›
›

Giáo trình Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm

pdf 123 trang huongle 5090
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_ky_thuat_say_nong_san_thuc_pham.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm

  1. Giáo trình Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm
  2. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 1 CHƯƠNG I: ĐỐI TƯỢNG SẤY VÀ MỐI QUAN HỆ CỦA CHÚNG 1.1 NGUYÊN VẬT LIỆU ẨM 1.1.1 PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN VẬT LIỆU ẨM Theo quan điểm hoá lý, vật ẩm là một hệ liên kết phân tán giữa pha phân tán và môi trường phân tán. Pha phân tán là một chất có cấu trúc mạng hay khung không gian từ chất rắn phân đều trong môi trường phân tán ( là một chất khác). Dựa theo tính chất lý học, người ta có thể chia vật ẩm ra thành ba loại: - Vật liệu keo: là vật có tính dẻo do có cấu trúc hạt. Nước hoặc ẩm ở dạng liên kết hấp thụ và thẩm thấu. Các vật keo có đặc điểm chung là khi sấy bị co ngót khá nhiều, nhưng vẫn giữ được tính dẻo. Ví dụ: gelatin, các sản phẩm từ bột nhào, tinh bột - Vật liệu xốp mao dẫn: nước hoặc ẩm ở dạng liên kết cơ học do áp lực mao quản hay còn gọi là lực mao dẫn. Vật liệu này thường dòn hầu như không co lại và dễ dàng làm nhỏ (vỡ vụn) sau khi làm khô. Ví dụ: đường tinh thể, muối ăn v.v - Vật liệu keo xốp mao dẫn: bao gồm tính chất của hai nhóm trên. Về cấu trúc các vật này thuộc xốp mao dẫn, nhưng về bản chất là các vật keo, có nghĩa là thành mao dẫn của chúng có tính dẻo, khi hút ẩm các mao dẫn của chúng trương lên, khi sấy khô thì co lại. Loại vật liệu này chiếm phần lớn các vật liệu sấy. Ví dụ: ngũ cốc, các hạt họ đậu, bánh mì, rau, quả v.v 1.1.2 CÁC DẠNG LIÊN KẾT TRONG VẬT LIỆU ẨM: Các liên kết giữa ẩm với vật khô có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sấy. Nó sẽ chi phối diễn biến của quá trình sấy. Vật ẩm thường là tập hợp của ba pha: rắn, lỏng và khí (hơi). Các vật rắn đem đi sấy thường là các vật xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn. Trong các mao dẫn có chứa ẩm lỏng cũng với hỗn hợp hơi khí có thể tích rất lớn (thể tích xốp) nhưng tỷ lệ khối lượng của nó so với phần rắn và phần ẩm lỏng có thể bỏ qua. Do vậy trong kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phần rắn khô và chất lỏng. Có nhiều cách phân loại các dạng liên kết ẩm. Trong đó phổ biến nhất là cách phân loại theo bản chất hình thành liên kết của P.H. Robinde (Hoàng Văn Chước, 1999). Theo cách này, tất cả các dạng lên kết ẩm được chia thành ba nhóm chính: liên kết hoá học, liên kết hoá lý và liên kết cơ lý.
