CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SORBITOL

Chia sẻ: Nguyễn Thị Bích Ngọc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:36

Thêm vào BST

Báo xấu

183
lượt xem 43
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sorbitol là một loại đường tự nhiện thuộc nhóm polyol và được chuyển hóa thành fructoza trong cơ thể con ngừơi. Trong tự nhiên, con người tìm thấy chúng trong nhiều loại rau. Sorbitol có ứng dụng rộng rãi trong các ngành thực phẩm, mỹ phẩm, y tế và các ứng dụng công nghiệp khác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SORBITOL

C«ng nghÖ s¶n xuÊt sorbitol TS Vò ThÞ Thu Hµ ViÖn Hãa häc C«ng nghiÖp Hµ Néi - 6/2007
I. Më ®Çu Sorbitol lµ mét lo¹i ®−êng tù nhiªn thuéc nhãm polyol vµ ®−îc chuyÓn ho¸ thµnh fructoza trong c¬ thÓ con ng−êi. Trong tù nhiªn, ng−êi ta t×m thÊy chóng trong nhiÒu lo¹i rau. Sorbitol cã øng dông réng r·i trong c¸c ngµnh thùc phÈm, mü phÈm, y tÕ vµ c¸c øng dông c«ng nghiÖp kh¸c. Sorbitol ®−îc s¶n xuÊt tõ qu¸ tr×nh hydro ho¸ glucoza (s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh lªn men tinh bét). Hiện nay, mçi n¨m nước ta sö dông ®Õn vµi chôc ngh×n tÊn sorbitol vµ phải nhập ngoại hoµn toµn. Ngoµi ra, trong chiÕn l−îc ph¸t triÓn ngµnh c«ng nghiÖp Ho¸ d−îc, ChÝnh phñ cã ®Ò cËp ®Õn viÖc x©y dùng nhµ m¸y s¶n xuÊt vitamin C sö dông nguyªn liÖu sorbitol. Tận dông nguồn nguyªn liệu sẵn cã trong nước để sản xuất sorbitol phôc vô nhu cÇu trong n−íc, ®ång thêi lµm nguyªn liÖu cho nhµ m¸y s¶n xuÊt vitamin C th× kh«ng nh÷ng thay thế được nguyªn liệu nhập ngoại mà cßn cã thể cã sản phẩm để xuất khẩu. V× lý do ®ã, trong khu«n khæ chuyªn ®Ò nµy, sÏ cã phÇn tr×nh bµy c¸c c«ng nghÖ hydro ho¸ glucoza thµnh sorbitol trªn thÕ giíi, ph©n tÝch −u nh−îc ®iÓm vµ ®Ò xuÊt c¸c ph−¬ng ¸n c«ng nghÖ tiÕn tiÕn vµ hiÖu qu¶ nh»m ®Þnh h−íng c«ng nghÖ s¶n xuÊt sorbitol cã ®é s¹ch cao ¸p dông ë ViÖt Nam. PhÇn c«ng nghÖ lªn men tinh bét (s¾n, g¹o...) ®Ó s¶n xuÊt glucoza sÏ kh«ng ®−îc ®Ò cËp ë ®©y. C«ng nghÖ nµy ®· ®−îc nghiªn cøu tõ rÊt l©u ë ViÖt Nam vµ ®· ®−îc ®−a vµo s¶n xuÊt c«ng nghiÖp víi c«ng nghÖ s¶n xuÊt ngµy cµng ®−îc c¶i tiÕn vµ hoµn thiÖn h¬n. 3
II. Tæng quan vÒ sorbitol, s¶n l−îng vµ t×nh h×nh tiªu thô Sorbitol (hay hexa-ancol, d-glucozahexitol, sorbite, sorbol, d-glucitol, E420), lµ mét lo¹i ®−êng tù nhiªn thuéc nhãm polyol vµ ®−îc chuyÓn ho¸ thµnh fructoza trong c¬ thÓ con ng−êi. Sorbitol ®−îc nhµ ho¸ häc ng−êi Ph¸p Joseph Boussingault ph©n lËp lÇn ®Çu tiªn n¨m 1872 tõ qu¶ mét lo¹i lª [1]. Sorbitol cã øng dông réng r·i trong ngµnh thùc phÈm, mü phÈm, y tÕ vµ c¸c ngµnh c«ng nghiÖp kh¸c. Sorbitol ®−îc sö dông nh− mét chÊt lµm ngät cã hµm l−îng calo thÊp vµ lµ chÊt thay thÕ ®−êng cho ng−êi bÞ bÖnh tiÓu ®−êng. Sorbitol ®−îc sö dông ®Ó ng¨n ngõa sù mÊt n−íc cña c¬ thÓ vµ nhiÒu bÖnh lý kh¸c, trong ®ã cã c¸c bÖnh vÒ tiªu ho¸ vµ bÖnh mÊt tr−¬ng lùc cña tói mËt. Trong c«ng nghiÖp, sorbitol ®−îc sö dông lµm nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt vitamin C. Víi øng dông lµ phô gia thùc phÈm, ng−êi ta t×m thÊy sorbitol trong rÊt nhiÒu lo¹i thùc phÈm nh− b¸nh, kÑo, kem, xóc xÝch, kÑo cao su…Trong kem ®¸nh