Kỹ thuật tinh chế dầu thực vật

Tách các tạp chất cơ học:

a. Lắng: Dựa trên cơ sở sự rơi tự do của các hạt phân tán có trong dầu dưới ảnh hưởng của trọng lực. Do chỉ dựa vào sự rơi tự do nên quá trình lắng kéo dài, vì thế yêu cầu thiết bị lắng phải có dung tích lớn. Thường thì các hạt phân tán trong dầu có khối lượng riêng 1324 ÷ 1398 kg/m³ và kích thước 69 ÷ 443 μm.

Để tạo điều kiện cho quá trình lắng được nhanh, người ta thường nâng nhiệt độ để độ nhớt của dầu giảm và ở nhiệt độ này các hạt phân tán có kích thước nhỏ sẽ đông tụ tạo ra những hạt có kích thước lớn hơn nên dễ lắng. Thời điểm đông tụ là lúc bắt đầu tạo ra các hạt cở lớn, thể hiện bằng trạng thái dầu trở nên vẫn đục rõ rệt. Nhiệt độ đông tụ là nhiệt độ tại đó dầu bắt đầu đục, nhiệt độ này phụ thuộc vào phương pháp khai thác dầu (ép hoặc trích ly).

Nhiệt độ lắng cặn tốt nhất trong phạm vi 30 ÷ 50⁰C, thời gian lắng khoảng 1 ÷ 1,5 giờ. Thiết bị lắng thường có dạng hình trụ, đáy côn, cấu tạo hai vỏ. Sơ đồ thiết bị lắng gián đoạn có cấu tạo như sau:

b. Lọc: Quá trình lọc dựa trên khả năng của các vật liệu xốp chỉ cho đi qua những phần tử có kích thước nhất định. Đối với dầu, để tách các tạp chất cơ học thường người ta dùng thiết bị lọc khung bản, nhiệt độ lọc 45 ÷ 60⁰C. Nhiệt độ cao thì tốc độ lọc nhanh nhưng có một số tạp chất hòa tan trong dầu ở nhiệt độ cao như phức photpholipit, một số hợp chất có nitơ và gluxit. Do đó, dầu sau khi lọc nóng cần phải lọc nguội để tách các tạp chất nói trên. Nhiệt độ thích hợp để lọc nguội là 20 ÷ 25⁰C.

c. Li tâm: Li tâm là quá trình tách tạp chất rắn của dầu bằng tác động của lực li tâm, nhờ lực li tâm, hỗn hợp dầu và tạp chất sẽ phân chia thành hai phần: dầu sạch và tạp chất. Phương pháp này dùng để tách dầu nhiều cặn và dùng để tách những cặn có kích thước bé, không thể tách được bằng phương pháp lắng, lọc. Có thể dùng hai loại máy li tâm để tách cặn: li tâm thường (4000 ÷ 10000 vòng/phút) và li tâm siêu tốc (12500 ÷ 45000 vòng/phút). Tùy thuộc vào số lượng cũng như đặc điểm của các hạt tạp chất đông tụ trong dầu mà chọn kiểu máy li tâm. Dầu có lượng tạp chất là protein, photphatit nhỏ hơn 0,5 % có thể dùng máy li tâm thường và nhỏ hơn 0,1 % thì dùng máy li tâm siêu tốc.

Tách tạp chất háo nước (thủy hóa):

Thủy hóa hay hidrat hóa là một phương pháp xử lý dầu bằng nước, phương pháp này chủ yếu dùng để tách phốtpholipit và protit trong dầu (photpholipit và protit là hai thành phần háo nước). Trong thành phần của hai chất này không có nước tự do, tức là chúng ở dạng khan nước, hòa tan trong dầu tạo thành dung dịch thực ở điều kiện thường. Khi đưa nước ở dạng phân tán vào dầu có lẫn các loại cặn háo nước, ở điều kiện xác định (nhiệt độ, thời gian, khuấy trộn...), chúng sẽ

tạo thành kết tủa và tách ra khỏi dầu. Quá trình thủy hóa bao gồm một số bước chủ yếu sau:

- Phân tán nước vào trong dầu, phần ưa nước của các cặn háo nước sẽ hấp thụ nước tạo ra các phức dạng hidrat,

- Các chất háo nước mất tính tan trong dầu, chuyển về dạng dung dịch keo,

- Tạo thành các hạt keo đông tụ làm cho dầu vẫn đục,

- Phân ly dầu ra khỏi các phức hidrat bàng phương pháp lắng hoặc li tâm.

