CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẤY PHUN 1. Định nghĩa Sấy phun là một phương pháp sản xuất bột từ chất lỏng hay dung dịch bằng cách phun dòng nguyên liệu thành hạt sương vào môi trường có sự đối lưu không khí nóng và do đó ẩm trong nguyên liệu sẽ được bốc hơi một cách nhanh chóng. Do thời gian tiếp xúc nhiệt ngắn và trong quá trình sấy sử dụng vật liệu vi bao để bảo vệ các chất nhạy cảm với nhiệt độ nên đây được xem là một phương pháp sấy phù hợp đối với nhiều loại nguyên liệu có hoạt tính sinh học.
Ứng dụng công nghệ sấy phun Hiện nay, sấy phun được ứng dụng trong khá nhiều lĩnh vực như: thực phẩm, dược phẩm, hóa học và cả trong xây dựng. Trong thực phẩm, công nghệ sấy phun không thể thiếu trong sản xuất các sản phẩm dạng bột mịn như sữa bột, bột cà phê, bột trà xanh, bột các loại quản ngũ cốc, các loại gia vị, hương liệu, tinh bột và các dẫn xuất tinh bột, vitamin, enzyme, chất tạo màu… Trong y học, quá trình sấy phun được sử dụng sản xuất các loại thuốc dạng bột mịn. Trong lĩnh vực công nghiệp hóa chất, sấy phun được áp dụng để sản xuất nhôm chlorohydrate, amoni nitrat, amoni phosphate, magnesium hydroxide, oxit kẽm, kẽm sulfat, bột tẩy, cacbua (titan, silicon, tantali, niobi), chất xúc tác cho các phản ứng hóa chất vô cơ và hữu cơ, kim loại gốm, chất tẩy rửa, thuốc nhuộm và bột màu. Trong ngành xây dựng, kỹ thuật này được ứng dụng để sản xuất màu sơn, vật liệu gốm, bột ceramic và một số dạng xi măng với năng suất cao và làm việc theo nguyên tắc liên tục.
Trong sản xuất hàng tiêu dùng như bột giặt còn đối với lĩnh vực điện, sấy phun áp dụng cho vật liệu cách điện bao gồm phun khô oxit nhôm. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SẤY PHUN 1. Tình hình phát triển công nghệ sấy phun trên thế giới Nhà khoa học người Mỹ Samuel Percy đã nghiên cứu công nghệ sấy phun từ những năm 1860 và nhận được bằng sáng chế cho công nghệ này vào năm 1872, bằng sáng chế số 125406 có tựa đề "Improvement in Drying and Concentrating Liquid Substances by Atomizing”. Ông là người đầu tiên mô tả nguyên lý của quá trình sấy phun và ông được 4 do an xem như là người phát minh ra công nghệ sấy phun.
Ý tưởng cơ bản đầu tiên của sấy phun là sản xuất các sản phẩm dạng bột bằng cách phân tán nguyên liệu ở dạng lỏng thành các hạt sương và làm bay hơi nước nhanh chóng do diện tích bề mặt tiếp xúc của nguyên liệu và không khí nóng tăng lên đáng kể. Máy sấy phun được xây dựng đầu tiên vào năm 1878 nhưng đến năm 1905, máy sấy phun công nghiệp đầu tiên được lắp đặt cho một công ty Merril Soul, Mỹ. Sau chiến tranh thế giới II, nhu cầu sữa tăng cao thúc đẩy sự phát triển ngành công nghiệp sữa. Nhờ đó mà nhiều nguồn kinh phí đã được sử dụng để mang đến những tiến bộ đáng kể trong công nghiệp sấy phun sữa bột.