r¨ng, sorbitol (hµm l−îng 70 %) chiÕm 35 – 40 % [2]. Sorbitol cã øng dông trong thµnh phÇn thuèc ®¸nh r¨ng lµ nhê nã cã nh÷ng tÝnh chÊt ®Æc biÖt, cã vai trß nh− mét chÊt æn ®Þnh, chÊt gi÷ Èm, chÊt lµm dÞu vÞ, chÊt kh¸ng khuÈn trong miÖng. Sorbitol cßn cã trong thµnh phÇn cña nhiÒu mü phÈm ch¨m sãc s¾c ®Ñp v× nã cã t¸c dông gi÷ Èm vµ lµm cho lµn da trë nªn mÒm m¹i vµ mÞn mµng [3]. Trong ngµnh s¶n xuÊt thuèc l¸, sorbitol cã t¸c dông ng¨n ngõa sù vì vôn cña sîi thuèc l¸ vµ lµ chÊt dÞu vÞ trong thuèc l¸ nhai. Ngoµi ra, sorbitol cßn cã øng dông trong ngµnh tæng hîp polyme (nh− chÊt æn ®Þnh vµ chèng oxy ho¸), ngµnh chÕ biÕn polyme (chÊt dÎo ho¸ dïng trong kü thuËt ®óc phun), ngµnh ®iÖn ho¸ vµ ngµnh dÖt [4]. B¶ng 1 tãm t¾t c¸c øng dông ®a d¹ng liªn quan ®Õn c¸c ®Æc tÝnh cña sorbitol vµ H×nh 1 biÒu diÔn thÞ tr−êng tiªu thô sorbitol toµn cÇu. §iÒu nµy gi¶i thÝch v× sao rÊt nhiÒu ngµnh c«ng nghiÖp cã sù quan t©m ®Æc biÖt ®Õn s¶n l−îng sorbitol [5]. 4
B¶ng 1 . C¸c tÝnh chÊt vµ øng dông cña sorbitol LÜnh TÝnh chÊt øng dông vùc Thùc - T¨ng thêi gian b¶o qu¶n ChÕ biÕn thùc phÈm: phÈm - Lµm dÞu vÞ - KÑo cao su - Gi÷ Èm - S«c«la - Lµm ngät - B¸nh mú - Kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn hµm l−îng ®−êng - §å uèng trong m¸u - Kem - Kh«ng lµm háng r¨ng (kh«ng bÞ lªn men) Mü - Gi÷ Èm - S÷a röa mÆt phÈm - Kh«ng lµm háng r¨ng - Kem ®¸nh r¨ng - Ho¸ dÎo - Bät c¹o r©u - Lµm cho da mÞn mµng D−îc - C¸c tÝnh chÊt sinh lý häc Cã trong : - Thay thÕ ®−êng cho ng−êi bÞ bÖnh tiÓu - Viªn nÐn ®−êng - Viªn nhéng - ChÊt nÒn - DÞch nhò t−¬ng - Gi÷ Èm - Siro chèng ho C«ng - Ho¸ dÎo - Nguyªn liÖu s¶n nghiÖp - Lµm dÞu vÞ xuÊt vitamin C - BÒn nhiÖt - ChÊt tÈy röa - BÒn víi axit vµ baz¬ - C«ng nghiÖp giÊy, - Nhít v¶i, da - Gi÷ Èm - Gelatin - T¹o nhò - Keo d¸n - T¸c nh©n t¹o phøc cµng cua víi kim lo¹i - H¹n chÕ sù oxy nÆng ho¸ dÇu bëi c¸c kim lo¹i nÆng - Thuèc næ - S¬n vµ verni - Polyuretan - Este nhùa th«ng 5
ThÞ tr−êng tiªu thô sorbitol ë Mü D−îc phÈm ChÊt tÈy röa 9% 7% Kem ®¸nh r¨ng 28% Vitamin C 10% Mü phÈm 8% Thùc phÈm, b¸nh kÑo 35% ThÞ tr−êng tiªu thô sorbitol ë ch©u ¢u Kh¸c PU 7% 7% Kem ®¸nh r¨ng, mü phÈm 23% D−îc phÈm 13% ChÊt tÈy röa 6% Thùc phÈm, b¸nh kÑo 28% Vitamin C 15% ThÞ tr−êng tiªu thô sorbitol ë ch©u ¸ Kh¸c D−îc phÈm 7% 6% Kem ®¸nh r¨ng, mü phÈm 30% ChÊt tÈy röa 8% Thùc phÈm, Vitamin C 36% b¸nh kÑo 13% H×nh 1 . ThÞ tr−êng tiªu thô sorbitol toµn cÇu (Ll−îc trÝnh tõ Sæ tay kinh tÕ vÒ ho¸ chÊt, 8/2005) 6
Trªn thÕ giíi, c«ng suÊt s¶n xuÊt hiÖn t¹i ®èi víi sorbitol lo¹i 70% ®· v−ît qu¸ 2 triÖu tÊn/n¨m, chñ yÕu do mét sè nhµ s¶n xuÊt d−íi ®©y [6] (B¶ng 2): B¶ng 2. C¸c nhµ s¶n xuÊt sorbitol lín trªn thÕ giíi Nhµ s¶n xuÊt §Þa ®iÓm nhµ m¸y C«ng suÊt nhµ m¸y (t/n) Roquette Ph¸p 300 000 Trung Quèc 160 000 Hµn Quèc 20 000 Sorini Indonesia 156 000 Trung Quèc 120 000 ADM Mü 163 000 Cargill §øc 100 000 SPI Mü 177 000 Brazil 50 000 Shouguang S¬n §«ng - Trung Quèc 150 000 Nikken NhËt B¶n 90 000 Purechem Th¸i Lan 40 000 HiÖn t¹i, c¸c nhµ m¸y s¶n xuÊt sorbitol trªn thÕ giíi ®ang ch¹y 2/3 c«ng suÊt thiÕt bÞ. ë ch©u ¸, s¶n l−îng sorbitol theo lý thuyÕt lµ 1 triÖu tÊn/n¨m vµ c¸c nhµ m¸y míi ch¹y kho¶ng 67% c«ng suÊt cña m×nh. Trªn thÞ tr−êng, sorbitol ®−îc b¸n d−íi d¹ng láng vµ r¾n. D−íi ®©y lµ mét sè ®Æc tÝnh cña c¸c d¹ng sorbitol th−¬ng phÈm [7] (B¶ng 3). 7