Quá trình thủy hóa được thực hiện như sau: đầu tiên đun nóng dầu đến nhiệt độ 45 ÷ 50⁰C, sau đó vừa khuấy trộn vừa cho nước nóng có cùng nhiệt độ vào. Lượng nước cho vào tùy từng loại dầu nhưng thường chiếm 0,5 ÷ 2 % (so với khối lượng dầu). Sau khi cho nước vào tiếp tục khuấy trộn thêm 10 phút nữa, sau đó để yên trong vòng 1 giờ. Cặn lắng xuống dưới đáy, tháo cặn ra trước và tháo dầu ra sau.

Quá trình thủy hóa là là công đoạn không thể thiếu đối với việc tinh chế dầu vì photpholipit có dinh dưỡng cao nên dễ tạo điều kiện cho VSV phát triển làm ảnh hưởng đến chất lượng của dầu thành phẩm. Dầu sau khi thủy hóa có chỉ số axit nhỏ hơn dầu trước khi thủy hóa khoảng 0,1 ÷ 0,4 %, do các thành phần háo nước có tính axit đã được loại ra.

Ngoài ra, trong quá trình bảo quản dầu thô, quá trình tự thủy hóa cũng có thể xãy ra do các phần háo nước trong dầu phản ứng với ẩm của không khí (trên bề mặt thoáng) và với một phần nhỏ ẩm ở trong dầu. Quá trình tự thủy hóa tạo ra một lượng cặn lắng trong dầu thô, trong đó photpholipit chiếm khoảng 45 %, dầu 45 % nước 2 ÷ 3 %, các chất không tan trong dầu 2 ÷ 3 % (so với khối lượng cặn).

Quá trình thủy hóa được thực hiện trong những thiết bị hình trụ đáy côn có lắp bộ phận gia nhiệt kiểu ống xoắn ruột gà và có cánh khuấy.

Tách sáp:

Trong dầu có một lượng sáp, khi hạ nhiệt độ, một lượng sáp sẽ kết tinh, nhiệt độ kết tinh của sáp trong dầu khá khác nhau, ví dụ: dầu thô 8⁰C, dầu qua thủy hóa 10⁰C, dầu đã qua trung hòa bằng kiềm 12⁰C. Ở các nhiệt độ này, sáp kết tinh thành những tinh thể có kích thước lớn và có thể tách ra khỏi dầu bằng phương pháp lắng, lọc hoặc li tâm.

Sau khi tạo ra các tinh thể sáp bằng cách làm lạnh dầu xuống 8 ÷ 12⁰C rồi lại đun dầu lên đến 20⁰C, nhằm làm giảm độ nhớt của dầu và tạo cho sáp tinh thể có kích thước lớn để dễ dàng cho việc lắng, lọc hoặc li tâm. Dầu sau khi tách sáp, dù có làm lạnh xuống đến 0⁰C vẫn không đục.

Trung hòa (tách axit béo tự do):

Axit béo tự do có trong dầu là một trong những nguyên nhân làm cho dầu kém phẩm chất, các axit béo tự do thường đóng vai trò xúc tác cho các phản ứng oxy hóa và phân ly dầu. Để tiến hành tách axit béo tự do có trong dầu, người ta xử

lý dầu với một lượng kiềm nhỏ, như vậy, ngoài các axit béo tự do được trung hòa, còn cho phép tách thêm một số thành phần háo nước còn sót lại sau quá trình thủy hóa, loại bỏ được một số vết kim loại (Cu, Fe..) xúc tác quá trình oxy hóa dầu và còn lọai bỏ được một số các chất màu. Sự có mặt các axit béo tự do trong dầu không những gây trở ngại cho việc sử dụng dầu vào mục đích thực phẩm (chỉ số axit không lớn hơn 0,4 mg KOH) mà còn hạn chế các mục đích kỹ thuật khác.

