CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TỔNG QUAN 1. Cơ sở khoa học của quá trình sấy lạnh 1. Phương pháp sấy lạnh Phương pháp sấy lạnh được sử dụng công nghê sấy ở nhiệt độ thấp để bảo quản và chế biến thực phẩm bằng cách giảm độ ẩm trong không khí để tạo sự chênh lệch áp suất giữa hơi nước trong sản phẩm và trong không khí, khi đó độ ẩm sẽ được tách ra khỏi sản phẩm và đi vào không khí. Khi làm lạnh không khí trong thiết bị trao đổi nhiệt xuống thấp hơn nhiệt độ đọng sương của nước trong không khí.
Nước trong không khí khí sẽ ngưng đọng và tách ra khỏi không khi sẽ làm cho không khí trở nên khô hơn, áp suất trong không khí sẽ giảm về 0, khi đó không khí sẽ đi qua thiết bị ngưng tụ để trao đổi nhiệt đốt nóng tác nhân sấy, sau đó tác nhân sấy đi vào buồng sấy để sấy khô thực phẩm. Do nhiệt độ môi trường sấy không cao, nên chất lượng sản phẩm sau khi trải qua quá trình sấy được đảm bảo hơn, có thể giữ lại các giá trị cảm quan của sản phẩm [1] Ưu điểm của phương pháp sấy lạnh là có thể xây dựng từng quy trình công nghệ cho từng loại sản phẩm khác nhau và có thể tùy chỉnh các thông số dễ dàng đẻ phù hợp với từng loại sản phẩm. Sấy lạnh là phương pháp có thể hạn chế được sự thất thoát hàm lượng dinh dưỡng của sản phẩm trong quá trình sấy, gia tăng giá trị, cảm quan của sản phẩm, đảm bảo chất lượng, an toàn vệ sinh thực phẩm. Phương pháp sấy lạnh thường được sử dụng trong điều kiện áp suất khí quyển, dùng không khí khô để sấy các loại thực phẩm khác nhau.
Các phương pháp sấy lạnh 1. Nguyên lý sấy lạnh Quá trình sấy được tiến hành ở áp suất khí quyển, tác nhân sấy là không khí được đưa vào thiết bị bay hơi của một hệ thống lạnh để được xử lý trước khi đưa vào buồng sấy. Thực phẩm được sấy khô theo phương pháp sấy lạnh, được vận hành theo một quy trình tuần hoàn, khép kín, qua 2 giai đoạn như sau: GVHD: PGS. TS NGUYỄN TẤN DŨNG 1 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: HUỲNH NHƯ KIỀU KHANH - Giai đoạn đầu: Quy trình tạo ra dòng không khí sấy khô và lạnh.
Không khí được hút qua các ống của hệ thống dàn lạnh. Khi đó, hơi nước trong không khí sẽ được làm lạnh đến nhiệt độ ngưng tụ để tách ẩm tạo thành dòng không khí khô. - Giai đoạn 2: Quy trình sấy khô sản phẩm sấy lạnh. Không khí khô sẽ được làm nóng ở nhiệt độ từ 30 đến 50 độ C, độ ẩm không khí sấy vào khoảng 10-30%.
Sau đó, chúng sẽ được đưa vào buồng sấy. Điều tiết, phân phối theo từng dòng, chuyển động tuần hoàn trong buồng sấy. Các dòng khí khô nóng này thấm vào thực phẩm, làm cho thực phẩm trở nên khô nhanh hơn. Không khí đưa vào buồng sấy đã được làm khô hoàn toàn nên hơi nước trong sản phẩm có thể khuếch tán ra ngoài liên tục.
Hơi nước được ngưng tụ ở hệ thống làm lạnh sẽ thoát ra ngoài và không khí bên ngoài lại được hút vào trong, được tách ẩm, được gia tăng nhiệt độ, tiếp tục xuyên qua thực phẩm, làm khô thực phẩm. Quá trình này diễn ra tuần hoàn, liên tục, cho đến khi sản phẩm đạt yêu cầu. Nhiệt độ sấy lạnh thường từ 40-45oC, nếu muốn cao hơn thì phải cấp nhiệt bổ sung hoặc sử dụng thiết bị ngưng tụ phụ, nên chất lượng sản phẩm ít bị ảnh hưởng, có chất lượng tốt, mang lại giá trị kinh tế cao. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy lạnh 1.
