Đường là một trong những loại thực phẩm được tiêu thụ rộng rãi nhất trên thế giới, chủ yếu được sản xuất từ mía và củ cải đường. Sản xuất đường chất lượng cao là một quá trình phức tạp bao gồm nhiều giai đoạn: chiết xuất, làm sạch, cô đặc, kết tinh và tinh chế. Ở mỗi giai đoạn chế biến đường, chất lượng và độ tinh khiết của nước đường cần được kiểm soát chính xác. Các tạp chất tự nhiên, chẳng hạn như các hạt keo, protein, sắc tố và vi sinh vật, có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu quả của quá trình làm sạch, lọc và kết tinh.
Hóa chất đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất đường hiện đại. Nếu không kiểm soát hóa chất đúng cách, các tạp chất này có thể gây đóng cặn, vấn đề về màu sắc và tổn thất sản lượng. Hóa chất sản xuất đường không chỉ nâng cao hiệu quả và sản lượng mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm tiêu thụ năng lượng và giúp các nhà máy đáp ứng các tiêu chuẩn bảo vệ môi trường. Các hóa chất này có thể:
- Nâng cao hiệu quả làm sạch và hiệu quả tách chất rắn-lỏng.
- Ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật trong nước ép trái cây và siro.
- Tăng cường hiệu quả khử màu của đường trắng tinh khiết dạng hạt.
- Kiểm soát sự hình thành bọt và đóng cặn trong thiết bị bay hơi và thiết bị bay hơi chân không.
Bài viết này lấy cây mía làm ví dụ để tóm tắt toàn diện quy trình sản xuất đường. Bài viết cũng giải thích cách các hóa chất khác nhau - chất keo tụ, chất khử trùng, chất tẩy màu và chất khử bọt - được sử dụng ở từng giai đoạn để đảm bảo hoạt động trơn tru và sản xuất đường chất lượng cao.
Quy trình sản xuất đường và ứng dụng hóa chất
Chuẩn bị nguyên liệu thô
Quá trình sản xuất đường bắt đầu từ việc thu hoạch và chuẩn bị nguyên liệu thô. Mía được rửa sạch và chặt nhỏ để loại bỏ đất, đá và lá. Ở giai đoạn này, nếu nước mía để lâu, nó sẽ bắt đầu sinh sôi vi sinh vật. Để giảm lượng vi sinh vật trên bề mặt nguyên liệu thô, ngăn ngừa ô nhiễm hoặc hư hỏng nước mía trong quá trình đường hóa, đôi khi người ta sử dụng chất khử trùng lên bề mặt mía, nước chứa hoặc thiết bị làm sạch.
| Loại chất khử trùng | Nồng độ khuyến nghị | Phương pháp ứng dụng | Chức năng chính | Các biện pháp phòng ngừa | Thuận lợi |
| Natri hypoclorit (NaClO) | 50–200 ppm clo tự do | Phun hoặc ngâm bề mặt cây mía trong 5-10 phút. | Khử trùng phổ rộng, giảm tải lượng vi khuẩn. | Kiểm soát nồng độ (thường là 50–200 ppm clo tự do). Tránh để lượng clo dư thừa trong nước ép quá nhiều để ngăn ngừa các vấn đề về màu sắc hoặc kết tinh. Rửa sạch hoặc để ráo nước sau khi sử dụng nếu cần. | Khử trùng phổ rộng; chi phí thấp. |
| Natri Dicloroisocyanurat (SDIC) | 50–150 ppm clo tự do | Phun hoặc ngâm bề mặt cây mía trong 5-10 phút. | Độ ổn định cao, hiệu quả khử trùng mạnh. | Kiểm soát lượng clo tự do để tránh ảnh hưởng đến quá trình kết tinh và màu sắc của nước ép. | Ổn định hơn natri hypoclorit; hiệu quả cao; lượng clo dư được kiểm soát; được sử dụng rộng rãi trong môi trường chế biến thực phẩm. |
| Hydrogen Peroxide (H₂O₂) | 0,1%–0,5% | Thêm vào nước tẩy rửa hoặc dung dịch phun rửa bề mặt. | Khử trùng, không để lại cặn, thân thiện với môi trường. | Kiểm soát nồng độ; thông thường là 0,1–0,5% để xử lý bề mặt. Cẩn thận trong quá trình sử dụng. | Phân hủy không để lại cặn; an toàn và thân thiện với môi trường. |
| Nước nóng / Hơi nước | Nước nóng ở nhiệt độ 80–90°C hoặc hơi nước ở nhiệt độ 100°C | Súc miệng bằng nước nóng hoặc hấp hơi trong 2-5 phút. | Tiệt trùng không cần thêm hóa chất | Tiêu thụ năng lượng cao; yêu cầu thiết bị phù hợp; tuân thủ các biện pháp an toàn. | Không chứa chất phụ gia hóa học; giảm thiểu dư lượng hóa chất. |
| Khử trùng nước dùng để vệ sinh nhà máy/cơ sở | SDIC, 50–100 ppm | Vệ sinh thiết bị, phương tiện vận chuyển | Ngăn ngừa ô nhiễm thứ cấp | Thường xuyên thay thế và theo dõi nồng độ clo tự do. | — |
Thực hành được khuyến nghị
Khi mía được đưa vào nhà máy, nó trải qua quá trình rửa sơ bộ bằng nước sạch để loại bỏ đất và tạp chất.
