Sau công đoạn chiết, dịch chiết thường rất loãng (hàm lượng chất rắn 1%~3%) và cần qua công đoạn tiếp theo là làm đặc (concentration) để giảm thể tích và tăng hàm lượng chất rắn lên 10%~85% với 3 mục đích chính:
- Phù hợp với các bước chế biến tiếp theo như sấy khô, đông lạnh, thanh trùng…
- Giảm chi phí vận chuyển
- Tăng khả năng bảo quản do thành phần đường nồng độ cao có tác dụng hạn chế sự phát triển của vi sinh
Làm đặc (concentrate) là việc loại bỏ một phần nước khỏi dịch chiết loãng để tăng nồng độ chất chiết. Một số phương pháp làm đặc thường gặp:
- Bay hơi (evaporation): Đun sôi dịch chiết cho nước bay hơi ở áp suất thường hoặc áp suất giảm.
- Đóng băng (freeze): Làm lạnh dịch chiết đến điểm đóng băng, trong quá trình làm lạnh, nước sẽ đóng băng trước và tách ra khỏi chất chiết.
- Màng lọc (membrane concentrate): Dịch chiết được bơm qua màng lọc bán thấm (RO), nước sẽ đi qua màng, chất chiết sẽ được giữ lại.
Phương pháp đóng băng và màng lọc thường được áp dụng trong ngành chế biến thức phẩm với các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt như nước ép hoa quả.
Phương pháp bay hơi (evaporation) thường được dùng trong ngành chiết xuất thảo dược và được gọi là Cô. Do các chất chiết từ thảo dược khá nhạy cảm với nhiệt nên quá trình cô cần được duy trì ở nhiệt độ thấp bằng cách cho sôi trong điều kiện chân không (vacuum). Nhiệt độ của quá trình cô chân không nằm trong khoảng 50oC~90oC.
Một thiết bị cô có 3 phần chính: phần trao đổi nhiệt, phần bay hơi và phần tách hơi. Ba phần này có thể được tích hợp trong một tháp cô đứng.
Thiết bị cô theo mẻ (Batch evaporators)
Thiết bị cô theo mẻ là loại đơn giản và cổ điển nhất, cầu tạo gồm một tank với lớp áo nhiệt (jacket) bên ngoài, được làm nóng bằng hơi hoặc chất lỏng truyền nhiệt (nước, dầu..). Dịch cô được làm nóng và sôi ở trong nồi, hơi nước bay ra ngoài đến khi dịch đạt nồng độ.
Thiết bị chỉ thích hợp cho sản phẩm bền với nhiệt vì quá trình cô ở nhiệt độ cao và thời gian lâu. Có thể cô dưới điều kiện chân không (vacuum) để hạn chế tác động của nhiệt do làm giảm nhiệt độ sôi.
Thiết bị có hệ số truyền nhiệt và diện tích truyền nhiệt thấp, dễ bị hiện tượng bám cháy thành (fouling). Có thể thêm cánh vét khuấy để tăng hệ số truyền nhiệt và giảm hiện tượng bám cháy thành.
Nồi cô ống ngắn nằm ngang (Horizontal short tube evaporator)
Bó ông được đặt nằm ngang trong nồi cô, hơi chạy trong lòng ồng, dịch được cấp ngập bên ngoài ống.
Thiết bị không phù hợp với các sản phẩm dễ bị lắng hoặc bám dính lên thành ống, phù hợp với quá trình cô mà dịch cuối cùng ở dạng lỏng như siro đường.
Nồi cô ống ngắn thẳng đứng (Vertical short tube evaporator)
Nồi cô có cấu tạo gồm một bó ống nhỏ (ø 25÷100mm, dài 0.75÷1.8m) nằm thẳng đứng, ở giữa bó ống có một ống to (diện tích mặt cắt bằng 75÷150% tổng diện tích các ống nhỏ). Dịch cô nằm trong lòng ống, hơi làm nóng ở ngoài vỏ ống.
Dịch cô bị đun nóng trong lòng ống nhỏ sẽ sôi và nổi lên mặt sau đó theo ống to chìm xuống đáy tạo ra vòng đảo trộn. Mức dịch tối ưu là cao hơn nửa ống một chút. Với các dịch dễ bị lắng cặn, mức dịch phù hợp là ngập ống.
Thiết bị có ưu điểm là hệ số trao đổi nhiệt khá cao, có thể dùng cho các sản phẩm có mức lắng cặn vừa phải. Không phù hợp cho sản phẩm nhạy cảm với nhiệt, độ nhớt cao, bị kết tinh (trừ khi trang bị thêm cánh khuấy).
Tháp cô ống dài thẳng đứng (Vertical long tube evaporator)
Tháp có cấu tạo gồm một bó ống (ø 25÷50mm dài 3÷10m), dịch chảy trong lòng ống, hơi nóng được cấp ở phía ngoài. Tháp được kết nối với buồng tách hơi/nước. Dịch loãng được cấp từ dưới đáy dâng dần lên ống.