B¶ng 3 . §Æc tÝnh cña c¸c d¹ng sorbitol th−¬ng phÈm TT Th«ng sè §¬n §Æc tÝnh tiªu chuÈn vÞ Láng Bét 1 VÎ bÒ ngoµi - Siro trong suèt, gÇn nh− Bét mµu tr¾ng kh«ng mµu 2 D-Sorbitol % 68,0-71,0 96,0 min 3 pH - 6,0-7,0 (dung dÞch10%) 5,0-7,0(dung dÞch 1%) 4 Träng l−îng riªng g/ml 1,28-1,31 1,45-1,50 5 §−êng tæng % 0,5 max 0,5 max 6 §−êng khö % 0,1 max 0,15 max 7 Clo (Cl) ppm 50 max 100 max 8 Sunfat (SO4) ppm 100 max 150 max 9 Kim lo¹i nÆng (Pb) ppm 5,0 max 8,0 max 10 Asen (As) ppm 2,0 max 3,0 max 11 §é Èm % 28,0-31,0 1,0 max 12 ChØ sè khóc x¹ - 1,455-1,465 - Sorbitol d¹ng dung dÞch cã c¸c øng dông sau ®©y : - ChÊt thÊm −ít trong kem ®¸nh r¨ng - ChÊt ®−êng (calo thÊp vµ kh«ng g©y s©u r¨ng) trong thùc phÈm vµ b¸nh kÑo - ChÊt lµm mÒm da trong mü phÈm - Thµnh phÇn kh«ng ph¶i ®−êng ¨n trong mét sè c«ng thøc thùc phÈm - ChÊt æn ®Þnh cho c¸c dung dÞch huyÒn phï cho s¶n xuÊt thuèc ch÷a bÖnh vµ vitamin Sorbitol d¹ng bét tinh khiÕt (hay sorbitol lo¹i C), cã c¸c øng dông sau ®©y: - Nguyªn liÖu lªn men ®Ó s¶n xuÊt vitamin C 8
ë Trung Quèc, 55% sorbitol ®−îc s¶n xuÊt thµnh sorbitol lo¹i C ®Ó lµm nguyªn liÖu s¶n xuÊt vitamin C cho 5 nhµ s¶n xuÊt lín cung cÊp vitamin C cho toµn thÕ giíi víi s¶n l−îng kho¶ng 200. 000 tÊn sorbitol C/n¨m. ë ViÖt Nam, trong chiÕn l−îc ph¸t triÓn c«ng nghiÖp ho¸ D−îc, ChÝnh phñ cã ®Ò cËp ®Õn viÖc x©y dùng nhµ m¸y s¶n xuÊt vitamin C c«ng suÊt 1.000 tÊn/n¨m sö dông nguån nguyªn liÖu trong n−íc. V× thÕ, viÖc s¶n xuÊt sorbitol lo¹i C còng cÇn thiÕt ë n−íc ta. - Lµm chÊt nÒn cho s¶n xuÊt c¸c chÊt tÈy röa: Cã nhiÒu nhµ s¶n xuÊt este sorbitan vµ este etoxylat trªn thÕ giíi dïng sorbitol C lµm nguyªn liÖu nÒn ®Ó s¶n xuÊt nhiÒu chÊt tÈy röa lo¹i kh«ng ion ®Æc biÖt. - Lµm t¸ d−îc s¶n xuÊt thuèc viªn: nhu cÇu sorbitol bét trong d−îc phÈm rÊt lín, chñ yÕu lµm chÊt lµm ngät calo thÊp hay lµm t¸ d−îc trong thuèc viªn. S¶n phÈm sorbitol d¹ng bét cã thÞ tr−êng rÊt tiÒm n¨ng víi lîi nhuËn cao nh−ng sÏ ®ßi hái vèn ®Çu t− lín (chñ yÕu cho th¸p sÊy phun). ë ViÖt nam, do kh«ng cã thÞ tr−êng x¸c ®Þnh cho c¸c s¶n phÈm sorbitol d¹ng bét nªn trong b¸o c¸o nghiªn cøu tiÒn kh¶ thi tr×nh Tæng c«ng ty Ho¸ chÊt ViÖt Nam, C«ng ty Unilever ViÖt Nam ®Ò nghÞ thiÕt kÕ nhµ m¸y s¶n xuÊt sorbitol chñ yÕu d−íi d¹ng siro 70% cho ®Õn khi thÞ tr−êng tiªu thô lo¹i sorbitol bét ph¸t triÓn râ rµng. Tuy nhiªn, trong thêi gian chê ®îi thÞ tr−êng ph¸t triÓn, ViÖn Ho¸ häc C«ng nghiÖp ®· vµ ®ang ®Çu t− nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn c«ng nghÖ s¶n xuÊt sorbitol bét b»ng ph−¬ng ph¸p sÊy phun. V× vËy, trong chuyªn ®Ò nµy, ngoµi viÖc t×m hiÓu c«ng nghÖ hydro ho¸ glucoza thµnh sorbitol, mét sè th«ng tin c¬ b¶n liªn quan ®Õn c«ng nghÖ chÕ biÕn sorbitol bét b»ng ph−¬ng ph¸p sÊy phun còng sÏ ®−îc tr×nh bµy. HiÖn t¹i, gi¸ b¸n sorbitol (lo¹i kh«ng kÕt tinh dïng trong kem ®¸nh r¨ng) ë ch©u ¸ hÇu nh− kh«ng ®æi vµ kh¸ thÊp. VÝ dô, gi¸ sorbitol chµo hµng (CIF) t¹i c¶ng Sµi Gßn cña nhµ s¶n xuÊt Sorini lµ 345 USD/tÊn (®ãng gãi trong thïng phuy) [7]. ë ViÖt Nam, chØ riªng nhu cÇu sö dông dung dÞch sorbitol 70 % lµm nguyªn liÖu s¶n xuÊt kem ®¸nh r¨ng t¹i nhµ m¸y cña Unilever ViÖt Nam (ULVN) ®· vµo kho¶ng 10 000 tÊn/n¨m vµ hiÖn ®ang ph¶i nhËp ngo¹i hoµn toµn. ULVN thÊy ®−îc c¬ héi t¨ng s¶n l−îng s¶n xuÊt kem ®¸nh r¨ng cho thÞ 9
