Mở đầu - Chương 2 Tổng quan - Chương 3 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu - Chương 4 Kết quả và bàn luận - Chương 5 Kết luận - Kiến nghị SVTH: LÂM NGỌC THẢO NHƢ Trang 4 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. NGUYỄN TẤN DŨNG CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Cơ sở khoa học sấy thăng hoa 2.1 Định nghĩa sấy thăng hoa Theo Adams, Cook [7], sấy thăng hoa (Freeze drying) còn được gọi là sấy đông khô (Lyophilization). Sấy thăng hoa được xem là một trong những kỹ thuật và công nghệ sấy hiện đại nhất ngày nay. Ngoài ra gần đây trên thế giới đã có những nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa vào việc đông khô tế bào sống của con người [8].
Mặt khác, phương pháp sấy thăng hoa cũng được vận dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như trong ngành dược phẩm để bảo quản các chất có hoạt tính sinh học hay trong công nghệ sinh học dùng để bảo quản nhiều loại vật liệu nhạy cảm với nhiệt như vaccine, protein, vi khuẩn, dược phẩm, các mô và huyết tương [6, 9] Sấy thăng hoa còn được gọi là một kỹ thuật khử nước trong sản phẩm. Điều khác biệt giữa sấy thăng hoa và các phương pháp sấy khác là sự khử nước diễn ra trong khi sản phẩm ở trạng thái đông lạnh và dưới áp suất chân không. Chính những điều kiện này đã giúp ổn định sản phẩm, giảm thiểu tác động của quá trình oxy hóa và các quá trình suy thoái khác [10]. Nói một cách khoa học, sấy thăng hoa là quá trình tách nước ra khỏi sản phẩm từ thể rắn (lạnh đông) sang thể hơi mà không qua trạng thái lỏng trong điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất chân không dưới điểm ba thể O (0.58 mmHg), tức là nhiệt độ dưới điểm kết tinh của độ ẩm trong sản phẩm (Tk < 0 , áp suất dưới 4.
Đối với các phương pháp sấy khác, phương pháp sấy thăng hoa có thể mang lại các sản phẩm chất lượng cao vì hầu hết các phản ứng làm sản phẩm xấu đi bị chậm lại hoặc dừng (nghĩa là giảm thiểu sự mất mát của mùi hương và mùi vị, duy trì tối đa chất dinh dưỡng, cấu trúc giòn xốp của sản phẩm) do trong thực phẩm không có chất lỏng là nước cùng với sự vắng mặt của oxy trong chân không và việc sử dụng nhiệt độ thấp [11]. SVTH: LÂM NGỌC THẢO NHƢ Trang 5 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. NGUYỄN TẤN DŨNG 2.2 Nguyên lý sấy thăng hoa Như đề cập ở trên sự thăng hoa xảy ra khi áp suất và nhiệt độ dưới điểm ba thể. Vật liệu đem sấy thăng hoa trước tiên được làm đông lạnh và sau đó chịu nhiệt độ cao trong chân không bằng cách dẫn điện.
Gradient nồng độ của hơi nước giữa bề mặt làm khô và bình ngưng là động lực để loại bỏ nước trong quá trình thăng hoa [12].1 Đồ thị làm việc của buồng sấy thăng hoa [4] 1 – nhiệt độ tấm gia nhiệt; 2 – nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa; 3 – nhiệt độ thực phẩm sấy; 4 – nhiệt độ ở lối ra buồng thăng hoa; 5 – độ ẩm của sản phẩm sấy; 6 – áp suất buồng sấy thăng hoa. Theo Nowak and Jakubczyk [13], nước có trong sản phẩm có thể là nước liên kết và nước tự do. Nước tự do có thể đóng băng nhưng nước liên kết thì không. Trong quá trình sấy thăng hoa, tất cả nước đá và nước liên kết phải được loại bỏ khỏi vật liệu sấy.
