CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về hệ thống sấy thăng hoa 1. Lịch sử phát triển công nghệ sấy thăng hoa Thăng hoa là quá trình chuyển pha từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi không thông qua pha lỏng, đã được phát hiện từ rất sớm bởi một số người Tây Tạng (Trung Quốc), khi họ leo lên những ngọn núi cao có băng tuyết phủ đầy quanh năm và thấy hiện tượng tảng băng đang bốc hơi thành những làn khói hơi nước trắng. Tuy nhiên, người Tây Tạng chưa thể hình thành lên lý thuyết về sự thăng hoa từ thể rắn sang thể khí [18, 19].
Lịch sử công ghệ sấy thăng hoa (Subblimation Lyophilization, Freeze Drying) luôn gắn liền với lịch sử phát triển của ngành công nghệ nhiệt – lạnh và ngành vật lý chân không. Chính vì vậy, tuy con người đã phát hiện về hiện tượng thăng hoa rất sớm nhưng chưa có một cơ sở lý thuyết khoa học thăng hoa nào ra đời trong suốt khoảng thời gian dài. Mãi cho đến năm 1761 – 1764 giáo sư Black, trong những lần thí nghiệm nhiệt – lạnh, mới tìm ra lý thuyết về nhiệt ẩn hóa hơi của chất lỏng và rắn, nhiệt ẩn nóng chảy của chất rắn. Dựa vào lý thuyết này con người biết làm lạnh bằng cách cho chất lỏng bay hơi hoặc cho chất rắn hóa hơi (gọi là thăng hoa), quá trình bay hơi là quá trình thu nhiệt và vật bị bay hơi sẽ bị mất nhiệt lạnh đi (hay giảm nhiệt độ xuống).
Tiếp theo là một phát hiện quan trọng vào năm 1780 khi hai nhà khoa học Clouet và Monge lần đầu tiên hóa lỏng SO2. Từ năm 1781 nhà khoa học Cavallo bắt đầu nghiên cứu hiện tượng bay hơi và thăng hoa một cách có hệ thống. Bắt đầu hình thành nên cơ sở lý thuyết khoa học đóng băng – thăng hoa [36, 37]. Vào những năm đầu thế kỉ thứ 19, khoa họa kỹ thuật phát triển một cách mạnh mẽ, tạo tiền đề cho ngành công nghệ sấy thăng hoa sau này.
Năm 1810 một nhà khoa học Leslie (Pháp) đã thiết kế, chế tạo thành công máy nén hấp thụ với cặp môi chất lạnh H2O/H2SO4. Đến giữa thế kỷ 19, máy này được phát triển một cách rầm rộ nhờ kỹ sư tài ba Carré (Pháp) với hàng loạt bằng phát minh về máy lạnh hấp thụ chu kỳ liên tục với các cặp môi chất lạnh khác nhau [36, 37].Perkins (Anh) đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống máy lạnh nén hơi với đầy đủ các chi tiết như một hệ thống lạnh hiện đại có máy nén, có thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi và van tiết lưu. Đến cuối thế kỷ 19, nhờ có một loạt cải tiến của Linde 1 do an (Đức) với việc sử dụng ammoniac làm môi chất lạnh nén hơi, việc chế tạo và sử dụng máy lạnh nén hơi mới thực sự phát triển rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc doanh, đồng thời hỗ trợ cho cơ sở khoa học lý thuyết công nghệ sấy thăng hoa ra đời [36, 37]. Năm 1823 nhà khoa học Faraday bắt đầu công bố các công trình về hóa lỏng khí SO2, CO2, N2O, C2H2, NH3 và HCl,…đến năm 1845 ông đã hóa lỏng được hầu hết các loại khí nhưng vẫn bó tay trước các loại khí N2, O2, CH4, CO, NO và H2.
Người ta cho rằng các loại khí này không thể hóa lỏng được, chỉ luôn luôn ở thể khí nên gọi là khí “vĩnh cửu – permenant”, lý do là vì Natleret nhà khoa học của Áo đã nén chúng tới một áp lực cực lớn 3600 atm mà vẫn không hóa lỏng được. Mãi tới năm 1869, Andrew một nhà khoa học người Anh giải thích được điểm tới hạn của khí hóa lỏng và nhờ đó Cailletet (Pháp) hóa lỏng được khí O2 và N2, năm 1877 Dewar (Anh) hó lỏng được khí H2, năm 1898 Linde (Đức) hóa lỏng O2 và N2 và tách bằng chưng cất, tiếp theo đó K. Năm 1910 nhà khoa học Leblanc là người đầu tiên đã chế tạo thành công máy lạnh Ejector hơi nước. Đây là một sự kiện có ý nghĩa rất trọng đại của ngành kỹ thuật lạnh.
Năm 1930 một số nhà khoa học Mỹ đã phát hiện ra tính chất nhiệt động của các loại môi chất lạnh hữu cơ Freon rất tốt. Và lịch sử ngành công nghệ nhiệt – lạnh bước sang trang mới. Năm 1921, kĩ sư mỏ của Nga G.ILappa Starsinexki đã phát minh ra cách làm khô sản phẩm bằng cách hạ thấp nhiệt độ sản phẩm xuống làm ẩm trong sản phẩm đóng băng, sao đó tạo độ chân không cho môi trường chứa sản phẩm để cho ẩm đóng băng bóc hơi hay thăng hoa từ thể rắn sang thể hơi. Tuy nhiên công nghệ sấy thăng hoa chưa được phát triển mới chỉ hình thành lên cơ sở lý thuyết khoa học [36, 37].
Mãi đến năm 1951 mới có hội nghị khoa học bàn về công nghệ sấy thăng hoa tổ chức tại Luân Đôn (Anh).Năm 1956 các nhà khoa học Nga mở cuộc hội nghị về sấy thăng hoa toàn Liên bang Xô Viết (hiện nay là Liên Bang Nga) ở Moskva.Năm 1959 Hội nghị về sấy phần tử thực phầm ở Cộng hòa Liên Bang Đức được tổ chức và có nhiều ý kiến khác nhau về vấn đề sấy thăng hoa [36, 37]. Năm 1950 – 1960 các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo thành công hệ thống máy sấy thăng hoa hoàn chỉnh nhưng năng suất rất thấp, sau đó là Nga, Pháp, Anh, Đức, … cũng chế tạo thành công hệ thống sấy thăng hoa này với nhiều dạng khác nhau. Lúc này công nghệ sấy thăng hoa chỉ được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp dược, công nghệ enzyme, công nghệ sinh học. 2 do an Cho đến năm 1970 ngành công nghệ nhiệt – lạnh và vật lý kỹ thuật chân không cao phát triển rộng rãi ở quy mô lớn nó hỗ trợ cho sự phát triển công nghệ sấy thăng hoa, lúc đó công nghệ này mới bắt đầu ứng dụng trong ngành công nghệ chế biến thực phẩm, bước đầu nghiên cứu chế biến thức ăn cho các nhà du hành vũ trụ, hai nước thành công nhất trong việc ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa này vào trong công nghệ chế biến thực phẩm đó là Nga và Mỹ nhưng thời gian sấy chưa thể rút ngắn được, trung bình (25 - 30)h/1 mẻ [36, 37].
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 và nó được trưng bày tại Hội chợ triển lãm thương mại quốc tế ở Paris (Pháp). 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 chương trình được lập trình sẵn trên máy tính. Nó được trưng bày tại Hội chợ triễn lãm thương mại quốc tế sản phẩm công nghệ cao (Product of High Technology) ở New York (Mỹ) [36, 37]. Cho đến nay công nghệ sấy thăng hoa đã phát triển tương đối hoàn thiện và nhiều quốc gia trên thế giới chế tạo thành công do chuyển giao và mua công nghệ của các nước có nền công nghiệp tiên tiến.
Ở Việt Nam, khi người Mỹ đặt chân lên đất nước Việt Nam họ đã mang theo công nghệ này vào Việt Nam với mục đích là phục vụ cho chiến tranh. Sau ngày đất nước thống nhất công nghệ này vẫn không được nghiên cứu và phát triển, chúng chỉ được ứng dụng trong một số trung tâm, viện nghiên cứu phục vụ cho nghiên cứu khoa học trong các lĩnh vực công nghệ sinh học, y dược, phân tích,… Hiện nay, công nghệ sấy thăng hoa này đã được nhiều nhà khoa học Việt Nam quan tâm nghiên cứu và phát triển bởi vì hướng ứng dụng của công nghệ này không chỉ trong các ngành công nghệ sinh học, y dược, phân tích,…mà còn ứng dụng trong ngành công nghệ chế biến thực phẩm [36, 37]. Mục đích của việc sấy thăng hoa thực phẩm Các thực phẩm nói chung và thủy sản nói riêng là môi trường gồm nhiều dinh dưỡng chất như: protein, lipid và một số khoáng chất khác rất thuận lợi cho vi sinh vật phát triển cũng như là nơi xảy ra hiện tượng trao đổi chất. Đa số các vi khuẩn chỉ có thể phát triển ở độ ẩm 15% nên khi sản phẩm ở trạng thái khô và được bảo quản thì sự sống của vi sinh vật sẽ bị tiêu diệt hoàn toàn.
Enzyme trong thực phẩm cũng hoạt động rất mạnh, dưới tác dụng 3 do an của enzyme và vi sinh vật, giá trị dinh dưỡng của thực phẩm dần dần bị mất đi, làm cho mùi vị và màu sắc của thực phẩm bị biến đổi hoàn toàn, đồng thời sinh ra những độc tố có hại gây ngộ độc cho người sử dụng, nên phải dùng phương pháp sấy thăng hoa để hạn chế các tác hại trên [37, 28]. Muốn bảo quản tốt thực phẩm ta phải nghiên cứu những yếu tố gây ra hư hỏng như độ ẩm, bản chất hóa học, vi sinh vật, tốc độ hoạt động của enzyme trong thực phẩm…Để áp dụng kịp thời những biện pháp ngăn chặn, bảo quản. Cho đến nay, chỉ có phương pháp bảo quản lạnh đông hầu như giữ nguyên vẹn tính chất tươi sống, hoạt tính sinh học và các hoạt tính khác. Trong quá trình bảo quản vận chuyển sau chế biến cần phải giữ nhiệt độ từ -18 – 250C.
Bởi vậy nếu vận chuyển xa quá hoặc bảo quản quá 6 tháng thì giá thành của sản phẩm đông lạnh sẽ cao hơn giá thành của sản phẩm sấy thăng hoa. Mặt khác, sản phẩm của sấy thăng hoa có rất nhiều ưu việt khác bảo quản dài hạn ở nhiệt độ thường (khác với trữ đông ở nhiệt độ tới -180C liên tục) vận chuyển dễ dàng và sử dụng tiện lợi hơn so với sản phẩm đông lạnh [36,9]. Các chuyên gia tổ chức y tế thế giới và chương trình lương thực thế giới họ đã kết luận: Thực phẩm sấy thăng hoa có nhiều ưu việt hơn các sản phẩm đông lạnh, có thể cất giữ bình thường trong nhiều năm ngay ở những điều kiện khí hậu nhiệt đới khối lượng của nó thấp hơn đến 12 lần so với khối lượng thực phẩm cùng loại đông lạnh hoặc đóng hộp khi đưa ra không khí ẩm hoặc đổ nước vào thì sản phẩm sấy thăng hoa phục hồi nguyên vẹn tính chất tươi sống màu sắc và cả hương vị ban đầu [25, 28]. Ngày nay nhờ có kỹ thuật sấy thăng hoa, ngành y tế đã cất giữ được những bộ phận thay thế của cơ thể như: máu, da … và cả tinh dịch dưới dạng sấy thăng hoa.
Cơ sở khoa học sấy thăng hoa 1.