CHƯƠNG 1. Sấy thăng hoa 1. Lịch sử phát triển của ngành sấy thăng hoa Thăng hoa, là quá trình chuyển pha từ pha rắn sang pha hơi không thông qua pha lỏng, đã được phát hiện từ rất sớm bởi một số người Tây Tạng (Trung Quốc), khi họ leo lên những ngọn núi cao có băng tuyết phủ đầy quanh năm và thấy hiện tượng tảng băng đang bốc hơi thành những làn khói trắng. Tuy nhiên, người Tây Tạng chưa thể hình thành nên lý thuyết về sự thăng hoa từ thể rắn sang thể khí.
Đến những năm 1761 – 1764 giáo sư Black, trong những lần thí nghiệm nhiệt – lạnh, mới tìm ra lý thuyết về nhiệt ẩn hóa hơi của chất lỏng và rắn, nhiệt ẩn nóng chảy của chất rắn. Tiếp theo là một phát hiện quan trọng vào năm 1780 khi hai nhà khoa học Clouet và Monge lần đầu tiên hóa lỏng được SO2. Năm 1810 một nhà khoa học Leslie (Pháp) đã thiết kế, chế tạo thành công máy nén hấp thụ với cặp môi chất lạnh H2O/H2SO4. Đến giữa thế kỷ 19, máy này được phát triển một cách rầm rộ nhờ kỹ sư tài ba Carré (Pháp) với hàng loạt bằng phát minh về máy lạnh hấp thụ chu kỳ liên tục với các cặp môi chất lạnh khác nhau.Perkins (Anh) đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống máy lạnh nén hơi với đầy đủ các chi tiết như một hệ thống lạnh hiện đại có máy nén, có thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi và van tiết lưu.
Năm 1910 nhà khoa học Leiblanc là người đầu tiên đã chế tạo thành công máy lạnh Ejector hơi nước. Đây là một sự kiện có ý nghĩa rất trọng đại của ngành kỹ thuật lạnh. Năm 1930, một số nhà khoa học Mỹ đã phát hiện tính chất nhiệt động của các loại môi chất lạnh hữu cơ Freon rất tốt. Và lịch sử ngành công nghệ nhiệt – lạnh bước sang trang mới.
Năm 1950 – 1960, các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo thành công hệ thống máy sấy thăng hoa hoàn chỉnh; sau đó là Nga, Pháp, Anh, Đức… cũng chế tạo thành công hệ thống sấy thăng hoa này với nhiều dạng khác nhau. Năm 1970, các nhà cơ khí chế tạo của Đức đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống máy sấy thăng hoa công nghiệp hiện đại bậc nhất thế giới với hệ điều khiển thông minh và trưng bày tại Hội chợ triển lãm thương mại quốc tế ở Paris (Pháp). Trang 10 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: TS. NGUYỄN TẤN DŨNG Cho đến nay, công nghệ sấy thăng hoa đã phát triển tương đối hoàn thiện và nhiều quốc gia trên giới chế tạo thành công do chuyển giao và mua công nghệ của các nước tiên tiến.
Hiện nay, công nghệ sấy thăng hoa này đã được nhiều nhà khoa học Việt Nam quan tâm nghiên cứu và phát triển, bởi vì hướng ứng dụng của công nghệ này không chỉ trong các ngành công nghệ sinh học, y dược, phân tích… mà cả trong ngành công nghệ chế biến thực phẩm. Cơ sở khoa học sấy thăng hoa 1. Các quá trình chuyển pha của nước Nước trong thực phẩm tự nhiên luôn có thể tồn tại ba thể, thể lỏng, thể rắn và thể khí. Sấy thực phẩm là dùng phương pháp nhất định để lấy lượng nước trong thực phẩm ra khỏi nguyên liệu để làm tăng độ khô, giảm độ ẩm kéo dài thời gian sử dụng sản phẩm.
Dựa trên nguyên tắc này, phân loại được hai dạng phương pháp sấy. Đồ thị giản đồ P – t của nước Phương pháp 1: chuyển trực tiếp nước ở thể lỏng sang thể hơi, phương pháp này là phương pháp cũ, chỉ sấy nhiệt bình thường nên mất rất nhiều chất dinh dưỡng trong thực phẩm. Phương pháp 2: chuyển nước từ thể lỏng sang thể rắn sau đó tạo môi trường thích hợp để thể rắn thăng hoa, phương pháp này dùng kỹ thuật sấy thăng hoa ở nhiệt độ thấp, đây là một trong nhưng phương pháp hiện đại tiên tiến nhất hiện nay, vì nó có Trang 11 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: TS. NGUYỄN TẤN DŨNG thể giữ lại toàn bộ đặc tính tự nhiên cũng như về phẩm chất dinh dưỡng trong thực phẩm.
Quá trình tách ẩm bằng phương pháp sấy thăng hoa Nguyên Các bước chuẩn bị ban Lạnh đông Sấy thăng hoa liệu đầu cần thiết sản phẩm sản phẩm Sấy chân không nhiệt Sản phẩm ghép Bảo quản độ thấp (nếu có) mí chân không sản phẩm Hình 1. Quy trình công nghệ sấy thăng hoa Công nghệ sấy thăng hoa có 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 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.
Biểu diễn quá trình sấy thăng hoa Trang 12 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: TS. NGUYỄN TẤN DŨNG 1. Quan hệ giữa thông số áp suất và nhiệt độ trong quá trình thăng hoa Bảng 1. Áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đá Tth, oC 0,0098 -1,7 -5,1 -9,8 -17,5 -26,6 -39,3 -45,4 -57,6 -66,7 Pth, 4,58 4,00 3,00 2,00 1,00 0,40 0,10 0,05 0,01 0,001 mmHg Theo Peng, điều kiện 5 tiên quyết để nước đá 4.5 4 thăng hoa là khi chúng 3.5 3 Áp suất, (mmHg) được đặt trong môi trường 2.5 có nhiệt độ và áp suất nhỏ 2 1.5 hơn điểm ba thể 1 0 0.
