng tốc độ khuếch tán phân tử đường, ta có:
S= k1 [C C1] [6.5]
d
[theo sự suy luận ở trên, cần thay c bằng C1 ]
Nếu loại nồng độ C1 từ hai phương trình [6.4] và [6.5] ta rút ra phương trình tốc độ kết tinh
chính xác:
K = k1 [C 1 k1 k1 [C 1 k1 ] ] [6.6]
d2 dk 2 dk 2 4 dk 2
Trong đóC = C c
k2 phụ thuộc vào hình dáng tinh thể
Phương trình [6.6] cho phép tính được tốc độ kết tinh sacaroza ở các hệ số quá bão hòa khác
nhau và trong giới hạn nhiệt độ rộng.
Đối với dung dịch đường có độ tinh khiết thấp, độ nhớt lớn, hệ số k1 rất nhỏ so với k2, tỉ số
k1 gần bằng không
k2
k1C
Phương trình [6.4] có dạng : K =
d
k [C c]
K= 1
d
Như vậy khi nấu đường có độ tinh khiết thấp dùng phương trình ban đầu, tức là phương trình
[6.3].
1.7.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh
Độ quá bão hòa dư
Nhiệt độ.
Độ tinh khiết của dung dịch đường
Độ nhớt
Sự khuấy trộn
62
2. Quá trình hóa học của giai đoạn nấu đường
Sau khi được tạo thành, tinh thể sacaroza rất bền, ở nhiệt độ dưới 700C hầu như không có sự
thay đổi nào về cấu trúc cũng như các thay đổi đặc biệt khác. Nhưng sự thay đổi của đường non trong
quá trình kết tinh chủ yếu phụ thuộc vào thành phần của mật cái.
2.1. Chuyển hóa đường sacaroza
Sự chuyển hóa sacaroza phụ thuộc vào pH và nhiệt độ. pH đường non phụ thuộc vào
phương pháp làm sạch và pH mật chè sau làm sạch, đồng thời pH các loại đường non cũng
khác nhau.
V í dụ :
Đường non A có pH 5,8 6,8
Đường non B có pH 5,6 6,5 Đường non C có pH 5,5 6,4
Đường non luyện có pH ổn định hơn khoảng pH 6,9 7,1.
2.2. Phân hủy đường khử
Trong quá trình nấu xảy ra hiện tượng thay đổi khả năng quay cực của đường khử,
phản ứng melanoidin, phản ứng phân hủy đường khử thành những sản phẩm không lên men.
Đường non có độ tinh khiết thấp và nồng độ cao, sự phân hủy càng tăng.
2.3 .Phản ứng của các chất không đường hữu cơ
Trong quá trình kết tinh, 1 số axit hữu cơ trong quá trình kết tinh trở thành không tan, kết
tủa ở dạng muối canxi và muối magiê như : Canxi aconitat, magiê aconitat, canxi oxalat.
Một số axit amin kết hợp với đường khử tạo thành hợp chất hữu cơ chứa nitơ tan trong
dung dịch
Tinh bột, pectin kết tinh cùng với sacaroza và liên kết bền trong tinh thể đường
Phản ứng caramen, phản ứng tác dụng với Fe.
Độ tinh khiết đường non càng thấp, nồng độ chất màu càng cao.
2.4 .Các phản ứng của chất không đường vô cơ:
Trong quá trình nấu đường, khi nồng độ dung dịch đường tăng lên, nồng độ các chất
không đường tăng. Một số chất đạt quá bão hoà và có khả năng kết tinh với đường.
2.5. Hiện tượng nấu khó.
Có nhiều nguyên nhân dẫn đến những mẻ đường rất khó nấu, đôi khi đường non đặc
cứng trong nồi, bốc hơi chậm, không kết tinh được.
Nguyên nhân :
Mật chè và các nguyên liệu nấu chứa lượng muối canxi cao.
Độ kiềm dung dịch cao, một phần đường ở dạng sa ca rat làm cho nồng độ và độ nhớt tăng
lên.
Mía non, keo nhiều, độ nhớt lớn cũng khó nấu, đặc biệt là khi nấu các loại đường chất
lượng thấp.
3 . Quá trình nấu đường
Về phương pháp có hai phương pháp nấu đường :
Nấu đường gián đoạn.
Nấu đường liên tục.
