Sách chuyên khảo: Kỹ thuật và công nghệ sấy thăng hoa - PGS.TS Nguyễn Tấn Dũng

Tìm hiểu quy trình và thiết bị trong công nghệ sấy thăng hoa, ứng dụng trong ngành hóa học và thực phẩm. Phân tích nguyên lý hoạt động, ưu điểm và các bước

• Tác giả: Nguyễn Tấn Dũng
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn Sức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Hóa học và Thực phẩm
• Đề tài: Kỹ thuật và công nghệ sấy thăng hoa
• Loại tài liệu: Sách chuyên khảo
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ sấy thăng hoa

Sấy thăng hoa là kỹ thuật tách ẩm tiên tiến nhất hiện nay. Phương pháp dựa trên hiện tượng thăng hoa của nước. Nước đóng băng chuyển thẳng từ thể rắn sang thể hơi. Quá trình không đi qua thể lỏng. Nhờ vậy cấu trúc nguyên liệu được giữ gần như nguyên vẹn. Công nghệ vận hành ở áp suất chân không sâu. Áp suất môi trường sấy dao động từ 0,001 đến 1 mmHg. Nhiệt độ sản phẩm luôn duy trì ở mức thấp. Điều này bảo toàn các chất có hoạt tính sinh học. Sản phẩm sau sấy có chất lượng cao. Màu sắc, hương vị và dinh dưỡng ít biến đổi. Công nghệ ứng dụng rộng trong nhiều ngành. Ngành dược phẩm dùng nó để bảo quản hoạt chất. Ngành sinh học dùng để lưu trữ tế bào và gen. Ngành thực phẩm dùng để giữ giá trị dinh dưỡng. Quá trình và thiết bị công nghệ sấy thăng hoa vì thế trở thành lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Nó kết hợp kỹ thuật nhiệt, hóa học và thực phẩm trong một hệ thống.

1.1. Nguyên lý cơ bản của sấy thăng hoa

Nguyên lý đặt trên điểm ba của nước. Tại điểm này áp suất là 4,58 mmHg. Khi áp suất môi trường thấp hơn ngưỡng đó, nước đá thăng hoa trực tiếp. Ẩm chuyển từ thể rắn sang thể hơi mà không hóa lỏng. Nhiệt cấp cho quá trình thường là bức xạ nhiệt. Hơi nước khuếch tán ra môi trường sấy rồi đi về bình ngưng. Bình ngưng làm lạnh sâu để đóng băng hơi nước. Cơ chế này giữ khung cấu trúc nguyên liệu ổn định. Nhờ đó sản phẩm khô vẫn xốp và dễ hoàn nguyên.

1.2. Vai trò trong công nghệ hóa học và thực phẩm

Công nghệ sấy thăng hoa giữ vai trò then chốt. Nó bảo quản nguyên liệu giàu hoạt tính sinh học. Thực phẩm chức năng và dược liệu cần phương pháp này. Các sản phẩm nhạy nhiệt không chịu được sấy nóng. Sấy thăng hoa giải quyết được hạn chế đó. Quá trình bảo toàn vitamin, enzyme và amino axit. Sản phẩm giữ gần như nguyên phẩm chất ban đầu. Ngành công nghệ thực phẩm dùng nó cho cà phê hòa tan và trái cây. Ngành hóa học dùng cho hóa phẩm tinh khiết. Giá trị kinh tế của sản phẩm sau sấy thường rất cao.

II. Phân tích đặc tính nước trong nguyên liệu sấy

Nước là thành phần quyết định trong sấy thăng hoa. Nguyên liệu sinh học chứa từ 55 đến 95 phần trăm nước. Hoạt độ nước dao động từ 65 đến 92 phần trăm. Đây là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật. Các phản ứng sinh hóa cũng dễ xảy ra. Chất lượng nguyên liệu vì thế suy giảm nhanh. Nước trong nguyên liệu tồn tại ở nhiều dạng liên kết. Có nước tự do và nước liên kết. Mỗi dạng có năng lượng liên kết khác nhau. Nước tự do dễ tách hơn nước liên kết. Nhiệt độ kết tinh của ẩm là thông số quan trọng. Nó quyết định giai đoạn cấp đông trước khi sấy. Đặc tính hấp phụ và mao dẫn ảnh hưởng tới quá trình. Chúng chi phối tốc độ dịch chuyển ẩm. Phân tích đúng các đặc tính này là nền tảng kỹ thuật. Nó giúp xác lập chế độ công nghệ chính xác. Hiểu sai đặc tính nước sẽ làm hỏng sản phẩm. Vì vậy bước phân tích phải được thực hiện cẩn thận.

