CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TỔNG QUAN 1. Cơ sở khoa học sấy thăng hoa 1. Định nghĩa sấy thăng hoa Quá trình sấy nói chung là quá trình sử dụng nhiệt để làm giảm hàm lượng ẩm có trong nguyên liệu dựa trên sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước trên bề mặt nguyên liệu và môi trường xung quanh. Có hai phương pháp sấy cơ bản đó là sấy tự nhiên và sấy nhân tạo.
Đối với sấy tự nhiên, đây là một phương pháp lâu đời và thường được người dân sử dụng hơn là các khu sản xuất, khu công nghiệp. Cụ thể là tiến hành làm bay hơi bằng năng lượng tự nhiên như mặt trời, năng lượng gió… Phương pháp này đỡ tốn nhiệt năng, nhưng không chủ động điều chỉnh được vận tốc quá trình theo yêu cầu kỹ thuật, năng suất thấp,… Phương pháp sấy nhân tạo thường được tiến hành trong các loại thiết bị sấy để cung cấp nhiệt cho các vật liệu ẩm. Sấy nhân tạo có nhiều dạng và tùy theo phương pháp truyền nhiệt được ứng dụng mà phân loại và sấy thăng hoa cũng là một trong số các phương pháp sấy nhân tạo được ứng dụng rộng rãi trên thị trường hiện nay. Sấy thăng hoa là một quá trình mà trong đó sản phẩm trước tiên được đông lạnh và sau đó được làm khô bằng cách thăng hoa của nước [1].
Quá trình tổng thể bao gồm bốn bước lần lượt là: đóng băng; tạo áp suất chân không và nâng nhẹ nhiệt độ để nước (lúc này ở trạng thái rắn) thăng hoa mà không bị tan chảy; tiếp đến là sự thăng hoa của nước đá hay còn được gọi là giai đoạn làm khô chính; quá trình giải hấp nước liên kết với chất rắn, được gọi là làm giai đoạn làm khô thứ cấp và đóng gói trong các thùng chứa để ngăn cản sự hấp thụ nước và/hoặc oxy từ khí quyển. Về mặt lý thuyết, sự thăng hoa của nước đá có thể được thực hiện ở áp suất khí quyển, tuy nhiên, áp suất hơi của nước đá giữa -10℃ và - 40℃ là xấp xỉ 2,6 - 0,13 mbar và 1 kg nước đá có thể tích khoảng 470 m3 ở -10℃ và 8400 m3 ở - 40℃. Do đó, để vận chuyển các thể tích này ở áp suất khí quyển, thể tích khí phải lớn hơn thể tích hơi khoảng 400 - 8000 lần. Chính vì vậy, tất cả các nhà máy sấy thăng hoa ngày nay đều là những nhà máy chân không, trong đó không khí được giảm áp suất hơi xuống khoảng 10%, SVTH: Nguyễn Thị Thu Vân Trang 5 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.
Nguyễn Tấn Dũng để cho dòng hơi tự do có thể di chuyển với vận tốc lên đến 100 ms-1. Công nghệ sấy thăng hoa không chỉ giữ chất lượng sản phẩm ổn định mà còn giữ được độ xốp mềm, khi ngâm vào nước sẽ nở trở lại và gần giống như nguyên liệu ban đầu. Nguyên lý sấy thăng hoa 1. Giai đoạn làm lạnh đông Các loại nguyên vật liệu sau khi được sơ chế và xử lý xong sẽ được làm lạnh đông trước khi tiến hành quá trình sấy nhằm kết tinh lượng ẩm có trong các loại nguyên vật liệu này.