Chính vì vậy mà sấy thăng hoa là quá trình rất phức tạp và được chia làm ba giai đoạn: SVTH: LÂM NGỌC THẢO NHƢ Trang 6 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. NGUYỄN TẤN DŨNG Giai đoạn lạnh đông sản phẩm Nguyên liệu sau khi được sơ chế đem đi lạnh đông để ẩm trong vật liệu sấy kết tinh. Đây được xem là bước quan trọng trong quy trình sấy thăng hoa nhưng trước đây thường bị bỏ qua [11]. Sản phẩm trong giai đoạn lạnh đông thường được cấp đông từ nhiệt độ của sản phẩm (20 ÷ 25) oC xuống đến nhiệt độ (-35 ÷ -30)oC khi ở nhiệt độ này, nước trong sản phẩm sấy đóng băng gần như hoàn toàn.
Tùy theo tính chất của vật liệu sấy mà có nhiệt độ lạnh đông thích hợp ví dụ như đối với các loại rau củ quả là -18 ÷ -25oC; đối với thịt và các loại hải sản là -25 ÷ -30oC [4, 5].1, đường (6) – áp suất trong buồng sấy thăng hoa cũng như trong buồng lạnh hầu như không thay đổi, bằng với áp suất khí quyển, thực tế áp suất có sự xê dịch nhưng không đáng kể bỏi vì trong quá trình lạnh đông, không khí giảm dẫn đến áp suất giảm. Lượng ẩm của thực phẩm trong giai đoạn này thoát ra rất ít, chủ yếu là sự bay hơi do hiện tượng thăng hoa nước trên bề mặt thực phẩm. Vì có sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường sấy thăng hoa và lớp không khí sát bề mặt của thực phẩm nên dẫn đến việc thoát ẩm. Ngoài ra, nguyên nhân làm bay hơi ẩm còn do sự chênh lệch nhiệt độ thực phẩm lạnh đông với nhiệt độ môi trường đông lạnh.
Giai đoạn lạnh đông kết thúc khi nhiệt độ vật liệu sấy đạt tới nhiệt độ lạnh đông thích hợp để ẩm bên trong vật liệu sấy kết tinh hoàn toàn trước sấy thăng hoa [6]. Giai đoạn sấy thăng hoa (sấy sơ cấp) Giai đoạn sấy thăng hoa diễn ra ngay sau khi sản phẩm đạt tới nhiệt độ lạnh đông thích hợp thì ngừng quá trình lạnh đông, ở giai đoạn này sẽ tạo áp suất chân không rồi bắt đầu gia nhiệt cho nguyên liệu đã lạnh đông trong buồng sấy để nước thăng hoa [6, 14]. Khi quá trình thăng hoa diễn ra cho một vật liệu nhất định, các thông số cho quá trình này nên được xác định: áp suất trong buồng, cường độ cung cấp nhiệt. Nhiệt được cung cấp phụ thuộc vào phương pháp gia nhiệt.
Trong trường hợp gia nhiệt bằng nhiệt thông thường thì việc thiết lập nhiệt độ thích hợp là cần thiết. Nói một cách khác, ngay lúc giai đoạn lạnh đông kết thúc, bơm chân không bắt đầu làm việc dẫn đến áp suất trong buồng sấy hạ xuống tạo ra môi trường sấy là môi trường chân không, áp suất có biến thiên nhưng hầu như không đổi Pm = (0. Một khi áp suất trong buồng sấy giảm xuống dưới SVTH: LÂM NGỌC THẢO NHƢ Trang 7 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. NGUYỄN TẤN DŨNG áp suất hơi của nước đá trong sản phẩm, hiện tượng thăng hoa có thể diễn ra, nghĩa là các tinh thể đá sẽ bị loại bỏ và chuyển trực tiếp thành hơi nước, hơi nước sẽ được vận chuyển đến thiết bị hóa đá và lắng đọng lại.
