ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, thực phẩm tƣơi sống ở nƣớc ta khá là phong phú, việc bảo quản chúng là một vấn đề cần quan tâm. Nhƣng bên cạnh đó nhu cầu sử dụng thực phẩm của ngƣời tiêu dùng ngày càng khắc khe, yêu cầu thực phẩm sau khi bảo quản và đến tay ngƣời tiêu dùng phải giữ đƣợc màu sắc, hƣơng vị, cấu trúc, chất dinh dƣỡng và toàn bộ trạng thái của sản phẩm. Nếu các loại thực phẩm này đƣợc làm khô theo phƣơng pháp sấy truyền thống có thể làm thay đổi một số tính chất của thực phẩm nhƣ protein, cấu trúc, màu sắc, mùi vị dƣới tác dụng của nhiệt độ cao. Từ những biến đổi không mong muốn đó đã làm giảm giá trị sản phẩm, do đó phƣơng pháp nâng cao nhiệt độ không mang lại hiệu quả trong quá trình sản xuất và phân phối đến tay ngƣời tiêu dùng.
Phƣơng pháp sấy thăng hoa là phƣơng pháp sấy khá mới ở nƣớc ta, ở phƣơng pháp này sản phẩm sấy đƣợc thực hiện hạ nhiệt độ xuống dƣới điểm đông lạnh rồi mới sấy, khi đó nƣớc thoát ra khỏi sản phẩm sấy ở trạng thái rắn. Phƣơng pháp này cho phép giữ lại chất dinh dƣỡng, màu sắc, mùi vị và toàn bộ trạng thái của sản phẩm đƣợc gần nhƣ nguyên vẹn mà không một phƣơng pháp sấy nào đạt đƣợc. Hơn nữa phƣơng pháp sấy này còn có giai đoạn lạnh đông có tác dụng tiêu diệt vi sinh vật gây hại. Các loại sản phẩm sau khi sấy đƣợc bao gói cẩn thận thì thời gian bảo quản khá là dài.
Khi sử dụng chỉ cần ngâm vào nƣớc thì có thể hoàn nguyên trở lại. Đây là một trong những phƣơng pháp bảo quản đã đáp ứng đƣợc các nhu cầu của ngƣời tiêu dùng. Cho nên việc nghiên cứu công nghệ và thiết kế hệ thống sấy thăng hoa là phù hợp với điều kiện sản xuất ở nƣớc ta nhằm nâng cao chất lƣợng sản phẩm. MỤC TIÊU CỦA NGHIÊN CỨU Nghiên cứu, tính toán, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa cấp nhiệt cho quá trình sấy bằng bơm nhiệt với năng suất 35kg ẩm ngƣng/mẻ dựa trên phƣơng pháp lý thuyết.
Khẳng định tính ƣu việt của phƣơng pháp sấy thăng hoa, là một trong những phƣơng pháp sấy hiện đại nhất và sử dụng đƣợc cho các loại nguyên liệu. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Khi tính toán thiết kế hệ thống sấy thăng hoa thì dùng phƣơng pháp nghiên cứu sau đây: - Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu. xiv - Sử dụng các công cụ toán hoc, đồ họa để hỗ trợ cho việc tính toán và lựa chọn thiết bị phù hợp. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỒ ÁN - Tổng quan về phƣơng pháp sấy thăng hoa.
- Phƣơng pháp nghiên cứu và tính toán thiết bị. - Tính toán, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa. - Kết quả và kiến nghị. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Ý 5.
Ý nghĩa khoa học - Đề tài có thể đƣợc dùng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sâu hơn và rộng hơn về hệ thống sấy thăng hoa sau này. - Làm nền tảng cho việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế mô hình hệ thống sấy thăng hoa khác. - Việc xác lập các thông số kỹ thuật trong quá trình sấy làm cơ sở khoa học để xác định chế độ công nghệ sấy thăng hoa cho các loại thực phẩm. Ý nghĩa thực tiễn - Là hƣớng ứng dụng của công nghệ sấy thăng hoa cho tất cả các loại thực phẩm với năng suất sấy là 35kg ẩm ngƣng/mẻ.
- Đây là hệ thống sấy giúp giữ lại tối đa màu sắc, mùi vị, cấu trúc và chất dinh dƣỡng cho thực phẩm. Công nghệ sấy thăng hoa hiện nay đƣợc coi là một trong những công nghệ chế biến tiên tiến nhất của thế giới trong ngành công nghệ chế biến thực phẩm. xv CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1. GIỚI THIỆU VỀ SẤY THĂNG HOA 1.
Khái niệm về sấy thăng hoa Khi tách nƣớc ra khỏi thực phẩm nhờ sự chuyển pha trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất chân không, nhiệt độ và áp suất này phải nhỏ hơn nhiệt độ và áp suất của trạng thái ba thể (0,00890C, 4,58mmHg), quá trình này gọi là quá trình sấy thăng hoa. Nhờ sấy ở nhiệt độ thấp và áp suất chân không nên thực phẩm tránh đƣợc sự oxy hóa do không khí và nhiệt độ, tránh đƣợc những phản ứng do thủy giải, phản ứng nhiệt phân, protein và acid amin không thay thế, vitamin không bị phá hủy.Do đó, cấu trúc phân tử của sản phẩm hầu nhƣ đƣợc bảo toàn, sản phẩm có độ xốp tính chất lƣu biến rất tốt, màu sắc, mùi vị, hình dáng và các chất có hoạt tính sinh học giữ đƣợc ở mức độ cao nhất so với các phƣơng pháp khác. Sản phẩm có độ xốp cao nên có tính chất hoàn nguyên khi cho sản phẩm vào nƣớc, (Nguyễn Tấn Dũng, 2006-2008)[4]. Ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp sấy thăng hoa 1.
Ƣu điểm Quá trình dịch chuyển ẩm trong sấy thăng hoa khác với các hệ thống sấy khác. Khi thăng hoa các phân tử nƣớc không va chạm nhau, nhờ đó mà sấy thăng hoa có một ƣu điểm rất lớn là bảo toàn đƣợc chất lƣợng sinh học của sản phẩm sấy [2, 4]. Giữ đƣợc mùi thơm, hƣơng vị, các vitamin và protein [4]. Giữ đƣợc hình dạng, cấu trúc và màu sắc ban đầu của sản phẩm [4].
Một yếu tố nổi bật khác trong sấy thăng hoa là cấu trúc cứng rắn tạo ra trong quá trình lạnh đông, ngăn cản sự biến dạng cấu trúc sau khi sấy. Đây cũng là lý do giải thích sản phẩm sấy thăng hoa có đặc tính hút nƣớc trở lại nhanh hơn so với sản phẩm sấy thông thƣờng [2, 4]. Thực phẩm sau khi sấy xong bao gói kín bảo quản ở nhiệt độ thƣờng trong một thời gian dài mà không gây hƣ hỏng. Giảm tối thiểu chi phí bảo quản [4].
Hàm lƣợng nƣớc còn lại trong sản phẩm rất thấp, chỉ khoảng từ 4 ÷ 8% có khi chỉ khoảng từ 2 ÷ 4%, thực phẩm rất khô [2]. Nhƣợc điểm Nhƣợc điểm lớn nhất của hệ thống sấy thăng hoa là chi phí sấy của sản phẩm cao, hệ thống phức tạp, giá thành thiết bị cao, cồng kềnh, vận hành phức tạp do đó đòi hỏi công nhân có trình độ chuyên môn cao [2, 4]. Tình hình nghiên cứu công nghệ sấy thăng hoa trên thế giới Lịch sử công nghệ sấy thăng hoa luôn gắn liền với lịch sử phát triển của ngành công nghệ nhiệt – lạnh và ngành vật lý chân không. Chính vì vậy, tuy đã phát hiện về hiện tƣợng thăng hoa rất sớm nhƣng chƣa có một cơ sở lý thuyết khoa học thăng hoa nào ra đời trong suốt khoảng thời gian dài [2].
Năm 1921, Kỹ sƣ ngƣời Nga đã phát minh ra cách làm khô sản phẩm bằng cách hạ thấp nhiệt độ sản phẩm xuống làm ẩm trong thực phẩm đóng băng sau đó tạo độ chân không cho môi trƣờng chứa sản phẩm để cho ẩm đóng băng thăng hoa từ thể rắn sang thể hơi. Tuy nhiên công nghệ sấy thăng hoa chƣa đựơc phát triển mới chỉ hình thành lên cơ sở lý thuyết khoa học [4]. Năm 1950-1960, các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo thành công hệ thống máy sấy thăng hoa hoàn chỉnh, sau đó là các nƣớc Nga, Pháp, Anh,… cũng đã chế tạo thành công hệ thống sấy thăng hoa với nhiều dạng khác nhau [2]. Năm 1980, các nhà cơ khí chế tạo của Đức đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống máy sấy thăng hoa công nghiệp hiện đại bậc nhất thế giới với hệ điều khiển thông minh [4].