Tiếp theo, việc khử trùng bề mặt được thực hiện bằng cách phun dung dịch SDIC nồng độ thấp hoặc natri hypoclorit tùy theo điều kiện.
Nguồn nước và thiết bị vệ sinh của nhà máy đường cũng cần được khử trùng thường xuyên để đảm bảo môi trường vệ sinh tổng thể.
Chiết xuất nước ép
Sau bước làm sạch và khử trùng đầu tiên, bước tiếp theo là ép lấy nước mía. Nước mía thường được ép bằng máy ép cơ học hoặc hệ thống khuếch tán. Bước này bao gồm việc phá vỡ cấu trúc cứng của cây mía và chiết xuất nước mía từ đó.
Trong hầu hết các trường hợp, máy ép mía bao gồm ba trục nghiền kết hợp với máy băm hoặc lưỡi dao quay. Sau khi mía được xử lý trên một băng chuyền, nó sẽ được vận chuyển đến băng chuyền khác để ép thêm nước. Tuy nhiên, trước khi vận chuyển, nước sẽ được phun lên trước để tiếp tục ép nước. Phần bã còn lại sau khi ép được gọi là bã mía.
Nước ép chứa các tạp chất hòa tan và lơ lửng, bao gồm chất xơ thực vật, protein và thậm chí cả các hạt đất đã được rửa trôi hoàn toàn. Những tạp chất này cần được xử lý để nâng cao hiệu quả của quá trình làm trong và kết tinh tiếp theo.
Làm trong nước mía
Công đoạn làm sạch nước mía là bước quan trọng nhất trong giai đoạn đầu của quá trình sản xuất đường. Mục đích là để loại bỏ các tạp chất (như đất, protein, chất keo, axit hữu cơ, v.v.) khỏi nước mía và nâng cao độ tinh khiết của nó. Thông thường, phương pháp xử lý bằng vôi được áp dụng, kết hợp với phương pháp tuyển nổi bằng phốt pho hoặc phương pháp cacbonat hóa.
Sử dụng hóa chất
Vôi (CaO)/sữa vôi (Ca(OH)2) : Trung hòa các chất có tính axit và kết tủa các tạp chất.
Khí cacbonic (CO₂)2(được sử dụng trong phương pháp cacbonat hóa): Phản ứng với vôi để tạo thành kết tủa canxi cacbonat, chất này hấp thụ các tạp chất.
Chất hỗ trợ keo tụ/chất đông tụ: Giúp các chất rắn lơ lửng lắng xuống nhanh chóng.
Các vật liệu thường dùng: Polyaluminium chloride (PAC), polyacrylamide (PAM), v.v.
Lưu huỳnh (SO₂)2(hoặc natri sunfit): Nó đóng vai trò trong quá trình tẩy trắng, khử màu và khử trùng trong tuyển nổi phốt pho.
Lọc và làm nóng sơ bộ
Sau khi làm trong, nước ép cần được lọc để loại bỏ cặn. Làm nóng nước ép trước khi cô đặc là rất quan trọng, vì nó giúp giảm độ nhớt của nước ép và ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn.
Sự bay hơi và cô đặc
Nước ép trái cây sau đó được cô đặc thành siro bằng thiết bị bay hơi đa tầng, làm giảm độ ẩm từ khoảng 85% xuống còn 30-40%. Quá trình bay hơi chân không giúp duy trì chất lượng đường, nhưng cũng đặt ra một số thách thức về mặt vận hành:
- Các protein hòa tan và chất hoạt động bề mặt gây ra hiện tượng tạo bọt.
- Hiện tượng đóng cặn trên bề mặt thiết bị bay hơi.
Ứng dụng hóa học:
Chất khử bọt: Chất khử bọt gốc silicone dùng để ngăn chặn bọt ở nhiệt độ cao. Chất khử bọt gốc polyether và rượu béo thích hợp cho hệ thống nước ép trái cây có lượng bọt trung bình.
