CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Cơ sở khoa học sấy thăng hoa 1. Định nghĩa sấy thăng hoa Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thái rắn biến thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa. Để tạo ra quá trình sấy thăng hoa, vật liệu sấy phải được làm lạnh dưới điểm 3 thể, từ đó vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng để ẩm từ dạng rắn trực tiếp thăng hoa lên thể khí và thải vào môi trường [1].
Mục đích của quá trình sấy thăng hoa: - Giảm trọng lượng của sản phẩm, giảm chi phí vận chuyển. - Tăng độ bền cho sản phẩm, làm thay đổi giá trị cảm quan của sản phẩm. - Tăng khả năng bảo quản. Do các sản phẩm sinh học, thực phẩm…là môi trường giàu dinh dưỡng, nhưng vì độ ẩm của sản phẩm nhỏ hơn 6% nên không đủ điều kiện để cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển làm hư các sản phẩm [2].
Nguyên lý sấy thăng hoa 1. Giai đoạn làm lạnh đông Nguyên liệu sau khi chuẩn bị xong được tiến hành đông lạnh để ẩm trong vật liệu sấy kết tinh. 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 [2]. Thời gian lạnh đông ảnh hưởng đến sự kết tinh âm trong sản phẩm và nhiệt độ lạnh đông của 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 [4]. Ở giai đoạn này vật liệu sấy được làm lạnh từ nhiệt độ môi trường khoảng 20oC xuống nhiệt độ (-10 ÷ -15) oC. Theo số liệu thực nghiệm có khoảng (10-15)% toàn bộ ẩm thoát ra khỏi vật trong giai đoạn này [1]. Áp suất buồng sấy thăng hoa và buồng lạnh đông ở giai đoạn này hầu như không thay đổi và bằng áp suất khí quyển.
Lượng ẩm thoát ra rất ít, chủ yếu là sự bay hơi và thăng hoa nước trên bề mặt thực phẩm. Sự thoát ấm xảy ra khi có sự 4 chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường sấy thăng hoa với lớp không khí sát bề mặt thực phẩm [4]. Giai đoạn sấy 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 °C; 4,58 mmHg) đối với nước đá, c n 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 (Tkt), khi đó ẩm còn lại trong sản phẩm rất ít, chủ yếu là ẩm liên kết và chỉ tồn tại ở pha lỏng [2].
Nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa nằm trong khoảng (25-45)oC, trên 45 oC thì động lực quá trình truyền nhiệt tách ẩm tăng, nhưng đồng thời nhiệt độ vật liệu sấy tăng nhanh, vượt qua nhiệt độ kết tinh, làm cho 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 25 oC thì 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 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 [4]. Giai đoạn sấy chân không 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 âm 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 [2]. Ưu, nhược điểm của kỹ thuật sấy thăng hoa 1. Ưu điểm So với các sản phẩm của công nghệ lạnh đông, sản phẩm sấy thăng hoa không yêu cầu giữ ở nhiệt độ lạnh trong quá trình bảo quản; trong thời gian bảo quản các biến đổi trong sản 5 phẩm ít xảy ra hơn nên gần như lưu giữ được các đặc điểm về cấu trúc và dinh dưỡng của sản phẩm sấy thăng hoa.
Bên cạnh đó các đặc tính cảm quan của sản phẩm cũng sẽ được lưu giữ tốt hơn: sản phẩm gần như giữ được cấu trúc ban đầu, màu sắc và mùi vị gần như không bị phá hủy, không thay đổi. Chi phí bảo quản sản phẩm cũng thấp hơn so với các sản phẩm lạnh đông vì không yêu cầu các thiết bị chuyên dụng [2]. Quá trình sấy thăng hoa không làm tổn thất các cấu tử mẫn cảm nhiệt trong thực phẩm như vitamin, các cấu tử hương, các chất có hoạt tính sinh học, chất màu [3]. Thành phần protein của sản phẩm sấy thăng hoa không bị thủy phân, nhiệt phân, không bị hồ hóa và oxy hóa.
Sản phẩm ít bị co rút và nứt nẻ bề mặt, tạo được độ xốp, khả năng hoàn ẩm của sản phẩm rất tốt, độ ẩm của sản phẩm dưới 6% và chế độ bảo quản đơn giản [2]. Hay nói cách khác các sản phẩm của quá trình sấy thăng hoa lưu giữ được các đặc điểm như nguyên liệu ban đầu và giá trị dinh dưỡng còn lại trong sản phẩm khá cao [3]. Nhược điểm Phương pháp sấy thăng hoa tốn kém chi phí đầu tư thiết bị và năng lượng [3]. Công nghệ quá phức tạp, các nghiên cứu ứng dụng rất ít do không có trang thiết bị thực hiện.