  3. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 2 1.1.2.1 Liên kết hoá học Liên kết hoá học giữa ẩm và vật khô rất bền vững trong đó, các phân tử nước đã trở thành một bộ phận trong thành phần hoá học của phân tử vật ẩm. Loại ẩm này chỉ có thể tách ra khi có phản ứng hoá học và thường phải nung nóng đến nhiệt độ cao. Sau khi tách ẩm tính chất hoá lý của vật thay đổi. Ẩm này có thể tồn tại ở dạng liên kết phân tử như trong muối hydrat MgCl2.6H2O hoặc ở dạng liên kết ion như Ca(OH)2. Trong quá trình sấy không đặt vấn đề tách ẩm ở dạng liên kết hoá học. 1.1.2.2 Liên kết hoá lý Liên kết hoá lý không đòi hỏi nghiêm ngặt về tỷ lệ thành phần liên kết. Có hai loại: liên kết hấp phụ (hấp thụ) và liên kết thẩm thấu. Liên kết hấp phụ của nước có gắn liền với các hiện tượng xảy ra trên bề mặt giới hạn của các pha (rắn hoặc lỏng). Các vật ẩm thường là những vật keo, có cất tạo hạt. Bán kính tương đương của hạt từ 10-9 - 10-7 m. Do cấu tạo hạt nên vật keo có bề mặt bên trong rất lớn. Vì vậy nó có năng lượng bề mặt tự do đáng kể. Khi tiếp xúc với không khí ẩm hay trực tiếp với ẩm, ẩm sẽ xâm nhập vào các bề mặt tự do này tạo thành liên kết hấp phụ giữa ẩm và bề mặt. Liên kết thẩm thấu là sự liên kết hoá lý giữa nước và vật rắn khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hoà tan ở trong và ngoài tế bào. Khi nước ở bề mặt vật thể bay hơi thì nồng độ của dung dịch ở đó tăng lên và nước ở sâu bên trong sẽ thấm ra ngoài. Ngược lại, khi ta đặt vật thể vào trong nước thì nước sẽ thấm vào trong. 1.1.2.3 Liên kết cơ lý Đây là dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu được tạo thành do sức căng bề mặt của ẩm trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật. Liên kết cơ học bao gồm liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính ướt. - Liên kết cấu trúc: là liên kết giữa ẩm và vật liệu hình thành trong quá trình hình thành vật. Ví dụ: nước ở trong các tế bào động vật, do vật đông đặc khi nó có chứa sẵn nước. Để tách ẩm trong trường hợp liên kết cấu trúc ta có thể làm cho ẩm bay hơi, nén ép vật hoặc phá vỡ cấu trúc vật Sau khi tách ẩm, vật bị biến dạng nhiều, có thể thay đổi tính chất và thậm chí thay đổi cả trạng thái pha.
  4. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 3 - Liên kết mao dẫn: nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản. Trong các vật thể này có vô số các mao quản. Các vật thể này khi để trong nước, nước sẽ theo các mao quản xâm nhập vào vật thể. Khi vật thể này để trong môi trường không khí ẩm thì hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao quản và theo các mao quản xâm nhập vào trong vật thể. - Liên kết dính ướt: là liên kết do nước bám dính vào bề mặt vật. Ẩm liên kết dính ướt dễ tách khỏi vật bằng phương pháp bay hơi đồng thời có thể tách ra bằng các phương pháp cơ học như: lau, thấm, thổi, vắt ly tâm 1.1.3 CÁC ĐẶC TRƯNG TRẠNG THÁI ẨM CỦA VẬT LIỆU ẨM Những vật đem đi sấy thường chứa một lượng ẩm nhất định. Trong quá trình sấy ẩm, chất lỏng bay hơi, độ ẩm của nó giảm đi. Trạng thái của vật liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó. 1.1.3.1 Độ ẩm tuyệt đối Bỏ qua khối lượng khí và hơi không đáng kể, người ta có thể coi vật liệu ẩm là hỗn hợp cơ học giữa chất khô tuyệt đối và ẩm. m = mo + W Ở đây: m: khối lượng nguyên vật liệu ẩm mo: khối lượng chất khô tuyệt đối W (hoặc mn): khối lượng ẩm Độ ẩm tuyệt đối: là tỷ số giữa khối lượng ẩm W và khối lượng chất khô tuyệt đối mo của nguyên vật liệu: W X = *100(%) m o X thay đổi từ 0 đến h. Giữa khối lượng chất khô m0, khối lượng chung m và độ ẩm tuyệt đối X có mối m quan hệ: m = 0 1+ x 1.1.3.2 Độ ẩm tương đối: là tỷ số giữa khối lượng ẩm W trên khối lượng chung của W W nguyên vật liệu: w = = 100()% m m 0 + W w độ ẩm tương đối của nguyên liệu ẩm thay đổi từ 0 đến 1. Với w = 0 nghĩa là vật liệu khô tuyệt đối; với m0=0, nghĩa là chỉ có ẩm thì w=1.
