CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TÍNH CẤP THIẾT ĐỀ TÀI Hiện tại, Thành phố Hồ Chí Minh một trong những trung tâm đào tạo nguồn nhân lực lớn nhất cả nước, có tất cả 17 trường đại học cao đẳng đào tạo khối ngành công nghệ thực phẩm và các nghành có liên quan nhưng chỉ duy nhất ba trường: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM, Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM có trang bị hệ thống thiết bị máy sấy phun với quy mô phòng thí nghiệm để sinh viên có thể tiến hành thí nghiệm và khảo sát mẫu. Vì thế, nhu cầu trang bị một hệ thống sấy phun tại các trường Đại học và Cao đẳng ở khu vực phía nam là khá cao. Hệ thống máy sấy phun ở các trường đại học hiện tại gồm nhiều kích cỡ, mẫu mã khác nhau nhưng đều được nhập khẩu từ các nước phát triển.
Chi phí nhập khẩu khá cao sẽ là rào cảng lớn để các trường Đại học có thể trang bị một hệ thống sấy phun này. Do máy được nhập khẩu nên khi có sự cố xảy ra sẽ rất khó để sửa chữa, thay thế các bộ phận trong hệ thống. Một số máy sấy phun hiện tại sử dụng đầu phun áp lực hoặc khí nén nên thường xuyên xảy ra sự cố tắc nghẽn hệ thống nhập liệu, quá trình sấy thường xuyên bị gián đoạn, hiệu xuất thu hồi sản phẩm không được cao. Nhiều trường học và công ty phải tốn chi phí cho việc thuê mướn thiết bị sấy phun tại các trung tâm hoặc trường Đại học khác.
Hiện tại nhu cầu trang bị một hệ thống máy sấy phun tại các trường Đại học, các công ty xí nghiệp là khá cao. Do biết được điều này nên chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống máy sấy phun để đáp ứng những nhu cầu này. GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH SẤY PHUN 1. Sấy phun Sấy phun là một phương pháp sản xuất bột khô từ một nguồn nguyên liệu dạng lỏng hoặc dạng nhũ tương dưới sự tác động của tác nhân sấy là dòng không khí nóng.
Dòng nguyên liệu sẽ được phun thành các hạt sương nhờ một cơ cấu phun đặt biệt và nước trong nguyên liệu sẽ được làm bay hơi nhanh chóng nhờ nhiệt độ cao của dòng không khí nóng. Đây là phương pháp phù hợp với nhiều vật liệu nhạy cảm với nhiệt trong thực phẩm và dược phẩm do thời gian sấy khá ngắn (khoảng vài giây). Không khí là tác nhân sấy chủ yếu 1 do an SVTH: CAO NHÂN NGHĨA GVHD: ThS. LÊ HOÀNG DU nhưng nếu nguyên liệu có chứa dung môi dễ cháy như cồn hoặc các sản phẩm nhạy cảm với oxy thì khí nito sẽ là tác nhân sấy thay thế [9].
Hiện nay, sấy phun được ứng dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp để tạo nên các sản phẩm phù hợp. Gần đây, sấy phun cũng được áp dụng để tạo ra các hạt có kích thước micron nhưng rỗng bên trong, phù hợp với nhiều ứng dụng cho nhiều ngành nghề khác nhau. Hệ thống sấy phun Hệ thống sấy phun gồm có buồng sấy phun, bộ phận nhập liệu (bơm nhập liệu và cơ cấu phun), hệ thống quạt, calorifer để cấp nhiệt cho tác nhân sấy, bộ phận thu hồi sản phẩm sấy và bộ phận điều khiển được thể hiện ở hình 1. Hệ thống mô hình thiết bị sấy phun A: Đường vào của nguyên liệu; B: Khí nén hoặc động cơ; T inlet: Nhiệt độ vào; T outlet: Nhiệt độ ra; 1: Tác nhân sấy ; 2: Calorifer; 3: Bộ phận nhập liệu; 4: Buồng sấy; 5:Đường ống; 6: Cyclone; 7: Dòng khí khí thoát ra ngoài; 8: Bộ phận thu nhận sản phẩm Đầu tiên, nguyên liệu theo đường nhập liệu A sẽ được đưa vào cơ cấu vòi phun (3) và được phân tán thành các hạt sương nhỏ trong buồng sấy (4) nơi mà các hạt sương sẽ được tiếp xúc với dòng không khí nóng đã được gia nhiệt từ calorifer (2).