Đặc điểm của quá trình truyền nhiệt và truyền chất Trong phương pháp sấy lạnh, thế sấy của không khí tăng nhờ vào quá trình tách ẩm ở thiết bị bay hơi và quá trình gia nhiệt bằng hệ thống ngưng tụ trong các máy lạnh. TS NGUYỄN TẤN DŨNG 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: HUỲNH NHƯ KIỀU KHANH Quan trọng nhất là quá trình làm lạnh không khí trong thiết bị lạnh để tác nhân sấy có nhiệt độ và độ chứa hơi (d) nhỏ đảm bảo cho quá trình truyền nhiệt, truyền chất giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy xảy ra ở điều kiện gradient nhiệt độ và gradient áp suất cùng chiều. Ngoài ra, chiều dài ống dẫn của dòng không khí trong quá trình tách ẩm ở dàn lạnh cũng là yếu tố quan trọng. Do đó việc thiết kế, tính toán chế độ, cấu tạo của dàn lạnh cũng quan trọng vì nó ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong hệ thống sấy lạnh.
Ưu và nhược điểm của phương pháp sấy lạnh a. Ưu điểm Phương pháp sấy lạnh có ưu điểm là quá trình sấy có khoảng nhiệt độ và độ ẩm tác nhân sấy rộng, nhiệt độ sấy thấp và hiệu quả sử dụng năng lượng cao. Phương pháp này không những hút ẩm thực phẩm, sấy các loại bột không chịu được nhiệt độ cao mà còn có thể sấy các loại thực phẩm nông sản tươi mà hàm lượng vitamin, dinh dưỡng trong sản phẩm được bảo đảm tốt nhất. Phương pháp này còn có khả năng tự động hóa cao, dễ vận hành, an toàn, khả năng hút ẩm cũng lớn.
Quá trình có thể tái tuần hoàn tác nhân sấy, tác nhân sấy có vai trò trung gian trong việc hấp thụ nước từ vật liệu sấy được ngưng tụ ở dàn lạnh và thải ra ngoài. Tiết kiệm năng lượng, chi phí đầu tư thấp và cho năng suất cao. Nhược điểm Tuy phương pháp này có nhiều ưu điểm nhưng cũng có những nhược điểm cần phải khắc phục. Thời gian sấy tương đối lâu thường là 8-16 giờ do sự chênh lệch áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy khá thấp.
Các thông số khó điều chỉnh để phù hợp với công nghệ. Chi phí đầu tư và sản xuất khá cao, phí bảo trì cũng rất đắt do thiết bị sử dụng những công nghệ và máy móc tiên tiến nhất. Các loại thực phẩm có thể sử dụng phương pháp sấy cũng không đa dạng, phù hợp cho loại thực phẩm chỉ biến tính khi gia nhiệt ở nhiệt độ cao. Hệ thống hiện nay vẫn sử dụng chất tải lạnh R22 không thân thiện với môi trường.
Ngoài ra còn do giới hạn của nhiệt độ tác nhân tải lạnh tại bộ phận ngưng tụ của hệ thống bơm nhiệt (theo chu trình Carnot) nên không thể GVHD: PGS. TS NGUYỄN TẤN DŨNG 3 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: HUỲNH NHƯ KIỀU KHANH gia nhiệt tác nhân sấy bằng hoặc cao hơn nhiệt độ giới hạn đã đề ra trong một số trường hợp. Giải pháp lắp thêm một hệ thống gia nhiệt hỗ trợ là tối ưu nhất để cải thiện hệ thống này. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy lạnh 1.
