CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Cơ sở khoa học của máy sấy thăng hoa 1. Định nghĩa Sấy thăng hoa hay còn gọi là sấy đông khô là một phương pháp sấy tách nước hoặc dung môi từ sản phẩm đông lạnh bằng quá trình thăng hoa hay còn gọi là kỹ thuật khử nước, hút ẩm. Đây là một phương pháp thích hợp để sấy các loại thực phẩm chứa các hợp chất nhạy cảm với nhiệt và dễ bị oxy hóa vì công nghệ sấy thăng hoa hoạt động ở nhiệt độ và áp suất thấp, dưới điểm ba thể O tương ứng với 4,58 mmHg hoặc 0,006atm và 0,0098oC được thể hiện trong hình 1.
Giản đồ trạng thái pha của nước Ở điều kiện áp suất PM không đổi, vì nhiệt được cấp vào nên ta thấy nhiệt độ của nước tăng từ TM đến TG, với nhiệt độ tăng như thế này nước đang ở trạng thái lỏng sau khi được cấp nhiệt vào sẽ chuyển thành dạng hơi hoặc khí (hình 1.1) ta sẽ thấy ở đường nhiệt đi từ M–G. Hiện tượng này thường xảy ra trong quá trình sấy nhiệt bình thường. Ở điều kiện áp suất PM < 760 mmHg cho thấy rằng áp suất sẽ giảm và nhiệt độ sấy không đổi.1 thì quá trình sẽ diễn ra theo đường M – L. Hiện tượng này xuất hiện trong quá trình sấy chân không.
SVTH: HUỲNH TRUNG ĐẠT Trang 24 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. NGUYỄN TẤN DŨNG Ở điều kiện PM không đổi sẽ làm giảm nhiệt độ của nước từ TM xuống TN = TR = TH trạng thái pha của nước sẽ diễn ra theo M – N, tại M nước đang ở trạng thái lỏng và tại N nước ở trạng thái rắn. Hiện tượng này xảy ra trong quá trình lạnh đông. Ở điều kiện áp suất PR không đổi < PO = 4.58mmHg với O là điểm ba thể của nước có nhiệt độ 0.58 mmHg, lúc này nước đang ở trạng thái rắn và có nhiệt độ TH = TR.
cho thấy ứng với một giá trị TH sẽ có một giá trị áp suất thăng hoa tương ứng là PH. Vì vậy nếu đặt nước đá trong môi trường có áp suất là PR với PH < PR < PO = 4.58 mmHg tương ứng thì ta sẽ có nhiệt độ thăng hoa là Tth = TF > TH khi đó nước chưa đến điểm thăng hoa ngay (điểm R) mà nó phải thực hiện giai đoạn truyền nhiệt từ R – F để nâng nhiệt độ từ TR = TH lên đến TF (tương ứng PR = PF), lúc này nước đá mới bắt đầu thăng hoa, tuy ở cùng nhiệt độ nhưng áp suất của điểm R và H khác nhau. Diễn biến của quá trình sẽ đi theo đường R – Q và cần một lượng nhiệt cấp vào Q = GndCnd(TF–TH), trong đó Gnd :khối lượng riêng của nước đá và Cnd :nhiệt dung riêng của nước đá, do đó tiêu tốn năng lượng và thời gian để nâng nhiệt trước khi thăng hoa. Nếu đặt nước đá trong môi trường có áp suất là ở điểm D, lúc này nhiệt độ ở điểm D sẽ nhỏ hơn điểm H, lúc này nước đá sẽ thăng hoa tại điểm H (điểm thăng hoa thực tế là điểm E) điều này có thể thấy được ở áp suất điểm PD < PH, lúc này chỉ cần cấp một lượng nhiệt sao cho ΔT = TH – TD chính vì thế mà tra có thể rút ngắn được thời gian thăng hoa của nước, các hiện tượng này thường xảy ra trong sấy thăng hoa.
Vì vậy điều kiện đầu tiên quyết định để nước đá thăng hoa là khi được đặt trong môi trường có nhiệt độ và áp suất nhỏ hơn điểm ba thể của nước hoặc tại điểm O (0. Nguyên lý hoạt động Quá trình sấy thăng hoa gồm 3 giai đoạn: - Giai đoạn làm lạnh đông. - Giai đoạn sấy thăng hoa. - Giai đoạn sấy chân không nhiệt độ thấp.