Sự hiểu biết các kiến thức về hóa học vật lý của quá trình lạnh đông là cần thiết cho việc nắm bắt các thành phần trong công thức và biết rõ các điều kiện ảnh hưởng đến quy trình cũng như chất lượng của sản phẩm sau khi được làm lạnh đông và sấy thăng hoa [2]. Khi các tinh thể nước đá phát triển trong hệ thống lạnh đông, các chất hòa tan sẽ bị cô đặc. Nồng độ ion tăng lên đi kèm với quá trình đông lạnh thường là một mối quan tâm trong quá trình đông khô protein cũng như các vật liệu sinh học khác, vì cường độ ion cao có thể thúc đẩy sự biến tính của protein cũng như sự mất nước do thẩm thấu của vi sinh vật. Ngoài ra, tốc độ của một số phản ứng hóa học, đặc biệt là phản ứng bậc hai, có thể được tăng tốc bằng cách đóng băng thông qua hiệu ứng nồng độ đông đặc này.
Ở giai đoạn này vật liệu sấy được làm lạnh từ nhiệt độ môi trường khoảng 20℃ - 25℃ xuống nhiệt độ (-10 ÷ -15℃) và theo số liệu thực nghiệm thì có khoảng (10-15) % lượng ẩm thoát ra khỏi vật ẩm trong giai đoạn này [3]. Có hai cách chính để làm lạnh đông các loại vật liệu sấy có thể nhắc đến: Cách thứ nhất là sử dụng thiết bị làm lạnh đông thông thường hoặc nitơ lỏng để làm lạnh đông sản phẩm bên ngoài buồng sấy thăng hoa. Cách thứ hai là vật sấy tự lạnh đông ngay trong buồng sấy thăng hoa khi buồng sấy được hút chân không. Trong giai đoạn này, sản phẩm cần được làm lạnh đông rất nhanh để hình thành các tinh thể băng nhỏ nhằm mục đích ít gây hư hại đến cấu trúc tế bào của sản phẩm.
Đối với sản phẩm dạng lỏng, phương pháp làm lạnh đông chậm được sử dụng để băng tạo thành từng lớp, các lớp này tạo nên các kênh giúp cho hơi nước dịch chuyển dễ dàng. Giai đoạn thăng hoa SVTH: Nguyễn Thị Thu Vân Trang 6 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng Đây là giai đoạn chính để tách ẩm khỏi nguyên vật liệu sấy trong quá trình sấy thăng hoa sản phẩm. Khi sản phẩm đạt tới nhiệt độ cấp đông cần thiết, ngừng quá trình cấp đông, lúc này bơm chân không bắt đầu hoạt động làm áp suất buồng sấy hạ xuống rất nhanh tạo môi trường sấy là môi trường chân không, có áp suất ít thay đổi (0,1÷1) mmHg.
Trong giai đoạn này, nhờ dòng nhiệt chủ yếu là nhiệt từ các tấm bức xạ nước trong vật liệu sấy bắt đầu thăng hoa mạnh [3]. Tất nhiên, điều này phải được thực hiện mà không làm tan chảy phần vật liệu đã được lạnh đông tiếp xúc với đáy của vật chứa [2]. Có ba cơ chế truyền nhiệt chính có thể nhắc đến là: − Sự dẫn truyền dòng nhiệt do quá trình chuyển động giữa các phần tử có thể tích khác nhau của vật liệu. − Sự đối lưu, trao đổi nhiệt do dòng chất lỏng gây ra − Bức xạ: dòng nhiệt do kích thích nhiệt làm phát sinh bức xạ điện từ.
Tuy nhiên, môi trường sấy gần như là chân không tuyệt đối nên quá trình truyền nhiệt tách ẩm chỉ xảy ra theo hai phương thức bức xạ và dẫn truyền, còn đối lưu xem như bằng không. Do sự chênh lệch áp suất riêng phần hơi nước ở thực phẩm và áp suất hơi nước trong môi trường sấy quá lớn. Đồng thời dòng nhiệt bức xạ từ các tấm kim loại phát ra để đốt nóng là do sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường và thực phẩm khá lớn. Do đó nước trong thực phẩm đông lạnh bắt đầu thăng hoa mãnh liệt.