Tại đây, sản phẩm dưới 2 do an SVTH: CAO NHÂN NGHĨA GVHD: ThS. LÊ HOÀNG DU dạng bột được hình thành, hỗn hợp bột và khí theo đường ống (5) qua xylon (6), bột lắng xuống bình chứa mẫu (8) và không khí ẩm được quạt hút ra ngoài theo đường ống (7). Nguyên lý của phương pháp sấy phun Nguyên lý hoạt động của sấy phun: một hệ phân tán mịn của nguyên liệu từ chất lỏng hòa tan, nhũ tương hay huyền phù sẽ được cô đặc đến khi đạt hàm lượng chất khô ít nhất là 20%, thường thì khoảng 45%. Sau đó nguyên liệu sẽ theo đường ống của bơm nguyên liệu được phun qua cơ cấu nạp nguyên liệu hình thành những giọt mịn trong buồng sấy.
Song song với quá trình này, tác nhân sấy nhờ quạt được thổi qua bộ lọc, bộ trao đổi nhiệt calorifer để nâng nhiệt độ lên theo yêu cầu của chế độ sấy. Bên trong buồng sấy, giọt lỏng nguyên liệu và tác nhân sấy tương tác cùng chiều hoặc ngược chiều tùy thuộc vào cấu tạo của thiết bị. Kết quả là hơi nước được bốc đi nhanh chóng, sản phẩm thu được có độ ẩm không quá 5%. Bột sản phẩm từ hỗn hợp với tác nhân sấy được tách ra nhờ hệ thống thu hồi riêng, còn dòng khí được thoát ra ngoài nhờ lực hút của quạt [1].
Các giai đoạn trong quá trình sấy phun Quá trình sấy phun bao gồm ba giai đoạn cơ bản sau: Giai đoạn phân tán dòng nhập liệu thành những hạt sương nhỏ li ti (giai đoạn phun sương). Giai đoạn trộn mẫu cần sấy và không khí nóng, khi đó sẽ xảy ra quá trình bốc hơi nước trong mẫu. Giai đoạn thu hồi sản phẩm sau khi sấy từ dòng khí thoát 1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy phun Nồng độ chất khô của nguyên liệu Nồng độ cao: giảm được thời gian bốc hơi nhưng lại tăng độ nhớt của nguyên liệu, gây khó khăn cho quá trình sấy.
Nồng độ thấp: tốn nhiều thời gian và năng lượng cho quá trình. 3 do an SVTH: CAO NHÂN NGHĨA GVHD: ThS. LÊ HOÀNG DU Thực tế nồng độ vào khoảng 45 – 52% Nhiệt độ tác nhân sấy Đây là một trong những yếu tố ảnh hưởng quyết định đến độ ẩm của sản phẩm sau khi sấy phun. Khi cố định thời gian sấy, độ ẩm của bột sản phẩm thu được sẽ giảm đi nếu tăng nhiệt độ tác nhân sấy.
Tuy nhiên, việc gia tăng nhiệt độ cao có thể gây phân hủy một số cấu tử trong nguyên liệu mẫn cảm với nhiệt và làm tăng mức tiêu hao năng lượng cho toàn bộ quá trình. Kích thước, số lượng và quỹ đạo chuyển động của các hạt nguyên liệu trong buống sấy. Nếu cố định tốc độ nhập liệu, kích thước và số lượng của hạt nguyên liệu có tác động qua lại với nhau. Nếu kích thước hạt càng lớn thì số lượng hạt nguyên liệu càng nhỏ và ngược lại.