SVTH: HUỲNH TRUNG ĐẠT Trang 25 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. NGUYỄN TẤN DŨNG Hình 1. Đồ thị hoạt động trong buồng sấy thăng hoa. Đồ thị hoạt động trong buồng sấy thăng hoa sử dụng nhiệt là nguồn bức xạ với nhiệt độ lạnh đông dao động trong khoảng (-35 ÷ -30)0C.
Với kí hiệu như sau: 1- nhiệt độ của tấm gia nhiệt kim loại, 2- nhiệt độ của môi trường sấy thăng hoa, 3- nhiệt độ của vật liệu sấy, 4- nhiệt độ ở lối ra của buồng sấy, 5- độ ẩm của vật liệu sấy, 6- áp suất của buồng sấy. Giai đoạn lạnh đông Các nguyên liệu chuẩn bị được bắt đầu cấp đông để độ ẩm trong nguyên liệu sấy từ thể lỏng sang trọng thể rắn .Các nguyên liệu được làm đông từ (20-25)°C đến ((- 20)-(-25))°C, ở nhiệt độ này độ ẩm trong sản phẩm gần như kết tinh hoàn toàn. Tùy theo mỗi loại thực phẩm mà nhiệt độ lạnh đông sẽ khác nhau.2, đường (3) là đường biểu diễn nhiệt độ của nguyên liệu sấy, ở giai đoạn này thì áp suất trong buồng sấy (đường (6)) và buồng lạnh đông thay đổi không đáng kể, bằng với áp suất của khí quyển. Nguyên nhân là vì khi thực hiện quá trình cấp đông thì làm giảm nhiệt độ dẫn đến áp suất giảm theo (thể tích buồng sấy là không thay đổi và luôn ở trạng thái kín).
bởi vì quá trình làm lạnh, nhiệt độ không khí giảm dẫn đến áp suất giảm mà thể tích buồng sấy không thay đổi và khép kín. Nên ở giai đoạn này độ ẩm giảm đi không đáng kể, chủ yếu là quá trình thăng hoa và bay hơi nước trên bề mặt sản phẩm. Sự bay hơi ẩm là do sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường sấy thăng hoa trên bề mặt SVTH: HUỲNH TRUNG ĐẠT Trang 26 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. NGUYỄN TẤN DŨNG thực phẩm.
Đồng thời, sự chênh lệch nhiệt độ lạnh đông của sản phẩm với nhiệt độ lạnh đông của môi trường cũng là nguyên nhân làm thoát hơi ẩm để có xu hướng dẫn đến trạng thái cân bằng nhiệt. Giai đoạn sấy thăng hoa Khi sản phẩm đạt đến nhiệt độ cấp đông phù hợp thì quá trình làm lạnh thì quá trình làm lạnh sẽ được ngừng lại và chuyển sang giai đoạn sấy thăng hoa, bơm chân không bắt đầu hoạt động để hút hết không khí bên trong buồng sấy, áp suất lúc này hạ rất nhanh và gần như không thay đổi Pm = (0,001 ÷ 1) mmHg (đường (6)). Vì sự chênh lệch giữa áp suất của hơi nước Pmn và áp suất riêng phần của hơi nước ở nguyên liệu sấy là quá lớn, cùng với lượng nhiệt bức xạ từ các tấm gia nhiệt bằng kim loại tỏa ra để đốt nóng đã làm cho nhiệt độ nguyên liệu sấy và nhiệt độ trong buồng sấy thăng hoa chênh lệch khá lớn. Điều này dẫn đến lượng ẩm trong nguyên liệu thăng hoa mãnh liệt và giảm rất nhanh (đường (5)).
Chính vì vậy, giai đoạn sấy thăng hoa có thể được coi là giai đoạn sấy với tốc độ không đổi, trong đó phần nhiệt lượng bức xạ mà sản phẩm sấy nhận được trong giai đoạn này được sử dụng để chuyển thành ẩn nhiệt thăng hoa. Lượng nhiệt được bức xạ từ các tấm kim loại mà vật liệu sấy nhận được trong giai đoạn sấy thăng hoa được sử dụng để trở thành nhiệt ẩn thăng hoa và nhiệt độ của nguyên liệu sấy gần như không có sự thay đổi. Trong thực tế, nhiệt độ nguyên liệu sấy có hiện tượng tăng nhưng rất chậm và tăng dần từ (-35 ÷ -30)0C đến 0,00980C (nhiệt độ kết tinh của sản phẩm Tkt). Trong giai đoạn sấy thăng hoa, phần nước hấp thụ (nước không đông lạnh) trong nguyên liệu đã sấy khô sẽ được hấp phụ (sấy chân không nhiệt độ thấp).