  5. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 4 Giữa chất khô tuyệt đối và độ ẩm tương đối của nguyên liệu có mối quan hệ: mo = m.(1 - w) Giữa độ ẩm tương đối và độ ẩm tuyệt đối của nguyên liệu có mối quan hệ: w x x = w = 1− w 1+ x Trước khi sấy khối lượng của nguyên liệu ẩm là m1 và độ ẩm tương đối là w1, sau khi sấy là m2 và w2. Biết rằng trong khi sấy khối lượng chất khô mo không thay đổi nên ta có: mo = m1(1-w1) = m2(1-w2) m 1− w Từ đó ta có: 2 = 1 m1 1− w 2 Trong biểu thức trên có 4 đại lượng là khối lượng và độ ẩm tương đối của nguyên liệu trước và sau khi sấy, nhưng nếu 3 đại lượng đã biết thì từ đó ta có thể tính được đại lượng thứ tư. Năng suất của một máy sấy có thể xác định theo khối lượng ẩm (W tách ra từ nguyên vật liệu trong quá trình sấy: ∆W = m1 - m2 w1 − w 2 w1 − w 2 ∆W = m1 = m 2 1− w 2 1− w1 x1 − x 2 x1 − x 2 ∆W = m1 = m 2 1+ x 2 1+ x1 Muốn quan sát quá trình sấy bằng đường cong sấy một cách rõ ràng (tạo thành điểm uốn giữa hai đoạn sấy) người ta thường sử dụng độ ẩm tuyệt đối X, còn với độ ẩm tương đối w thường biểu thị trạng thái ẩm của nguyên vật liệu. 1.2 TÁC NHÂN SẤY Tác nhân sấy là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật sấy. Trong quá trình sấy, môi trường buồng sấy luôn luôn được bổ sung ẩm thoát ra từ vật sấy. Nếu lượng ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối trong buồng sấy tăng lên, đến một lúc nào đó sẽ đạt được sự cân bằng giữa vật sấy và môi trường trong buồng sấy và quá trình thoát ẩm từ vật sấy sẽ ngừng lại. Do vậy, cùng với việc cung cấp nhiệt
  6. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 5 cho vật để hoá hơi ẩm lỏng, đồng thời phải tải ẩm đã thoát ra khỏi vật ra khỏi buồng sấy. Người ta sử dụng tác nhân sấy làm nhiệm vụ này. Các tác nhân sấy thường là các chất khí như không khí, khói, hơi quá nhiệt. Chất lỏng cũng được sử dụng làm tác nhân sấy như các loại dầu, một số loại muối nóng chảy v.v Trong đa số quá trình sấy, tác nhân sấy còn làm nhiệm vụ gia nhiệt cho vật liệu sấy, vừa làm nhiệm vụ tải ẩm. Ở một số quá trình như sấy bức xạ, tác nhân sấy còn có nhiệm vụ bảo vệ sản phẩm sấy khỏi bị quá nhiệt. Sau đây, chúng ta sẽ nghiên cứu hai loại tác nhân sấy thông dụng là không khí và khói. 1.2.1 KHÔNG KHÍ ẨM: CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG Không khí là loại tác nhân sấy có sẵn trong tự nhiên, không gây độc hại và không gây bẩn sản phẩm sấy. Không khí là hỗn hợp của nhiều chất khí khác nhau. Thành phần của không khí bao gồm các chất, chủ yếu là N2, O2, hơi nước, ngoài ra còn có 1 số chất khí khác như: CO2, khí trơ, H2, O3 Không khí là một khí thực, nhưng thực tế không khí sử dụng để sấy thường ở áp suất thấp (áp suất khí quyển) và nhiệt độ không cao (từ hàng chục độ đến dưới vài trăm độ). Vì vậy, khi sử dụng có thể coi không khí là khí lý tưởng, mặc dù trong không khí có chứa hơi nước, nhưng áp suất riêng phần của nó không lớn. Trong các điều kiện như trên, khi coi không khí là khí lý tưởng thì sai số gặp phải là chấp nhận được (<3%). Không khí có chứa hơi nước là không khí ẩm. Khi nghiên cứu không khí ẩm, người ta coi nó là hỗn hợp khí lý tưởng của 2 thành phần: không khí khô và hơi nước. Ở đây không khí khô được coi như là thành phần cố định như 1 chất khí lý tưởng (M =29 và số nguyên tử khí trong phân tử là 2). Thành phần thứ 2: hơi nước là thành phần luôn thay đổi trong không khí ẩm. Các thông số cơ bản của không khí ẩm như sau: 1.2.1.1 Áp suất Theo định luật Dalton ta có: P = PKKK + Phn Ở đây: P: áp suất của không khí ẩm PKKK: áp suất riêng phần của không khí khô Phn: áp suất riêng phần của hơi nước 1.2.1.2 Nhiệt độ