2.1. Các dạng liên kết của nước trong nguyên liệu ẩm

Nước trong nguyên liệu ẩm không đồng nhất. Một phần là nước tự do nằm trong mao quản. Phần này dễ bay hơi và dễ đóng băng. Một phần là nước liên kết với chất khô. Protein thường liên kết chặt với nước. Liên kết này cần năng lượng lớn để phá vỡ. Nước liên kết khó kết tinh thành đá. Vì vậy nó cũng khó thăng hoa hoàn toàn. Phần ẩm còn lại phải tách bằng sấy chân không. Hiểu rõ tỷ lệ các dạng nước giúp tính toán năng lượng sấy hợp lý.

2.2. Thành phần hóa học ảnh hưởng đến quá trình

Thành phần hóa học nguyên liệu rất đa dạng. Protein, carbohydrate và lipid đều có mặt. Có khoảng 20 loại amino axit cơ bản. Tro, khoáng và vitamin cũng góp phần. Mỗi thành phần phản ứng khác nhau với nhiệt và lạnh. Lipid dễ oxy hóa khi tiếp xúc không khí. Protein dễ biến tính khi nhiệt độ tăng. Sấy thăng hoa hạn chế được các biến đổi này. Nhiệt độ thấp bảo vệ thành phần nhạy cảm. Vì vậy việc khảo sát thành phần là bắt buộc trước khi thiết kế quy trình.

III. Phương pháp và hệ thống thiết bị sấy thăng hoa

Quá trình sấy thăng hoa diễn ra qua ba giai đoạn. Giai đoạn đầu là cấp đông nguyên liệu. Nước trong sản phẩm kết tinh thành đá. Giai đoạn hai là thăng hoa chính. Nước đá chuyển thẳng thành hơi ở áp suất thấp. Giai đoạn ba là sấy chân không tách ẩm còn lại. Lúc này ẩm trở về thể lỏng rồi bay hơi. Mỗi giai đoạn cần kiểm soát nhiệt độ và áp suất chặt chẽ. Hệ thống thiết bị gồm nhiều bộ phận phối hợp. Buồng sấy chứa các tấm gia nhiệt bức xạ. Bơm chân không duy trì áp suất môi trường sấy. Bình ngưng tụ làm đóng băng hơi nước thoát ra. Hệ thống lạnh cấp đông và làm lạnh bình ngưng. Động lực quá trình là chênh lệch áp suất riêng phần. Chênh lệch nhiệt độ giữa sản phẩm và môi trường cũng quan trọng. Khi thăng hoa, phân tử nước hầu như không va chạm nhau. Điều này khác hẳn sấy ở áp suất khí quyển. Kiểm soát đúng các thông số quyết định hiệu quả sấy.

3.1. Ba giai đoạn của quá trình công nghệ

Giai đoạn cấp đông làm nước kết tinh hoàn toàn. Nhiệt độ hạ xuống dưới điểm kết tinh của ẩm. Giai đoạn thăng hoa diễn ra dưới áp suất chân không sâu. Áp suất thấp hơn 4,58 mmHg của điểm ba. Nước đá bay hơi trực tiếp không qua thể lỏng. Giai đoạn cuối là sấy chân không nhiệt độ thấp. Ẩm liên kết còn lại được tách dần. Quá trình kết thúc khi độ ẩm đạt yêu cầu. Lúc đó nhiệt độ các tấm gia nhiệt và sản phẩm cân bằng. Sự cân bằng nhiệt và ẩm đánh dấu điểm dừng.