Chất ức chế/phân tán cặn: Ngăn ngừa sự hình thành cặn canxi cacbonat hoặc sunfat trong thiết bị bay hơi.
Tác động: Kiểm soát bọt và ngăn ngừa đóng cặn hiệu quả đảm bảo quá trình bay hơi diễn ra suôn sẻ, hiệu suất truyền nhiệt cao hơn và thời gian ngừng hoạt động ít hơn.
Kết tinh
Quá trình kết tinh trong sản xuất đường (thường được gọi trong ngành là đun sôi) là một bước quan trọng trong việc chuyển đổi siro đường cô đặc thành tinh thể sucrose rắn. Siro cô đặc được đun sôi trong nồi chân không để bắt đầu quá trình kết tinh đường. Quá trình kết tinh đúng cách rất cần thiết cho năng suất đường, kích thước tinh thể và màu sắc. Đây là một quá trình hóa lý phức tạp được thiết kế để kiểm soát kích thước và độ đồng nhất của các tinh thể sucrose kết tủa.
Chất khử bọt thường được sử dụng trong quy trình này. Chất khử bọt kiểm soát sự hình thành bọt trong quá trình đun sôi, ngăn ngừa siro trào ra ngoài.
Quá trình kết tinh ổn định giúp tăng năng suất đường và giảm tổn thất trong quá trình ly tâm.
Ly tâm và tách chiết
Sau khi hình thành tinh thể, các tinh thể được tách khỏi mật đường bằng máy ly tâm và sau đó được làm khô bằng các đường ống nóng. Mật đường có thể được chế biến thêm để sản xuất ethanol, thức ăn chăn nuôi hoặc các mục đích sử dụng khác.
Khử màu và tinh chế
Quá trình khử màu và tinh chế là giai đoạn cuối cùng trong quy trình sản xuất đường, chủ yếu được sử dụng trong sản xuất đường tinh luyện trắng có độ tinh khiết cao (như đường hạt hoặc đường phèn). Giai đoạn này đòi hỏi sử dụng một lượng lớn hóa chất và chất hấp phụ.
Các hóa chất thường dùng bao gồm:
Than hoạt tính (dạng bột hoặc hạt): Hấp thụ polyphenol, caramel và các chất tạo màu khác.
Nhựa khử màu/nhựa trao đổi ion: Loại bỏ các hợp chất màu dạng ion và không ion.
Hydrogen peroxide (H₂O₂): Oxy hóa các sắc tố còn lại, làm cho màu siro nhạt hơn nữa.
Chất khử màu: Đảm bảo giá trị ICUMSA thấp và chất lượng hình ảnh cao.
Phần trên đã nêu bật các quy trình chính và ứng dụng hóa học trong ngành công nghiệp đường.
Hiển thị các hóa chất liên quan:
Nước thải từ ngành công nghiệp đường được xử lý như thế nào?
Các nhà máy đường tạo ra nước thải trong quá trình sản xuất đường. Nước thải này có chất lượng phức tạp và tải lượng ô nhiễm cao, đòi hỏi phải xử lý nước một cách có hệ thống trước khi xả thải.
Nước thải chủ yếu đến từ quá trình rửa nguyên liệu thô, vệ sinh thiết bị, nước thải từ quá trình sản xuất đường, nước làm mát/nước ngưng tụ và nước xả đáy lò hơi. Loại nước thải này có đặc điểm là hàm lượng COD và BOD rất cao (do hàm lượng đường), hàm lượng chất rắn lơ lửng cao, khả năng phân hủy sinh học mạnh và đôi khi chứa dầu và bùn. Do đó, sự kết hợp của các quy trình—tiền xử lý + keo tụ và lắng đọng + xử lý sinh học + xử lý nâng cao—thường được sử dụng để xử lý loại nước thải này. Các phương pháp xử lý phổ biến bao gồm xử lý vật lý (như lắng đọng và lọc), xử lý hóa học (như keo tụ và trung hòa) và xử lý sinh học (như quy trình bùn hoạt tính và vùng đất ngập nước nhân tạo).
Cần những hóa chất nào để xử lý nước thải từ ngành công nghiệp đường?