  7. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 6 Nhiệt độ xác định độ đun nóng của vật thể. Trong lĩnh vực sấy, nhiệt độ được đo theo nhiệt độ Celcius (oC) hoặc độ Fahreinhei (oF). Dụng cụ để đo nhiệt độ là nhiệt kế. 1.2.1.3 Độ ẩm tuyệt đối: là lượng hơi nước (tính bằng g hoặc kg) chứa trong 1 m3 không m khí ẩm, tức là: ρ = hn V ρ thay đổi từ 0 đến ρmax, khi nhiệt độ của không khí ẩm thay đổi thì ρmax cũng thay đổi. 1.2.1.4 Độ ẩm tương đối: là tỷ số giữa lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm với lượng hơi nước lớn nhất có thể chứa trong không khí ẩm đó ở cùng một nhiệt độ. Hay nói cách khác: độ ẩm tương đối là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối trên độ ẩm tuyệt đối lớn nhất ứng với nhiệt độ nào đó của không khí ẩm. m ρ ϕ = hn 100% = h m hn.max ρmax Độ ẩm tương đối là thông số quan trọng của không khí ẩm, nó là đại lượng đặc trưng khả năng hút ẩm của không khí. Giá trị tuyệt đối của độ ẩm tương đối càng nhỏ thì điều kiện cân bằng càng khác nhau, khả năng sấy của không khí càng lớn. Độ ẩm tương đối của không khí phụ thuộc vào nhiệt độ. Áp dụng phương trình trạng thái ta có: 1 Ph 3 ρh = = (kg / m ) υh R h T 1 Pb 3 ρmax = = (kg / m ) υb R h T ρ P ⇒ ϕ = h 100% = h 100% ρmax Pb 1.2.1.5 Độ chứa ẩm d (hay hàm ẩm X) của không khí ẩm: Là lượng hơi nước chứa trong 1 kg không khí khô. Do khối lượng của hơi nước ít nên người ta thường dùng thứ nguyên là (g/kg KKK) m m d = hn 1000 []g / kgKKK hoặc X = hn []kg / kgKKK m KKK m KKK
  8. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 7 Áp dụng phương trình trạng thái với Rhn=8314/18 [J/kgK] và RKKK P P =8314/29[J/kgK], ta có: d = 622 h = 622 h PKKK P − Ph 1.2.1.6 Khối lượng riêng của không khí ẩm Không khí ẩm được coi là hỗn hợp của không khí khô và hơi nước: ρhh = ρKKK + ρhn Trong đó: ρhn= X. ρKKK. Vậy, ρhh = ρKKK(1+X) o Ở điều kiện bình thường PKKK=P; t = 273 K thì ρKKK=1,29 kg/m3 Áp dụng phương trình trạng thái khí, ta có: 1,29* 273 ⎛ Phn ⎞ 3 ρhh = ⎜1− 0,378 ⎟ [kg / m ] 273 + t ⎝ P ⎠ Công thức trên chứng tỏ rằng: khối lượng riêng của không khí ẩm phụ thuộc vào 2 thông số thay đổi trong quá trình sấy là nhiệt độ và áp suất riêng phần của hơi nước. Khi áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí tăng lên thì ρhh giảm đi, nhưng trong quá trình sấy nhiệt độ của quá trình sấy giảm xuống nhanh hơn tốc độ tăng của áp suất riêng phần (theo công thức) nên đưa đến việc ρhh tăng rõ rệt hơn và kết quả là khối lượng riêng của không khí ẩm tăng lên trong quá trình sấy (Hoàng Văn Chước, 1999). 1.2.1.7 Nhiệt dung riêng của không khí ẩm Khi đã coi không khí ẩm là hỗn hợp của khí lý tưởng thì có thể xác định nhiệt dung riêng của không khí ẩm theo công thức nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí lý tưởng, tức là: C + X.C C = KKK hn hh 1+ X Ở đây: CKKK: nhiệt dung riêng của không khí khô, ở nhiệt độ t
  9. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 8 1.2.2 KHÓI LÒ (KHÍ LÒ ĐỐT) 1.2.2.1 Nguyên lý hệ thống sấy bằng khói lò Không khí Nhiên liệu Tác nhân Khói Khí thải Không khí Buồng hoà trộn Buồng sấy Hình vẽ 1.1 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bằng khói lò. Ưu điểm sấy bằng khói lò: - có thể điều chỉnh nhiệt độ môi chất sấy trong một khoảng rất rộng; có thể sấy ở nhiệt độ rất cao 900-1000 oC và ở nhiệt độ thấp 70-90 oC hoặc thậm chí 40-50 oC. - cấu trúc hệ thống đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt. - đầu tư vốn ít vì không phải dùng calorife. - giảm tiêu hao điện năng, do giảm trở lực hệ thống. - nâng cao được hiệu quả sử dụng nhiệt của thiết bị. Nhược điểm: - gây bụi bẩn cho sản phẩm và thiết bị. - có thể gây hoả hoạn hoặc xảy ra các phản ứng hoá học không cần thiết ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm. Trong công nghiệp thực phẩm khói lò thường ít được sử dụng. Trong một số trường hợp người ta có thể dùng để sấy một số hạt nông sản. Ngoài ra người ta còn có thể sử dụng khí tự nhiên làm chất đốt, vì khói tạo thành tương đối sạch, tuy nhiên do thành phần khói vẫn có hàm lượng ẩm và khí oxit nitơ cao (dễ gây ung thư), nên cần phải tiếp tục được làm sạch trước khi sử dụng để sấy thực phẩm.