3.2. Cấu tạo hệ thống thiết bị chính

Hệ thống thiết bị gồm bốn cụm chính. Buồng sấy là nơi đặt sản phẩm và tấm gia nhiệt. Tấm gia nhiệt cấp nhiệt bằng bức xạ. Bơm chân không hút khí để hạ áp suất. Áp suất được giữ ổn định trong suốt quá trình. Bình ngưng tụ đóng băng hơi nước thoát ra từ sản phẩm. Cụm máy lạnh phục vụ cấp đông và làm lạnh bình ngưng. Các cụm này hoạt động đồng bộ với nhau. Tính toán và thiết kế từng cụm phải dựa trên cơ sở lý thuyết chặt chẽ.

IV. Ứng dụng và kết luận về sấy thăng hoa

Sấy thăng hoa đã chứng minh giá trị thực tiễn lớn. Sản phẩm sau sấy giữ gần như nguyên phẩm chất. Dinh dưỡng, màu sắc và hương vị ít thay đổi. Ngành dược phẩm ứng dụng để bảo quản hoạt chất sinh học. Vaccine và chế phẩm sinh học cần công nghệ này. Ngành sinh học dùng để lưu trữ tế bào và gen lâu dài. Ngành thực phẩm tạo ra cà phê hòa tan và trái cây sấy cao cấp. Sản phẩm dễ hoàn nguyên khi thêm nước. Giá trị thị trường của hàng sấy thăng hoa rất cao. Tuy nhiên chi phí đầu tư thiết bị còn lớn. Thời gian sấy kéo dài hơn các phương pháp khác. Năng lượng tiêu thụ cũng đáng kể. Vì vậy cần tối ưu chế độ công nghệ. Việc tính toán và thiết kế hệ thống phải chính xác. Nghiên cứu sâu giúp giảm chi phí vận hành. Triển khai rộng công nghệ này mang lại lợi ích lớn. Nó nâng cao chất lượng sản phẩm Việt Nam. Đây là hướng đi bền vững cho công nghệ chế biến hiện đại.

4.1. Lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu

Công nghệ ứng dụng trong ba lĩnh vực lớn. Dược phẩm dùng để bảo quản kháng sinh và vaccine. Hoạt chất giữ được hiệu lực lâu dài. Sinh học dùng để lưu trữ tế bào, gen và men giống. Thực phẩm dùng cho sản phẩm cao cấp. Cà phê hòa tan, sữa bột và trái cây sấy là ví dụ. Sản phẩm giữ trọn dinh dưỡng và hương vị. Người tiêu dùng ngày càng ưa chuộng hàng sấy thăng hoa. Nhu cầu thị trường vì thế tăng đều. Tiềm năng phát triển của công nghệ rất rộng mở.

4.2. Hướng phát triển và tối ưu công nghệ

Tối ưu công nghệ là nhiệm vụ trọng tâm. Chi phí thiết bị và năng lượng cần được giảm. Nghiên cứu tập trung vào chế độ công nghệ hợp lý. Xác lập đúng nhiệt độ và áp suất rút ngắn thời gian sấy. Thiết kế thiết bị hiệu quả giúp tiết kiệm điện. Tự động hóa quá trình nâng cao độ ổn định. Ứng dụng mô phỏng giúp dự đoán kết quả trước. Đào tạo nhân lực kỹ thuật cũng rất quan trọng. Triển khai sâu rộng công nghệ thúc đẩy sản xuất trong nước. Đây là hướng đi chiến lược lâu dài.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 NGUYÊN LIỆU SẤY THĂNG HOA 1. NGUYÊN LIỆU VÔ CƠ VÀ HỮU CƠ Nguyên liệu sấy thăng hoa, được hiểu theo nghĩa hẹp, là các loại vật liệu sinh học (thực phẩm, dược phẩm, các chế phẩm sinh học, v.) mà cơ thể có khả năng hấp thụ được [4], [5]. Trong thực tế nguyên liệu thường tồn tại ở hai dạng cơ bản: vô cơ và hữu cơ.  Dạng vô cơ thường là các loại muối khoáng, khoáng (NaCl, Na2CO3,.; Ca2+, Mg2+, …); chúng bổ sung các loại khoáng chất cần thiết cho cơ thể sống sinh trưởng và phát triển.

