Công nghệ màng (membrane) - phương pháp cô đặc nước trái cây không sử dụng nhiệt (15/12/2018)
Trong công nghiệp sản xuất nước quả trên thế giới, người ta thường sử dụng 4 quá trình phân riêng bằng membrane như sau: vi lọc (MF), siêu lọc (UF), lọc nano (NF) và thẩm thấu ngược (RO). Tùy thuộc vào nguyên liệu và yêu cầu công nghệ của sản phẩm mà lựa chọn membrane và phương pháp phân riêng thích hợp. Phương pháp này đã được nghiên cứu và ứng dụng trong ngành công nghiệp sản xuất nước trái cây với những ưu điểm sau: Giữ nguyên vẹn hương vị của sản phẩm; Các thành phần trong nước trái cây không bị biến tính do nhiệt độ cao; loại bỏ được một số thành phần không mong muốn (tannin, polyphenol oxidase); tổng hoạt tính chống oxy hóa của nước trái cây được cô đặc bằng phương pháp membrane cao hơn so với nước trái cây được cô đặc bằng phương pháp nhiệt. Đây là một phương pháp tiên tiến, có tiềm năng ở quy mô công nghiệp.
Quá trình phân riêng bằng membrane
Quá trình phân riêng bằng membrane có một số điểm tương tự như quá trình lọc. Membrane đóng vai trò vật ngăn để phân riêng các cấu tử. Tuy nhiên áp suất là động lực duy nhất trong kỹ thuật phân riêng bằng membrane. Do sự phân riêng được thực hiện ở mức độ phân tử hoặc ion nên đối tượng của quá trình thường không phải là hệ huyền phù mà là những dung dịch chứa các cấu tử hòa tan có phân tử lượng khác nhau.
Kết quả của quá trình phân riêng bằng membrane sẽ cho ta hai dòng sản phẩm: Dòng sản phẩm qua membrane được gọi là permeate; dòng sản phẩm không qua membrane được gọi là retentate.
Phân riêng bằng membrane không cần sử dụng phụ gia, có thể được tiến hành đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp và tiêu thụ ít năng lượng, dễ mở rộng và thu hẹp quá trình cũng như kết hợp với những quá trình phân riêng khác. Quá trình membrane không sử dụng dung môi hữu cơ độc hại, có tính linh động, đơn giản và không yêu cầu nhiều không gian cho thiết bị.
Một điểm khác biệt nữa cần lưu ý là quá trình lọc có thể được thực hiện trong điều kiện hở (trong điều kiện áp suất khí quyển), ngược lại, quá trình phân riêng bằng membrane bắt buộc phải thực hiện trong thiết bị kín dưới một áp lực nhất định
Mô hình lọc cross-flow và dead-end
Mô hình lọc cross-flow, giống như lọc dead-end, có động lực là áp suất. Trong lọc dead-end, dung dịch nhập liệu được dẫn vuông góc với bề mặt membrane. Khi đó, gradient áp suất qua các lỗ membrane, đặc trưng bởi chênh lệch áp suất xuyên membrane, sẽ làm cho dòng dung môi và chất tan thấm qua membrane. Chất tan không thấm hoặc ít thấm qua membrane được di chuyển đối lưu tới bề mặt membrane (hoặc vào các lỗ) và tích tụ ở đó làm tăng trở lực của dòng chảy. Trở lực này tăng theo chiều dày của lớp bã lọc tạo thành.
Trong lọc cross-flow, dung dịch nhập liệu chảy song song với bề mặt membrane, nên không gây tích tụ các chất trên bề mặt membrane, do đó không làm tăng trở lực dòng chảy nhanh như trường hợp lọc dead-end. Mô hình lọc cross-flow phức tạp hơn nhiều so với lọc dead-end do cần phải quan tâm tới những thay đổi về các điều kiện dọc theo chiều dài bộ lọc. Các phương pháp phân riêng bằng membrane:
Lọc thẩm thấu ngược (RO): Dưới tác dụng của áp suất, nước đi qua membrane bán thấm từ khu vực có nồng độ chất tan cao sang khu vực có nồng độ chất tan thấp. Membrane RO ngăn cản chất tan và các chất huyền phù nhưng cho phép nước thấm qua. Membrane RO có giới hạn khối lượng phân tử khoảng 100Da, áp suất xuyên membrane 10 - 50 bar (1000 - 500kPa), cao hơn khoảng 10 lần so với UF. Khác với UF, sự phân riêng trong lọc RO diễn ra không phải do sai biệt kích thước của chất tan mà do quá trình khuếch tán dưới tác dụng của áp suất.
Lọc nano (NF): Membrane NF phân riêng các chất có khối lượng phân tử trong khoảng 100 - 500Da và cho phép phân riêng ion dựa trên độ khuếch tán và điện tích. Quá trình NF dùng membrane có kích thước lỗ hiệu quả lớn hơn so với membrane RO, độ phân riêng có giá trị thấp hơn và nếu lỗ có kích thước đủ lớn, các ion hòa tan sẽ thấm hoàn toàn qua membrane.
Siêu lọc (UF): UF là quá trình phân riêng các phân tử trong dung dịch với giới hạn khối lượng phân tử trong khoảng 1 - 300kDa và kích thước lỗ khoảng 0,01μm, áp suất < 10 bar (1000kPa). rong công nghệ thực phẩm, membrane UF có thể được dùng để phân tách protein và carbonhydrate, tách chất béo, dầu, mỡ đã được nhũ hóa từ nước thải.
Vi lọc (MF): Vi lọc thường được dùng để phân riêng huyền phù và các chất keo. Membrane vi lọc có kích thước lỗ trong khoảng 0,1 - 10μm, phân riêng chọn lọc các chất với khối lượng phân tử > 200kDa (dựa trên hiệu ứng sàng).
Membrane có thể được sản xuất từ những vật liệu ưa nước (cellulose acetate, ceramic) hoặc kỵ nước (polypropylene, polytetrafluoroethylene). Thực tế cho thấy nếu sử dụng membrane từ vật liệu kỵ nước, chúng dễ tương tác với những thành phần kỵ nước trong nguyên liệu dòng vào. Kết quả là các mao dẫn dễ bị tắc nghẽn, quá trình phân riêng chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn. Vật liệu làm membrane có thể được phân loại thành ba nhóm: sản phẩm tự nhiên được biến đổi, sản phẩm tổng hợp và sản phẩm vô cơ.
Đến năm 2009, nhận thấy trong nước chưa có nghiên cứu nào về cô đặc nước trái cây bằng công nghệ membrane, Ths. Lê Thị Hồng Ánh, Trường Cao đẳng công nghiệp thực phẩm thành phố Hồ Chí Minh và các cộng sự đã thực hiện công trình Nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ màng để cô đặc nước dứa. Đây là đề tài cấp bộ thực hiện với mục tiêu nghiên cứu đánh giá về khả năng ứng dụng công nghệ màng để cô đặc nước dứa và cải thiện chất lượng nước dứa; sản phẩm thu được có chất lượng về cảm quan tốt hơn, giảm được các biến đổi hóa lý hơn so với sản phẩm cô đặc bằng nhiệt. Kết quả đề tài đã đạt được mục tiêu đề ra và hoàn toàn có thể mở rộng quá trình cô đặc bằng membrane ở quy mô phòng thí nghiệm ra quy mô công nghiệp
Thái Tân