  10. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 9 1.3 QUAN HỆ GIỮA VẬT LIỆU ẨM VÀ KHÔNG KHÍ CHUNG QUANH 1.3.1 Độ ẩm cân bằng Nếu ta có một vật ẩm đặt trong môi trường không khí ẩm sẽ xảy ra sự trao đổi nhiệt, ẩm giữa vật ẩm và môi trường không khí. Quá trình trao đổi nhiệt phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí và vật, còn quá trình trình trao đổi ẩm phụ thuộc vào chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật và của hơi nước trong không khí ẩm. Nếu áp suất riêng phần trên bề mặt vật ẩm lớn hơn áp suất riêng phần trong không khí sẽ xảy ra quá trình bay hơi từ vật ẩm, độ ẩm của vật giảm đi (vật liệu khô hơn). Nếu ngược lại, áp suất riêng phần trên bề mặt vật ẩm nhỏ hơn ấp suất riêng phần trong không khí thì vật liệu ẩm sẽ hấp thụ ẩm, độ ẩm tăng lên.Trong cả hai trường hợp áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật ẩm sẽ tiến dần tới trị số áp của riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm. Khi hai trị số áp suất riêng phần này bằng nhau thì vật và môi trường ở trạng thái cân bằng ẩm. Lúc này vật không hút ẩm cũng không thải ẩm. Độ ẩm của vật lúc này gọi là độ ẩm cân bằng Wcb. Độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí, tức là phụ thuộc vào độ ẩm tương đối của không khí ϕ. Quan hệ hàm số: Wcb=f(ϕ) có thể được xác định bằng thực nghiệm và được gọi là đường đẳng nhiệt. Đối với quá trình hút ẩm từ môi trường, đường cong Wcb=f(ϕ) gọi là đường hấp thụ đẳng nhiệt. Đối với quá trình bay hơi ẩm từ vật, đường cong xây dựng được là đường thải ẩm đẳng nhiệt (hình vẽ 1.1). Ngoài ra, độ ẩm cân bằng còn phụ thuộc vào thành phần hoá học, liên kết ẩm và mức độ nào đó vào trạng thái của nguyên liệu thực phẩm. Đa số sản phẩm thực phẩm khi nhiệt độ tăng thì Wcb giảm. Thời gian truyền ẩm đến cân bằng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ, độ ẩm của không khí và vật ẩm, tốc độ của không khí, cấu trúc của vật ẩm. Độ ẩm cân bằng có ý nghĩa lớn trong việc chọn chế độ sấy thích hợp cho từng loại sản phẩm thực phẩm. Người ta thường chọn độ ẩm cuối cùng của sản phẩm sấy bằng độ ẩm cân bằng của sản phẩm đó đối với giá trị trung bình cuả độ ẩm tương đối không khí trong bảo quản. 1.3.2 Độ ẩm tới hạn Wth Độ ẩm cân bằng của vật ẩm trong môi trường không khí có độ ẩm tương đối ϕ = 100% gọi là độ ẩm tới hạn Wth. Độ ẩm này là giới hạn của quá trình hấp thụ ẩm của vật
  11. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 10 hay là giới hạn của độ ẩm liên kết. Sau đó muốn tăng độ ẩm của vật phải nhúng vật vào trong nước hoặc có nước ngưng tụ trên bề mặt vật. Ẩm thâm nhập vào vật sau này gọi là ẩm tự do (hình vẽ 1.2). Trên đường cong vận tốc sấy, Wth là điểm uốn giữa giai đoạn vận tốc sấy không đổi và giai đoạn vận tốc sấy thay đổi. Độ ẩm tới hạn được xác định bằng cách đo độ ẩm cân bằng của vật liệu với không khí bao quanh vật thể đó có độ ẩm tương đối 100 %, hoặc bằng đường cong hấp thụ đẳng nhiệt của vật thể. Độ ẩm tới hạn của nguyên liệu hoặc sản phẩm càng lớn thì khả năng hút ẩm càng lớn khi bảo quản trong không khí ẩm ϕ ϕ Ẩm liên kết Ẩm tự do 100 % 100 % Vùng hấp thụ Vùng sấy Ẩm không thể thải ra Ẩm có thể thải ra 0 W 0 W Hình vẽ 1.1: Đường cong hấp thụ Hình vẽ 1.2: Trạng thái tương tác và thải ẩm đẳng nhiệt. giữa ẩm và môi trường
  12. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 11 CHƯƠNG II : CƠ SỞ KỸ THUẬT SẤY 2.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT CỦA MÁY SẤY m : năng suất các dạng vật chất qua máy sấy [kg/h] X : độ ẩm của không khí [kg hơi nước/kg KKK] L : khối lượng không khí khô [kg/h] G : khối lượng sản phẩm sấy [kg/h] W : khối lượng ẩm của sản phẩm sấy [kg/h] Không khí sau khi sấy : mL, X3, t3, i3 Sản phẩm ướt Sản phẩm khô Máy sấy mG, mW, iGv mG, iGr Không khí sau khi đun nóng Qbs mL, X2, t2, i2 Q Không khí trước khi sấy mL, X1, t1, i1 mG + mW + mL(1 + X1) = mG + mL(1 + X3) (2.1) mG.iGv + mW.iWv + mL.i1 + Q + Qbs = mG.iGr + mL.i3 + Qtt (2.2) 2.2 MÁY SẤY LÝ THUYẾT Với máy sấy lý thuyết người ta giả thiết rằng : - Nhiệt cho qúa trình sấy là do bộ phận đun nóng cung cấp. - Trong máy sấy không có bộ đun nóng bổ sung : Qbs=0 - Bỏ qua tổn thất nhiệt : Qtt=0 - Hàm nhiệt của sản phẩm sấy và thiết bị vận chuyển không thay đổi trong quá trình sấy : iGv = iGr - Nhiệt liên kết của nước (ẩm trong vật liệu) không đáng kể : iWv = 0 Khi đó :
  13. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 12 m 1 L = l = (2.3) m W x 3 −x 1 l : nhu cầu riêng về không khí [kg KK/kg nước bốc hơi] Q Q m i − i = x L = q = 3 1 (2.4) m w m L m w x 3 − x1 q : nhu cầu riêng về nhiệt [kcal/kg nước bốc hơi]. Có thể viết theo dạng q = di/dx. 2.3 SỬ DỤNG BIỂU ĐỒ I-X TRONG TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY 2.3.1 Mô tả quá trình sấy trong đồ thị i-X đối với không khí ẩm - Cấu tạo của đồ thị i –X i ϕ = const t = const ϕ = 1 t , mm Hg h P X= cons X Hình 2.1 : Biểu đồ I – X của không khí ẩm - Xác định trạng thái không khí ẩm - Xác định nhiệt độ điểm sương
  14. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 13 2.3.2 Tính toán cho máy sấy một cấp (3) i 2’ 2 t 2 i = const ’ 3 3 (2) t3 1 Q (1) t1 ’ X1 X3 X3 x Hình 2.2 : Sơ đồ máy sấy 1 cấp và biểu diễn của quá trình sấy trên đồ thị i-X - Đoạn 1-3 : tiêu tốn nhiệt q tính theo phương trình q = di/dx, giá trị của nó có thể đọc trực tiếp từ đồ thị i-X theo đường song song với đường 1-3 qua trục tương ứng của đồ thị i-X. - Nhu cầu nhiệt : chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối của quá trình. - Để không khí sấy tiếp nhận một lượng ẩm cao hơn (X3’ - X1) thì người ta cần phải đun nóng không khí ở nhiệt độ cao hơn (t’2 > t2) và nhu cầu nhiệt q cũng phải lớn hơn tức là đoạn thẳng 1-3’. 2.3.3 Máy sấy nhiều cấp i ’ 2 (4) (5) t2 (2) (3) (5) sản (3) ’ phẩm 3 (2) (4) t3 (1) Q (1) Qbs ’ X1 X5, X3 X Hình 2.3 : Sơ đồ máy sấy nhiều cấp và biểu diễn của quá trình sấy trên đồ thị i-X
