Chương 1 TỔNG QUAN 1. Cơ sở khoa học của quá trình sấy thăng hoa 1. Định nghĩa quá trình sấy thăng hoa Quá trình sấy thăng hoa là quá trình làm khô vật liệu ở nhiệt độ thấp (T < 0°C), áp suất thấp (P < 4.58mmHg), vật liệu trước khi sấy được tiến hành cấp đông sao cho tâm vật liệu sấy có nhiệt độ (T < 0°C) để nước bên trong vật liệu sấy hoàn toàn ở trạng thái rắn (nước đá), khi cấp nhiệt bằng phương pháp tiếp xúc hoặc bức xạ thì nước bên trong vật liệu thăng hoa từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi đồng thời trên toàn bộ thể tích vật liệu sấy nên sản phẩm sấy có cấu trúc xốp, ít bị co rút biến dạng, nhiệt độ cuối quá trình sấy thấp nên sản phẩm sấy ít bị biến tính giữ được chất lượng dinh dưỡng và giá trị cảm quan [1] 1. Phân loại hệ thống sấy thăng hoa 1.
Sấy thăng hoa cấp đông riêng Hệ thống sấy thăng hoa cấp đông riêng, sản phẩm sẽ được cấp đông ở một thiết bị lạnh đông độc lập sau đó đưa vào buồng sấy để thực hiện quá trình thăng hoa. Nếu yêu cầu hệ thống sấy thăng hoa có năng suất lớn từ 50kg nguyên liệu/mẻ đến 1500kg nguyên liệu/mẻ (hoặc lớn hơn 1500kg nguyên liệu/mẻ) thì nên sử dụng hệ thống sấy thăng hoa cấp đông riêng để điều khiển và kiểm soát quá trình sấy dễ dàng, an toàn cho sản phẩm, tăng năng suất cho hệ thống sấy [2] Hình 1. Hệ thống sấy thăng hoa cấp đông riêng NĂM HỌC: 2021 - 2022 Trang 4 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 1.
Sấy thăng hoa tự cấp đông Hệ thống sấy thăng hoa có buồng sấy thăng hoa cũng chính là buồng cấp đông sản phẩm (hay được gọi hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông). Nếu yêu cầu hệ thống sấy thăng hoa năng suất nhỏ dưới 50kg nguyên liệu/mẻ thì chọn hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông, đơn giản gọn nhẹ và tiết kiệm. Tuy nhiên, hệ thống này cũng có khả năng sấy được các sản phẩm đã lạnh đông từ một tủ cấp đông khác. Hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông 1.
Sấy thăng hoa liên tục Nếu yêu cầu hệ thống sấy thăng hoa năng suất rất lớn, lạnh đông sản phẩm bằng hệ thống lạnh đông nhanh (như hệ thống lạnh IQF) thì nên sử dụng hệ thống sấy thăng hoa liên tục (loại này có giá thành rất cao vì nó đòi hỏi kỹ thuật rất cao) [2] 1. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật sấy thắng hoa Công nghệ sấy thăng hoa luôn trải qua ba giai đoạn: Giai đoạn 1: cấp đông sản phẩm, chuyển ẩm từ thể lỏng sang thể rắn. Giai đoạn 2: sấy thăng hoa thực phẩm, chuyển ẩm từ thể rắn sang thể khí, kết thúc giai đoạn này khi nhiệt độ nguyên liệu đạt 0oC và ẩm tự do bay hơi hoàn toàn. Giai đoạn 3: sấy chân không thực phẩm, giai đoạn này chủ yếu là làm mất ẩm liên kết hóa lý ở trong nó, kết thúc giai đoạn này khi xảy ra sự cân bằng nhiệt độ, nhiệt độ nguyên liệu đạt tới nhiệt độ môi trường sấy và nhiệt độ tấm bức xạ, độ ẩm cuối cùng của sản phẩm từ (2÷4)% rất khô [3] NĂM HỌC: 2021 - 2022 Trang 5 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.