 Dạng hữu cơ và các hợp chất sinh học như: protein, lipid, gluxit, các hoạt chất sinh học, vitamin,., có vai trò rất quan trọng: cung cấp các chất dinh dưỡng và các chất cần thiết cho cơ thể sống sinh trưởng và phát triển. Quá trình sấy thăng hoa được tiến hành ở môi trường có nhiệt độ thấp và áp suất thấp, dưới điểm ba thể O(0,00980C; 4,58 mmHg), chính xác hơn là dưới điểm O’(Tkt; 4,58 mmHg), Tkt (0C) – là nhiệt độ kết tinh của nước trong nguyên liệu, có nghĩa nhiệt độ nguyên liệu sấy dưới điểm kết tinh, áp suất môi trường sấy dưới 4,58 mmHg (xem hình 2. Mặc dù sản phẩm sau khi sấy thăng hoa giữ được tất cả các tính chất ban đầu của nguyên liệu: protein không bị biến tính; lipid không bị oxy hóa, không bị thủy phân; gluxit không bị nhiệt phân, không bị hồ hóa; các hoạt chất sinh học, vitamin không bị phá hủy; màu sắc, mùi, vị không thay đổi; độ co rút thấp, sản phẩm tạo được độ xốp; khả năng hoàn nguyên rất tốt; v., nhưng quá trình sấy thăng hoa tốn rất nhiều năng lượng, vì thế chỉ thích hợp để sấy các loại nguyên liệu có giá trị dinh dưỡng, giá trị dược phẩm, giá trị kinh tế cao, mà các giá trị này dễ dàng bị mất đi dưới tác dụng của nhiệt và không khí. Chẳng hạn, phương pháp sấy thăng hoa thích hợp để sấy các nguyên liệu chứa các thành phần dinh dưỡng quý hiếm (sữa ong chúa, tổ yến, v.), các loại dược liệu (nấm đông trùng hạ thảo, nấm linh chi, nhân sâm, v.), các loại chế phẩm sinh học (các chế phẩm sinh học, các loại enzyme, các loại vi sinh vật,.

NGUYÊN LIỆU KHÔ TUYỆT ĐỐI VÀ NGUYÊN LIỆU ẨM 1. Nguyên liệu khô tuyệt đối Nguyên liệu không chứa ẩm và hơi ẩm gọi là vật liệu rắn khô tuyệt đối. Trong thực tế có muối khan được coi là nguyên liệu khô tuyệt đối. Các hợp chất sinh học sấy đến khối lượng không đổi cũng được xem là nguyên liệu khô tuyệt đối [45].

Nguyên liệu ẩm Các loại hợp chất hữu cơ là sản phẩm trong các lĩnh vực y học, công nghệ sinh học, công nghệ enzyme,… đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm, thường không tồn tại ở dạng vật rắn khô tuyệt đối, bởi vì khi nó tiếp xúc với không khí ẩm, chính các vật liệu hữu cơ này rất ưa nước và háo nước sẽ hút hơi ẩm từ bên ngoài vào bên trong và liên kết dưới dạng cơ, lý, hóa với vật liệu. Mặt khác, bản thân các dạng vật liệu này luôn tồn tại một lượng ẩm nhỏ liên kết ở dạng liên kết hóa học rất khó tách trong quá trình sấy. Vật liệu rắn, có chứa ẩm bên trong bản thân của chúng ở các dạng liên kết cơ, lý, hóa, gọi là nguyên liệu ẩm [45].  Đối với các loại thực phẩm: thịt gia súc, gia cầm, tôm, cá, rau quả, v.; các loại dược liệu; các chế phẩm sinh học là các dạng nguyên liệu có hàm ẩm chiếm tỷ lệ rất lớn, liên kết ẩm với chất khô tuyệt đối ở các dạng cơ, lý, hóa rất phức tạp.