Tùy thuộc vào mục đích sử dụng dầu và chỉ số axit của dầu đem đi trung hòa mà người ta chọn chế độ và tác nhân trung hòa. Nhìn chung, việc tách các axit béo tự do ra khỏi dầu cần đảm bảo các điều kiện sau đây:

- Tác nhân trung hòa phải nhanh chóng phản ứng với axit béo tự do, không tác dụng với dầu trung tính,

- Hỗn hợp nhanh chóng phân lớp và phân lớp triệt để, dầu trung tính dễ dàng tách ra khỏi cặn,

- Không tạo thành dung dịch nhũ tương bền.

Trên thực tế, chọn một số phương pháp nào đó nhằm thỏa mản các yêu cầu trên thường gặp khó khăn. Dầu trung tính bị tổn hao, phản ứng giữa các axit béo với tác nhân trung hòa không hoàn toàn nên đưa chỉ số axit về giá trị yêu cầu thường khó khăn.

Tác nhân trung hòa thường dùng là các loại kiềm như NaOH, KOH... hoặc các loại muối kiềm như Na₂CO₃...Nồng độ các tác nhân trung hòa tùy thuộc vào chỉ số axit của dầu. Đối với NaOH, người ta dùng ba loại nồng độ như sau:

- Kiềm loảng: 35 ÷ 45 g NaOH/lít : dùng cho dầu có chỉ số axit < 5 mg KOH

- Kiềm vừa: 85 ÷ 105 g NaOH/lít : dùng cho dầu có chỉ số axit 5 ÷ 7 mg KOH

- Kiềm đặc: > =125 g NaOH/lít : dùng cho dầu có chỉ số axit > 7 mg KOH

Hiệu quả trung hòa bằng kiềm được đánh giá bằng chỉ số axit của dầu sau khi trung hòa.

Trong quá trình trung hòa, axit béo tự do có trong dầu tác dụng với tác nhân trung hòa tạo muối axít béo gọi là xà phòng, xà phòng không tan trong dầu và có khối lượng riêng lớn hơn dầu nên tách ra khỏi dầu, lắng xuống đáy thiết bị.

a. Trung hòa bằng NaOH hay KOH:

Khi trung hòa bằng NaOH hay KOH ta có phản ứng: (viết cho trường hợp NaOH)

Phản ứng này làm tổn hao dầu, do đó trong quá trình trung hòa bằng kiềm thì nhiệt độ và nồng độ của dung dịch kiềm đưa vào phải thích hợp để làm thế nào giảm được hay hạn chế phản ứng này xảy ra.

Để tiến hành trung hòa, trước hết phải xác định chỉ số axit của dầu thô, từ đó chọn nồng độ dung dịch kiềm thích hợp và tính được lượng kiềm cần thiết để tác dụng vừa đủ với axit béo tự do mà không tác dụng với dầu trung tính. Đối với các loại dầu khác nhau, nhiệt độ trung hòa cũng được khống chế khác nhau, ngoài ra cần phải căn cứ vào chỉ số axit của dầu để xác định nhiệt độ trung hòa, thường thì nhiệt độ trung hòa dao động từ 20 ÷ 95⁰C. Nếu dầu có chỉ số axit cao thì phải tiến hành trung hòa ở nhiệt độ thấp và ngược lại. Nói một cách khác, nếu dùng dung dịch kiềm đặc (chỉ số axit của dầu cao) thì tiến hành trung hòa ở 20 ÷ 25⁰C, ngược lại nếu dùng dung dịch kiềm loãng (chỉ số axit bé) thì tiến hành trung hòa ở nhiệt độ 90 ÷ 95⁰C.

Quá trình trung hòa được tiến hành như sau: cho dung dịch kiềm vào bằng cách phun đều trên bề mặt của dầu và vừa khuấy trộn. Tốc độ khuấy trộn rất quan trọng, nó làm nhiệm vụ phân tán đều kiềm trong dầu, tạo điều kiện cho kiềm tiếp xúc với axit béo tự do để tạo ra cặn xà phòng. Do đó, nếu khuấy chậm, phản ứng sẽ không hoàn toàn, nếu khuấy nhanh cặn xà phòng tạo thành chưa kịp lắng đã bị phá vỡ thành những hạt nhỏ lơ lững gây khó khăn cho việc lắng cặn. Sau khi cho hết kiềm, người ta cho dung dịch muối ăn nồng độ 3 ÷ 4 % để tạo điều kiện cho cặn xà phòng lắng nhanh. Để lắng trong 6 giờ, cặn xà phòng lắng xuống và dầu sẽ nổi lên trên.