Các bước cụ thể và ứng dụng hóa chất như sau:
| Giai đoạn điều trị | Mục đích | Các hóa chất được khuyến nghị | Chức năng chính |
| 1. Rửa nguyên liệu thô và xử lý sơ bộ | Loại bỏ cát, bùn, sợi, chất rắn lơ lửng | PAC (Polyaluminum Chloride) | Đông tụ nhanh, loại bỏ SS và độ đục. |
| PAM (Polyacrylamide) – Anionic/Nonionic | Sự hình thành bông cặn, tăng cường quá trình lắng | ||
| Chất khử bọt | Kiểm soát bọt sinh ra trong quá trình rửa mía và ép lấy nước mía. | ||
| 2. Cân bằng và điều chỉnh độ pH | Ổn định chất lượng nước đầu vào, điều chỉnh độ pH cho các quy trình tiếp theo. | Vôi (CaO / Ca(OH)₂) | Tăng độ pH, loại bỏ một phần độ cứng của nước. |
| Natri hydroxit (NaOH) | Điều chỉnh độ pH chính xác | ||
| Axit sulfuric / Axit clohidric | Giảm độ pH | ||
| Chất khử bọt | Giảm bọt trong bể cân bằng. | ||
| 3. Quá trình đông tụ và kết tủa (Lắng sơ cấp) | Loại bỏ chất rắn lơ lửng, chất keo, chất tạo màu; giảm COD | PAC / PolyDADMAC / Polyamine | Các chất keo tụ chính dùng để loại bỏ độ đục và màu sắc. |
| PAM (Anion) | Cải thiện độ bền của bông cặn và tốc độ lắng. | ||
| Các chất hỗ trợ đông tụ (ví dụ: Magie silicat) | Tăng cường độ rõ nét và hiệu suất lắng đọng. | ||
| 4. Xử lý sinh học kỵ khí (UASB, EGSB) | Giảm tải lượng chất hữu cơ cao (COD, BOD) | Phụ gia dinh dưỡng (nguồn N & P) | Duy trì hoạt động của vi sinh vật và sinh khối khỏe mạnh. |
| Chất điều chỉnh độ pH | Duy trì độ pH tối ưu (6,8–7,2) cho vi khuẩn kỵ khí. | ||
| Chất khử bọt | Ngăn chặn bọt sinh ra từ khí sinh học | ||
| 5. Xử lý hiếu khí (Bùn hoạt tính, SBR) | Giảm thêm COD, BOD và amoniac | Phụ gia dinh dưỡng (N & P) | Cung cấp chất dinh dưỡng cân bằng cho vi sinh vật |
| Chất khử bọt | Kiểm soát bọt trong quá trình sục khí | ||
| Các enzyme sinh học / Nuôi cấy vi sinh vật | Tăng cường hiệu quả phân hủy sinh học | ||
| 6. Điều trị nâng cao (Nếu áp dụng các tiêu chuẩn xuất viện nghiêm ngặt) | Cải thiện độ trong suốt, loại bỏ COD, SS và màu sắc dư thừa. | Polyamine / PolyDADMAC | Khả năng khử màu và loại bỏ độ đục mạnh mẽ |
| PAC | Loại bỏ SS và chất keo bổ sung | ||
| PAM (Trọng lượng phân tử cao) | Quá trình keo tụ và đánh bóng cuối cùng | ||
| Than hoạt tính | Loại bỏ màu sắc, mùi hôi và cặn bẩn hữu cơ. | ||
| 7. Khử trùng & Tái sử dụng nước | Đảm bảo an toàn vi sinh cho việc xả thải hoặc tái sử dụng. | Canxi hypoclorit | Khử trùng mạnh mẽ |
| Natri hypoclorit | Thuốc khử trùng định liều trực tuyến thông dụng | ||
| SDIC (Natri dicloroisocyanurat) | Giải phóng clo ổn định, lâu dài | ||
| TCCA (Axit trichloroisocyanuric) | Hàm lượng clo cao, khử trùng bằng clo chậm |
Sản xuất đường là một quy trình công nghiệp phức tạp đòi hỏi sự kiểm soát chính xác ở mọi giai đoạn—từ khâu chuẩn bị nguyên liệu thô và ép nước đến làm sạch, bay hơi, kết tinh, tinh chế và xử lý nước thải. Mỗi giai đoạn đều có những thách thức riêng, bao gồm chất rắn lơ lửng, màu sắc, hoạt động vi sinh vật, sự hình thành bọt và sự tích tụ cặn. Bằng cách tích hợp các hóa chất thích hợp vào từng giai đoạn của quy trình sản xuất đường, các nhà máy đường có thể tăng sản lượng, cải thiện chất lượng tinh thể, tăng cường màu sắc, giảm tổn thất và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động. Đồng thời, các giải pháp hóa học được tối ưu hóa góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc xử lý nước thải hiệu quả hơn và giảm thiểu chất thải hóa học.
Việc lựa chọn đối tác hóa chất phù hợp cho phép các nhà máy đường nâng cao hiệu quả sản xuất, đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định, kéo dài tuổi thọ thiết bị và đạt được sự xuất sắc trong vận hành lâu dài.