Bên cạnh đó là đội ngũ kỹ thuật vẫn chưa được đào tạo, dẫn đến việc ứng dụng công nghệ này trong sản xuất gặp nhiều khó khăn [2]. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa 1. Nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa Nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa là yếu tố công nghệ tạo ra động lực cho quá trình truyền nhiệt tách ẩm trong sấy thăng hoa, nó ảnh hưởng đến các đặc tính về độ ẩm, chất lượng và chi phí năng lượng của sản phẩm sấy thăng hoa. Nhiệt cấp vào làm tăng nhiệt độ môi trường sấy (T∞) và nhiệt độ của giá truyền nhiệt (Tshef).
Động lực, tạo động lực cho quá trình sấy, cho quá trình thăng hoa là do sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ môi trường sấy, giá truyền nhiệt với nhiệt độ sản phẩm lạnh đông sấy thăng hoa, làm cho quá trình sấy thăng hoa nhanh hơn, rút ngắn thời gian sấy, tiết kiệm năng lượng. 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 (dưới) nhiệt độ kết tinh (Tkt) của ẩm bên trong sản phẩm (Tsp ≤ Tkt). Nếu cấp nhiệt không đúng, nhiệt độ môi 6 trường sấy tăng, trên 35 oC (T∞ > 35 oC) khi đólàm cho nhiệt độ sản phẩm tăng, khi nhiệt độ sản phẩm vượt qua nhiệt độ kết tinh, nước đóng băng (Tsp > Tkt) sẽ tan chảy nó và sẽ phá vỡ hệ thăng hoa (quá trình thăng hoa sụp đổ), lúc này là sấy chân không nhiệt độ thấp chứ không phải sấy thăng hoa. Vì thế sẽ gây, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, như: tính hoàn nguyên và các đặc tính lưu biến của sản phẩm.
Vì vậy, đối với mỗi loại sản phẩm có một quy trình cấp nhiệt khác nhau, và cần phải có những nghiên cứu thực sự thì mới tạo ra sản phẩm có chất lượng tốt [8]. Thời gian của quá trình sấy thăng hoa Đây là một trong những yếu tố công nghệ quyết định đến độ ẩm, chất lượng và chi phí năng lượng của sản phẩm sấy thăng hoa. Khi thời gian sấy thăng hoa ngắn thì độ ẩm sản phẩm sau khi sấy không đạt yêu cầu, không đáp ứng được khả năng bảo quản. Thời gian sấy thăng hoa kéo dài sẽ làm tăng chi phí năng lượng.
Nếu thời gian sấy thăng hoa ngắn, thời gian sấy chân không kéo dài thì chất lượng sản phẩm sau khi sấy giảm [2]. Áp suất môi trường sấy thăng hoa Đây cũng là yếu tố công nghệ tạo ra động lực cho quá trình truyền nhiệt tách ẩm và ảnh hưởng đến các đặc tính về độ ẩm, chất lượng và chi phí năng lượng của sản phẩm sấy thăng hoa. 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 vậy, áp suất môi trường sấy thăng hoa sản phẩm cần phải chọn tương thích với áp suất thăng hoa.
Theo các nghiên cứu, nếu áp suất môi trường sấy thăng hoa không phù hợp thì cần tiêu tốn một lượng nhiệt để nâng nhiệt độ của ẩm trong sản phẩm ở trạng thái rắn đến nhiệt độ thăng hoa tương ứng với áp suất môi trường, khi đó ẩm mới bắt đầu thăng hoa. Như thế, dẫn đến kéo dài thời gian sấy, ảnh hưởng đến các đặc tính của sản phẩm, ảnh hưởng đến chất lượng và chi phí năng lượng của sản phẩm sấy thăng hoa. Vì vậy, để ẩm thăng hoa ngay tại thời điểm đầu giai đoạn 2 thì áp suất môi trường sấy thăng hoa phải nhỏ hơn hoặc bằng áp suất thăng hoa của ẩm tương ứng với nhiệt độ lạnh đông thích hợp của sản phẩm [2]. Kích thước hình học sản phẩm Quá trình cấp nhiệt và tách ẩm trong sấy thăng hoa không tuân theo quy luật khuếch tán ngoại và khuếch tán nội, nó thăng hoa nước đá từ bề ngoài sản phẩm vào bên trong, vì vậy nó phụ thuộc vào áp suất lỗ mao quản mà nước kết tinh thành nước đá, nếu lỗ mao quản 7 cạn hay bề dày sản phẩm mỏng thì khả năng thăng hoa dễ dàng, ẩm tách ra nhanh hơn, thời gian sấy rút ngắn.
Nếu lỗ mao quản sâu hay bề dày sản phẩm dày thì khả năng thăng hoa khó hơn, ẩm tách ra chậm hơn, thời gian sấy kéo dài.