Nguyễn Tấn Dũng Hình 1. Đồ thị biểu diễn quá trình sấy thăng hoa [3] Giai đoạn làm lạnh đông: Trong giai đoạn này, sản phẩm được làm lạnh đông từ nhiệt độ của sản phẩm (20 ÷ 25)°C xuống đến nhiệt độ từ (-35 ÷ -30)°C, ở nhiệt độ này nước trong thực phẩm đóng băng gần như hoàn toàn [4]. Kết thúc giai đoạn này khi nhiệt độ vật liệu đạt được tới nhiệt độ lạnh đông thích hợp để ẩm trong vật liệu sấy kết tinh hoàn toàn trước khi thăng hoa [4]. Thời gian lạnh đông ảnh hưởng đến sự kết tinh âm và nhiệt độ lạnh đông trong sản phẩm, ảnh hưởng đến chất lượng và chi phí năng lượng của sản phẩm.
Khi thời gian lạnh đông kéo dài sẽ làm tăng chi phí năng lượng, tăng giá thành của sản phẩm [16]. Cần chú ý, ứng mỗi loại thực phẩm khác nhau sẽ có nhiệt độ lạnh đông khác nhau, nhưng phải đảm bảo cho sự kết tinh của nước bên trong sản phẩm phải đạt 100%, có những loại sản phẩm nhiệt độ cuối cùng của giai đoạn lạnh đông chỉ ở khoảng từ (-22 ÷ -20)°C thì nước đã kết tinh hoàn toàn rồi [4].4 cho thấy rõ, đường (3) là nhiệt độ của thực phẩm sấy, đồng thời trong giai đoạn này áp suất trong buồng sấy thăng hoa (đường (6)) cũng như buồng lạnh đông sản phẩm hầu như không thay đổi, bằng áp suất khí quyển, thực tế nó có xê dịch một chút, xem như không đáng kể, bởi vì quá trình làm lạnh nhiệt độ không khí giảm dẫn đến áp suất giảm (thể tích buồng sấy thăng hoa không thay đổi và kín), ở giai đoạn này lượng ẩm thoát ra rất ít, chủ yếu là sự bay hơi và thăng hoa nước trên bề mặt thực phẩm. Sự thoát ẩm là do sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường sấy thăng hoa và lớp không khí sát bề mặt thực phẩm. Ngoài ra, sự chênh lệch nhiệt độ thực phẩm lạnh động với nhiệt độ môi trường lạnh đông cũng là nguyên nhân làm bay hơi ẩm để có xu hướng đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt [4].
NĂM HỌC: 2021 - 2022 Trang 6 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng Hình 1. Đồ thị làm việc của buồng sấy thăng hoa [4] Sử dụng nguồn nhiệt bức xạ, nhiệt độ lạnh đông (-35 ÷ -30)°C 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 thực phẩm sấy; 6 - áp suất trong buồng sấy thăng hoa. Giai đoạn thăng hoa: Giai đoạn này được tiến hành trong môi trường có nhiệt độ và áp suất thấp, dưới điểm ba thể O (0,0098 oC; 4,58 mmHg) đối với nước đá, còn dưới điểm Tkt: 4,58 mmHg đối với ẩm kết tinh trong sấy vật liệu.
Để sản phẩm sấy khô có chất lượng tốt thì phần cuối của đoạn này kết thúc tinh thể đã thăng hoa hết, độ ẩm đạt yêu cầu và nhiệt độ sản xuất vượt qua nhiệt độ kết thúc của nhiệt độ trong sản phẩm (T kt), khi đó ẩm còn lại trong sản phẩm rất ít, chủ yếu là ẩm liên kết và chỉ tồn tại ở pha lỏng [4]. Sau khi sản phẩm đạt tới nhiệt độ lạnh đông thích hợp, ngừng quá trình lạnh sản phẩm và kết thúc giai đoạn lạnh đông, lúc này bơm hút chân không bắt đầu làm việc, áp suất buồng sấy hạ rất nhanh tạo môi trường sấy là môi trường chân không, áp suất biến thiên hầu như không đổi P m = (0,001 ÷ 1) mmHg, xem đường (6). Do sự chênh lệch áp suất riêng phần hơi nước ở sản phẩm Pn và áp suất hơi nước trong môi trường sấy Pnm quá lớn, đồng thời dòng nhiệt bức xạ từ các tấm kim loại phát ra để đốt nóng làm cho sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường sấy và sản phẩm khá lớn. Kết quả giai đoạn này, nước trong sản phẩm lạnh đông bắt đầu thăng hoa mãnh liệt, độ ẩm NĂM HỌC: 2021 - 2022 Trang 7 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.