Cùng với đó, thời gian sấy và chất lượng sản phẩm cũng bị ảnh hưởng. Ngoài ra, mỗi cơ cấu phun sẽ tạo ra các quỹ đạo chuyển động của hạt nguyên liệu khác nhau, từ đó góc tán phun cũng thay đổi, làm thay đổi kích thước buống sấy và toàn bộ qus trình sấy phun. Các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy phun là tốc độ bơm đưa dòng nhập liệu vào cơ cấu phun sương, lưu lượng không khí nóng vào buống sấy, cấu tạo và kích thước buống sấy. Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ sấy phun so với các phương pháp sấy khác Ưu điểm - Quá trình sấy nhanh.
- Có thể điều khiển được tỷ trọng sản phẩm. - Bột sau khi sấy có độ hòa tan cao (90 – 100%), độ ẩm thấp (3 – 4%). - Vận hành liên tục và có thể tự động hóa hoàn toàn. 4 do an SVTH: CAO NHÂN NGHĨA GVHD: ThS.
LÊ HOÀNG DU - Chi phí nhân công thấp. - Vận hành và bảo dưỡng đơn giản. - Thiết kế đa dạng cho từng loại sản phẩm, từng loại quy mô nhà máy. - Áp dụng được cho các sản phẩm bền nhiệt và không bền nhiệt, nguyên liệu ở dạng dung dịch, gel, paste, hồ vữa, huyền phù… - Chất lượng bột được bảo đảm trong suốt quá trình sấy.
- Vật liệu hầu như không tiếp xúc với bề mặt kim loại của thiết bị. Nhược điểm - Chi phí đầu tư cao. - Yêu cầu độ ẩm ban đầu tương đối cao để đảm bảo nguyên liệu có thể bơm đến thiết bị tạo giọt lỏng. - Chi phí năng lượng cao hơn (để tách ẩm).
- Thất thoát các chất dễ bay hơi cao hơn. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SẤY PHUN Sấy phun là một kỹ thuật sấy được áp dụng rộng rãi để tạo thành sản phẩm dạng bột từ dung dịch có chứa các hợp chất hữu cơ, huyền phù và nhũ tương trong thực phẩm, hóa chất, thiết bị điện tử, dược phẩm và các ngành công nghiệp dược phẩm sinh học [5]. Trong thực phẩm, công nghệ sấy phun được sử dụng để sản xuất một loạt các sản phẩm, ví dụ như thức ăn cho trẻ sơ sinh, cà phê hòa tan, các sản phẩm sữa bột, bột cà chua…. Trong lĩnh vực công nghiệp hóa chất, áp dụng sấy phun 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 [5].
5 do an SVTH: CAO NHÂN NGHĨA GVHD: ThS. LÊ HOÀNG DU Trong dược phẩm và dược phẩm sinh học, công nghiệp sấy phun thường được dùng để biến đổi các thành phần dược phẩm hoạt động trong bột và sản xuất các dạng bào chế rắn có chứa peptide, protein hoặc nước kém hòa tan thành dược phẩm hoạt động. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SẤY PHUN 1. Tình hình phát triển công nghệ sấy phun trên thế giới Samuel Percy nhà khoa học người Mỹ đã nghiên cứu máy sấy phun từ những năm 1860 và bằng sáng chế đầu tiên được nước Mỹ công nhận vào năm 1872, bằng sáng chế số 125406 có tựa đề "Improvement in Drying and Concentrating Liquid Substances by Atomizing”.
Ý tưởng cơ bản đầu tiên của sấy phun là sản xuất các sản phẩm dạng bột bằng cách phân tán thực phẩm 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 [6]. Phải mất gần 50 năm cho việc thiết kế thành công thiết bị sấy phun thương mại đầu tiên với điều kiện vận hành trên các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt [4]. Máy sấy phun công nghiệp đầu tiên được lắp đặt vào năm 1905 cho một công ty Merril Soul Mỹ.