Khoa học công nghệ ngành Công Thương

Thứ tư, 24/04/2024 | 23:43

Thứ tư, 24/04/2024 | 23:43

Kết quả nhiệm vụ KHCN

Cập nhật lúc 08:21 ngày 19/04/2022

Tính toán, thiết kế và chế tạo thiết bị chưng cất tinh dầu Tràm trà sử dụng điện năng

TÓM TẮT:
Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thiết bị chưng cất tinh dầu Tràm trà sử dụng điện của Viện Nghiên cứu Dầu và Cây có dầu phối hợp cùng Cơ sở tinh dầu Lê Quế. Hệ thống bao gồm 2 hệ thiết bị: (1) Hệ chưng cất với nồi hơi riêng biệt và (2) hệ chưng cất điện nhỏ gọn. Hệ thiết bị chưng cất với nồi hơi riêng biệt được chế tạo dựa trên công nghệ chưng cất truyền thống được cải tiến bằng nồi hơi điện để sản xuất tinh dầu chất lượng cao và ổn định. Hệ thiết bị chưng cất bằng điện nhỏ gọn nhờ nồi cất có cấu tạo 2 lớp, có buồng đốt gia nhiệt bằng 2 điện trở. Thiết bị này có khả năng cơ động cao, nên có thể thích hợp vận chuyển đến những vùng nguyên liệu tại chỗ để sản xuất tinh dầu. Mỗi nồi cất có dung tích khoảng 1m3, mỗi mẻ có thể chung cất từ 300-400kg nguyên liệu/nồi, thời gian chưng cất chỉ từ 2-2,5 giờ và điện năng tiêu thụ từ 60-90kW. Sản phẩm tinh dầu Tràm trà được sản xuất đạt các yêu cầu về chất lượng theo tiêu chuẩn ISO 4730: 2017 của Thế giới. 
Từ khóa: Thiết bị chưng cất, sử dụng điện, tinh dầu Tràm trà.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Cây Tràm trà (Melaleuca alternifolia), thuộc họ Sim (Myrtaceae) có nguồn gốc từ Australia [2], từ lâu đã được nghiên cứu, sử dụng trên thế giới như một nguồn cung cấp tinh dầu và dược liệu có giá trị. Bên cạnh việc được sử dụng như một liệu pháp chăm sóc sức khỏe và làm đẹp, tinh dầu Tràm trà với các thành phần chính theo qui định của Tiêu chuẩn Thế giới ISO 4730:2017 là Terpinen-4-ol (35-48%); γ-Terpinene (14-28%); α- Terpinene (6-12%); 1,8-Cineol (≤ 10%), hiện nay còn được nghiên cứu rất nhiều về khả năng kháng các loại vi sinh vật khác nhau, từ các vi khuẩn gram dương, gram âm, các loại nấm, vi nấm, đến virus Nicotiana glutinosa [5] và nguyên sinh vật như Leishmania major, Trypanosoma brucei [4]. Từ các nghiên cứu đó đã chứng minh rằng tinh dầu Tràm trà là một chất kháng khuẩn, một kháng sinh tự nhiên rất mạnh đối với các mầm bệnh, có khả năng thanh lọc không khí, tăng cường miễn dịch, hỗ trợ hô hấp và đặc biệt là rất hữu hiệu trong chăm sóc da, chữa trị các bệnh về da [1]. 
Tinh dầu Tràm trà chủ yếu được sản xuất theo phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước từ lá và cành non của cây Tràm trà, cho năng suất từ 1-2% trọng lượng tươi. Ở Việt Nam, tinh dầu Tràm trà được chưng cất tương tự như tinh dầu Tràm gió, thường sử dụng các lò cất thủ công, được thiết kế đơn giản, sử dụng củi, than để tạo nhiệt. Một số vấn đề thường gặp khi sử dụng các lò cất thủ công này là: - Nồi hơi: thường sử dụng than củi, hoặc các nguyên liệu tận dụng, do đó dễ gây ô nhiễm môi trường, khói bụi, không thích hợp ở những xưởng sản xuất có diện tích nhỏ hẹp. 