b. Trung hòa bằng Na₂CO₃: Xảy ra các phản ứng sau:

Nếu đun nóng dầu trên 60⁰C thì NaHCO₃ bị thủy phân:

Na₂CO₃ tạo ra sẽ phản ứng với axit béo:

Phương pháp này dùng để trung hòa dầu có chỉ số axit thấp (do Na₂CO₃ là một kiềm yếu). Hơn nữa, khi đun nóng dầu trên 60⁰C thì CO₂ sinh ra trong quá trình phản ứng sẽ sục lên tạo điều kiện tiếp xúc giữa axit béo tự do và tác nhân trung hòa làm cho quá trình trung hòa được thuận lợi, tuy nhiên cũng do hiện tượng sục CO₂ mà dầu dễ bị trào ra khỏi thiết bị, do đó thể tích thiết bị trong trường hợp này phải lớn. Hơn nữa, do hiện tượng sục CO₂ làm cho các hạt xà phòng nổi lên trên mặt thoáng của dầu đem trung hòa, từ đó gây khó khăn cho quá trình lắng tách các cặn xà phòng ra khỏi dầu sau khi trung hòa. Phương pháp này ít gây tổn thất dầu vì Na₂CO₃ không tác dụng với dầu ở nhiệt độ thấp.

Để tính toán lượng NaOH cần thiết dùng để trung hòa, ta dùng công thức:

x = (D*A*40)/56,1

x: lượng NaOH cần dùng để trung hòa (kg)

D: lượng dầu cần trung hòa (tấn)

A: chỉ số axit của dầu đem trung hòa

40: khối lượng phân tử của NaOH

56,1: khối lượng phân tử của KOH

Trong công nghiệp, người ta dùng NaOH rắn có hàm lượng 92 %, như vậy lượng NaOH 92 % dùng để trung hòa là:

x = D ∗ A ∗ 40 56 , 1 ∗ 100 92 size 12{x=η left [ left ( { {D*A*"40"} over {"56",1} } right ) right ]* { {"100"} over {"92"} } } {}

Mặt khác, không những NaOH kết hợp với axit béo tự do mà nó còn kết hợp với một số chất khác có trong dầu, vì vậy khi tính toán lượng NaOH cho vào trung hòa cần phải có hệ số kiềm dư, hệ số kiềm dư dao động từ 1,05 đến 3, được xác định trong phòng thí nghiệm, mhư vậy lượng NaOH sẽ được tính:

η: hệ số kiềm dư

Quá trình trung hòa được thực hiện trong những thiết bị hình trụ đáy côn, sơ đồ cấu tạo như sau:

Rửa và sấy dầu:

Dầu sau khi thủy hóa, trung hòa vẫn còn một số tạp chất tan vào dầu như cặn xà phòng, một số cặn còn lơ lững chưa tách được như photphatit, để tách tạp chất này, người ta tiến hành rửa và sấy dầu. Nếu rửa bằng nước thường, các tạp chất sẽ tạo với nước thành dung dịch keo làm khó khăn cho quá trình lắng. Do đó, để tiến hành rửa, đầu tiên người ta dùng nước muối đun sôi có nồng độ 8 ÷ 10 %. Khi cho dung dịch nước muối vào, xà phòng sẽ mất tính gây nhũ hóa, dễ dàng lắng xuống đáy thiết bị. Sau khi rửa bằng nước muối, để lắng 40 ÷ 50 phút rồi tháo nước muối và cặn xà phòng vào bể thu hồi dầu, tiếp theo rửa lại 3 ÷ 4 lần bằng nước nóng.