Để sản phẩm sấy khô có chất lượng tốt thì phần cuối của giai đoạn thăng hoa lúc mà các 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 (Tkt), khi đó ẩm còn lại trong sản phẩm rất ít, chủ yếu là ẩm liên kết và chỉ tồn tại ở pha lỏng [4]. Cuối giai đoạn này, nhiệt độ của vật liệu sấy mới dần dần tăng từ (-10℃ ÷ -15℃) đến 0℃ và giai đoạn sấy thăng hoa kết thúc [3]. Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại hay sấy chân không Đây là giai đoạn làm bay hơi ẩm còn lại trong nguyên vật liệu sấy. Ở cuối quá trình thăng hoa, lượng ẩm trong vật liệu sấy trở về dạng lỏng.
Vì khi đó, áp suất trong bình thăng hoa vẫn được duy trì bé hơn áp suất khí trời nhờ bơm chân không và vật liệu sấy vẫn tiếp tục được gia nhiệt nên ẩm vẫn không ngừng biến từ dạng lỏng lên dạng hơi và đi vào không gian bình thăng hoa [3]. Kết thúc giai đoạn này khi xảy ra SVTH: Nguyễn Thị Thu Vân Trang 7 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 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 [5]. Ưu, nhược điểm của kỹ thuật sấy thăng hoa 1.
Ưu điểm Sấy thăng hoa là quá trình bảo quản các sản phẩm thực phẩm phức tạp và tốn kém nhất trong tất cả các phương pháp làm khô. Tuy nhiên, đó là cách duy nhất để nhiều sản phẩm dược duy trì chất lượng ban đầu của chúng trong một thời gian có thể chấp nhận được ở nhiệt độ sẵn có hoặc thậm chí ở nhiệt độ phòng trở lên [1]. Sau khi quá trình sấy thăng hoa kết thúc, sẽ cho ra thành phẩm đạt chất lượng tương đối tốt với màu sắc, hình dạng, thành phần dinh dưỡng,… gần như được giữ nguyên vẹn so với ban đầu. Ngoài ra, các sản phẩm sau khi sấy còn có khả năng hoàn nguyên về trạng thái gần như ban đầu khi tiếp xúc nước trong một khoảng thời gian đủ dài nhất định.
Nhược điểm Nhược điểm lớn nhất của hệ thống sấy thăng hoa là chi phí sấy của 1kg sản phẩm rất cao, hệ thống phức tạp, cồng kềnh, phải sử dụng đồng thời bơm chân không và máy lạnh. Chính vì vậy, để vận hành hệ thống ngoài vấn đề kinh phí còn cần đến một đội ngũ công nhân có trình độ kỹ thuật cao [3]. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa − Nhiệt độ của quá trình sấy thăng hoa Nhiệt độ của quá trình sấy thăng hoa là một trong những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng thoát hơi ẩm trong từng sản phẩm. Nhiệt độ càng cao thì lượng ẩm trong vật liệu sấy thoát ra càng nhanh, nhưng mức nhiệt này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến màu sắc, cấu trúc và hàm lượng chất dinh dưỡng có trong từng loại sản phẩm khác nhau.
Nhiệt cấp vào sẽ đóng vai trò làm tăng nhiệt độ môi trường sấy (T∞) và nhiệt độ của giá truyền nhiệt (Tshef). Nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa cũng như giá truyền nhiệt chỉ dao động trong khoảng -45oC đến 35oC, nhiệt độ sản phẩm (Tsp) phải nhỏ hơn hoặc bằng với nhiệt độ kết tinh (Tkt) của hàm lượng ẩm chứa bên trong sản phẩm. − Thời gian sấy thăng hoa SVTH: Nguyễn Thị Thu Vân Trang 8 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng Đây là một trong những yếu tố thiết yếu gây ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
Thời gian sấy càng lâu thì sản phẩm càng khô, khi cần sấy sản phẩm khô ở mức độ vừa phải thì cần đặt thời gian sấy cho phù hợp để tránh bị sấy quá khô hoặc sấy chưa đủ thời gian.