- Nồi cất: các lò cất thủ công, nồi cất thường được tận dụng từ các thùng phuy sắt dễ gây ra tạp nhiễm kim loại nặng trong tinh dầu, làm giảm chất lượng của sản phẩm. Nồi thường có cấu tạo 1 lớp, không có lớp bảo ôn nên dễ dàng thất thoát nhiệt khi chưng cất và nguy hiểm cho người sử dụng. - Bộ phận ngưng tụ (làm lạnh): hỗn hợp hơi tinh dầu và nước sau khi được lôi cuốn bay lên sẽ đi vào một ống trụ thẳng đặt trong một bồn nước làm mát. Với thiết diện của một ống hình trụ sẽ làm giảm bề mặt tiếp xúc giữa hỗn hợp hơi và nước làm mát và nước làm mát không được thay thường xuyên sẽ khiến hiệu suất trao đổi nhiệt thấp, hiệu suất thu hồi cũng giảm. 
- Bộ phận phân ly: ở các lò cất thủ công thường không có bộ phận phân ly cũng như không có biện pháp xử lý sản phẩm, nên sản phầm tinh dầu thu được thường có chất lượng thấp, không đạt tiêu chuẩn tinh dầu nguyên chất. Với xu hướng sử dụng tinh dầu thiên nhiên ngày càng nhiều như hiện nay, việc cung cấp qui trình công nghệ và những thiết bị chiết tách tinh dầu qui mô vừa và nhỏ nhưng tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, ổn định, đồng thời dễ dàng lắp đặt và sử dụng để có thể khai thác được tại vùng nguyên liệu rải rác như ở nước ta là rất cần thiết. 
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 
2.1. Nội dung 
- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thiết bị chưng cất tinh dầu Tràm trà sử dụng điện. 
- Lắp đặt, vận hành thử nghiệm và hiệu chỉnh thông
2.2. Phương pháp nghiên cứu 
- Dựa trên kết quả nghiên cứu các thông số công nghệ của quá trình chưng cất lôi cuốn hơi nước tinh dầu Tràm trà tính toán công suất thiết bị chính và các thiết bị đi kèm (thể tích bồn chứa, kích thước bộ phận làm lạnh, bộ phận ngưng tụ, phân tách); thiết kế các bản vẽ kỹ thuật và sơ đồ lắp đặt hệ thống; lựa chọn đơn vị gia công. - Sau khi lắp đặt thiết bị, tiến hành thử nghiệm vận hành, chưng cất tinh dầu Tràm trà với khối lượng nguyên liệu các mẻ và thời gian chưng cất khác nhau. Đánh giá hiệu quả thu hồi tinh dầu. 
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 
3.1. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thiết bị chưng cất tinh dầu Tràm trà sử dụng điện 
a. Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng cho hệ thống chưng cất tinh dầu Tràm trà 
Để tính toán, thiết kế các thông số cho hệ thống thiết bị chưng cất tinh dầu Tràm trà, đề tài chọn đi từ nguyên liệu Tràm trà tươi, được cất ngay sau khi thu hoạch. Một số thông số cơ bản được xác định bao gồm: khối lượng riêng của nguyên liệu Tràm trà tươi cắt khúc 10-15cm: 500kg/ m3, hàm lượng tinh dầu: 2,68% => Lượng tinh dầu thu được của 1 mẻ. 
Hỗn hợp bay hơi ra cứ có một phần tinh dầu Tràm trà cần 8,1 phần nước. Do tinh dầu nằm trong các tế bào của cây nên hiệu suất chuyển khối lượng tinh dầu từ các tế bào ra rồi được hơi nước lôi cuốn rất thấp, chỉ khoảng 20%. 
=>Lượng nước bay hơi thực tế cần cho quá trình chưng là: 
Gn’ = Gn / 2 0% = 8,1 x 20,5 /20% = 830,25kg
=>Lưu lượng hơi quá nhiệt cần cho 2,5h chưng cất: 
L = . TT n Q λ h = 15,22 . 105 /2253 . 2,5 = 270 (kg/h) 
b. Thiết kế hệ thống thiết bị chưng cất tinh dầu (nồi cất, thiết bị ngưng tụ, phân ly, nồi hơi) 
Một mẻ sản xuất bao gồm các công đoạn: nạp liệu – chưng cất – tháo liệu, do đó đề tài đề xuất lựa chọn thiết kế một hệ thống chưng cất tinh dầu bằng hơi nước bao gồm 2 hệ cất riêng biệt, mỗi hệ có qui mô khoảng 400kg nguyên liệu, làm việc đan xen nhau để tận dụng thời gian và công lao động. Khi nồi này hoạt động thì nồi kia có thể tháo và nạp nguyên liệu mới nên thực chất hệ thống này có thể xem là hoạt động liên tục. 
- Hệ 1: Hệ chưng cất tinh dầu có nồi hơi riêng gồm: nồi hơi, nồi cất, sinh hàn ống chùm, sinh hàn ruột gà, bình phân ly và bình thông hơi 
- Hệ 2: Hệ chưng cất tinh dầu bằng hơi nước chạy điện gồm: nồi cất có buồng đốt hơi, được gia nhiệt bằng 02 điện trở, sinh hàn ống chùm, sinh hàn ruột gà và bình phân ly. 
Phương án thiết kế 
- Nguyên lý làm việc của thiết bị: gián đoạn, từng mẻ. Chưng cất bằng hơi nước có hồi lưu dịch ngưng 
- Vật liệu chế tạo: thép không rỉ SUS 304. Các khớp nối, chỗ nối được làm kín bằng các zoăng teflon, là loại vật liệu chịu dầu, chịu nhiệt và cho phép được sử dụng trong ngành thực phẩm. 
- Công suất 1 hệ: 400kg nguyên liệu Tràm trà /mẻ - Bộ phận cấp hơi: 
+ Hệ 1: có nồi hơi riêng, chạy điện: 380V/36kW
+Hệ 2: dùng hơi ngay tại nồi chưng cất, có 2 điện trở để tạo hơi trong buồng đốt. Điện trở 1 có công suất 18kW/h, và điện trở 2 có công suất 12kW/h. 
- Nồi chưng cất: thân nồi có dạng hình trụ, nắp nồi hình chóp nón có lỗ thoát hỗn hợp hơi, kiểu vòi voi. Phần thân và phần nắp được gia công rời, có thể tháo ráp và là nơi nạp và tháo nguyên liệu. Mối nối giữa phần thân và phần nắp được ghép kín nhờ hệ thống gioăng nước làm bằng cao su và các chốt gài bulong bằng inox. 
=>Thể tích nồi cất là V = 1m3 (cho 400kg nguyên liệu) Mối quan hệ giữa chiều cao và đường kính nồi chưng cất: h = (1 ÷ 1,5)D 
=>Chọn D = 1.040mm và h = 1.200mm 
+ Hệ 1: hệ có nồi hơi riêng chạy điện 
+ Hệ 2: hệ dùng điện trở ngay tại nồi chưng cất Xung quanh phần thân nồi, chóp nồi và vòi voi được bảo ôn bằng một lớp bông thủy tinh, dày 50 mm.
Hình 3.1: Bản vẽ hệ thiết bị chưng cất tinh dầu (1) có nồi hơi riêng và (2) chạy điện
- Thiết bị làm lạnh (ngưng tụ): Dựa vào các thông số của hệ thống như lượng tinh dầu thu được, lượng hơi cần cho quá trình chưng cất, thời gian ngưng tụ, nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ hơi nước đi vào và ra, tính toán: 
- Nhiệt lượng để ngưng tụ hơi nước- tinh dầu hoàn toàn: 38,4.106 (J) 
- Diện tích bề mặt truyền nhiệt: F = 5 (m2 ) 
Thiết kế hệ thống làm lạnh gồm 2 loại thiết bị: 
+ Thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm: Chọn ống có đường kính Φ32mm và dài 1,5m 
=>số ống n = 5/3,14.0,032.1,5 = 33 ống 
+ Thiết bị ngưng tụ dạng ống xoắn ruột gà: Chọn ống có đường kính Φ32mm và dài 5 m 
Hình 3.2: Sinh hàn dạng (1) ống chùm (2) ống xoắn ruột gà
- Bình phân ly: Dựa vào các thông số: tỉ trọng của tinh dầu Tràm trà (ở 200 C) theo ISO 4730:2007 [3] là từ 0,885 – 0,906 do đó nhẹ hơn nước và không tan trong nước => chọn thiết bị phân ly dạng lắng để tách tinh dầu Tràm trà ra khỏi hỗn hợp nước chưng. 
Ta chọn bình phân ly hình trụ đứng, có vòi xả dịch đáy và vòi lấy tinh dầu phía trên. Trên thân bình phân ly có gắn kính để quan sát mực và rút tinh dầu thô ra khỏi bình. 
Hỗn hợp nước và tinh dầu sau khi được ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ sẽ chảy theo ống dẫn xuống thiết bị phân ly. Tại đây, tinh dầu sẽ nổi lên trên của thiết bị phân ly và được lấy ra ở vòi phía trên. Nước ngưng sau một thời gian sẽ được hoàn lưu vào buồng đốt (nồi hơi) theo hệ thống ống xiphong trong bình phân ly.  
=>Ta chọn thể tích bình phân ly là 20 lít, với chiều cao bình là 620mm, đường kính 200mm. 
c. Gia công chế tạo thiết bị chưng cất tinh dầu Tràm trà 
Hệ thống chưng cất tinh dầu Tràm trà được gia công tại Cơ sở tinh dầu Lê Quế, đơn vị chuyên gia công, chế tạo các thiết bị tinh dầu. Nồi hơi được cung cấp bởi Công ty TNHH Cơ khí lắp đặt nồi hơi Đông Anh với áp suất làm việc là 5bar.
 Phương pháp hàn TIG (tungsram innert gas – đầu hàn bằng vonfram, hàn trong môi trường khí trơ argon) hoặc hàn bằng các loại que hàn đặc chủng OK 6330 của Nhật Bản hay Hàn Quốc. Những điểm chịu lực xung yếu của nồi chưng cất, là những nơi có cấu tạo mặt phẳng hay hình chóp cụt, như đáy nồi và vai nồi thì nhất thiết phải được gia cố gân tăng cứng. 
Hệ thống thiết bị sau khi chế tạo được lắp đặt tại Trung tâm Sản xuất Giống Trảng Bàng – Viện Nghiên cứu Dầu và Cây có dầu ấp Trảng cỏ, xã Đôn Thuận, huyện Trảng Bàng, tỉnh Tây Ninh.
3.2. Lắp đặt, vận hành thử nghiệm và hiệu chỉnh thông số công nghệ của hệ thống thiết bị chưng cất tinh dầu. Sau khi lắp đặt, tiến hành vận hành thử nghiệm và điều chỉnh một số thông số công nghệ, kết quả như sau:
Hình 3.3: Hệ thiết bị chưng cất tinh dầu Tràm trà (1) có nồi hơi riêng (2) dùng điện trở
Hình 3.4. Kết quả vận hành thử nghiệm hệ thiết bị (1) có nồi hơi riêng (2) dùng điện trở
Nhận xét: Kết quả cho thấy thời gian chưng cất càng lâu thì lượng tinh dầu thu được càng nhiều. Lượng nguyên liệu càng tăng thì lượng tinh dầu thu được cũng tăng, tuy nhiên tỉ lệ giữa tinh dầu thu được so với cùng lượng nguyên liệu thì có thay đổi, đạt cao nhất 14,0-14,1ml/kg khi nguyên liệu được nạp vào nồi cất từ 350-400kg (đối với hệ thiết bị có nồi hơi) và 13,9 - 14,0 ml/kg khi nguyên liệu được nạp vào nồi cất từ 300-350kg (đối với thiết bị chạy điện). Thời gian chưng cất tối ưu đối với hệ thiết bị có nồi hơi là 2 giờ (120 phút) rút ngắn hơn so với hệ thiết bị sử dụng điện 30 phút. 