Năm 1984, các nhà khoa học Nhật Bản đi tu nghiệp ở Mỹ về họ đã thiết kế chế tạo thành công hệ thống máy sấy thăng hoa công nghiệp tự động điều khiển theo chƣơng trình đƣợc lập trình sẵn trên máy tính [1]. Cho đến nay, công nghệ sấy thăng hoa đã phát triển tƣơng đối hoàn thiện và nhiều quốc gia trên thế giới chế tạo thành công do chuyền giao và mua công nghệ của các nƣớc có nền công nghiệp tiên tiến [4]. Tình hình nghiên cứu công nghệ sấy thăng hoa ở Việt Nam Ở Việt Nam, khi Mỹ đến Việt Nam họ đã mang theo công nghệ này vào với mục đích phục vụ chiến tranh. Sau ngày đất nƣớc thống nhất công nghệ này không còn đƣợc tiếp tục nghiên cứu và phát triển [2].
2 Hiện nay, công nghệ sấy thăng hoa này đã đƣợc nhiều nhà khoa học Việt Nam quan tâm nghiên cứu và phát triển, bởi vì hƣớng ứng dụng của công nghệ này không chỉ trong các ngành công nghệ sinh học, y dƣợc. mà cả ngành công nghệ chế biến thực phẩm [1]. QUÁ TRÌNH SẤY THĂNG HOA 1. Các giai đoạn sấy thăng hoa Khi phân tích quá trình làm việc công nghệ sấy thăng hoa thì có thể phân tích quá trình công nghệ này làm ba giai đoạn [2]: - Giai đoạn 1: là giai đoạn cấp đông sản phẩm, để chuyển toàn bộ ẩm trong thực phẩm từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn.
- Giai đoạn 2: là giai đoạn thăng hoa, ẩm trong thực phẩm từ trạng thái rắn thăng hoa sang trạng thái hơi không thông qua trạng thái lỏng. - Giai đoạn 3: là giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại chƣa thăng hoa hết hoặc không đóng băng trong giai đoạn lạnh đông cho đến khi thực phẩm khô có độ ẩm đạt yêu cầu. Đồ thị biểu hiện quá trình sấy thăng hoa 1. Giai đoạn làm lạnh – đông lạnh Trong giai đoạn này vật liệu sấy đƣợc làm lạnh từ nhiệt độ môi trƣờng khoảng (20÷25)0C xuống nhiệt độ (-45 ÷ -40)0C.
Ở nhiệt độ này hầu nhƣ nƣớc trong thực phẩm đóng băng gần nhƣ hoàn toàn, cần chú ý ứng mỗi loại thực phẩm khác nhau sẽ có nhiệt độ lạnh đông khác nhau, nhƣng phải đảm bảo cho sự đông kết của nƣớc bên trong phải đạt (85 ÷ 92)%. Ở giai đoạn này lƣợng ẩm thoát ra rất ít chủ yếu là sự bay hơi và thăng hoa nƣớc 3 trên bề mặt thực phẩm, sự thoát ẩm này là do sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nƣớc trong không khí không gian sấy và lớp không khí sát bề mặt thực phẩm,ngoài ra do chênh lệch nhiệt độ thực phẩm lạnh đông với nhiệt độ môi trƣờng lạnh đông đây cũng là nguyên nhân làm bay hơi ẩm để có xu hƣớng đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt. Lƣợng ẩm thoát ra ở giai đoạn này khoảng (4 ÷ 10)%. Tuy nhiên, nếu giai đoạn này vừa cấp lạnh đông vừa hút chân không cho buồng sấy thăng hoa do sự chênh lệch áp suất riêng phần hơi nƣớc ở thực phẩm và môi trƣờng sấy lớn hơn dẫn đến lƣợng ẩm thoát ra nhiều hơn khoảng (10 ÷ 15) % [2, 4].