  15. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 14 Nhu cầu nhiệt riêng sẽ được tính theo công thức : ' i5 − i1 i3 − i1 q = = ' (2.5) x 5 − x1 x 3 − x1 So sánh với máy sấy một cấp : - Nhu cầu nhiệt bằng nhau nếu độ ẩm ban cuối của không khí sấy giống nhau, trong khi nhiệt độ đun nóng không khí thấp hơn nhiều. - Nhu cầu nhiệt nhỏ hơn nếu nhiệt độ đun nóng không khí sấy giống nhau, trong đó sự thay đổi di/dx xảy ra tương tự như máy sấy một cấp. 2.3.4 Máy sấy tuần hoàn i mth (4) (3) sản phẩm (4) (2)(3) x = const x = const (3) ϕ = 1 (2) (1) Q (2) (1) mKKm X1 X5, X3’ X Hình 2.4 : Sơ đồ máy sấy tuần hoàn và biểu diễn quá trình sấy trên đồ thị i-X - Máy sấy tuần hoàn được sử dụng với những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ sấy và không khí sấy đi vào cần được giữ ở trạng thái ít bị thay đổi, tức là ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết bên ngoài, khi đó không khí mới (không khí bên ngoài) được hỗn hợp với một phần không khí sấy đi ra khỏi máy sấy - Cân bằng hỗn hợp : Đối với lượng không khí sấy : mKKm + mth = mKK (2.6) Đối với hàm ẩm : mKKm.X1 + mth.X4 = mKK.X2 (2.7) Đối với năng lượng : mKKm.i1 + mth.i4 = mKKm.X2 (2.8) - Cân bằng nhiệt lượng : mKKm.i1 + Q = (mKK - mth).i4 = mKKm.i4 Q = mKKm.(i4 - i1)
  16. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 15 Q Q m KKm i 4 − i1 = q = . = l.(i4 − i1 ) = (2.9) m W m KKm m W x 4 − x1 2.3.5 Máy sấy thực tế Q Qbs mG Q tt = q = l.()i3 − i1 − + ()iGr − iGv − i Wv + (2.10) m W m W m W m W hoặc q = l.(i3-i1) - qbs + qG - iWv + qtt (2.11) Đối với máy sấy lý thuyết ta có : q = l.(i3-i1), tức là qbs + iWv = qG + qtt I II Nếu bỏ qua nhiệt liên kết của nước trong sản phẩm sấy : - Nếu tổn thất nhiệt qtt và tổn thất nhiệt do sản phẩm trang bị vận chuyển mang ra cân bằng với nhiệt đung nóng bổ sung, quá trình sấy xảy ra theo đường hàm nhiệt không đổi nghĩa là I = II - Nếu qbs=0, thì I II). 2.4 CHUYỂN ĐỘNG ẨM TRONG SẢN PHẨM SẤY Quá trình chuyển ẩm trong vật liệu sấy bao gồm : chuyển dời ẩm từ bên trong vật liệu ẩm tới bề mặt của nó, ẩm bay hơi ở bề mặt, chuyển dời ẩm ở dạng hơi từ bề mặt vật liệu đến luồng không khí sấy bao quanh vật liệu sấy. Ẩm chuyển dời từ bề mặt vật liệu sấy ra môi trường sấy chung quanh, cần được đền bù bằng cách chuyển ẩm từ bên trong vật liệu sấy ra đến bề mặt của nó. Lượng ẩm bay hơi và chuyển từ bề mặt vật liệu ra môi trường xung quanh có thể tính theo phương trình : Wbh = r.(PM - PB).F.T (kg) (2.14) Trong đó : 2 PM : áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy (N/m ) 2 PB : áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí (N/m ) T : thời gian sấy (s;h) r : hệ số bốc hơi (kg/N.s hoặc kg/m2.h) Độ dẫn ẩm : là quá trình chuyển dời ẩm bên trong sản phẩm sấy do sự chênh lệch ẩm giữa các lớp bề mặt và các lớp bên trong của vật liệu sấy, được thực hiện nhờ lực khuếch tán, thẩm thấu, lực mao quản Do có độ dẫn ẩm mà ẩm chuyển dời ở thể lỏng khi độ ẩm lớn hoặc ở thể hơi khi độ ẩm bé, theo hướng từ trung tâm ra đến bề mặt của nó. Trong giai đoạn vận tốc sấy không đổi, ẩm chỉ bốc hơi ở bề mặt vật liệu sấy.