3.1 . Nấu đường gián đoạn
Nấu đường gián đoạn gồm 4 giai đoạn : Cô đặc đầu, tạo mầm, nuôi tinh thể, cô đặc
cuối.
1. Cô đặc đầu :
Cô dung dịch đến nồng độ cần thiết để chuẩn bị cho sự tạo thành tinh thể. Tùy theo
phương pháp gây mầm mà khống chế nồng độ khác nhau. Giai đoạn này nên cô ở độ chân
63
không thấp nhất [600-620mm Hg] để giảm nhiệt độ sôi của dung dịch [thường nhiệt độ = 60
650C], giảm sự phân hủy đường. Lượng nguyên liệu gốc [mật chè hoặc đường hồ] nên phủ kín bề mặt truyền nhiệt của nồi nấu, tránh hiện tượng cháy mật chè trong nồi. Thời gian cô có
thể từ 30 45.
2. Tạo mầm tinh thể
Là thời điểm quan trọng của quá trình nấu đường. Dùng phương pháp thủ công hoặc
dụng cụ kiểm tra để tìm thời điểm tạo mầm. Có thể quan sát sự thay đổi như sau : Đầu tiên các dòng chất lỏng trên kính quan sát rơi nhanh xuống. Khi độ đặc đến nồng độ cần thiết để
tạo mầm thì có giọt mật chảy chậm và trên kính có nhiều vết.
Khi dung dịch đã đạt yêu cầu, dùng một trong những phương pháp tạo mầm tinh thể
để gây mầm
Các phương pháp tạo mầm tinh thể:
Tạo mầm tự nhiên: Nấu dung dịch đường đến hệ số quá bão hoà khoảng = 1,4 các tinh thể
đường tự xuất hiện. Phương pháp này hiện nay ít dùng vì sacaroza rất khó tự kết tinh, nấu
đến nồng độ cao chất lượng đường không bão đảm, thời gian nấu kéo dài, khó khống chế
lượng mầm.
Phương pháp kích thích: Nấu mật đến độ quá bão hoà = 1,2 1,3 [nồng độ khoảng 82
83 Bx đối với đường thành phẩm], thay đổi độ chân không đột ngột, hoặc cho một lượng mầm rất ít vào để kích thích sự xuất hiện tinh thể mới. Phương pháp bỏ bột đường như vậy
có ưu điểm là ít tốn đường để tạo mầm nhưng có nhược điểm là khó khống chế lượng mầm.
Phương pháp tinh chủng: Thêm lượng bột đường ở vị trí quá bão hoà thấp [ = 1,1]. Lượng
bột đường cho vào chính là lượng nhân tinh thể và khống chế không để xuất hiện tinh thể
mới.Bột đường nghiền nhỏ có thể cho vào dạng khô, nhưng như vậy khó trộn đều.
Tốt nhất là bột đường sau khi nghiền cho vào trong ancol với tỉ lệ 1: 0,8. Dựa vào tính chất
dễ bay hơi và nhiệt độ sôi thấp của ancol làm cho các mầm tinh thể được trộn đều. Yêu cầu
nghiền đường rất nhỏ trước khi trộn với ancol. Thời gian cho vào không quá 30s.
Phương pháp nấu giống [phương pháp phân cắt]. Nấu một nồi đường tinh thể có kích thước nhất định, sau đó chia một phần làm mầm tinh thể. Phương pháp này đơn giản, dễ khống chế.
Thường được áp dụng nấu đường B,C.
Lượng giống nấu non B khoảng 6 8%, đối với đường non C khoảng 22 23% so với
khối lượng đường non.
Phương pháp đường hồ: Dùng đường B hoà với mật chè tạo thành hỗn hợp giống để nấu.
Thường làm nguyên liệu gốc để nấu đường thành phẩm. Phương pháp này nấu ngắn và dễ
nấu nhưng giảm lượng đường. Hiện nay các nhà máy đường ở nước ta thường dùng phương
pháp đường hồ và phương pháp nấu giống.
c Nuôi tinh thể:
Giai đoạn này gồm 2 giai đoạn : Cố định tinh thể và nuôi tinh thể lớn lên.
Cố định tinh thể : Sau khi tạo đủ tinh thể , dùng nguyên liệu hoặc nước nấu 2 3
lần để giảm độ quá bão hòa xuống còn 1,05 ¸ 1,1 để tinh thể mới không xuất hiện.
Nuôi tinh thể :
+ Nhiệm vụ :
Nuôi tinh thể lớn lên nhanh chóng và đều cứng.
