Chưng cất màng mỏng và chưng cất phân tử đều trải chất lỏng thành một lớp rất mỏng trên bề mặt nóng dưới chân không sâu, để chất cần tách bay hơi chỉ trong vài giây tới dưới một phút rồi ngưng ngay, thay vì ngâm hàng giờ trong nồi nóng. Điểm khác là chưng cất phân tử (còn gọi là chưng cất đường ngắn) đặt bộ ngưng tụ ngay bên trong thiết bị, cách mặt bay hơi chỉ vài centimet, nên chạy được ở áp suất cực thấp, cỡ phần nghìn milibar. Đây là công nghệ dùng để tinh chế dầu cá omega-3, vitamin E, chất nhũ hoá thực phẩm, tinh dầu và nhiều chất dễ hỏng vì nhiệt.
Kẻ thù của chất dễ hỏng: nhiệt nhân với thời gian
Nhiều chất có giá trị lại có phân tử lớn, sôi rất cao, và bị phân huỷ trước khi kịp sôi ở áp suất thường. Dầu cá chứa các axit béo EPA, DHA với nhiều nối đôi, gặp nhiệt và oxy là bị oxy hoá, sinh mùi tanh khét. Vitamin E, carotenoid, một số hợp chất thơm cũng vậy.
Chưng cất chân không trong nồi thông thường đã hạ được nhiệt độ sôi, nhưng chưa đủ với những chất này vì hai lý do. Thứ nhất, chất lỏng nằm sâu trong nồi chịu thêm áp suất của chính cột chất lỏng bên trên, nên sôi ở nhiệt độ cao hơn so với bề mặt. Thứ hai, cả mẻ phải giữ nóng hàng giờ cho tới khi bay hơi hết phần cần lấy. Hư hỏng do nhiệt phụ thuộc vào cả nhiệt độ lẫn thời gian, và nồi mẻ thua ở cả hai.
Lời giải là làm cho chất lỏng rất mỏng, đi qua vùng nóng thật nhanh, và hạ áp suất xuống thấp nhất có thể.
Chưng cất màng mỏng có cánh gạt
Thiết bị là một ống trụ đứng có áo gia nhiệt bằng dầu tải nhiệt hoặc hơi. Bên trong có một trục quay mang các cánh gạt hoặc con lăn. Chất lỏng được bơm vào từ phía trên, chảy xuống thành ống và bị cánh gạt trải ra thành màng dày chưa tới một milimet, liên tục được khuấy trộn.
- Truyền nhiệt nhanh: màng mỏng và bị khuấy liên tục nên nóng lên gần như tức thì, kể cả với chất lỏng đặc như mật.
- Thời gian lưu ngắn: chất lỏng đi từ đầu tới chân ống chỉ trong vài giây tới vài chục giây.
- Không đóng cặn: cánh gạt quét liên tục nên chất nhớt, chất dễ đóng cặn ít bám vào thành.
Phần bay hơi đi ra ngoài sang một bình ngưng tụ đặt riêng, phần không bay hơi chảy xuống đáy. Vì hơi phải đi qua ống nối sang bình ngưng, áp suất làm việc thực tế thường dừng ở khoảng một tới vài milibar. Thiết bị kiểu này rất phổ biến để cô đặc dung dịch nhạy nhiệt, tách dung môi khỏi nhựa, khử bớt monome tự do trong nhựa và keo.
Chưng cất phân tử: cho hơi đi đường ngắn nhất
Chưng cất phân tử giữ nguyên ý tưởng màng mỏng có cánh gạt, nhưng đem bộ ngưng tụ đặt vào chính giữa ống bay hơi. Hơi vừa rời màng nóng chỉ cần bay vài centimet là chạm vào ống ngưng lạnh. Không còn ống nối, không còn sụt áp, nên áp suất có thể hạ xuống khoảng 0,001–0,1 milibar.
