Quá trình kết tinh đ−ờng gồm 2 giai đoạn: sự xuất hiện nhân tinh thể (gọi lμ mầm) vμ sự lớn lên của tinh thể với tốc độ nhất định.
1. Sự hình thành nhân tinh thể
Sacaroza lμ một trong những chất rất khó tự xuất hiện nhân tinh thể trong dung dịch bão hòa của nó. Theo tμi liệu, nó chỉ xuất hiện khi độ quá bão hòa 1.3 - 1.4 trong dung dịch đ−ờng không tinh khiết. Để tăng nhanh sự xuất hiện nhân tinh thể, ng−ời ta dùng các phương pháp kích thích tạo mầm hay phương pháp tinh chủng lúc đó tinh thể
đ−ờng sẽ xuất hiện ở giá trị α = 1.2 - 1.25.
Trên đồ thị đường cong của dung dịch sacaroza chia ra 3 vùng quá bão hòa - Vùng ổn định: hệ số quá bão hòa thấp α = 1.1 - 1.15. Trong vùng nμy tinh thể chỉ lớn lên mμ không xuất hiện tinh thể mới.
- Vùng trung gian: α = 1.2 - 1.25 trong vùng nμy tinh thể không chỉ lớn lên mμ còn xuất hiện một l−ợng tinh thể mới.
- Vùng biến động: α > 1.4 ở đây các tinh thể sacaroza sẽ tự xuất hiện mμ không cần sự tạo mầm hoặc kích thích. Đối với dung dịch sacaroza không tinh khiết, giá trị hệ số quá bão hòa giữa các vùng khác nhau phụ thuộc vμo nồng độ chất không đường.
Thực tế tế trong quá trình sản xuất người ta cố gắng khống chế α < 1.3 để tránh tạo
thμnh các tinh thể dại. Theo quan điểm động học, sự tự xuất hiện nhân tinh thể trong môi tr−ờng lỏng đ−ợc giải thích bằng hiện t−ợng liên hợp của các phân tử chất hòa tan di động. Điều kiện cần thiết để tạo nhân tinh thể lμ có sự tụ tập cục bộ các phân tử của chất hòa tan vμ phân bố các phân tử vμo vị trí của chúng trong mạng l−ới tinh thể.
Các tinh thể xuất hiện nằm trên ranh giới của hai quá trình kết tinh ' hòa tan.
Silin giải thích cơ chế của sự tạo mầm: trên bề mặt của tinh thể vμ dung dịch luôn luôn xảy ra hai quá trình, đó lμ quá trình lắng các phân tử chất hòa tan trên bề mặt tinh thể vμ tách các phân tử ra khỏi bề mặt tinh thể. Nếu độ quá bão hòa đủ thì các nhóm phân tử nμy sẽ tạo những nhân kết tinh, nếu không đủ thì chúng sẽ bị hòa tan.
2. Sự lớn lên của tinh thể
Tốc độ kết tinh lμ lượng đường kết tinh trong một phút trên 1m2 bề mặt tinh thể (mg/m2.phót).
Silin cho rằng quá trình kết tinh chủ yếu lμ quá trình khuếch tán phân tử đ−ờng.
Tinh thể đường được bao quanh bởi một lớp dung dịch không chuyển động với chiều dμy lμ (d). Ngay sát bề mặt của tinh thể lμ dung dịch bão hòa. Nh− vậy, ở bề mặt tinh thể có nồng độ (c) ứng với dung dịch bão hòa. Cách bề mặt tinh thể một khoảng d dung dịch quá bão hòa với nồng độ C. Do sự chênh lệch nồng độ (C-c) phân tử đường sẽ khuếch tán qua lớp dung dịch không chuyển động d vμ khuếch tán đến bề mặt tinh thể thì có sự kết tinh. ở bề mặt tinh thể mới lại có nồng độ nh− cũ do đó quá trình kết tinh lại tiếp tục.
Công thức xác định lượng đường kết tinh theo định luật Fick (định luật khuếch tán):
( − ) τ
= F.
d c C .
S k1 (4-8)
Trong công thức:
S - L−ợng đ−ờng kết tinh; F - Diện tích kết tinh (C-c) - Hiệu số nồng độ
τ - Thêi gian kÕt tinh
d - Khoảng đ−ờng đi của phân tử đ−ờng
Theo định luật Fick lượng đường khuếch tán S tỷ lệ thuận với hiệu số nồng độ (C-c), tỷ lệ thuận với bề mặt khuếch tán vμ thời gian (τ) tỷ lệ nghịch với khoảng đ−ờng
đi của phân tử đ−ờng (d).
Hệ số khuếch tán:
k1 = η
T x '
k (4-9)
trong đó k' lμ hằng số, T nhiệt độ tuyệt đối, η: độ nhớt.