Đảm bão chất lượng đường bằng các nguyên liệu đã tính toán.
+Nguyên tắc chung:
64
Nhiệt độ nguyên liệu cho vào nấu lớn hơn trong nồi từ 3 50 để giữ nhiệt độ
sôi trong nồi, tăng khả năng truyền nhiệt, trộn đều với đường non trong nồi.
Nguyên liệu có độ tinh khiết cao cho vào trước, độ tinh khiết thấp cho vào sau
để không ảnh hưởng đến chất lượng thành phẩm.
Quá trình lớn lên của tinh thể gồm 2 quá trình song song :
Kết tinh đường, làm giảm hệ số quá bão hòa.
Bay hơi nước làm tăng hệ số quá bão hòa.
Khi quá trình kết tinh xảy ra chậm hơn qua trình bay hơi nước sẽ làm tăng hệ số
quá bão hòa. Đến một lúc nào đó a quá bão hòa nằm trong vùng biến động hay vùng trung gian sẽ xuất hiện tinh thể dại. Tiếp tục cho nguyên liệu vào nước thì tinh thể dại có thể
bị hòa tan. Ở giai đoạn này có hai phương pháp nấu: Nấu gián đoạn và nấu liên tục .
* Nấu gián đoạn : Cho nguyên liệu vào nuôi tinh thể gián đoạn với lượng nguyên liệu khác
nhau.
Vừa cho nguyên liệu vào, độ quá bão hòa giảm, một số tinh thể mới tạo thành bị hòa
tan, độ nhớt đường non giảm. Do thêm mật chè vào nên số tinh thể chuyển ra xa nhau, hệ số
truyền nhiệt tăng lên, nước bay hơi nhanh, dung dịch quá bão hòa, đường bắt đầu kết tinh
nhanh, lượng mật giảm, lượng đường trong mật tăng lên, độ nhớt tăng, giảm hệ số truyền
nhiệt và sự bay hơi nước. Song sự bay hơi nước vượt xa sự kết tinh, dẫn đến sự tạo thành tinh thể dại. Cần phải cho mật hoặc nguyên liệu vào chỉnh lí ngay. Trong quá trình chỉnh lí
cố gắng giữ hàm lượng tinh thể cố định.
Phương pháp nấu gián đoạn đòi hỏi công nhân nhiều kinh nghiệm.
* Nấu liên tục : Nấu liên tục cho hiệu quả cao vì độ quá bão hòa luôn luôn được giữ cố định, sự truyền nhiệt, sự bay hơi và kết tinh không bị đứt đoạn, do đó tốc độ kết tinh tăng , giảm sự
tạo thành các tinh thể dại.
Để giảm độ nhớt trong giai đoạn này nên phân đoạn nấu nước. Đối với nguyên liệu độ
tinh khiết thấp nấu nước nhiều lần hơn. Nhiệt độ nước cho vào lớn hơn nhiệt độ trong nồi là
100C. Không nên nấu nước nhiều lần và lượng nước quá nhiều vì thời gian nấu quá dài, tốn
nhiên liệu. Các loại đường thành phẩm không nấu nước
Phương pháp gián đoạn thường dùng khi nấu các loại đường có độ tinh khiết thấp.
Còn phần lớn các nhà máy đường đều dùng phương pháp nấu liên tục.
4. Cô đặc cuối
Khi tinh thể đạt kích thước nhất định, ngừng cho nguyên liệu và cô đến nồng độ ra
đường. Tùy theo từng loại đường, cô đặc đến các nồng độ khác nhau như Bx non A = 92 93 ; Bx non B 94 96 Bx, Bx non C 98 99 Bx. Tránh cô đặc nhanh vi có thể tạo thành các tinh
thể dai.
Trước khi xã đường non thường phun nước nóng 750C để giảm sự tạo thành tinh thể
dại. Khi đường non từ nồi nấu ra ngoài, giảm độ nhớt của mật, tạo điều kiện li tâm dễ dàng.
Lượng nước khoảng 0,5% so khối lượng đường non.
-Tổng thời gian nấu một nồi đường phụ thuộc kích thước tinh thể cần nấu, chất lượng
nguyên liệu, trình độ thao tác của công nhân và các điều kiện khác. Ở nước ta nấu non A
khoảng 2 4 giờ: non B 4 6 giờ và non C 8 12 giờ.