Sau khi rửa, lắng và tách nước xong, trong dầu vẫn còn nước dưới dạng những hạt phân tán nhỏ , do đó cần phải sấy để tách nước. Nếu không sấy thì nước sẽ làm cho dầu bị oxy hóa. Có thể sấy chân không hoặc sấy dưới áp suất thường. Sấy chân không sẽ chất lượng dầu cao hơn vì quá trình sấy được tiến hành ở nhiệt độ thấp, dầu sẽ không bị sẩm màu do nhiệt độ cao. Trong quá trình sấy nếu thấy mặt thoáng của dầu phẳng lặng thì dầu đã hết nước. Nếu sấy ở áp suất thường, nhiệt độ sấy khoảng 100⁰ C, còn sấy chân không thì nhiệt độ sẽ thấp hơn tùy thuộc vào độ chân không được tạo ra. Thông thường, rửa và sấy được thực hiện trong cùng một thiết bị, sơ đò của thiết bị rử và sấy dầu như sau:

Trong quá trình rửa, nước rửa còn mang theo một lượng dầu nên cần phải thu hồi lượng dầu này ở bể thu hồi dầu có chia ngăn.

Tẩy màu, tẩy mùi:

a. Tẩy màu: Sự có mặt của các chất màu trong dầu làm cho dầu có màu sắc, ngoài ra, trong quá trình chế biến cũng làm cho dầu có màu sắc (màu của phản ứng caramen và melanoidin). Do đó, để đảm bảo cho các sản phẩm thực phẩm (có dùng dầu để chế biến) có màu sắc đẹp thì tẩy màu dầu là điều cần thiết. Do các chất hấp phụ màu không có khả năng liên kết các dạng chất màu lên bề mặt của nó là như nhau nên việc tẩy màu chỉ có hiệu quả một khi chất hấp phụ sử dụng là một hỗn hợp các chất. Các chất hấp phụ thường được sử dụng trong công nghệ tinh chế dầu là silicagen, than (than gỗ hoặc than xương) hoạt tính và đất hoạt tính...

Để tẩy màu dầu, người ta thường dùng kết hợp đất và than hoạt tính, tỉ lệ so với lượng dầu khoảng 3 ÷ 5 %, tỉ lệ giữa than và đất là 1:2. Cần chú ý rằng khi tỉ lệ các chất hấp phụ cho vào dầu lớn thì tổn thất dầu theo chất hấp phụ càng nhiều, tuy rằng khả năng làm sáng màu dầu có tăng lên.

Người ta tiến hành tẩy màu trong các thiết bị gián đoạn có độ chân không 690 ÷ 700 mmHg, có cánh khuấy, gia nhiệt gián tiếp đến nhiệt độ 90 ÷ 95⁰ C trong thời gian khoảng từ 2 ÷ 2,5 giờ (tính cả thời gian lọc). Sau khi tẩy màu, tiến hành lọc dầu bằng máy lọc khung bản, hoặc dùng máy li tâm để tách các chất hấp phụ ra khỏi dầu, nhiệt độ lọc khoảng < 60⁰ C.

Ngoài ra cũng có thể tẩy màu dầu bằng một hệ thống thiết bị hoạt động liên tục có sơ đồ như sau:

b. Tẩy mùi: Tẩy mùi là quá trình tách ra khỏi dầu các hợp chất gây mùi, những chất gây mùi hoặc đã có sẵn trong nguyên liệu hoặc do ảnh hưởng của các tác nhân bên ngoài đưa vào (ví dụ mùi của đất, than hoạt tính...). Những chất gây mùi thường là những chất dễ bay hơi như các axit béo phân tử thấp, các ester...Quá trình tẩy mùi được tiến hành trong những thiết bị có độ chân không cao (40 ÷ 60 mmHg), gia nhiệt trực tiếp bằng hơi quá nhiệt và gián tiếp bằng hơi dầu dowthern. Nhiệt độ tẩy mùi có liên quan trực tiếp đến thời gian tẩy mùi, nếu nhiệt độ tẩy mùi khoảng 200 ÷ 235⁰ C thì thời gian tẩy mùi kéo dài từ 1,5 ÷ 3 giờ, khi nhiệt độ tẩy mùi > 250⁰ C thì thời gian tẩy mùi chỉ còn khoảng 0,5 giờ. Ở điều kiện nhiệt độ tẩy mùi cao và thời gian tẩy mùi ngắn cho phép tiết kiệm được năng lượng và chất lượng dầu thành phẩm sẽ tốt hơn. Tuy nhiên, cần phải có những hệ thống thiết bị đáp ứng được những điều kiện làm việc trên (nhiệt độ cao và thời gian ngắn). Sau đây là sơ đồ một hệ thống khử mùi liên tục: