CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.Cơ sở khoa học về sấy vật liệu ẩm 1. Định nghĩa quá trình sấy Sấy là quá trình phân tách, chuyển đổi các nguyên liệu dạng rắn, bán rắn hoặc lỏng thành sản phẩm rắn bằng cách làm bay hơi chất lỏng có trong nguyên liệu bằng nhiệt. Trong trường hợp đặc biệt của quá trình sấy thăng hoa, quá trình sấy xảy ra do sự thăng hoa của pha rắn trực tiếp thành pha hơi. Thay đổi pha và tạo ra pha rắn là sản phẩm cuối của quy trình sấy.
Quá trình sấy là một quá trình thiết yếu trong ngành hóa chất, nông nghiệp, công nghệ sinh học, thực phẩm, polymer, gốm sứ, dược phẩm, bột giấy, giấy, chế biến khoáng sản, và chế biến gỗ [22]. Trong quá trình sấy nước được cho bay hơi ở nhiệt độ bất kỳ do sự khuếch tán bởi sự chênh lệch độ ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu và bởi sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh. Đây là một quá trình nối tiếp, vận tốc của toàn bộ quá trình được quy định bởi giai đoạn nào chậm nhất [1][2]. Sấy là một quá trình không ổn định, độ ẩm của vật liệu thay đổi theo không gian và thời gian [2].
Những vật đem đi sấy đều là những vật ẩm có chứa một khối lượng chất lỏng đáng kể (chủ yếu là nước). Trong quá trình sấy ẩm chất lỏng trong vật bay hơi, độ ẩm của nó giảm. Trạng thái của vật liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó. Độ ẩm của vật có thể biểu thị qua độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm toàn phần, độ chứa ẩm và nồng độ ẩm [3].
Trong vật liệu ẩm gồm có vật chất rắn, lỏng và khí. Vì khối lượng của chất khí rất nhỏ có thể bỏ qua, nên vật ẩm được xem như gồm hai thành phần là chất rắn và chất lỏng (hay còn gọi là ẩm) [23]. Độ ẩm của vật có thể được biểu thị qua độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối và độ chứa ẩm [23].Sấy tự nhiên Sấy tự nhiên là một phương pháp sử dụng nhiệt bức xạ từ mặt trời để đốt nóng không khí và ẩm trong vật liệu thoát ra ngoài môi trường. Thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời có thể phân ra các loại sau : Thiết bị sấy trực tiếp có tuần hoàn khí tự nhiên (gồm thiết bị thu năng lượng kết hợp với buồng sấy).
Trang 3 Khóa luận tốt nghiệp GVHD. NGUYỄN TẤN DŨNG Thiết bị sấy trực tiếp có bộ phận thu năng lượng riêng biệt. Thiết bị sấy gián tiếp có dẫn nhiệt cưỡng bức (thiết bị thu năng lượng và buồng sấy riêng biệt). Lỗ thoát hơi Các tấm trong suốt Thực phẩm Khay Khí vào Hình 1.
Thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời có kệ để nguyên liệu Khí ra Thực phẩm Thu nhiệt Quạt Khí vào Bình chứa nhiệt (nước) Hình 1. Sơ đồ hệ thống sấy bằng năng lương mặt trời có trữ nhiệt Ưu điểm: Công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư và vận hành thấp. Không đòi hỏi cung cấp năng lượng lớn và nhân công lành nghề. Có thể sấy lượng lớn vụ mùa với chi phí thấp.
Nhược điểm: Kiểm soát điều kiện sấy rất kém. Trang 4 Khóa luận tốt nghiệp GVHD. NGUYỄN TẤN DŨNG Tốc độ sấy chậm hơn nhiều so với sấy bằng thiết bị, do đó chất lượng sản phẩm kém. Quá trình sấy phụ thuộc vào thời tiết và thời gian trong ngày.
Tốn nhiều nhân công. Sấy bằng thiết bị Do điều kiện sấy trong mỗi trường hợp sấy rất khác nhau nên có nhiều kiểu thiết bị sấy khác nhau, vì vậy có nhiều cách phân loại phương pháp sấy: Dựa vào tác nhân sấy: thiết bị sấy bằng không khí hoặc thiết bị sấy bằng khói lò, ngoài ra còn có các thiết bị sấy bằng phương pháp đặc biệt như sấy thăng hoa hay bằng dòng điện cao tần… Dựa vào áp suất làm việc: sấy chân không, thiết bị sấy ở áp suất thường. Dựa vào phương thức làm việc: sấy liên tục hay sấy gián đoạn. Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy: thiết bị sấy tiếp xúc, thiết bị sấy đối lưu, thiết bị sấy bức xạ, hoặc sấy bằng dòng điện cao tầng.
Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, sấy trục, sấy thùng quay, sấy phun, sấy tầng sôi. Dựa vào chiều chuyển động của tác nhân sấy và vật liệu sấy: cùng chiều, nghịch chiều và giao chiều. Chúng tôi dựa vào phương pháp truyền nhiệt, trong kỹ thuật sấy cũng được chia ra: Sấy bằng tia bức xạ (Infrared drying) Sấy bức xạ hồng ngoại là phương pháp sấy vật liệu ẩm sử dụng nguồn phát ra tia hồng ngoại là tác nhân chính để làm bay hơi nước có trong thực phẩm. Năng lượng do tia bức xạ hồng ngoại (bước sóng 8-10𝜇𝑚) phát ra.
Tác nhân sấy thường là sấy hồng ngoại, sấy vi sóng hoặc sấy bằng dòng điện cao tần. Khi sử dụng tia hồng ngoại có thể truyền cho vật liệu một lượng nhiệt lớn và đạt được tốc độ bay hơi ẩm cao. Sấy bằng tia bức xạ có ưu điểm là sấy các vật liệu mỏng nhanh, thiết bị gọn, dễ điều chỉnh nhiệt độ, tổn thất nhiệt ít. Tuy nhiên tiêu tốn nhiều năng lượng, vật liệu đốt nóng không đều [1][2].
10−11 10−8 3,8−7 7,6−7 10−2 Tia Tia X Tia tử ngoại Khả kiến Hồng ngoại Vô tuyến Hình 1. Thang sóng điện từ Sấy thăng hoa (freeze drying) Trang 5 Khóa luận tốt nghiệp GVHD. NGUYỄN TẤN DŨNG Sấy thăng hoa (hay còn gọi là sấy đông khô hay sấy khô đông lạnh) là quá trình tách ẩm từ các sản phẩm bằng phương pháp lạnh đông và tiếp theo là chuyển đá làm lạnh đông được tạo thành trong sản phẩm thành hơi, qua pha loãng ngắn khi đun nóng sản phẩm trong chân không. Khi sấy thăng hoa, ẩm chuyển dời trong sản phẩm ở dạng hơi không kéo theo nó những chất trích ly và những vi sinh vật.
Sự biến đổi trạng thái hơi nước trong giản đồ áp suất hơi bão hoà P và nhiệt độ T. Giao điểm của các đường cong biên đươc gọi là điểm ba (triple-point temperature). Với các giá trị của thông số điểm ba, có khả năng tồn tại cả ba pha (nước đá – nước lỏng – hơi nước). Trạng thái đó trong nhiệt động lực học được gọi là trạng thái cơ bản biểu diễn trên giản đồ P – T bằng điểm ba thể.
Thực phẩm tươi được Sấy thăng hoa ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp Khi chế biến, ngâm cấp đông nhanh Tinh thể đá trong thực phẩm thăng hoa với nước thực phẩm -30~-50 độ C trở về như ban đầu Hình 1. Quá trình sấy thăng hoa của thực phẩm Dưới điểm ba thể không thể có pha lỏng bền vững và nước sẽ ở trạng thái rắn (nước đá) hoặc ở trạng thái hơi. Nói cách khác, với áp suất thấp, trở kháng của môi trường xung quanh nhỏ đến mức để mạng tinh thể nước đá dễ dàng bị phân rã và lập tức nó chuyển thành trạng thái hơi. Giản đồ trạng thái pha của nước Trang 6 Khóa luận tốt nghiệp GVHD.
NGUYỄN TẤN DŨNG Trên đường cong nước đá – hơi, hệ thức giữa áp suất và nhiệt độ phải tương ứng với trạng thái cân bằng giữa pha rắn và pha hơi. Quá trình thăng hoa được trình bày như sự dịch chuyển qua đường cong đó từ trái sang phải. Đối với nước, thông số điểm ba là áp suất P= 4,58mmHg và nhiệt độ T = 0,00980C. Nhiệt độ đó tương ứng với nhiệt độ nóng chảy của nước ở áp suất khí quyển bình thường.
Vì vậy, khi đốt nóng dần dần nước đá trong không khí, thì nó sẽ chuyển qua trạng thái lỏng và sau đó bắt đầu bay hơi [1][2]. Hệ thống sấy thăng hoa Các máy sấy thăng hoa có sự tác động tuần hoàn hay liên tục. Mỗi hệ thống sấy thăng hoa gồm có 4 bộ phận 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 Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy thăng hoa 1.Buồng cấp đông; 2.Nồi đun nước nóng; 4.Bơm chân không vòng dầu; 6.Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm; 8.Tháp giải nhiệt; 9.Máy nén lạnh 2 cấp; 10. Bình tách lỏng; 11.Bơm nước giải nhiệt; 12.Tủ điện điều khiển; 13.Áp kế đo áp suất chân không Trang 7 Khóa luận tốt nghiệp GVHD.
NGUYỄN TẤN DŨNG 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. 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). Hiện nay người ta bắt đầu sử dụng phổ biến các thiết bị thăng hoa tác động liên tục.
Sấy thăng hoa liên tục gồm hai nồi thăng hoa và hai bộ chống thăng hoa, chúng làm việc luân phiên nhau. Ưu điểm Công nghệ sấy thăng hoa đã tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt. Thành phần dinh dưỡng (protein, lipit, gluxit), vitamin, enzyme và hoạt chất sinh học, màu sắc, mùi, vị …v.v gần như được bảo toàn không bị phá hủy. Sản phẩm không bị ô nhiễm, lượng nước tồn lưu cực ít (~1%), hạn chế vi khuẩn, nấm mốc, bảo quản dễ, vận chuyển tiện lợi ở nhiệt độ bình thường.
Đặc biệt sản phẩm sau khi sấy có độ xốp mềm, khi ngâm vào nước nó hoàn ẩm trương nở trở lại và gần giống như nguyên liệu ban đầu. Sản phẩm sau khi sấy cho vào túi rồi ép chân không, quản bảo ở nhiệt độ phòng, thời gian sử dụng kéo dài, chi phí bảo quản thấp, chất lượng ít bị thay đổi. Nhược điểm Trang thiết bị đắt, thao tác khó,vận hành máy cần có trình độ kỹ thuật cao, khó hoạt động ở nhiệt độ dưới – 60oC, cần máy hạ áp suất phải có hiệu suất cao, chi phí vận hành rất tốn kém.