4. KẾT LUẬN
Đề tài đã nghiên cứu, thiết kế và gia công được một hệ thống chưng cất tinh dầu bằng hơi nước bao gồm 2 hệ cất riêng biệt. Những ưu điểm của hệ thiết bị chưng cất tinh dầu này bao gồm: 
- Đối với thiết bị chưng cất có nồi hơi riêng: dựa trên cơ sở kết hợp kỹ thuật chưng cất tinh dầu truyền thống với những tiến bộ về kỹ thuật như: sử dụng nồi hơi chạy điện, có khả năng cung cấp hơi nhanh và ổn định, đồng thời có thể kiểm soát dễ dàng lượng hơi cần thiết để cung cấp cho nồi cất trong từng giai đoạn, từng loại nguyên liệu, không gây ô nhiễm khói bụi; hệ thống thiết bị ngưng tụ làm mát và thiết bị phân ly làm việc hiệu quả, hạn chế thất thoát sản phẩm và nâng cao chất lượng tinh dầu thu được. 
- Đối với hệ thiết bị chạy điện: với nguyên lý làm việc tương tự như hệ thiết bị chưng cất có nồi hơi riêng nhưng hơi nước được tạo ra ngay tại nồi cất nhờ cấu tạo của nồi có 2 lớp và buồng đốt bên dưới được gia nhiệt, cấp hơi bằng 2 điện trở hoạt động độc lập. Ở giai đoạn đầu, cả 2 điện trở cùng hoạt động để nhanh chóng hóa hơi nước, cung cấp hơi cho buồng cất, giai đoạn sau chỉ cần 1 điện trở để gia nhiệt, giúp giảm bớt điện năng tiêu thụ. Hệ thiết bị này có khả năng cơ động cao, nên có thể thích hợp vận chuyển đến những vùng nguyên liệu tại chỗ để sản xuất tinh dầu. 
Việc tái sử dụng nước ngưng của quá trình hóa hơi giúp giảm chi phí năng lượng (hạn chế gia nhiệt) và có được một nguồn nước cất đảm bảo tiêu chuẩn để cung cấp cho nồi hơi cũng như giúp bảo vệ thiết bị khỏi sự ăn mòn của hóa chất
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Lê Đình Khả, Nguyễn Thị Thanh Hường, Nguyễn Văn Dư, K. Pinyopusarerk, 2018. Một số giống Tràm Trà giàu Terpinen-4-ol có triển vọng trên một số lập địa tại miền Bắc Việt Nam. Tạp chí Khoa học Công nghệ Việt Nam. Số 60 (9) 9.2018. p 42-47. 
2. Cheel, E., 1924. Notes on Melaleuca, with descriptions of two new species and new variety. Journal and proceedings of the Royal Society of New South Wales. 58: 195. 
3. International Organisation for Standardisation, 2017. ISO 4730:2004. Oil of Melaleuca terpinen-4-ol type (tea tree oil). International Organisation for Standardisation. Geneva. Switzerland. 
4. Mikus, J., M. Harkenthal, D. Steverding, and J. Reichling, 2000. In vitro effect of essential oils and isolated mono- and sesquiterpenes on Leishmania major and Trypanosoma brucei. Planta Med. 66:366–368. 
5. Schnitzler, P., K. Scho¨n, and J. Reichling, 2001. Antiviral activity of Australian tea tree oil and eucalyptus oil against herpes simplex virus in cell culture. Pharmazie 56:343–34. 
Ngày nhận bài: 18/10/2021; Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 27/10/2021; Ngày chấp nhận đăng bài: 5/11/2021 
Người phản biện: PGS.TS Bùi Ngọc Tuyên 
Thông tin tác giả: BÙI THANH BÌNH1 , VÕ BỬU LỢI1 , LÊ VĂN QUẾ2 , MAI HUY HOÀNG1 , LẠI VĂN SẤM1
1 Viện Nghiên cứu Dầu và Cây có dầu, 2 Cơ sở Tinh dầu Lê Quế
Nguồn: Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 47- Tháng 12/2021
lên đầu trang