3. Cơ chế của quá trình kết tinh
Lμ quá trình phức tạp trong đó vừa lμ truyền nhiệt vừa lμ trao đổi chất vμ sự tuần
động lực vμ trở lực kết tinh. Do đó, nếu khắc phục đ−ợc trở lực, tăng động lực, tốc độ kÕt tinh t¨ng.
a. Động lực và trở lực ảnh hưởng tới tốc độ kết tinh
Kết tinh lμ phản ứng tỏa nhiệt vμ nhiệt kết tinh = 2.5% ẩn nhiệt của n−ớc bốc hơi. Lúc tinh thể tạo thμnh thì cứ bốc hơi 1Kg n−ớc phát ra một l−ợn nhiệt kết tinh lμ 564000cal. Lượng nhiệt đó lμm giảm độ quá bão hòa của dung dịch đường vμ nó hình thμnh trở lực đối với kết tinh lμm cho tốc độ kết tinh phân tử đường chậm lại. Nếu muốn tăng tốc độ kết tinh, khắc phục nhiệt kết tinh, tăng đối lưu tuần hoμn để giảm trở lực đó. Độn lực quá trình kết tinh chính lμ hiệu số nồng độ (C-c). Khi hiệu số nồng độ tăng, tốc độ kết tinh tăng.
b. Quan hệ giữa độ quá bão hòa và tốc độ kết tinh
Đường cong Webre chia độ quá bão hòa của sacaroza lμm 3 vùng chính:
Vùng 1: Vùng ổn định α = 1,10 - 1,15 Vùng 2: Vùng trung gian α = 1,20 - 1,25 Vùng 3: Vùng biến động α > 1,3
Theo Kukharenco: Tốc độ kết tinh đường tăng khi hệ số quá bão hòa tăng vμ nhiệt độ tăng.
Trong dung dịch đ−ờng không tinh khiết do ảnh h−ởng của nhiều loại chất không đường khác nhau dẫn đến tốc độ kết tinh đường khác nhau. Các chất không
đường nμy ảnh hưởng tới độ hòa tan của đường tức lμ ảnh hưởng tới độ quá bão hòa.
c. Quan hệ giữa truyền nhiệt và tốc độ kết tinh
Có hai loại truyền nhiệt trong quá trình kết tinh đó lμ nhiệt bốc hơi vμ nhiệt kết tinh. Truyền nhiệt ở đây tương tự bốc hơi nhưng khác ở chỗ: tốc độ bốc hơi phải tương ứng tốc độ kết tinh. Khi tốc độ bốc hơi lớn hơn tốc độ kết tinh thì sẽ tạo độ quá bão hòa cao vμ sinh nguỵ tinh. Ng−ợc lại, tốc độ bốc hơi nhỏ hơn tốc độ kết tinh, mẫu dịch không đạt độ quá bão hòa yêu cầu lμm tốc độ kết tinh chậm, tinh thể ngừng lớn lên vμ có thể hòa tan.
d. Kích thước tinh thể và lượng đường kết tinh trong đơn vị thời gian
Tinh thể trong mẫu dịch đ−ợc hấp thu phân tử đ−ờng trên bề mặt mμ lớn lên.
Trong cùng một đơn vị thời gian, diện tích bề mặt của phân tử đường cμng lớn thì phân tử đ−ờng tích tụ cμng nhiều. Trong tr−ờng hợp có trọng l−ợng tinh thể nh− nhau, nếu số l−ợng tinh thể cμng nhiều thì diện tích bề mặt tinh thể cμng lớn dẫn tới tốc độ kết tinh cμng t¨ng.
VD: lúc tinh thể có hình lập ph−ơng có cạnh lμ 4x4mm thì tổng diện tích 6 mặt của tinh thể đ−ờng lμ 96mm2, giả sử mỗi giây 1 mm2 diện tích có thể kết tinh 1mg phân tử đ−ờng thì mỗi giây mỗi tinh thể có thể kết tinh 96mg đ−ờng. Nếu chia nhỏ tinh thể nμy thμnh nhiều tinh thể nhỏ vμ mỗi tinh thể có cạnh lμ 2x2x6mm thì tổng diện tích bề mặt của các tinh thể đ−ờng lμ 192mm2, suy ra một giây kết tinh đ−ợc 192mg đ−ờng, như vậy lượng đường kết tinh gấp đôi so với trước. Hiện tượng nμy cμng thấy rõ khi dung dịch đường có AP thấp. Do đó, trong quá trình nấu đường khi AP cμng thấp thì
kích thước tinh thể đường cμng nhỏ nhằm tăng diện tích kết tinh để duy trì lượng
đường kết tinh trong một đơn vị thời gian.
Do đó, có thể thấy tuy cùng một trọng l−ợng tinh thể, số tinh thể cμng nhiều, diện tích bề mặt tinh thể cμng lớn thì tốc độ kết tinh cμng nhanh.