Vì thế, các thông số nhiệt – vật lý sẽ thay đổi theo các quy luật phức tạp, ảnh hưởng lớn đến việc trao đổi nhiệt tách ẩm trong các quá trình sấy nói chung và sấy thăng hoa nói riêng mà hiện nay chưa có số liệu [45].  Khi đánh giá đặc tính ẩm có trong nguyên liệu chúng ta thường quan tâm đến hai vấn đề: số lượng (hàm lượng nước có trong nguyên liệu), chất lượng (dạng liên kết giữa ẩm với nguyên liệu và năng lượng liên kết của chúng). Các đặc tính cơ, lý, hóa của vật liệu ẩm (VLA) không những phụ thuộc vào bản chất nhiệt – vật lý của vật liệu khô tuyệt đối mà còn cả độ ẩm và các dạng năng lượng liên kết. Vì vậy, ứng với loại nguyên liệu khác nhau nếu thực hiện quá trình sấy tách ẩm sẽ có thời gian sấy khác nhau [45].

 Hàm lượng ẩm có trong nguyên liệu được đánh giá qua hai thông số cơ bản sau: độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối. Sự biến thiên hàm ẩm theo thời gian hay sự biến thiên tốc độ bay hơi ẩm theo thời gian cho phép chúng ta xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy [45], [83]. 18 a) Độ ẩm tương đối Độ ẩm tương đối (gọi là độ ẩm toàn phần) là phần trăm khối lượng nước chứa trong một đơn vị khối lượng nguyên liệu, xác định theo biểu thức sau [83]: Gn W 100% (1.1) G b) Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tuyệt đối là phần trăm nước chứa trong một đơn vị khối lượng nguyên liệu khô, xác định theo biểu thức sau [45], [83]: Gn U 100% (1.2) G ck Trong đó: Gn, Gck, G [kg]: khối lượng ẩm, khối lượng chất khô, khối lượng nguyên liệu ẩm. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA NƯỚC TRONG NGUYÊN LIỆU 1.

Các thông số nhiệt vật lý quan trọng của nước Đối với nước (H2O), đã có nhiều nghiên cứu về tính chất nhiệt vật lý (bảng 1.1), sự biến đổi trạng thái giữa các pha lỏng – rắn, lỏng – hơi, rắn – hơi của nước trong quá trình kết tinh khi lạnh đông, nóng chảy, bốc hơi và thăng hoa khi sấy. Đây là các tính chất nhiệt vật lý quan trọng để mô tả động học cho quá trình sấy [28]. Các thông số nhiệt vật lý của nước Ký Đơn vị Thông số Tham Phương trình hay giá trị hiệu đo nhiệt vật lý khảo 0 Nhiệt độ kết Tkt C 0 (tại áp suất 760 mmHg) [27], [28] tinh 0 Nhiệt độ sôi Ts = 100 4 Ps  0, 06.Ps ; với Ps =1 Ts C [27], [28] (bay hơi) kg/cm2 thì Ts = 99,940C Ẩn nhiệt rhh J/kg rhh = (2509,64 – 2,51.103; với T(0C) [25], [26], hóa hơi [28], Ẩn nhiệt rnc = L = 333601,5 + 1054.T - [108] rdd J/kg đông đặc 21.T [28], với: 3,9860C  T  1000C [108] Khối lượng n kg/m3 riêng  Nước đá: n = 917. [108] Nhiệt dung  Nước: cn = 4184,7 + 1,74.T [27], [28] riêng của cn J/(kg.K) nước  Nước đá: cnd = 2090 + 7,79.T [27], [28] nguyên chất  Nước: cn = 4167,2 – 9086,4.T2; [28], Nhiệt dung [108] với 00C < T < 1500C riêng của nước trong  cn = 4080,7 – 5306,2.T2; dạng dung [108] với -400C  T  00C dịch  Nước đá: cnd = 2062,3 + 6076,9.

