Bài tập môn hóa học thực phẩm - Chất trợ lọc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM -------o0o------- BÀI TẬP MÔN HÓA HỌC THỰC PHẨM CHẤT TRỢ LỌC Nhóm SVTH: - Nguyễn Huy Lộc (60801164) - Võ Hoài Đông (60800461) GVHD: Cô Tôn Nữ Minh Nguyệt MỤC LỤC Giới thiệu về chất trợ lọc. Chất trợ lọc (Thomas E.Sulpizio, 1999) Chất trợ lọc là những bột vô cơ hay nguyên liệu sợi hữu cơ dùng để hỗ trợ quá trình lọc để nâng cao hiệu quả lọc. Những chất trợ lọc thường gặp bao gồm diatomite, perlite và cellulose, và các chất này đã được sử dụng trên bảy mươi lăm năm nay. Hiện nay chất trợ lọc và lọc màng đang được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, bao gồm công nghiệp hóa chất, chế biến thực phẩm, dược, khai thác quặng mỏ, xử lý nước uống và xử lý nước thải. World Minerals Inc., công ty mẹ của Celite và Harbolite, và những tổ chức khác đã có nhiều thành tựu to lớn trong kĩ thuật trợ lọc. Những nghiên cứu này đã thúc đẩy việc sản xuất và làm sạch bằng các sản phẩm trợ lọc mới. Một trong những chất được dùng nhiều nhất trong kĩ thuật lọc chất lỏng hiện nay là các loại bột mịn, chất trợ lọc. Chất trợ lọc có những đặc điểm thích hợp cho việc lọc chất lỏng như có thể tích chất rắn lớn, độ trong cao, dễ tăng hoặc giảm hàm lượng, giá thành rẻ… Kĩ thuật ngày nay đã cho ra nhiều chất trợ lọc mới cải tiến độ tinh khiết và khả năng lọc, và cũng mở rộng phạm vi sử dụng của chất trợ lọc. Chất trợ lọc thường dùng kết hợp với nhiều dụng cụ lọc khác nhau để làm tăng sự phân ly lỏng - rắn. Lựa chọn chất trợ lọc phụ thuộc vào tùy từng ứng dụng và dung dịch cần lọc. Ví dụ, trong enzyme và thuốc kháng sinh, phương pháp lọc quay chân không được dùng làm cách lọc chính để loại bỏ tối đa các tế bào bụi. Các chất trợ lọc thông dụng. Diatomite (Vũ Trung, 2000, 2004) Diatomite tự nhiên là 1 loại đá trầm tích dễ dàng đập vỡ thành dạng bột màu trắng hoặc trắng nhạt, có cấu trúc rỗng, xốp. Khi nó ở dạng bột sờ vào sẽ có cảm giác trầy da, bột diatomite rất sáng. Thành phần chủ yếu của diatomite là SiO2 86%, Na 5%, Mg 3% và Fe 2%. Diatomite hình thành từ hoá thạch của tảo cát, đựơc sử dụng như chất trợ lọc, chất mài mòn nhẹ, thuốc trừ sâu, chất hút làm trong dung dịch… Nó còn là chất chịu nhiệt tốt nên được sử dụng làm chất cách nhiệt hữu hiệu. Tất cả các dạng sản phẩm của diatomite đều có tính ứng dụng cao và hữu ích. Năm 2002, 68% lượng diatomite được sử dụng hoặc bán ra ở Mỹ là dùng cho các quá trình lọc. Do cấu trúc của diatomite có các lỗ xốp lớn và nhiều khoảng trống nên vật liệu này có khả năng thấm hút cao. Diatomite có tính trơ hóa học. Cùng với năng suất lọc cao (tốc độ lọc lớn); diatomite có khả năng tách các hạt chất rắn có kích thước < 0,5 mm. Diatomite rất nhẹ và có thể chịu nén, trong khi đó vẫn giữ được 90% các khoảng trống; với ưu điểm này trong sản xuất bia người ta thường dùng diatomite hơn là perlite. Diatomite có nhiều ứng dụng, cụ thể như: - Dùng để lọc: nhờ có cơ cấu hạt xốp và có tính trơ nên diatomite được dùng làm chất trợ lọc trong sản xuất bia, rượu, nước mía ép, nước quả ép hoặc làm trong dầu ăn. Làm chất độn: diatomite có độ trong lên tới 90%, chiết suất vào khoảng 1,42 - 1,48, khá trơ, chịu được lửa, có khả năng hấp thụ lớn nên rất thích hợp để làm chất độn trong sản xuất sơn, gia công chất dẻo, cao su, giấy, sản xuất thuốc đánh răng và đúc răng giả. - Làm vật liệu mài bóng bạc, đánh bóng vỏ ôtô. - Làm chất hấp thụ: diatomite có thể hấp thụ một lượng chất lỏng lớn gấp ba lần khối lượng của nó. Nó được dùng làm chất mang cho các loại thuốc trừ sinh vật hại, các chất xúc tác, làm chất chống đóng vón hay chất hấp thụ mùi hôi thối của phân súc vật nuôi trong nhà. - Các ứng dụng khác: làm phụ gia trong sản xuất xi măng poóc- lăng, sản xuất tấm lợp, các chất bọc cách, sản xuất silic oxyt hoạt tính v. v... Sản xuất rượu bia là thị trường tiêu thụ diatomite lớn nhất. Mức tiêu thụ các sản phẩm này ở các nước công nghiệp phát triển sẽ không tăng nhiều do sự cạnh tranh từ các loại đồ uống có cồn khác và một phần là do có những điều luật hạn chế tiêu thụ các sản phẩm có cồn, trong khi đó ở các nước đang phát triển tiêu thụ rượu bia lại phụ thuộc vào đồng lương thực tế. Diatomite mất dần thị phần trong lĩnh vực sản xuất bia rượu do sự cạnh tranh của các chất trợ lọc tổng hợp đi từ polyme gốm hay màng carbon. Mặc dù trong ứng dụng làm chất hấp thụ, nhu cầu diatomite có tăng nhưng nó vẫn phải đối mặt với sự cạnh tranh của các khoáng chất khác như bentonite. Do có dư luận cho rằng diatomite gây ung thư nên việc xử lý các chất thải diatomite đang trở thành một vấn đề cần giải quyết. Người ta đang nghiên cứu và phát triển các công nghệ tái sinh để sử dụng lại các bánh lọc (từ diatomite) thải đã qua sử dụng. Giá diatomite ở Mỹ rẻ hơn ở châu Âu và dao động trong khoảng 370 - 420 USD/tấn. Để làm chất trợ lọc, diatomite phải qua chế biến để đạt các tiêu chuẩn về độ sạch mà vẫn giữ được vi cấu trúc thiết yếu phục vụ cho mục đích lọc. Khi đã qua chế biến, người ta thu được các sản phẩm sau: khoáng diatomite tự nhiên, khoáng diatomite nung, khoáng diatomite nung chảy. Khoáng diatomite tự nhiên được tạo ra bằng cách nghiền và sấy quặng diatomite. Khi nung khoáng diatomite tự nhiên ở 1.000oC sẽ tạo ra khoáng diatomite nung. Trong quá trình nung, các hạt diatomite cỡ nhỏ nóng chảy và gắn kết lại với nhau, tạo ra các hạt có kích cỡ to hơn, nhờ vậy diatomite có diện tích bề mặt giảm đi, kích thước các lỗ xốp tăng lên làm tốc độ lọc tăng theo. Trong quá trình nung nói trên, nếu cho thêm một chất trợ dung (ví dụ như sôđa) thì sẽ tạo ra sản phẩm khoáng diatomite nóng chảy; ở đây nhiệt độ nóng chảy của diatomite giảm xuống làm các hạt diatomite kết tụ lại với mức độ lớn hơn mà vẫn giữ nguyên được cấu trúc của nó. Tùy theo yêu cầu về độ trong của nước lọc hay tốc độ lọc mà người ta tạo ra nhiều phẩm cấp (chất lượng) riêng, bằng cách trộn các sản phẩm nói trên với nhau theo một tỷ lệ nhất định. Bột diatomite Diatomite có nguồn gốc hải sản Than hoạt tính. Than hoạt tính (Activated Carbon) là loại than được xử lý từ nhiều nguồn vật liệu như tro của vỏ lạc (đậu phộng), gáo dừa hoặc than đá. Những nguyên liệu này được nung nóng từ từ trong môi trường chân không, sau đó được hoạt tính hóa bằng các khí có tính ô xi hóa ở nhiệt độ cực cao. Quá trình này tạo nên những lỗ nhỏ li ti có tác dụng hấp thụ và giữ các tạp chất. Than hoạt tính lọc nước qua hai quá trình song song: Lọc cơ học, giữ lại các hạt cặn bằng những lỗ nhỏ. Hấp thụ các tạp chất hòa tan trong nước bằng cơ chế hấp thụ bề mặt hoặc trao đổi ion. Than hoạt tính là một chất liệu xốp, có rất nhiều lỗ lớn nhỏ. Dưới kính hiển vi điện tử, một hạt than trông giống như một tổ kiến. Vì thế, diện tích tiếp xúc bề mặt của nó rất rộng để hấp thụ tạp chất. (Tùy theo nguyên liệu gốc, tổng diện tích bề mặt của 1/2kg than hoạt tính còn rộng hơn cả một sân bóng đá) 1. Dạng bột cám (Powered - PAC) đây là loại được chế tạo theo công nghệ cũ, nay thường được sử dụng trong sản xuất pin, ac-quy. Có một số nhà sản xuất dùng loại này trộn với keo để đúc thành những ống than nhìn giống như dạng thứ 3 dưới đây. 2. Dạng hạt (Granulated - GAC) là những hạt than nhỏ, rẻ tiền, thích hợp cho việc khử mùi. Tuy nhiên, nước thường có xu hướng chảy xuyên qua những khoảng trống giữa những hạt than thay vì phải chui qua những lỗ nhỏ. 3. Dạng khối đặc (Extruded Solid Block – SB) là loại hiệu quả nhất để lọc cặn, khuẩn Coliform, chì, độc tố, khử mầu và khử mùi clorine. Loại này được làm từ nguyên một thỏi than, được ép định dạng dưới áp xuất tới 800 tấn nên rất chắc chắn Hiệu suất lọc sẽ tùy thuộc chủ yếu vào những yếu tố: 1) Tính chất vật lý của than hoạt tính, như kết cấu, kích thước, mật độ lỗ, diện tích tiếp xúc; 2) Tính chất lý hóa của các loại tạp chất cần loại bỏ; và cuối cùng là 3) Thời gian tiếp xúc của nước với than hoạt tính càng lâu, việc hấp thụ càng tốt. Than hoạt tính chỉ có tác dụng với một lượng nước nhất định. Sau khi lọc được một khối lượng nước theo chỉ định của nhà sản xuất (chỉ những hãng uy tín mới chỉ định theo tiêu chí này), than sẽ không còn khả năng hấp thụ mùi nữa. Những hóa chất có thể bị than hoạt tính hấp thụ Than hoạt tính kết cấu khối đặc được dùng để khử mùi, màu, cặn, hóa chất vô cơ và hữu cơ, vi khuẩn (phụ thuộc vào kích thước lỗ lọc) Acetaldehyde Acetic Acid Acetone Alcohols Alkalinity Amines Amyl Acetate Amyl Alcohol Antifreeze Xăng thuốc tảy Butyl Alcohol Butyl Acetate Calcium Hypochlorite Chloral Chloramine Chloroform Chlorine Chlorobenzne Chlorophenol Chlorophyll Citric Acid Cresol Defoliants Bột giặt/ chất tảy rửa Dầu Diesel Thuốc nhuộm Các loại nhũ tương Ethyl Acetate Ethyl Acrylate Ethyl Alcohol Ethyl Amine Ethyl Chloride Ethyl Ether Formaldehyde xăng dầu Glycols Herbicides Hydrogen Bromide Hydrogen Iodide Hydrogen Peroxide Hydrogen Selenide Hydrogen Sulfide Hypochlorous Acid Insecticides Iodine Isopropyl Acetate Isopropyl Alcohol Ketones Lactic Mercaptans Methyl Acetate Methyl Alcohol Methyl Bromide Methyl Chloride Methyl Ethyl Ketone Dầu mỏ Nitric Acid Nitrobenzene Nitrotuluene Các loại mùi Oil, dissolved Dầu hòa tan Acid Hữu cơ Organic Esters Muối hữu cơ Oxalic Acids Oxygen Oxone PCB's Thuốc trừ sâu Phenol Phụ gia sản xuât Plastic chất thải xi mạ Potassium Permanganate Phèn sắt kết tủa Sulphur kết tủa Propionic Acid Propionaldehyde Propyl Acetate Propyl Alcohol Propyl Chloride Phóng xạ Rubber Hose Taste Cặn thô Xà phòng/ Xà Bông Sodium Hypochlorite các dung môi chứa sắt Sulphonated Oils Suspended Matter Tannins Nhựa đường Tartaric Acid Vị lạ Vị lạ từ các chất hữu cơ THM's Toluene Toluidine Trichlorethylene Turpentine Nước tiểu Giấm ăn Xylene Bentonite Tên thương phẩm của khoáng vật monmorilonit, có cỡ hạt rất mịn, có màu trắng, phớt xám, phớt hồng, phớt xanh, ánh mỡ, khả năng hấp phụ, trao đổi ion lớn, trương phồng mạnh, rất dẽo khi trộn với nước. Bentonite được sử dụng làm dung dịch khoan trong công nghiệp dầu mỏ, làm keo chống thấm trong các đập nước thuỷ điện, thuỷ lợi, làm nguyên liệu hấp phụ tẩy rửa, làm chất kết dính trong khuôn đúc hay phụ gia tăng dẻo trong gốm sứ. VN có mỏ Bentonite ở Di Linh (Lâm Đồng). Từ “Bentonite” lần đầu được sử dụng cho đất sét khi được tìm thấy vào khoảng năm 1890 trên nền đá phấn trắng gần Fort Benton, Wyoming, thành phần chính của nó là khoáng chất montmorillonite (yếu tố quyết định đặc tính). Do đó nó có cái tên từ trầm tích của vùng Montmorillon ở miền Nam nước Pháp. Một mẫu bentonite Perlite Perlite là một loại khoáng chất gốc dung nham núi lửa trông giống như thủy tinh. Perlite được sử dụng rộng rãi ở Úc và New Zealand như là chất dùng để trợ lọc thay thế cho diatomite. Ngoài các ứng dụng đối với ngành xây dựng, perlite xốp còn được sử dụng làm chất trợ lọc. Nói chung, perlite đặc và thô hơn so với diatomite nên chỉ có thể giữ lại các hạt tạp chất có kích thước > 1mm. Cấu trúc hiển vi của perlite Silic oxit và khoáng garnet Là những vật liệu lọc được sử dụng trong các quá trình xử lý nước thải công nghiệp, nước thải đô thị hay nước bể bơi. Garnet là một nhóm các khoáng chất có công thức chung là A3B2 (SiO4)3; trong đó A = Fe2+, Mn2+, Mg hay Ca, còn B = Al3+, Fe3+, Cr3+ hay Ti3+. Do có nhiều ưu điểm như: trơ hóa học, chịu ăn mòn, có kích thước đồng nhất nên cát silic oxit được dùng cho các máy lọc trọng lực, có tốc độ lọc nhanh. Garnet cũng có nhiều đặc tính giống như cát silic oxit. Zeolite Hiện đang cạnh tranh với cát silic oxit trên thị trường lọc ở Mỹ. Clinoptilolit là loại zeolite được sử dụng nhiều nhất cho các quá trình lọc. Clinoptilolit có khả năng giữ các hạt tạp chất ở trong các lỗ xốp hay trên bề mặt thô ráp của nó, đây là điều mà ở cát silic oxit không có. Tinh thể Zeolite Tannin Là các hợp chất polyoxyphenol, có khối lượng phân tử từ 600-2000. Tannin có trong trà, rượu vang đỏ, trái cây như lựu, dâu tây, hồng vàng, nho… Trái chín có hàm lượng tannin ít hơn trái xanh. Tannin không chỉ có những tác dụng sinh học như chống lại quá trình lão hóa mà bây giờ còn được sử dụng như là một chất trợ lọc. Cấu trúc tannin Cellulose và các chất trợ lọc khác Bột lọc cellulose được sản xuất bởi quá trình sulfate và sulfite hóa gỗ cứng. Cellulose thường dùng kết hợp với diatomite. Giống perlite, cellulose có cấu trúc ít xốp bằng diatomite. Nhiều thử nghiệm được thực hiện để tạo cấu trúc cho cellulose. Cellulose có thể hoạt động trong môi trường pH lớn hơn 10. Một số chất bột hữu cơ bao gồm tinh bột trong khoai tây, sợi cotton, sợi polymer… Những nguyên liệu này có thể giúp phân tán diatomite trong quá trình lọc và một số ứng dụng đặc biệt khác. Một loại khoáng trợ lọc ít sử dụng có nguồn gốc hữu cơ là tro từ vỏ trấu. Nguyên liệu này có hàm lượng silic cao và phần còn lại là carbon và có ích trong quá trình xử lý nước thải. Ứng dụng của chất trợ lọc trong Công nghệ hóa học và thực phẩm. Trong quá trình sản xuất bia người ta có thể cho thêm các phụ gia vào để đạt các yêu cầu kỹ thuật và tăng chất lượng của bia, nâng cao độ bền sinh học cho bia. Nước dùng nấu bia có độ cứng carbonat cao thì độ chua của dich bột thấp hơn rất nhiều so với độ chua thích hợp cho hệ enzym thủy phân. Để xử lý nước người ta thường dùng: bột trợ lọc Diatomite, Natriphosphate. Đối với nhà máy bia Heineken thường dùng bột trợ lọc Diatomite là một loại đá trầm nhẹ, xốp, bột Diatomite dùng lọc bia cần có phân tử axit yếu hay trung tính, không gây ảnh hưởng đến mùi, vị, màu sắc, pH của bia và không làm cho bia có mùi lạ. Nghiên cứu sử dụng Bentonite Bình Thuận biến tính làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi Heck giữa Iodotoluene và Styrene. (Phan Thanh Sơn Nam, Vương Quang Thạo, 2008) Tóm tắt: Xúc tác bentonite Bình Thuận biến tính được điều chế bằng phương pháp trao đổi cation với dung dịch PdCl2 trong dung môi nước. Hàm lượng Pd có trong xúc tác là 0,14 mmol Pd/g (xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử), và bề mặt riêng BET của xúc tác là 160,36 m2/g. Xúc tác Pd điều chế được có hoạt tính tốt trong phản ứng ghép đôi Heck giữa 4-iodotoluene và styrene. Phản ứng được thực hiện trong dung môi dimethylformamide (DMF) ở nhiệt độ 120oC, với sự có mặt của Na2CO3 ở hàm lượng xúc tác nhỏ hơn 1 mol % Pd. Phản ứng hình thành hai sản phẩm ghép đôi là trans-4-methylstilben và 1-phenyl-1-tolylethylene, với tỷ lệ tương ứng khoảng 7,5:1 (được xác định bằng phương pháp sắc ký khí và sắc ký khí ghép khối phổ). Xúc tác được tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng dễ dàng, có khả năng thu hồi và tái sử dụng. Kết quả nghiên cứu còn cho thấy tốc độ phản ứng tăng một cách đáng kể trong điều kiện có sự hỗ trợ của vi sóng. Ảnh hưởng của việc thêm Zeolite vào sữa lên sự bay hơi ammoniac và các hợp chất hóa học. Zeolite có khả năng làm giảm sự bay hơi của ammoniac bằng cách cô lập nguyên tử N. Thêm vào 6.25% zeolite sẽ làm giảm 50% sự bay hơi ammoniac. Như vậy việc bổ sung zeolite giúp giới hạn lượng ammoniac sẽ giải phóng N trong cây trồng. Tài liệu tham khảo A.M.Lefcourt, J.J.Meisinger, Effect of Adding Alum or Zeolite to Dairy Slurry on Ammonia Volatilization and Chemical Composition, Journal of Dairy Science Vol. 84, No. 8, 2001. Phan Thanh Sơn Nam, Vương Quang Thạo, Nghiên cứu sử dụng Bentonite Bình Thuận biến tính làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi Heck giữa Iodotoluene và Styrene, Tạp chí phát triển khoa học và công nghệ, Tập 11, Số 8, 2008. Thomas E. Sulpizio, Advances in Filter Aid and Precoat Filtration technology, Presentation at the American Filtration and Separations Society, Boston – Massachusetts, 4/1999. Vũ Trung, Diatomite - các ứng dụng và tình hình thị trường, Tạp chí công nghiệp hóa chất số 9, 2000. Vũ Trung, Sử dụng các khoáng chất làm chất trợ lọc, Tạp chí công nghiệp hóa chất số 10, 2004. Thư viện online của trường Đại học Melbourne, Australia.