CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Nguyên vật liệu sấy 1. Vật liệu ẩm Những vật liệu được sử dụng làm vật liệu sấy đều là những vật ẩm có chứa một khối lượng chất lỏng đáng kể (chủ yếu là nước) [4]. Theo quan điểm hoá lý, vật ẩm là một hệ liên kết phân tán giữa pha phân tán và môi trường phân tán.
Pha phân tán là một chất có cấu trúc mạng hay khung không gian từ chất rắn phân đều trong môi trường phân tán (là một chất khác). Có nhiều cách phân loại, phương pháp được sử dụng nhiều nhất trong kỹ thuật là cách phân loại dựa vào tính chất vật lý vật thể của A. Theo cách phân loại này, vật liệu ẩm được chia thành 3 loại [4]: ❖ Vật xốp mao dẫn Những vật trong đó ẩm liên kết với vật liệu chủ yếu bằng mối liên kết mao dẫn được gọi là vật xốp mao dẫn. Chúng có khả năng hút mọi chất lỏng dính ướt không phụ thuộc vào thành phần hóa học của chất lỏng.
Ở những vật liệu này, lực mao dẫn lớn hơn rất nhiều so với trọng lượng ẩm chứa trong vật và quyết định hoàn toàn sự lan truyền ẩm trong vật. Đặc điểm của những vật xốp mao dẫn sau khi sấy thì nó trở nên dòn và có thể bị vỡ vụn thành bột. Ví dụ: đường tinh thể, muối ăn v. ❖ Vật keo Vật keo là vật có tính dẻo do có cấu trúc hạt.
Trong vật keo, ẩm liên kết ở dạng hấp thụ và thẩm thấu. Các vật keo có đặc điểm chung là khi sấy bị co ngót nhiều mà vẫn giữ được tính dẻo. Ví dụ: gelatin, các sản phẩm từ bột nhào, tinh bột. ❖ Vật keo xốp mao dẫn Bao gồm tính chất của hai nhóm trên.
Về cấu trúc các vật này thuộc xốp mao dẫn, nhưng về bản chất là các vật keo, có nghĩa là thành mao dẫn của chúng có tính dẻo, khi hút ẩm các mao dẫn của chúng trương lên, khi sấy khô thì co lại. Loại vật liệu này chiếm phần lớn các vật liệu sấy. Ví dụ: ngũ cốc, các hạt họ đậu, bánh mì, rau, quả v. Các đặc trưng trạng thái ẩm của vật liệu sấy Độ ẩm tuyệt đối: Những vật đem đi sấy thường chứa một lượng ẩm nhất định.
Trong quá trình sấy ẩm, chất lỏng bay hơi, độ ẩm của nó giảm đi. Trạng thái của vật liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó. 3 do an Độ ẩm tuyệt đối là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. Công thức xác định độ ẩm tuyệt đối là: Gn 0 = *100(%) (1.1) Gk Trong đó: Gn: khối lượng ẩm chứa trong vật liệu (kg) Gk: khối lượng vật khô tuyệt đối (kg) Độ ẩm tuyệt đối có giá trị từ 0% đến ∞.
Vật có độ ẩm tuyệt đối 0% là vật khô tuyệt đối và vật có độ ẩm ∞ là nước [4] Độ ẩm toàn phần là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng của vât ẩm, ký hiệu độ ẩm tương đối như sau Gn = *100(%) (1.2) G Trong đó: G là khối lượng vật ẩm: G = Gn + Gk (kg) Độ ẩm tương đối có giá trị từ 0 – 100%. Vật có độ ẩm toàn phần 0% là vật khô tuyệt đối và 100% là nước. Như vậy độ ẩm toàn phần luôn luôn nhỏ hơn 100% [4].2) Ta có quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm toàn phần ta có: Gn G /100 0 = *100 = = (%) (1.3) Gk G − GN 1− Gn G 0 = *100% (1.4) 100 − Muốn quan sát quá trình sấy bằng đường cong sấy một cách rõ ràng (tạo thành điểm uốn giữa hai đoạn sấy) người ta thường sử dụng độ ẩm tuyệt đối, còn với độ ẩm tương đối thường biểu thị trạng thái ẩm của nguyên vật liệu. Độ chứa ẩm (độ chứa hơi) là tỷ số giữa lượng chứa ẩm trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối.
Độ chứa ẩm ký hiệu là d. Ta có: Gn PNV / RnT Pn Rk d0 = = = .5) Gk PkV / Rk T Pk Rn Trong đó: 4 do an Rk = 8314/29 ≈ 287; Rn = 8314/18 ≈ 462; Pk = 𝛽 – Pn; Pn = 𝜑0.Phbh Áp suất khí quyển 𝛽 = 760 mmHg = 760/ (7,5.10-3) = 101333,33 (N/m2) = 1 atm 29 là phân tử lượng trung bình của không khí; 18 là phân tử lượng của nước 0 Rhbh Vậy ta có: d 0 = 0, 622.6) − 0 Rhbh Vật liệu bị sấy là vật liệu ẩm đã bị tách một phần hay toàn bộ lượng ẩm. Thông thường vật liệu ẩm được sấy đến độ ẩm phù hợp nào đó chứ không sấy đến mức chỉ còn chất khô tuyệt đối. Độ chứa ẩm đặc trưng cho toàn bộ vật và từng vật vùng của vật thể.
Nếu độ chứa ẩm phân bố đều trong toàn bộ vật thể thì 𝜔𝑜 = 100 do% [6]. Nồng độ ẩm là khối lượng ẩm chứa trong 1m3 vật thể. Nồng độ ẩm kí hiệu N. Ta có: Gn kg N= ( ) (1.7) V m3 Trong đó V là thể tích vật Nếu gọi 𝜌𝑘 là khối lượng riêng của vật khô tuyệt đối thì từ (1.8) Độ ẩm tới hạn Wth Độ ẩm cân bằng của vật ẩm trong môi trường không khí có độ ẩm tương đối =100% gọi là độ ẩm tới hạn Wth.
Độ ẩm này là giới hạn của quá trình hấp thụ ẩm của vật hay là giới hạn của độ ẩm liên kết. Sau đó muốn tăng độ ẩm của vật phải nhúng vật vào trong nước hoặc có nước ngưng tụ trên bề mặt vật. Ẩm thâm nhập vào vật sau này gọi là ẩm tự do (hình vẽ 1. Trên đường cong vận tốc sấy, Wth là điểm uốn giữa giai đoạn vận tốc sấy không đổi và giai đoạn vận tốc sấy thay đổi.
Độ ẩm tới hạn được xác định bằng cách đo độ ẩm cân bằng của vật liệu với không khí bao quanh vật thể đó có độ ẩm tương đối 100 %, hoặc bằng đường cong hấp thụ đẳng nhiệt của vật thể. Độ ẩm tới hạn của nguyên liệu hoặc sản phẩm càng lớn thì khả năng hút ẩm càng lớn khi bảo quản trong không khí ẩm. 5 do an Ẩm liên kết Ẩm tự do Vùng hấp thụ Vùng sấy Ẩm không thể thải ra Ẩm có thể thải ra 0 0 W W Hình 1. Đường cong hấp thụ 1.
Trạng thái tương tác Hình 1. đẳng nhiệt giữa ẩm và môi trường 1. Trạng thái liên kết của nước trong vật liệu ẩm Các liên kết giữa ẩm với vật khô có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sấy. Nó sẽ chi phối diễn biến của quá trình sấy.
Vật ẩm thường là tập hợp của ba pha: rắn, lỏng và khí (hơi). Các vật rắn đem đi sấy thường là các vật xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn. Trong các mao dẫn có chứa ẩm lỏng cũng với hỗn hợp hơi khí có thể tích rất lớn (thể tích xốp) nhưng tỷ lệ khối lượng của nó so với phần rắn và phần ẩm lỏng có thể bỏ qua. Do vậy trong kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phần rắn khô và chất lỏng.
Nước có trong vật ẩm có thể chia thành hai nhóm: nước tự do và nước liên kết. Nước tự do nằm ở bề mặt vật, có áp suất riêng bằng áp suất hơi nước bão hòa ứng với nhiệt độ hiện tại của vật ẩm. Nước liên kết tạo ra trong vật ẩm có áp suất riêng nhỏ hơn áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ của vật. Do khả năng phản ứng hóa học và hòa tan mạnh các chất nên trong sản phẩm thực phẩm không có nước nguyên chất mà ở dạng dung dịch.
Muốn tách nước ra khỏi vật ẩm cần có năng lượng bằng hay lớn hơn năng lượng liên kết của nó với vật ẩm. Để có thể lựa chon phương pháp tách nước tốt nhất, cần phải biết các dạng liên kết của nó với vật ẩm [5]. Có nhiều cách phân loại các dạng liên kết ẩm. Trong đó phổ biến nhất là cách phân loại theo bản chất hình thành liên kết của P.
Theo cách này, 6 do an tất cả các dạng lên kết ẩm được chia thành ba nhóm chính: liên kết hoá học, liên kết hoá lý và liên kết cơ lý. ❖ Dạng liên kết hóa học Liên kết hóa học giữa vật ẩm và vật khô rất bền vững, trong đó, các phân tử nước đã trở thành một bộ phận trong thành phần hóa học của các phân tử vật ẩm [4]. Liên kết hóa học của nước có hai loại: liên kết ion như Ca (OH)2 và liên kết phân tử như trong muối hydrat MgCl2. Liên kết ion được hình thành bởi những phản ứng hóa học nên rất bền vững.
Muốn phá vỡ liên kết này phải dùng các phản ứng hóa học hoặc nung đến nhiệt độ rất cao [5]. Liên kết phân tử có thể quan sát qua quá trình kết tủa của các dung dịch [5] Trong quá trình sấy ẩm, liên kết hóa học không bị tách ra. Quá trình sấy yêu cầu giữ nguyên các tính chất hóa lý của vật [4]. ❖ Liên kết hóa lý Liên kết hóa lý không đòi hỏi nghiêm ngặt về tỉ lệ thành phẩn liên kết.
Liên kết hóa lý có 2 loại: liên kết hấp phụ và liên kết thẩm thấu. Liên kết hấp phụ của nước gắn liền với các hiện tượng xảy ra trên bề mặt giới hạn của các pha (rắn hoặc lỏng). Liên kết hấp phụ: trong các vật ẩm ta gặp những vật keo. Vật keo có cấu tạo dạng hạt.
Bán kính tương đương của hạt từ 0. Do cấu tạo dạng hạt nên vật keo có bề mặt bên trong rất lớn. Vì vậy, nó có năng lượng bề mặt tự do đáng kể. Khi tiếp xúc với không khí ẩm hay trực tiếp với nước, ẩm sẽ xậm nhập vào vật theo các bề mặt tự do này tạo thành liên kết hấp phụ giữa nước và bề mặt.
Liên kết thẩm thấu: là sự liên kết hóa lý giữa nước với vật rắn khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hòa tan ở trong và ngoài tế bào, tức là có chênh lệch áp suất hơi nước. Quá trình thẩm thấu không kèm theo hiện tượng tỏa nhiệt và không làm cho vật biến dạng. Về bản chất, ẩm thẩm tháu trong các tế bào không khác với nước bình thường và không chứa các chất hòa tan vì các chất hòa tan không thể khuếch tán vào trong tế bào cùng với nước [4]. ❖ Liên kết cơ lý Đây là dạng liên kết giữa nước và vật liệu được tạo thành do sức căng bề mặt của nước trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật.
Liên kết cơ học bao gổm liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn vả liên kết dính ướt [4]. Các phương pháp sấy 1.