Vì sao gọi là "phân tử"
Ở áp suất thường, một phân tử khí chỉ đi được một quãng cực ngắn là va vào phân tử khác. Quãng đường trung bình giữa hai lần va chạm, gọi là quãng đường tự do trung bình, của không khí ở nhiệt độ phòng chỉ khoảng 0,07 micromet ở áp suất khí quyển, khoảng 0,07 milimet ở 1 milibar, nhưng lên tới vài centimet ở 0,001 milibar. Khi khoảng cách từ mặt bay hơi tới mặt ngưng tụ xấp xỉ quãng đường đó, phân tử rời màng nóng sẽ bay gần như thẳng sang mặt lạnh mà không bị va đập quay lại. Lúc đó quá trình không còn là "sôi" theo nghĩa thông thường mà là bay hơi tự do từ bề mặt, và tốc độ tách phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ màng và độ chênh với mặt ngưng.
Kết quả thực tế: những chất mà ở áp suất thường phải trên 300–400 °C mới sôi, và sẽ cháy khét trước khi sôi, có thể được chưng ra ở dưới khoảng 200 °C, trong thời gian chỉ vài chục giây.
Hệ chân không
Muốn giữ áp suất thấp như vậy, thiết bị cần một dãy bơm nối tiếp: bơm sơ cấp (cánh gạt dầu hoặc trục vít khô), bơm tăng áp kiểu Roots, có khi thêm bơm khuếch tán. Trước bơm là bẫy lạnh để giữ lại hơi nhẹ, không cho chúng làm bẩn dầu bơm. Nguyên liệu thường được khử khí và tách dung môi, nước trước trong một cấp màng mỏng riêng, vì bọt khí nổ trên màng sẽ bắn chất lỏng thô sang mặt ngưng, làm bẩn sản phẩm.
Chút lịch sử: từ dầu gan cá tới nhà máy
Chưng cất phân tử được phát triển mạnh ở Mỹ trong thập niên 1930, gắn với nhóm của Kenneth Hickman tại phòng thí nghiệm của hãng Eastman Kodak. Một trong những ứng dụng đầu tiên là cô đặc vitamin A từ dầu gan cá, thứ nhạy nhiệt mà các cách chưng thông thường làm hỏng. Thiết bị thời đó có dạng đĩa quay ly tâm: chất lỏng được rải lên một đĩa nóng quay nhanh, lực ly tâm kéo thành màng mỏng. Kiểu cánh gạt hình trụ phổ biến ngày nay ra đời sau, dễ phóng to quy mô hơn.
Những sản phẩm đi qua chưng cất phân tử
| Lĩnh vực | Nguyên liệu | Chưng cất để làm gì |
|---|---|---|
| Dầu cá, omega-3 | Dầu cá thô hoặc ethyl ester của axit béo | Loại axit béo tự do, chất gây mùi; giảm chất ô nhiễm tan trong dầu như PCB, dioxin; cô đặc phần giàu EPA, DHA |
| Vitamin E | Cặn khử mùi của nhà máy tinh luyện dầu ăn | Tách và cô đặc tocopherol tự nhiên |
| Chất nhũ hoá thực phẩm | Hỗn hợp mono-, di-, triglycerid | Lấy monoglycerid chưng cất độ tinh khiết cao, cỡ 90% trở lên, dùng trong bánh mì, kem, bơ thực vật |
| Tinh dầu, hương liệu | Tinh dầu thô, absolute, oleoresin | Khử màu, khử sáp, bỏ phần mùi khét, tách phân đoạn |
| Dầu nhớt | Dầu nhớt đã qua sử dụng | Tái tinh chế thành dầu gốc, tách khỏi cặn kim loại và phụ gia cháy |
| Hoá chất, polyme | Nhựa epoxy, tiền polyme polyurethan, chất hoá dẻo | Giảm monome tự do độc hại, tinh chế sản phẩm sôi cao |
Giới hạn của công nghệ
Chưng cất phân tử không phải phép màu. Mỗi lượt qua thiết bị chỉ tách được tương đương một vài bậc lý thuyết, kém xa một tháp chưng cất nhiều đĩa, nên các chất có nhiệt độ bay hơi gần nhau không tách sạch được trong một lần. Nhà máy thường nối hai, ba thiết bị liên tiếp, mỗi cấp ở nhiệt độ và áp suất khác nhau, mỗi cấp cắt bỏ một phần nhẹ hoặc nặng. Thông lượng mỗi thiết bị cũng nhỏ, đầu tư và chi phí chân không cao, nên chỉ đáng dùng cho sản phẩm có giá trị hoặc khi không có cách nào khác. Với chất bền nhiệt, tháp chưng cất thông thường vẫn rẻ và hiệu quả hơn nhiều.
Góc nhìn hôm nay: hiểu đúng chữ "chưng cất phân tử" trên nhãn
Người tiêu dùng hay gặp chữ "chưng cất phân tử" (molecularly distilled) trên hộp dầu cá. Nó cho biết dầu đã qua một bước tinh chế có khả năng giảm chất gây mùi và một số chất ô nhiễm tan trong dầu. Nó không tự động bảo đảm dầu còn tươi hay hàm lượng EPA, DHA đúng như ghi, và không phải lời hứa về tác dụng sức khoẻ. Muốn đánh giá chất lượng, nên xem phiếu kiểm nghiệm lô hàng với các chỉ số oxy hoá như chỉ số peroxit, chỉ số anisidin, kim loại nặng và chất ô nhiễm, theo tiêu chuẩn mà nhà sản xuất công bố. Dùng thực phẩm bổ sung nào cũng nên hỏi bác sĩ khi đang dùng thuốc hay có bệnh nền.
Với sinh viên kỹ thuật hoá học hay thực phẩm, các giáo trình về quá trình truyền nhiệt, truyền khối và thiết bị bay hơi có chương về thiết bị màng mỏng; nhiều trường đại học kỹ thuật có thiết bị chưng cất phân tử cỡ phòng thí nghiệm để thực hành. Đây là một trong những công nghệ cho thấy rõ nhất ý tưởng cốt lõi của mọi kiểu chưng cất: điều khiển áp suất là điều khiển được điểm sôi.
Câu hỏi thường gặp
Chưng cất phân tử là gì?
Chưng cất phân tử là kỹ thuật cho chất lỏng chảy thành màng mỏng trên mặt nóng dưới chân không rất sâu, với bộ ngưng tụ đặt cách mặt bay hơi chỉ vài centimet. Phân tử bay thẳng sang mặt ngưng gần như không va chạm, nên chất sôi cao, dễ hỏng được tách ở nhiệt độ thấp và trong thời gian rất ngắn.
Chưng cất màng mỏng khác chưng cất phân tử thế nào?
Cả hai dùng cánh gạt trải màng mỏng trên thành ống nóng. Chưng cất màng mỏng đặt bình ngưng bên ngoài, chạy ở khoảng một tới vài milibar; chưng cất phân tử đặt bộ ngưng bên trong, nên chạy được ở áp suất thấp hơn hàng trăm, hàng nghìn lần.
Dầu cá chưng cất phân tử có gì khác?
Dầu cá đã qua chưng cất phân tử thường giảm được axit béo tự do, chất gây mùi và một số chất ô nhiễm tan trong dầu, đồng thời có thể được cô đặc EPA, DHA. Chất lượng thực tế vẫn cần kiểm tra qua phiếu kiểm nghiệm lô hàng.
Vì sao chưng cất phân tử dùng cho vitamin E?
Vitamin E tự nhiên có phân tử lớn, sôi rất cao và dễ bị oxy hoá khi nóng lâu. Chưng cất phân tử cho phép tách nó từ cặn khử mùi của nhà máy dầu ăn ở nhiệt độ thấp, thời gian ngắn, ít hư hỏng.
Chưng cất phân tử có tách được mọi hỗn hợp không?
Không. Mỗi lượt qua chỉ tách tương đương một vài bậc lý thuyết, nên các chất bay hơi gần nhau không tách sạch được. Nhà máy thường nối nhiều cấp, và với chất bền nhiệt thì tháp chưng cất thông thường hiệu quả hơn.