Hay nói một cách khác, khi lựa chọn áp suất môi trường sấy thì cần phải thấp hơn áp suất hơi của tinh thể băng nhằm tạo điều kiện cho quá trình thăng hoa của tinh thể băng, từ đó đưa hơi nước đến thiết bị ngưng tụ (thiết bị hóa đá), tại thiết bị này hơi nước sẽ được lắng đọng dưới dạng băng [12]. Đồng thời trong lúc này, sản phẩm sẽ được gia nhiệt bằng nhiệt thông thường từ tấm kim loại tỏa ra đốt nóng làm cho sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường sấy và sản phẩm khá lớn. Kết quả là làm cho nước trong sản phẩm bắt đầu quá trình thăng hoa một cách mãnh liệt, độ ẩm giảm nhanh và gần như là tuyến tính (xem đường (5)). Cho nên, giai đoạn sấy thăng hoa còn được xem là giai đoạn sấy đẳng tốc, do tại đây phần lượng nhiệt mà sản phẩm nhận được trong giai đoạn này dùng để biến thành nhiệt ẩn thăng hoa, vì vậy mà nhiệt độ sản phẩm xem như không có thay đổi (xem đường (3)).
Dựa trên lý thuyết thì nhiệt độ sản phẩm hầu như không thay đổi, tuy nhiên thực tế thì nhiệt độ của sản phẩm lại tăng khá chậm, vào thời gian cuối của quá trình sấy thăng hoa nhiệt độ sản phẩm sấy tăng dần từ (-30 ÷ -25)oC đến 0.0098oC, nói chính xác hơn thì là nhiệt độ kết tinh ẩm trong sản phẩm, tại thời điểm này có thể kết thúc giai đoạn sấy sơ cấp [6]. Để sản phẩm đạt chất lượng tốt nhất thì kết thúc quá trình sấy thăng hoa, độ ẩm của sản phẩm phải đạt yêu cầu. Có như vậy thì mới kết thúc quá trình sấy tại đây và không có giai đoạn sấy thứ cấp hay còn gọi là sấy chân không [4]. Giai đoạn sấy chân không (sấy thứ cấp) ở nhiệt độ thấp Do trong giai đoạn lạnh đông, chúng ta không thể chuyển toàn bộ lượng nước trong nguyên liệu sang dạng rắn nên sau giai đoạn sấy thăng hoa là giai đoạn sấy chân không để tách thêm một phần ẩm ở dạng lỏng trong nguyên liệu, điều này giúp đảm bảo độ ẩm của nguyên liệu sau quá trình sấy và đạt giá trị yêu cầu (dưới 6%) [14].
Theo nghiên cứu của Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự, cuối quá trình sấy thăng hoa, nhiệt độ của sản phẩm đã đạt tới Tkt (oC), áp suất môi trường sấy chân không không thay đổi nhưng áp suất riêng phần của ẩm còn lại trong sản phẩm lúc này lớn hơn 4. Cho nên ẩm trong sản phẩm bắt đầu trở về trạng thái lỏng. Do áp suất môi trường sấy là áp suất chân không (0.001 1)oC mmHg và nó được duy trì SVTH: LÂM NGỌC THẢO NHƢ Trang 8 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. NGUYỄN TẤN DŨNG bằng bơm chân không nên sản phẩm sấy vẫn tiếp tục gia nhiệt bằng nhiệt thông thường.
Dẫn đến hiện tượng độ ẩm không ngừng thay đổi từ pha lỏng sang hơi rồi khuếch tán vào môi trường sấy trước khi đến thiết bị ngưng tụ và đóng băng. Như vậy, giai đoạn làm bay hơi ẩm còn lại trong vật liệu sấy chính là giai đoạn sấy chân không (sấy thứ cấp) ở nhiệt độ thấp. Động lực để tách ẩm trong quá trình bay hơi – khuếch tán vẫn là chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước và nhiệt độ giữa sản phẩm và môi trường sấy [4]. Sản phẩm sau khi sấy thăng hoa bảo quản bằng cách cho vào túi PE, ghép mí chân không thật kín để tránh sự xâm nhập của không khí.
Bởi vì khi có mặt của oxy sẽ làm tăng độ ẩm từ đó gây ra các quá trình biến đổi hóa học làm ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm. Các sản phẩm sử dụng phương pháp sấy thăng hoa thường được bảo quản ở nhiệt độ thường [6]. Giai đoạn sấy thứ cấp kết thúc khi độ ẩm đạt yêu cầu hoặc nhiệt độ giữ các tấm gia nhiệt, nhiệt độ môi trường sấy và nhiệt độ sản phẩm bằng nhau như Hình 2.1 có thể thấy đường (1), (2), (3) giao nhau tại một điểm.