Thời gian mà tại đó không còn lớp đóng băng nữa (nghĩa là bề mặt không có sự thăng hoa nữa). Đây là dấu hiệu sự kết thúc của giai đoạn sấy sơ cấp. Ở giai đoạn này thì nhiệt độ của lối ra buồng sấy gần như không đổi (đường (4)). Điều này dẫn đến nhiệt độ của bình ngưng tụ cũng không thay đổi trong suốt giai đoạn sấy thăng hoa.
Nhiệt độ của các tấm gia nhiệt kim loại gần như không đổi trong suốt giai đoạn sấy thăng hoa theo đường (1) và đường (2) (hình 1. Nhiệt độ của các tấm kim loại này thường xê dịch trong khoảng (0÷45)0C và nhiệt độ của môi trường sấy thăng hoa tương ứng là khoảng (0÷40)0C. Đặc biệt, kết thúc quá trình thăng hoa. Để nâng cao chất lượng sản phẩm sau khi sấy thì ẩm kết tinh phải thăng hoa hết, độ ẩm sản phẩm đạt yêu cầu và nhiệt độ sản phẩm SVTH: HUỲNH TRUNG ĐẠT Trang 27 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.
NGUYỄN TẤN DŨNG lớn hơn nhiệt độ kết tinh của nước trong sản phẩm (Tkt). Khi đó, độ ẩm còn lại trong sản phẩm rất nhỏ, chủ yếu là ẩm liên kết chỉ tồn tại ở pha lỏng. Giai đoạn sấy chân không Kết thúc giai đoạn thăng hoa, nhiệt độ thực phẩm sấy đạt tới Tkt (oC), áp suất môi trường sấy không đổi, nhưng áp suất riêng phần của nước còn lại trong sản phẩm lớn, biến thiên trong khoảng từ (0,001÷1) mmHg, tuy nhiên thì áp suất riêng phần của nước còn lại bên trong vật liệu sấy cao hơn 4,58 mmHg (áp suất ở điểm ba). Điều này làm ẩm ở bên trong vật liệu sấy trở lại trạng thái lỏng.
Bơm chân không luôn duy trì áp suất buồng sấy từ (0,001÷1) mmHg nên các tấm gia nhiệt luôn bức xạ đến vật liệu sấy để ẩm liên tục thay đổi pha từ lỏng sang hơi rồi bay vào môi trường bên trong buồng sấy và đi về thiết bị ngưng tụ. Giai đoạn sấy này liên quan đến việc loại bỏ nước không được đóng băng (đây được gọi là nước hấp thụ hoặc nước liên kết). Và sự chênh lệch giữa nhiệt độ nguyên liệu sấy với áp suất riêng phần của hơi nước vẫn chính là động lức cho quá trình bay hơi và khuếch tán này. Giai đoạn sấy chân không nhiệt độ thấp bắt đầu vào cuối giai đoạn sấy thăng hoa và hơi nước đã hấp phụ được vận chuyển qua các lỗ rỗng của nguyên liệu sấy.
Kết thúc giai đoạn sấy chân không nhiệt độ thấp thì độ ẩm của sản phẩm đầu ra sẽ đạt yêu cầu hoặc nhiệt độ của môi trường sấy, các tấm gia nhiệt kim loại và nhiệt độ nguyên liệu sấy phải bằng nhau.2, ta thấy đường (1), đường (2) và đường (3) giao nhau tại một điểm. Tại điểm giao nhau xảy ra hiện tượng cân bằng ẩm và cân bằng nhiệt; hàm lượng nước trong nguyên liệu sấy không thể bốc hơi được nữa dẫn đến độ ẩm của sản phẩm đầu ra đạt đến độ ẩm cân bằng (đường (5)). Quá trình ẩm di chuyển trong giai đoạn sấy thăng hoa rất khác với khi ẩm di chuyển trong các phương pháp sấy khác hoạt động ở áp suất khí quyển với P = 760 mmHg = 1atm.