Kể từ thời điểm đó, quá trình sấy phun đã được chú trọng phát triển để ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm sản xuất xà phòng bột và chất tẩy rửa, sữa bột, cà phê hòa tan, tinh bột ngũ cốc, sản xuất phân bón và các loại nhựa polymer dạng bột. Nó cũng được sử dụng như là một quá trình công nghệ giúp giữ lại các thuộc tính chức năng độc đáo của các tá dược như lactose, mannitol. Hiện nay ở các nước phát triển trên thế giới, công nghệ sấy phun được áp dụng trong hầu hết các nghành sản xuất khác nhau như sấy bột nông sản, thực phẩm dinh dưỡng, dược phẩm, hoá chất, .Công nghệ sấy phun ở các nước này đạt đến trình độ tương đối cao với đa dạng chủng loại về kết cấu, kiểu dáng, quá trình sấy được điều khiển hoàn toàn tự động đem lại hiệu quả kinh tế cao. Chất lượng của các sản phẩm sấy khá cao và chi phí năng lượng cho một khối lượng sản phẩm tương đối thấp.
Tình hình phát triển công nghệ sấy phun ở Việt Nam Trước năm 1975, thị trường cà phê hòa tan ở Việt Nam còn khá nghèo nàn về chủng loại và ít được nhà đầu tư quan tâm. Tuy nhiên hiện nay thị trường này đã chiếm 1/3 tỷ trọng sản lượng cà phê được tiêu thụ. Năm 1969, Marcel Coronel đã khởi công xây dựng nhà máy cà phê Coronel tại khu kỹ nghệ Biên Hòa với mục đích giảm thiểu chi phí vận chuyển cà phê về Pháp. Toàn bộ máy móc được nhập khẩu từ Đức.
Tuy nhiên, cho đến tận năm 1975, nhà máy vẫn chưa chạy thử thành công do máy móc, thiết bị không đồng bộ, lao động kỹ thuật còn thiếu và hoàn cảnh chiến tranh. Tháng 4 năm 1977, mẻ cà phê hòa tan đầu tiên được sản xuất thành công. Năm 1998, nhà máy xây 5 do an dựng thêm một dây chuyền sản xuất cà phê hòa tan công nghệ sấy phun. Dây chuyền này có công suất thiết kế 800 tấn/năm.
Sữa bột được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước phát triển. Việt nam cũng là một trong những nước tiêu thụ sữa bột lớn và sữa ngoại ở Việt Nam có giá đắt đỏ. Giá sữa ở Việt Nam đắt gấp đôi sữa nước ngoài do việc nhập khẩu nguyên liệu có vấn đề. Đó là có rất ít đầu mối được nhập khẩu mặt hàng này nên giá đầu ra và giá đầu vào để sản xuất sữa thành phẩm cũng rất khó kiểm soát.
Như vậy ở Việt Nam, công nghệ sấy phun mới được đưa vào ứng dụng trong khoảng hơn 50 năm và đạt được nhiều thành tựu. Hiện nay, tại Việt Nam công nghệ này được ứng dụng nhiều nhất trong ngành sản suất sữa bột hay bột cà phê hòa tan. Đối với ngành công nghiệp sữa, một số tập đoàn lớn như Friesland Campina Việt Nam phải nhập khẩu thêm sữa bột từ Hà Lan do nguồn cung tại Việt Nam không đáp ứng được nhu cầu rất lớn hiện nay. Mặt khác, chúng ta chưa làm chủ được công nghệ này, chủ yếu nhập khẩu từ nước ngoài để đưa vào sản suất.
Ngoài ra, giá thành của hệ thống sấy phun tương đối cao chưa phù hợp với điều kiện kinh tế nước ta. Vì vậy, việc phát triển các ngành sản phẩm liên quan, các nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sấy phun tại Việt Nam không phổ biến. Vì vậy, việc đẩy nhanh quá trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy phun vào trong sản xuất để đạt năng suất cao và chất lượng tốt nhằm nâng cao tính cạnh tranh cho sản phẩm của nước ta là việc làm rất cần thiết. Một số thiết bị sấy phun được sử dụng trong phòng thí nghiệm 1.
Hệ thống sấy phun GEA Mobile minor Hệ thống sấy phun GEA MOBILE MINOR (Hình 1.1) do hãng Niro (Đan Mạch) sản xuất có dạng bán công nghiệp. Buồng sấy có thân hình trụ, đáy hình côn được làm từ thép không gỉ AISI 316. Cơ cấu phun sương dạng đĩa li tâm, trên đĩa có 24 rãnh nhỏ hình chữ nhật. Đĩa quay được là nhờ việc nén khí vào trong tua bin, tua bin quay làm cho đĩa quay, không khí qua đầu lọc, được đốt nóng nhờ điện trở ở caloriphere và đi vào buồng sấy theo phương tiếp tuyến, nhiệt độ của không khí được điều chỉnh bằng cảm biến tự động.
6 do an Hệ thống sử dụng bơm nhu động để nhập liệu. Bơm hoạt động theo nguyên tắc: khi roto quay, các trục trên roto sẽ ép ống dẫn nhập liệu lại tạo ra áp lực để đẩy dung dịch về phía trước. Các thông số cơ bản của thiết bị GEA MOBILE MINOR được thể hiện ở bảng 1. 1: Thông số kỹ thuật GEA Mobile minor 1 – 7 kg ẩm/h Năng suất tách ẩm 350oC Nhiệt độ tối đa đầu vào: 0 – 6 bar Áp suất khí nén 31000 vòng/phút Tốc độ quay tối đa đĩa phun 1800 x 1300 x 1920 mm Kích thước (W x H x D) Hình 1.
1: GEA Mobile minor 1. Hệ thống sấy phun Mini Spray Dryer B-290 Hệ thống máy sấy phun Mini Spray Dryer B-290 do hãng Buchi (Thụy Sĩ) sản xuất được sử dụng trong phòng thí nghiệm. Buồng sấy và cyclone được làm bằng thủy tinh chịu nhiệt. Cơ cấu phun sương dạng vòi phun áp lực.
Vòi phun được tích hợp với kim đẩy qua lỗ phun nhằm làm sạch vòi phun trong trường hợp tắc nghẽn. Ngoài ra, hệ thống sử dụng bơm nhu động để nhập liệu. Các thông số cơ bản của thiết bị Mini Spray Dryer B-290 được thể hiện ở bảng 1. 2: Thông số kỹ thuật máy Mini Spray Dryer B-290 Năng suất tách ẩm 1 kg ẩm/h Lưu lượng khí vào < 35 m3/h Nhiệt độ tối đa đầu vào 220 oC Áp suất khí nén 5 – 8 bar Kích thước (W x H x D) 650 x 1100 x 700 mm Hình 1.
2: Mini Spray Dryer B-290 7 do an 1. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH SẤY PHUN 1. Một số khái niệm cơ bản 1. Vật liệu ẩm Trong vật liệu ẩm gồm có vật chất rắn, lỏng và khí.
Vì khối lượng của chất khí rất nhỏ có thể bỏ qua, nên vật ẩm được xem như gồm hai thành phần là chất rắn và chất lỏng (hay còn gọi là ẩm). Độ ẩm của vật có thể được biểu thị qua độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối và độ chứa ẩm 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 𝜔0 = .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.
Độ ẩm tương đối là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng của vât ẩm, ký hiệu độ ẩm tương đối như sau: 𝐺 𝜔 = 𝑛.100 (%) [1-2] 𝐺 Trong đó: G – 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. 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.
𝑘 [1-3] 𝐺𝑘 𝑃𝑘 𝑉/𝑅𝑘 𝑇 𝑃𝑘 𝑅𝑛 Trong đó: Rk = 8314/29 ≈ 287; Rn = 8314/18 ≈ 462; Pk = 𝛽 – Pn ; Pn = 𝜑0 .Phbh 8 do an Áp suất khí quyển 𝛽 = 760 mmHg = 760/(7,5.