tr−êng néi ®Þa vµ xuÊt khÈu do ULVN giµnh ®−îc mét sè hîp ®ång cung cÊp s¶n phÈm kem ®¸nh r¨ng cho mét sè c«ng ty thuéc Unilever t¹i mét sè n−íc ch©u ¸. V× vËy, kÕ ho¹ch t×m kiÕm nguån cung cÊp sorbitol ®¸p øng yªu cÇu 20. 000 tÊn/n¨m víi gi¸ rÎ h¬n gi¸ hiÖn t¹i ®ang ®−îc ®Æt ra. III. Qu¸ tr×nh c«ng nghÖ hydro ho¸ glucoza thµnh sorbitol Ph¶n øng hydro ho¸ glucoza thµnh sorbitol lµ ph¶n øng to¶ nhiÖt nhÑ. VÒ mÆt nhiÖt ®éng häc, ph¶n øng hydro ho¸ glucoza thµnh sorbitol x¶y ra hoµn toµn t¹i 150°C. Trªn thùc tÕ, ng−êi ta th−êng tiÕn hµnh ph¶n øng ë 100 - 140°C d−íi ¸p suÊt hydro trong kho¶ng 10 - 125 atm [8]. §é chuyÓn ho¸ vµ chän läc cña qu¸ tr×nh th−êng rÊt cao. S¶n phÈm phô cña qu¸ tr×nh lµ axit glucozanic (t¹o thµnh bëi ph¶n øng Cannizaro) vµ mannitol (t¹o thµnh bëi qu¸ tr×nh epime ho¸ sorbitol). HO OH HO HO OH HO H2 HO O Xóc t¸c HO OH HO OH D-Glucoza Sorbitol HO OH HO HO OH HO HO HO O HO OH HO OH Axit gluconic Mannitol Xóc t¸c truyÒn thèng cho qu¸ tr×nh hydro ho¸ glucoza thµnh sorbitol lµ xóc t¸c Ni-Raney hoÆc Ni ho¹t tÝnh mang trªn chÊt mang. GÇn ®©y, hÖ xóc t¸c Ru trªn c¸c chÊt mang kh¸c nhau ®· dÇn dÇn thay thÕ hÖ xóc t¸c Ni v× hÖ xóc 10
t¸c Ru cã nhiÒu −u ®iÓm h¬n. Víi xóc t¸c thÕ hÖ míi Ru/C, cã thÓ tiÕn hµnh ph¶n øng hydro ho¸ trong ®iÒu kiÖn kh«ng qu¸ kh¾c nghiÖt mµ vÉn ®¹t hiÖu suÊt trªn 99%. H¬n n÷a, c¸c chÊt xóc t¸c thÕ hÖ míi kh«ng bÞ tan vµo m«i tr−êng ph¶n øng lµm cho tuæi thä cña xóc t¸c kÐo dµi ®ång thêi qu¸ tr×nh tinh chÕ s¶n phÈm trë nªn ®¬n gi¶n h¬n rÊt nhiÒu. Trªn thÕ giíi hiÖn nay tån t¹i 2 d¹ng c«ng nghÖ, c«ng nghÖ gi¸n ®o¹n vµ c«ng nghÖ liªn tôc. B¶ng 4 ph©n lo¹i c¸c c«ng nghÖ hydro ho¸ glucoza thµnh sorbitol. B¶ng 4 . C¸c c«ng nghÖ hydro ho¸ glucoza thµnh sorbitol C«ng nghÖ Tr¹ng th¸i cña Xóc t¸c ThiÕt bÞ Møc ®é xóc t¸c hydro ho¸ tiªn tiÕn Xóc t¸c ë d¹ng Ni-Raney ThiÕt bÞ chÞu TruyÒn Gi¸n ®o¹n huyÒn phï trong ¸p cã khuÊy thèng dung dÞch glucoza Xóc t¸c ë d¹ng Ni-Raney èng ph¶n øng Tiªn tiÕn huyÒn phï trong hoÆc Ni/chÊt chÞu ¸p nèi dung dÞch glucoza mang, hoÆc tiÕp nhau Liªn tôc Ru/C Xóc t¸c ë d¹ng líp Ru/C èng ph¶n øng Tiªn tiÕn cè ®Þnh trong èng trickle-bed, cã nhÊt ph¶n øng l−íi ®ì xóc t¸c III.1. C¸c qu¸ tr×nh gi¸n ®o¹n Trªn 80% qu¸ tr×nh s¶n xuÊt sorbitol trªn thÕ giíi dùa trªn qu¸ tr×nh gi¸n ®o¹n. So víi qu¸ tr×nh liªn tôc, c«ng nghÖ gi¸n ®o¹n cã c¸c −u ®iÓm lµ cã ®é mÒm dÎo cao tøc lµ cã thÓ thay ®æi nguån nguyªn liÖu theo tõng mÎ. C¸c th«ng sè chÝnh cña qu¸ tr×nh (®−îc c«ng bè trªn tµi liÖu) nh− sau : - Dung dÞch glucoza: 40 – 50 % - Xóc t¸c: Ni-Raney - NhiÖt ®é: 120 – 150°C 11
- ¸p suÊt hydro : 30 – 100 bar (29,6-98,7 atm) - Khèi l−îng xóc t¸c/glucoza : 3-6% - pH: 5-6 - Thêi gian ph¶n øng: 2-4 giê C¸c qu¸ tr×nh trªn cho phÐp chuyÓn ho¸ nguyªn liÖu glucoza (®é tinh khiÕt 98,5 - 99,5% víi hiÖu suÊt sorbitol n»m trong kho¶ng 97- 98%. Siro sorbitol ®−îc läc ®−îc lµm s¹ch b»ng nhùa trao ®æi ion vµ than ho¹t tÝnh. Sau ®©y lµ mét sè c«ng nghÖ gi¸n ®o¹n s¶n xuÊt sorbitol trªn thÕ giíi. C«ng nghÖ Itali – Progetty Impianti Chimici-PIC s.r.l [9] Dung dÞch D-glucoza s¹ch vµ xóc t¸c ®−îc trén trong thïng chøa nguyªn liÖu. Hçn hîp t¹o thµnh ®−îc b¬m theo tõng mÎ vµo thiÕt bÞ ph¶n øng hydro ho¸. Qu¸ tr×nh hydro ho¸ D-glucoza ®−îc tiÕn hµnh ë ¸p suÊt kho¶ng 30 bar (29,6 atm) vµ ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é mÒm. Bªn trong thiÕt bÞ ph¶n øng ®−îc thiÕt kÕ ®Ó ®¶m b¶o cã sù tiÕp xóc tèt nhÊt gi÷a hai pha láng-khÝ. §iÒu ®ã lµ cÇn thiÕt ®Ó ph¶n øng x¶y ra hoµn toµn trong mét thêi gian ng¾n. NhiÖt cña ph¶n øng ®−îc t¶i ra b»ng hÖ thèng lµm l¹nh gi¸n tiÕp. Sau khi mÎ ph¶n øng kÕt thóc, thiÕt bÞ ®−îc x¶ ¸p. Xóc t¸c ®−îc t¸ch khái dung dÞch sorbitol ®i ra tõ thiÕt bÞ ph¶n øng nhê thiÕt bÞ läc. Sau khi läc, siro sorbitol ®−îc ®−a tíi hÖ thèng tinh chÕ ®Ó lo¹i bá vÕt c¸c hîp chÊt kh«ng mong muèn. S¶n phÈm nhËn ®−îc lµ dung dÞch sorbitol 50%. Dung dÞch nµy sÏ ®−îc dïng trùc tiÕp lµm nguyªn liÖu cho c¸c qu¸ tr×nh chÕ biÕn tiÕp theo kh«ng cÇn c« ®Æc (vÝ dô, lµm nguyªn liÖu cho qu¸ tr×nh s¶n xuÊt axit ascorbic (vitamin C)). Khi sorbitol ®−îc øng dông trong ngµnh mü phÈm ( vÝ dô kem ®¸nh r¨ng), hay trong s¶n xuÊt thùc phÈm, ®å uèng th× dung dÞch sorbitol ph¶i ®−îc lµm ®Æc tíi 70%. Qu¸ tr×nh c« ®Æc x¶y ra khi gia nhiÖt siro sorbitol trong ch©n kh«ng ë thiÕt bÞ c« ®Æc mét giai ®o¹n. 12
Yªu cÇu vËn hµnh C«ng suÊt cña d©y chuyÒn s¶n xuÊt kh¸ ®a d¹ng vµ ®−îc thiÕt kÕ theo yªu cÇu. D−íi ®©y lµ møc tiªu hao nguyªn liÖu vµ c¸c chÊt phô trî cô thÓ cña mét d©y chuyÒn ®ang s¶n xuÊt sorbitol theo c«ng nghÖ PIC (B¶ng 5). B¶ng 5 . ChØ tiªu tiªu hao nguyªn liÖu vµ n¨ng l−îng cho 1 tÊn sorbitol thµnh phÈm dùa trªn 100% chÊt kh« §¬n STT Nguyªn liÖu vµ phô trî ChØ tiªu tiªu hao vÞ 1 Nguyªn liÖu D-glucoza Kg 1.010 Hydro Nm3 135 2 Xóc t¸c kg 0,1 3 Ho¸ chÊt Dung dÞch NaOH (quy vÒ 100%) kg 5,0 Dung dÞch HCl (quy vÒ 100%) kg 3,0 Peroxit h÷u c¬ kg 5,0 NaCl kg 10,0 4 Phô trî N−íc lµm l¹nh m3 80 3 Nit¬ Nm 20 H¬i n−íc Kg 900 §iÖn kWh 300 3 KhÝ phôc vô ®o l−êng Nm 70 Dung dÞch sorbitol thµnh phÈm cña d©y chuyÒn cã nång ®é 50 % träng l−îng. C«ng suÊt cña d©y chuyÒn lµ 33 tÊn dung dÞch/ngµy (9.000-10-000 tÊn/n¨m). C«ng nghÖ cña Lurgi Life Science – LLS [10] H·ng Lurgi Life Science ®−a ra c«ng nghÖ dùa trªn viÖc sö dông xóc t¸c Ni- Raney hoÆc xóc t¸c Ru/C. §Æc tr−ng cña qu¸ tr×nh Ru/C - Chi phÝ ®Çu t− thÊp - Ho¹t tÝnh xóc t¸c cao, tèc ®é chuyÓn ho¸ cao - Tû lÖ n−íc th¶i gi¶m 13
- ChÊt th¶i r¾n gi¶m (kh«ng cÇn thiÕt bÞ läc) - Cã thÓ t¸i sinh vµ sö dông tuÇn hoµn xóc t¸c - DÔ dµng c©n ®èi xóc t¸c bæ xung vµ xóc t¸c cò - Kh«ng t¹o ra nhiÒu axit glucozanic - ThÝch hîp cho mäi phÈm cÊp sorbitol (thùc phÈm, d−îc phÈm, kÕt tinh, kh«ng kÕt tinh) phï hîp theo tiªu chuÈn UPS, BP, JIS, DAB M« t¶ qu¸ tr×nh H×nh 2 m« t¶ s¬ ®å nguyªn lý hÖ thèng thiÕt bÞ hydro ho¸ theo c«ng nghÖ LLS. Tr−íc khi ®−a nguyªn liÖu vµo thiÕt bÞ ph¶n øng, pH dung dÞch nguyªn liÖu (glucoza) ®−îc ®iÒu chØnh trong thïng cÊp nguyªn liÖu. Gi¸ trÞ pH lµ mét th«ng sè quan träng ¶nh h−ëng tíi qu¸ tr×nh ph¶n øng. §é axit cao sÏ sÏ lµm ¶nh h−ëng tíi ho¹t tÝnh cña xóc t¸c, ®Æc biÖt lµ xóc t¸c Ni-Raney. Th«ng th−êng dung dÞch sau ph¶n øng cã tÝnh axit nhÑ. H×nh 2. S¬ ®å nguyªn lý hÖ thiÕt bÞ hydro ho¸ theo c«ng nghÖ cña LLS Sorbitol ®−îc s¶n xuÊt theo mÎ trong thiÕt bÞ hydro ho¸. KhÝ hydro ®−îc ®−a vµo tiÕp xóc víi huyÒn phï glucoza vµ xóc t¸c. Ph¶n øng to¶ nhiÖt diÔn ra ë ¸p suÊt lín nhÊt lµ 40 bar (39,5 atm) vµ nhiÖt ®é 100 - 140°C trong thiÕt bÞ. HÖ thèng lµm l¹nh gi÷ cho møc nhiÖt ®é æn ®Þnh. 14
Sau khi kÕt thóc ph¶n øng, dung dÞch sorbitol th« cã lÉn chÊt xóc t¸c (d¹ng huyÒn phï) ®−îc th¸o qua thïng x¶ ¸p ®Ó chuyÓn ®Õn thïng läc. Sau khi läc b»ng thiÕt bÞ läc c¬ häc, chÊt xóc t¸c ®−îc tuÇn hoµn trë l¹i thiÕt bÞ ph¶n øng. §èi víi xóc t¸c Ru/C, kh«ng cÇn trang bÞ thiÕt bÞ läc tinh. Xóc t¸c míi bæ sung vµ xóc t¸c cò lÊy ra tõ thiÕt bÞ läc ®−îc c©n ®èi nhê bé phËn ®iÒu khiÓn. HÇu hÕt c¸c c«ng ®o¹n ®−îc thùc hiÖn tù ®éng. Trong tr−êng hîp sö dông xóc t¸c Ni-Raney, dung dÞch sorbitol th« trong thïng läc cßn chøa mét phÇn xóc t¸c Ni-Raney. PhÇn cßn l¹i ®−îc gi÷ l¹i trong thiÕt bÞ ph¶n øng sau khi ®Ó l¾ng. Xóc t¸c l¬ löng sÏ ®−îc lo¹i nhê qu¸ tr×nh läc c¬ häc vµ ®−îc tuÇn hoµn trë l¹i thiÕt bÞ ph¶n øng. DÞch läc sorbitol ®−îc chuyÓn qua thïng chøa dÞch läc. PhÇn Ni tan trong n−íc läc sÏ ®−îc bï bëi xóc t¸c míi. TiÕp theo qu¸ tr×nh läc lµ qu¸ tr×nh trao ®æi ion trong thiÕt bÞ trao ®æi ion. C¸c t¹p chÊt trong n−íc läc ®−îc khö kho¸ng vµ khö axit b»ng nhùa trao ®æi ion vËn hµnh theo nguyªn t¾c läc kÐp. Sau ®ã, dung dÞch ®· khö kho¸ng ®−îc c« ®Æc trong thiÕt bÞ c« ®Æc. ChØ tiªu tiªu hao B¶ng 6 sau ®©y ®−a ra chØ tiªu tiªu hao nguyªn liÖu vµ n¨ng l−îng ®Ó s¶n xuÊt 1 tÊn dung dÞch sorbitol 70 % (träng l−îng). B¶ng 6 . ChØ tiªu tiªu hao nguyªn liÖu vµ n¨ng l−îng Nguyªn liÖu, n¨ng l−îng §¬n vÞ ®o Sè l−îng Glucoza (quy kh«, hµm l−îng 100 %) kg 715 – 730 Hydro Nm3 100 Xóc t¸c : - HoÆc Ni-Raney kg 0,8 - HoÆc Ru/C kg 0,18 H¬i ¸p suÊt thÊp kg 560 – 630 N−íc khö ion m3 1,5 – 2,8 §iÖn n¨ng kWh 30 - 40 15
C«ng nghÖ Sorini [7] S¬ ®å nguyªn lý d©y chuyÒn c«ng nghÖ Sorini s¶n xuÊt sorbitol tõ glucoza ®−îc tr×nh bµy trong H×nh 6. PhÇn trong khung chÊm chÊm lµ c¸c thiÕt bÞ xö lý vµ tinh chÕ s¶n phÈm. Tr−íc tiªn, dung dÞch glucoza thu ®−îc tõ qu¸ tr×nh lªn men tinh bét ®−îc chuyÓn vµo thiÕt bÞ ph¶n øng. ChÊt xóc t¸c sö dông trong qu¸ tr×nh nµy lµ Ni-Raney, nhiÖt ®é ph¶n øng lµ 140 – 160°C, ¸p suÊt khÝ H2 lµ 40 – 60 bar (39,5-59,2 atm) vµ thêi gian ph¶n øng lµ 3,5 – 4 giê. Hçn hîp sau ph¶n øng sÏ ®−îc lµm s¹ch, sau ®ã chuyÓn sang bån läc. ChÊt xóc t¸c sau läc sÏ ®−îc ho¹t ho¸ ®Ó t¸i sö dông. Dung dÞch sorbitol sau khi ra khái thiÕt bÞ ph¶n øng ®−îc khö mµu b»ng than ho¹t tÝnh råi ®−îc trao ®æi ion ®Ó lo¹i bá t¹p chÊt, c¸c axit amin, c¸c cÆn glucozanat, v.v... Nhùa trao ®æi ion (c¶ anion vµ cation) th−êng lµ nhùa cña h·ng Rohm & Haas, víi tªn th−¬ng phÈm lµ IRA, 29, 120 vµ 910 céng thªm AMP 200. H×nh 6. S¬ ®å nguyªn lý qu¸ tr×nh hydro ho¸ gi¸n ®o¹n 16
III.2. Qu¸ tr×nh liªn tôc C«ng nghÖ hydro ho¸ liªn tôc glucoza thµnh sorbitol ®−îc ph©n thµnh 2 lo¹i: c«ng nghÖ sö dông xóc t¸c d¹ng huyÒn phï trong dung dÞch glucoza vµ c«ng nghÖ sö dông xóc t¸c ë d¹ng líp cè ®Þnh trong thiÕt bÞ ph¶n øng d¹ng dßng liªn tôc [11-18]. Trong tr−êng hîp ®Çu tiªn, ng−êi ta cã thÓ sö dông xóc t¸c xóc t¸c Ni mang trªn chÊt mang hoÆc xóc t¸c Ru/C, vµ sau qu¸ tr×nh ph¶n øng cÇn ph¶i tiÕn hµnh c«ng ®o¹n xö lý s¶n phÈm. Trong tr−êng hîp sau, ng−êi ta sö dông xóc t¸c Ru/C vµ kh«ng cÇn giai ®o¹n tinh chÕ s¶n phÈm. GÇn 20% s¶n l−îng sorbitol trªn thÕ giíi ®−îc s¶n xuÊt theo c«ng nghÖ liªn tôc sö dông xóc t¸c huyÒn phï. Qu¸ tr×nh hydro ho¸ liªn tôc glucoza sö dông xóc t¸c d¹ng líp cè ®Þnh ®Ó s¶n xuÊt sorbitol lµ c«ng nghÖ tiªn tiÕn nhÊt, cho hiÖu suÊt cao nh−ng cßn kh¸ míi mÎ nªn ch−a ®−îc øng dông ®¹i trµ trªn thÕ giíi. Lý do chÝnh lµ do c¸c nhµ ®Çu t− kh«ng muèn bá c«ng nghÖ truyÒn thèng hä ®ang ¸p dông ®Ó ®Çu t− x©y dùng d©y chuyÒn c«ng nghÖ míi. Hä thÝch chän h−íng c¶i tiÕn c«ng nghÖ truyÒn thèng h¬n lµ h−íng ¸p dông c«ng nghÖ míi. V× thÕ, c«ng nghÖ hydro ho¸ liªn tôc glucoza sö dông xóc t¸c d¹ng líp cè ®Þnh th−êng ®−îc khuyªn dïng ®èi víi c¸c nhµ m¸y x©y míi. Thùc tÕ, hiÖn nay c«ng nghÖ nµy ®· ®−îc ¸p dông t¹i c¸c c¬ së s¶n xuÊt cña Roquette (Ph¸p). H×nh 7 lµ s¬ ®å nguyªn lý cña hÖ thèng thiÕt bÞ hydro ho¸ glucoza theo c«ng nghÖ liªn tôc víi líp xóc t¸c cè ®Þnh. Mét sè ¶nh kÌm theo lµ h×nh ¶nh mét sè thiÕt bÞ chÝnh trong hÖ [19]. 17
H×nh 7. S¬ ®å nguyªn lý vµ mét sè h×nh ¶nh thiÕt bÞ ph¶n øng HÖ thèng gåm c¸c phÇn chÝnh sau ®©y: - HÖ thèng n¹p liÖu: gåm cã hÖ thèng n¹p glucoza (b×nh chøa dung dÞch glucoza 40%, b¬m cao ¸p, c¸c ®−êng èng vµ van) vµ hÖ thèng cung cÊp hydro (gåm m¸y nÐn khÝ H2 nguyªn liÖu “make up” vµ m¸y nÐn khÝ hydro håi l−u) - HÖ thèng tiÒn gia nhiÖt: gia nhiÖt glucoza tr−íc khi ®−a vµo thiÕt bÞ ph¶n øng - HÖ thèng ph¶n øng: gåm èng ph¶n øng b»ng thÐp kh«ng gØ ®−îc gia nhiÖt b»ng ®iÖn (chia thµnh c¸c vïng ®éc lËp) víi hÖ thèng ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é ®¶m b¶o nhiÖt ®é ®ång ®Òu trong toµn bé èng ph¶n øng. §¸y èng ph¶n øng ®−îc trang bÞ l−íi ®ì xóc t¸c cßn ®Ønh th× ®−îc trang bÞ 18
bé phËn ph©n phèi ®Æc biÖt ®¶m b¶o sù ph©n phèi mét c¸ch hiÖu qu¶ hçn hîp khÝ/láng qua líp xóc t¸c. - HÖ thèng thu håi s¶n phÈm: bao gåm thiÕt bÞ lµm l¹nh s¶n phÈm mµ nhiÖt thu ®−îc tõ qu¸ tr×nh ®ã ®−îc tËn dông ®Ó tiÒn gia nhiÖt hçn hîp ph¶n øng, thiÕt bÞ t¸ch khÝ láng ë ¸p suÊt cao vµ thiÕt bÞ t¸ch khÝ láng ë ¸p suÊt thÊp, van lÊy s¶n phÈm tù ®éng vµ thïng chøa s¶n phÈm. - HÖ thèng ph©n tÝch chÊt l−îng s¶n phÈm: m¸y s¾c ký HPLC KhÝ hydro cung cÊp cho hÖ thèng cã thÓ ®Õn tõ 2 nguån: b×nh khÝ hydro hoÆc m¸y sinh khÝ hydro. Glucoza cã thÓ ®−îc s¶n xuÊt tõ qu¸ tr×nh lªn men tinh bét, th−êng lµ tinh bét s¾n. §Æc ®iÓm næi bËt cña c«ng nghÖ nµy lµ kh«ng cÇn hÖ thiÕt bÞ xö lý vµ tinh chÕ s¶n phÈm, bëi v× s¶n phÈm khi ra khái thiÕt bÞ ph¶n øng ®· kh«ng bÞ nhiÔm bÈn nh− trong tr−êng hîp sö dông xóc t¸c trªn c¬ së Ni. III.3. Ph©n tÝch c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghÖ ¸p dông Qua viÖc t×m hiÓu c¸c c«ng nghÖ vµ xóc t¸c sö dông cho qu¸ tr×nh hydro ho¸ glucoza thµnh sorbitol, chóng ta cã thÓ nhËn thÊy c¸c −u, nh−îc ®iÓm cña c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghÖ hiÖn hµnh. B¶ng 7 vµ h×nh 8 tãm t¾t mét sè −u, nh−îc ®iÓm chÝnh cña ba c«ng nghÖ. B¶ng 7: So s¸nh c¸c c«ng nghÖ hydro ho¸ glucoza ®ang hiÖn hµnh C«ng nghÖ liªn tôc víi C«ng nghÖ liªn tôc víi C«ng nghÖ gi¸n ®o¹n líp xóc t¸c huyÒn phï líp xóc t¸c cè ®Þnh §é mÒm dÎo cao KÐm mÒm dÎo ChØ cã thÓ thay ®æi v× cã thÓ thay ®æi h¬n nguån nguyªn liÖu nguån nguyªn liÖu khi ch¹y hÕt vßng theo tõng mÎ ®êi cña xóc t¸c C«ng suÊt thÊp C«ng suÊt cao C«ng suÊt cao 19
ThiÕt bÞ ph¶n øng ThiÕt bÞ ph¶n øng ThiÕt bÞ ph¶n øng cã thÓ tÝch lín vµ nhá, gän nhá, gän ®¾t tiÒn Qu¸ tr×nh läc, röa Qu¸ tr×nh läc, Kh«ng cÇn läc, röa xóc t¸c, tinh chÕ röa xóc t¸c, tinh xóc t¸c. Kh«ng s¶n phÈm rÊt phøc chÕ s¶n phÈm cÇn tinh chÕ s¶n t¹p phøc t¹p phÈm Tiªu hao nguyªn Tiªu hao nguyªn Tiªu hao nguyªn liÖu vµ n¨ng l−îng liÖu vµ n¨ng liÖu vµ n¨ng l−îng cao l−îng thÊp thÊp Chi phÝ nh©n c«ng Chi phÝ nh©n Chi phÝ nh©n c«ng cao c«ng thÊp thÊp Chi phÝ s¶n xuÊt Chi phÝ s¶n xuÊt Chi phÝ s¶n xuÊt cao cao thÊp Cã rÊt nhiÒu chÊt Cã nhiÒu chÊt Kh«ng cã chÊt th¶i th¶i r¾n vµ láng th¶i r¾n vµ láng cÇn ®−îc xö lý cÇn ®−îc xö lý C«ng nghÖ gi¸n ®o¹n vµ CN liªn C«ng nghÖ liªn tôc víi líp xóc t¸c tôc víi xóc t¸c huyÒn phï cè ®Þnh H×nh 8: C¸c c«ng ®o¹n chÝnh trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt sorbitol 20
Tõ c¸c so s¸nh trªn, dÔ dµng nhËn thÊy c«ng nghÖ liªn tôc sö dông xóc t¸c ë d¹ng líp cè ®Þnh cã nhiÒu −u ®iÓm h¬n h¼n hai c«ng nghÖ cßn l¹i. Kh«ng nh÷ng thÕ, c¸c −u ®iÓm nµy l¹i lµ c¸c tiªu chÝ quan träng nhÊt, cã tÝnh chÊt quyÕt ®Þnh hiÖu qu¶ cña qu¸ tr×nh s¶n xuÊt. Ch¼ng h¹n, qu¸ tr×nh c«ng nghÖ liªn tôc víi líp xóc t¸c cè ®Þnh cã hÖ thèng thiÕt bÞ nhá gän, kh«ng cÇn hÖ thèng thiÕt bÞ xö lý vµ tinh chÕ s¶n phÈm, chi phÝ nh©n c«ng, tiªu hao nguyªn liÖu vµ n¨ng l−îng thÊp dÉn ®Õn chi phÝ s¶n xuÊt thÊp. VÝ dô, ®èi víi nhµ m¸y c«ng suÊt 20. 000 tÊn/n¨m, c«ng nghÖ gi¸n ®o¹n cÇn thiÕt bÞ ph¶n øng cã thÓ tÝch ph¶n øng lµ 13 m3 (thÓ tÝch tæng lµ 16 m3) nh−ng c«ng nghÖ liªn tôc sö dông líp xóc t¸c cè ®Þnh chØ cÇn thiÕt bÞ ph¶n øng cã thÓ tÝch líp xóc t¸c lµ 2,5 m3 (thÓ tÝch tæng kho¶ng 7,5 m3). Mét ®iÒu cÇn ®Æc biÖt l−u ý lµ c«ng nghÖ gi¸n ®o¹n vµ c«ng nghÖ liªn tôc sö dông xóc t¸c Ni-Raney t¹o ra rÊt nhiÒu chÊt th¶i r¾n vµ láng cÇn ®−îc xö lý trong khi c«ng nghÖ liªn tôc víi líp xóc t¸c cè ®Þnh kh«ng cã chÊt th¶i. B¶ng 8 so s¸nh −u, nh−îc ®iÓm cña hai lo¹i xóc t¸c hiÖn hµnh. B¶ng 8. So s¸nh hai lo¹i xóc t¸c hiÖn hµnh Xóc t¸c Ni-Raney Xóc t¸c Ru/C Ho¹t tÝnh vµ ®é chän läc cao Ho¹t tÝnh vµ ®é chän läc cao h¬n (98% vµ 98,8%) (99,9% vµ 99%) Xóc t¸c nhanh bÞ gi¶m ho¹t tÝnh Xóc t¸c rÊt bÒn (tuæi thä cao) Pha ho¹t tÝnh bÞ tan vµo m«i Pha ho¹t tÝnh kh«ng bÞ tan vµo tr−êng ph¶n øng lµm gi¶m ho¹t m«i tr−êng ph¶n øng. S¶n phÈm tÝnh xóc t¸c vµ nhiÔm bÈn s¶n cã ®é s¹ch siªu cao (kh«ng cÇn phÈm qua qu¸ tr×nh xö lý) B¶o qu¶n xóc t¸c Ni-Raney rÊt Xóc t¸c Ru/C rÊt dÔ b¶o qu¶n phøc t¹p v× nã b¾t ch¸y khi tiÕp xóc víi kh«ng khÝ Gi¸ xóc t¸c Ni-Raney ch−a xö Gi¸ xóc t¸c Ru/C cao (70 000 lý bëi kiÒm ®Æc (hîp kim Al- USD/tÊn) Ni) thÊp (28 000 USD/tÊn) 21