Sự liên kết nước trong nguyên liệu ẩm Ẩm trong nguyên liệu được chia là hai loại cơ bản: ẩm tự do và ẩm liên kết, nó phụ thuộc vào đặc tính liên kết giữa ẩm và nguyên liệu [6], [7], [8], [9]. - Đối với ẩm tự do: không tham gia cấu trúc tế bào của nguyên liệu, nó chỉ là môi trường cho quá trình sinh hóa, trao đổi chất xảy ra khi nguyên liệu còn sự sống. Ẩm ở dạng này liên kết với nguyên liệu chủ yếu ở dạng liên kết cơ – lý (hấp phụ vật lý và mao dẫn), năng lượng để cắt đứt loại liên kết này nhỏ, đây là đối tượng ẩm cần tách ra khỏi nguyên liệu trong quá trình sấy. Đối với các loại thực phẩm, chúng chiếm hàm lượng lớn, liên kết với các chất khô trong thực phẩm chủ yếu ở dạng cơ lý, năng lượng để cắt đứt liên kết này nhỏ và dễ dàng được tách ra để kết tinh trong quá trình lạnh đông cũng như bốc hơi trong quá trình sấy và sấy thăng hoa [4], [6], [7], [28], [45].

- Đối với ẩm liên kết: Đây là loại ẩm tham gia vào cấu trúc tế bào của nguyên liệu. Ẩm ở dạng này liên kết với nguyên liệu ở dạng liên kết 20 hóa học (liên kết hydro, cộng hóa trị,… trao đổi ion ở lớp ngoài vỏ nguyên tử, ở dạng hấp phụ hóa học), năng lượng để cắt đứt liên kết này rất lớn, theo [4], [6], [28] năng lượng để tách ẩm liên kết gấp (7  9) lần so với tách ẩm tự do, đối tượng này rất khó tách khỏi nguyên liệu ẩm trong quá trình sấy. Đối với các loại thực phẩm, chúng chiếm hàm lượng nhỏ, và thường tồn tại dưới dạng liên kết hóa học. Năng lượng cắt đứt liên kết này rất lớn và khó tách ra để kết tinh trong quá trình lạnh đông cũng như trong quá trình sấy và sấy thăng hoa [4], [6], [7], [26], [28], [45].

Nhiệt độ kết tinh của ẩm trong nguyên liệu ẩm Nhiệt độ kết tinh của ẩm trong nguyên liệu là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình lạnh đông cũng như trong quá trình sấy thăng hoa, bởi vì tại nhiệt độ đó ẩm trong nguyên liệu ẩm sẽ chuyển từ pha lỏng sang pha rắn. Nếu ẩm trong nguyên liệu là nước nguyên chất thì nhiệt độ kết tinh tại áp suất khí quyển 760 mmHg là Tkt = 00C [28]. Tuy nhiên, ẩm trong nguyên liệu là một dung dịch khá phức tạp, nhiệt độ kết tinh của chúng nhỏ hơn 00C, dao động trong khoảng Tkt = (-2,5  -0,5)0C [15], [26] dẫn đến thời gian quá trình lạnh đông tăng, làm tăng chi phí. Đối với thủy hải sản nhóm giáp xác: tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ, nhiệt độ kết tinh ẩm trong bản thân của chúng chưa được xác định và cũng chưa có phương pháp tính toán và tài liệu nào công bố để tham khảo.

Vì vậy, cần phải nghiên cứu tiến hành thực nghiệm để xác định nhiệt độ kết tinh của chúng, giúp cho việc giải các bài toán trao đổi nhiệt – tách ẩm sau này. Đặc tính hấp phụ và mao dẫn  Nghiên cứu cơ chế của nước liên kết với nguyên liệu nói chung và trên một bề mặt nguyên liệu nói riêng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong kỹ thuật sấy. Ở chế độ sấy tối ưu là cung cấp vừa đủ năng lượng (không thừa, không thiếu) cho nước trong nguyên liệu thắng các lực liên kết cơ – lý – hóa giữa nước và nguyên liệu để dịch chuyển ẩm từ trong lòng nguyên liệu ra bề mặt (khuếch tán nội) và bốc hơi vào môi trường (khuếch tán ngoại). Bản chất các liên kết giữa nước và nguyên liệu chủ yếu là hiện tượng hấp phụ, hiện tượng mao dẫn.