Trong lòng ống hẹp, dịch được đốt nóng và bắt đầu sôi khi dâng lên cao. Nước sôi tạo ra các bóng hơi ép dịch vào thành ống tạo thành một lớp mỏng. Lớp mỏng này bị kéo di chuyển lên trên cùng bóng hơi vì vậy thiết bị này còn được gọi là Tháp cô lớp mỏng đi lên (Raising film evaporator). Gần miệng ống, các bóng hơi phát triển rất nhanh kéo theo dịch thoát ra khỏi miệng ống với tốc độ cao. Hỗn hợp hơi/dịch thoát sang buồng tách, tại đó hơi sẽ bay ra ngoài còn dịch sẽ được cấp trở lại tháp.
Thiết bị có hệ số trao đổi nhiệt cao, thời gian tiếp xúc của dịch với nguồn nhiệt rất ngắn giúp đảm bảo chất lượng của sản phẩm nhạy cảm với nhiệt.
Tháp cô lớp mỏng chảy xuống (Falling Film Evaporators)
Tháp có cấu tạo gồm một bó ống (ø 25÷50mm dài 3÷10m), dịch chảy trong lòng ống, hơi nóng được cấp ở phía ngoài. Dịch loãng được cấp từ trên xuống qua một đĩa chia để đảm bảo phân bố đồng đều vào tất cả các ống.
Dưới tác dụng của trọng lực, dịch chảy xuống dưới theo thành ống tạo thành các lớp mỏng (falling film) với tốc độ cao. Cần chú ý tỷ lệ dịch cấp vào và lượng nước bay hơi để tránh hiện tượng bám cháy ở đáy ống do bị khô.
Thiết bị có hệ số truyền nhiệt cao, thời gian tiếp xúc ngắn, chênh lệch nhiệt độ giữa môi chất làm nóng và dịch bay hơi thấp (<10oC) nên đặc biệt phù hợp cho sản phẩm nhạy cảm với nhiệt.
Tháp cô lớp mỏng lên/xuống (Rising/falling-film evaporator)
Bó ống của tháp cô được chia làm 2 nửa lên và xuống. Dịch được cấp từ đáy, dâng lên trong lòng nửa bó ống lên, bốc hơi và cuốn theo dịch thoát ra khỏi đỉnh ống. Hơi và dịch theo nửa bó ống còn lại chảy xuống và tiếp túc bay hơi. Hỗn hợp hơi/dịch qua buồng chia để tách riêng dịch đặc và hơi nước.
Thiết bị được sử dụng khi cần quá trình cô có tỷ lệ bay hơi/ dịch cấp cao
Tháp cô bơm tuần hoàn (Forced Circulation Evaporators)
Các tháp cô mà dịch tuần hoàn tự nhiên sẽ không phù hợp khi gặp:
- Dịch có độ nhớt cao do hệ số truyền nhiệt thấp
- Dịch có nhiều chất rắn treo lơ lửng
- Dịch nhạy cảm với nhiệt
Để giải quyết vấn đề này, các hệ thống cô sẽ được lắp thêm bơm giúp tăng cường tốc độ tuần hoàn của dịch.
Bộ cô tấm nhiệt (Plate heat evaporator)
Bộ cô tấm nhiệt gồm nhiều tấm kim loại xếp cạnh nhau. Hơi nước được cấp vào một mặt của tấm trao đổi nhiệt, dịch được cấp vào mặt còn lại. Bộ cô này có kích thước gọn, hệ số truyền nhiệt cao, thời gian tiếp xúc ngắn, quá trình trao đổi nhiệt và bay hơi diễn ra rất nhanh, vệ sinh dễ với các dịch không đặc.
Thiết bị không phù hợp để cô dịch chiết thảo dược do khoảng cách giữa các tấm trao đổi nhiệt hẹp dễ gây tắc khi cô đến nồng độ cao (>10%)
Ống cô có cánh vét (Agitated thin-film evaporator)
Thiết bị gồm một ống có áo nhiệt (jacket) và một trục cánh vét ở giữa. Khoảng cách từ cánh vét đến thành ống thường cố định và có thể điều chỉnh, nhiều trường hợp cánh vét áp sát thành ống. Nguồn nhiệt có thể là hơi nước hoặc môi chất truyền nhiệt. Dịch được cấp từ đỉnh, các cánh vét dàn đều dịch vào thành ống tạo thành các lớp mỏng chảy theo đường xoắn ốc xuống dưới. Dịch cô đặc được thu từ đáy ống, hơi có thể thoát ra từ đáy (co-current) hoặc từ đỉnh (counter-current) ống. Thiết bị có thể hoạt động ở điều kiện chân không để giảm tác động của nhiệt.
Ống cô có cánh vét có ưu thế lớn cho các dịch nhạy cảm với nhiệt, nhớt và dễ bám cháy.
Phương pháp chọn thiết bị cô