0 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 Quá trình biến đổi pha của Nhiệt độ, (oC) nước luôn phụ thuộc vào Hình 1. Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ hai thông số cơ bản đó là thăng hoa của nước đá nhiệt độ và áp suất, ứng với một giá trị áp suất xác định sẽ có một giá trị nhiệt độ thăng hoa xác định (Bảng 1. Việc chọn áp suất môi trường sấy thăng hoa phù hợp với nhiệt độ thăng hoa nước đá sẽ quyết định đến thời gian thăng hoa của nước đá, nếu áp suất môi trường sấy thăng hoa không phù hợp sẽ kéo dài thời gian thăng hoa. Bản chất của quá trình sấy Là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy (Hình 1.1) bằng nhiệt ở tại nhiệt độ và áp suất xác định, với các mục đích sau: +) 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. Đối với các sản phẩm sinh học, thực phẩm,… là môi trường giàu dinh dưỡng, nhưng vì độ ẩm của sản phẩm nhỏ hơn 6% không đủ điều kiện để cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển làm hư các sản phẩm. Trang 13 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: TS.
NGUYỄN TẤN DŨNG 1. Đồ thị động học của quá trình sấy thăng hoa Nhiệt độ, oC Áp suất buồng sấy thăng hoa, mmHg Hình 1. Đồ thị làm việc của buồng sấy thăng hoa Sử dụng nguồn nhiệt bức xạ, nhiệt độ lạnh đông (-35 ÷ -30)oC 1- nhiệt độ tấm gia nhiệt; 2- nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa; 3- nhiệt độ thực phẩm sấy; 4- nhiệt độ lối ra buồng thăng hoa; 5- độ ẩm của thực phẩm sấy; 6- áp suất trong buồng sấy thăng hoa 1. Hệ thống sấy thăng hoa Mỗi hệ thống sấy thăng hoa gồm có 4 bộ phân chính sau: + Buồng sấy thăng hoa cũng là buồng cấp đông sản phẩm (nếu hệ thống tự cấp đông), nếu năng suất lớn thì phải có hệ thống lạnh đông sản phẩm riêng.
+ Hệ thống lạnh chạy cho buồng hóa đá và buồng cấp đông sản phẩm. + Hệ chân không kết nối với buồng hóa đá và buồng sấy. + Hệ thống đo lường và điều khiển quá trình sấy thăng hoa. Để hệ thống sấy thăng hoa làm việc ổn định, đạt chất lượng tốt và thương mại được, đòi hỏi nhà chế tạo phải tính toán, thiết kế chính xác, từ diện tích bề mặt truyền nhiệt trong giai đoạn lạnh đông, giai đoạn sấy thăng hoa đến công suất các thiết bị trong hệ thống.
Trang 14 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: TS. NGUYỄN TẤN DŨNG Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy thăng hoa DS-7 Do hệ thống sấy thăng hoa luôn đòi hỏi nhiệt độ môi trường lạnh đông sản phẩm từ -50oC đến -40oC, nhiệt độ môi trường hóa đá -50oC đến -40oC (tuy nhiên, dưới -50oC là càng tốt). Vì thế, hệ thống lạnh phải dùng hai cấp trở lên, còn một cấp với các môi chất lạnh hiện nay là không đảm bảo được các thông số kỹ thuật (trừ trường hợp có môi chất lạnh mới).
Tình hình nghiên cứu và phát triển trong nước của sấy thăng hoa Vấn đề nghiên cứu ứng dụng sấy thăng hoa trong việc bảo quản các sản phẩm dược, thực phẩm, chế phẩm sinh học… vẫn còn rất hạn chế vì hệ thống sấy thăng hoa rất đắt, vốn đầu tư lớn nên các nhà khoa học khó tiếp cận để nghiên cứu, ứng dụng và triển khai vào thực tế. Một số hệ thống lạnh sấy thăng hoa – DS được thiết kế bởi UTE Trang 15 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: TS. NGUYỄN TẤN DŨNG Một số sản phẩm sấy thăng hoa ở Việt Nam Hình 1. Một số sản phẩm sấy thăng hoa ở Việt Nam 1.
Tình hình nghiên cứu và phát triển của sấy thăng hoa ở nước ngoài Lịch sử về đông khô thực phẩm đã bắt đầu vào năm 1100 do người Incas ở Peru thực hiện bằng cách lợi dụng vị trí cao (4500m) của vùng núi Ande ở Nam Mỹ. Họ sử dụng vị trí cao này có không khí lạnh và áp suất thấp để đông lạnh thịt cũng như một Trang 16 ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: TS. NGUYỄN TẤN DŨNG số loại thực phẩm. Nhờ tác dụng của bức xạ mặt trời và áp suất thấp nên các sản phẩm sau khi bị đông giá liền có xu hướng bị đông khô.
Sau đó, năm 1906 hai nhà vật lí người Pháp là Borda và Darsonval đã sáng chế được thiết bị làm ngưng đá hơi nước bằng tuyết trộn với axeton trong quá trình sấy. Tiếp theo, các nhà khoa học khác của Pháp, Mỹ đã tiếp tục hoàn thiện phương pháp đông khô huyết tương sử dụng tốt trong chiến tranh Mỹ-Nhật (1941). Năm 1942-1943 đã có những thiết bị đông khô hoàn chỉnh với công suất lớn trong công nghiệp dược phẩm.