Nguyễn Tấn Dũng giảm rất nhanh và gần như tuyến tính (xem đường (5)). Vì thế, giai đoạn sấy thăng hoa có thể xem là giai đoạn sấy đẳng tốc, phần lượng nhiệt bức xạ mà sản phẩm sấy nhận được trong giai đoạn này dùng để biến thành nhiệt ẩn thăng hoa; do đó, nhiệt độ sản phẩm sấy hầu như không thay đổi, xem đường (3). Thực tế thì nhiệt độ sản phẩm sấy có tăng nhưng với tốc độ rất chậm, ở thời gian cuối của giai đoạn này nhiệt độ sản phẩm sấy tăng dần từ (-30 ÷ -25)°C đến 0,0098°C (chính xác là Tkt nhiệt độ kết tinh của ẩm trong sản phẩm), tại đây kết thúc giai đoạn thăng hoa [4]. Trong giai đoạn thăng hoa nhiệt độ ở lối ra buồng thăng hoa hậu như không thay đổi, xem đường (4) hình 1.4, dẫn đến nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ – đóng băng cũng hầu như không thay đổi trong suốt quá trình thăng hoa.
Nhiệt độ tấm gia nhiệt và nhiệt độ môi trường giữa các tấm gia nhiệt hầu như không đổi trong suốt quá trình thăng hoa và sấy nhiệt, xem đường (1) và (2) hình 1. Trong công nghệ sấy thăng hoa, nhiệt độ tấm gia nhiệt phải duy trì trong khoảng từ (0 ÷ 45)°C, tương ứng nhiệt độ môi trường sấy dao động từ (0 ÷ 40)°C tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ [4]. Nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa nằm trong khoảng 25 đến 45 oC, trên 45oC động lực quá trình truyền nhiệt tách ẩm tăng, đồng thời nhiệt độ vật liệu sấy tăng nhanh, vượt qua nhiệt độ kết tinh, ẩm chuyển sang trạng thái lỏng và kết thúc sớm giai đoạn sấy thăng hoa nhưng độ ẩm vẫn chưa đạt yêu cầu. Ngược lại, khi nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa thấp dưới 25oC, động lực quá trình truyền nhiệt tách ẩm giảm, dẫn đến thời gian sấy thăng hoa kéo dài, tăng chi phí năng lượng nhưng chất lượng sản phẩm vẫn được đảm bảo.
Do nhiệt độ của sản phẩm khi đưa vào sấy thăng hoa chính là nhiệt độ lạnh đông thích hợp, tương ứng với nhiệt độ này sẽ có một áp suất thăng hoa xác định. Vì thế, áp suất cần chọn tương thích với áp suất thăng hoa. Thời gian sấy thăng hoa cũng cần phải phù hợp. Nếu thời gian ngắn, độ ẩm sản phẩm không đạt.
Ngược lại, thời gian sấy kéo dài sẽ làm tăng chi phí năng lượng [16]. Để sản phẩm đạt chất lượng tốt thì kết thúc giai đoạn này độ ẩm sản phẩm đạt độ ẩm yêu cầu. Như vậy, quá trình sấy thăng hoa sẽ không có giai đoạn 3. Giai đoạn sấy chân không làm bay hơi ẩm còn lại: Giai đoạn sấy chân không nhiệt độ thấp chỉ xảy ra khi kết thúc giai đoạn sấy thăng hoa mà độ ẩm sản phẩm chưa đạt yêu cầu, lúc này tiến hành giai đoạn sấy chân không nhiệt độ thấp làm bay hơi lượng ẩm còn lại của sản phẩm.
Cho đến khi sản phẩm đạt tới độ ẩm yêu cầu (dưới 6%) thì quá trình sấy khô kết thúc. Sản phẩm sau khi sấy cho vào túi PE, ghép mí chân không kín rồi bảo quản ở nhiệt độ thường [4]. NĂM HỌC: 2021 - 2022 Trang 8 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.