Nhiệt độ Nhiệt độ sấy ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc sản phẩm, sự thay đổi cấu trúc của vật liệu sấy là một trong các nguyên nhân quan trọng làm giảm chất lượng sản phẩm. Nhiệt độ sấy càng cao thì tốc độ làm khô sản phẩm càng nhanh nhưng nhiệt độ không được quá cao mà chỉ nằm trong giới hạn cho phép vì nếu nhiệt độ quá cao sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và trên bề mặt sản phẩm sẽ tạo ra một lớp màng làm cản trở sự thoát hơi ẩm ra ngoài môi trường. Nếu nhiệt độ quá tháp quá trình làm khô chậm thì chất lượng sản phẩm cũng giảm do sự biến đổi tính chất vật lý và hóa lý trong vật liệu sấy. Vì vậy nhiệt độ là yếu tố cần được cần kiểm soát ưu tiên để tránh chênh lệch độ ẩm quá cao giữa bên trong và bề mặt sản phẩm ảnh hưởng đến cấu trúc và chất lượng sản phẩm.
Độ ẩm không khí Độ ẩm không khí cũng là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sấy lạnh. Nếu độ ẩm không khí cao sẽ làm giảm khả năng giữ hơi nước, ức chế tốc độ bay hơi làm giảm chất lượng sản phẩm, thời gian sấy kéo dài, hiệu quả không cao [5] Để không làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm thì giảm độ ẩm không khí bằng cách làm lạnh để tách bớt một lượng nước trong không khí ẩm sau đó tăng nhiệt độ của không khí cho phù hợp để đưa vào thiết bị sấy. Khi ra khỏi thiết bị sấy, vật liệu sấy sẽ mang theo hơi ẩm nên độ ẩm sẽ tăng lên (khoảng 40-60%). Nếu độ ẩm thoát ra quá thấp thì sẽ gây tốn năng lượng, nhưng nếu quá cao thì sẽ bị đọng sương làm hư sản phẩm.
Điều chỉnh độ ẩm của không khí bằng cách điều chỉnh tốc độ lưu thông của nó và lượng vật liệu sấy trong buồng sấy. Tốc độ sấy GVHD: PGS. TS NGUYỄN TẤN DŨNG 4 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: HUỲNH NHƯ KIỀU KHANH Tốc độ sấy tỉ lệ thuận với thời gian sấy. Tốc đô sấy càng nhanh thì thời gian sấy càng dài và ngược lại nếu tốc độ sấy chậm thì thời gian dài sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
Sự thoát hơi ẩm của vật liệu sấy ra bên ngoài bị ảnh hưởng rất lớn bởi tốc độ sấy. Tốc độ sấy càng nhanh thì quá trình thoát hơi ẩm càng nhanh và thời gian sấy lạnh cành được đẩy nhanh. Tuy nhiên tốc độ sấy quá nhanh sẽ ảnh hưởng đến hàm lượng dinh dưỡng của một số sản phẩm. Kích thước vật liệu, độ dày lớp sấy Một số nghiên cứu cho rằng bề dày của sản phẩm có ảnh hưởng đến quá trình khuếch ẩm trong vật liệu sấy.
Bề dày nhỏ thì quá trình khuếch tán nội và ngoại diễn ra nhanh hơn, ít tạo ra quá trình tạo lớp màng trên bề mặt sản phẩm, nếu bề dày lớn thì quá trình khuếch tán nội chậm, tốn thời gian sấy hơn, làm giảm sự lưu thông của tác nhân sấy dẫn đến tình trạng một số sản phẩm sẽ không được khô. Các nhân tố khác ảnh hưởng đến quá trình sấy - Lượng không khí ẩm lưu thông trong hệ thống sấy lạnh cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy. Trong thiết bị sấy, không khí lưu thông tự nhiên với vận tốc nhỏ hơn 0,4 m/s. Tốc độ không khí lưu thông chậm thì quá trình sấy lâu, thời gian sấy kéo dài ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, hương vị màu sắc không được như mong muốn.
Để tốc độ lưu thông ổn định thì phải dùng quạt để thông gió với vận tốc từ khoảng 0,4m/s đến 4,0m/s. Nếu lớn hơn 4,0m/s sẽ gây ra tổ hại nhiệt lượng. - Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy cao thì phải cần nhiều năng lượng để bay hơi ẩm ra môi trường, để sản phẩm cuối của quá trình sấy đạt độ ẩm yêu cầu công nghệ.