  17. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 16 Sau điểm tới hạn thứ I, quá trình bốc ẩm xuất hiện ở bên trong các mao quản. Trong giai đoạn vận tốc sấy giảm, ẩm được chuyển từ bên trong vật liệu ra đến bề mặt thường ở thể hơi, mà hơi này được tạo ra ở "lớp bay hơi" hay còn gọi là "màng sấy" ở sâu trong vật liệu và kèm theo sự khuếch tán ở thể lỏng. Sau điểm tới hạn thứ II sự chuyển dời ẩm trong sản phẩm sấy hầu như chỉ ở thể hơi. Lượng ẩm chuyển dời do độ ẩm dẫn ẩm qua bề mặt F, sau thời gian T, từ một điểm của vật liệu có độ ẩm W1 đến điểm khác có độ ẩm W2 (nếu W1>W2), có thể xác định theo biểu thức sau : w −w m = K .F.T. 1 2 (kg) (2.15) ∆w w b Trong đó : Kw : hệ số dẫn ẩm, phụ thuộc vào lực liên kết ẩm trong vật liệu sấy và tính chất của vật liệu (m2/s). W : độ ẩm của vật liệu sấy kg/kg chất khô. b : khoảng cách giữa hai điểm có nồng độ ẩm khác nhau (m) Ngoài ra, ẩm còn có thể chuyển dời nhờ hiện tượng dẫn nhiệt ẩm. Quá trình này được thực hiện dưới tác dụng của nhiệt khuếch tán và sự co dãn của không khí trong các mao quản, nhiệt chuyển dời theo hướng từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn, nghĩa là từ bề mặt nóng nhất phía ngoài vào sâu trong vật liệu (từ ngoài vào trong) và kèm theo ẩm. Lượng ẩm chuyển dời qua bề mặt F và sau thời gian T từ điểm có nhiệt độ t1 đến điểm có nhiệt độ t2 (với t1>t2) có thể xác định theo biểu thức sau : t − t m = K .F. 1 2 .T (kg) (2.16) ∆t t b Trong đó, Kt : hệ số dẫn nhiệt ẩm [kg/m.s.độ] b : khoảng cách giữa 2 điểm trong vật liệu có nhiệt độ khác nhau t1 và t2 [m] Hiện tượng dẫn nhiệt ẩm làm cản trở chuyển động của ẩm từ bên trong ra đến bề mặt vật liệu sấy, rõ nhất là bắt đầu giai đoạn tách ẩm liên kết hấp phụ và thẩm thấu. Tổng kết qúa chuyển dời ẩm trong quá trình sấy sẽ là mw = m∆w - m∆t (2.17) 2.5 VẬN TỐC SẤY 2.5.1 Khái niệm về vận tốc sấy dW u = (kg/m 2 .h) (2.12) F.dT Trong đó : W : lượng ẩm bay hơi trong thời gian sấy (kg/h)
  18. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 17 F : tổng bề mặt bay hơi của sản phẩm sấy (m2) T : thời gian sấy (h) Nếu vận tốc sấy không đổi, khi biết vận tốc sấy, thời gian sấy có thể được tính theo công thức : G .(w − w ) T = k 1 2 (h) (2.13) u.F Trong đó : - Gk : khối lượng vật liệu sấy tính theo khối lượng khô tuyệt đối (kg/h) - W1, W2 : độ ẩm ban đầu và ban cuối của sản phẩm sấy tính bằng kg/kg sản phẩm khô tuyệt đối. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sấy : - Bản chất của sản phẩm sấy : cấu trúc, thành phần hoá học, đặc tính của liên kết ẩm - Hình dáng và trạng thái của sản phẩm sấy - Độ ẩm ban đầu, ban cuối và độ ẩm tới hạn của sản phẩm sấy. - Nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc của tác nhân sấy. - Chênh lệch nhiệt độ ban đầu và ban cuối của tác nhân sấy. - Cấu tạo của máy sấy, phương thức sấy và chế độ sấy. 2.5.2 Các giai đoạn vận tốc sấy : Đường cong vận tốc sấy : biểu thị quan hệ giữa vận tốc sấy và độ ẩm của sản phẩm sấy, được xác định bằng thực nghiệm. W (%) dW K B A FdT 1 B K1 C T (h) Wcb Wth A W (%) Hình 2.5 : Đường cong sấy W=f(T) Hình 2.6 : Đường cong vận tốc sấy Quá trình sấy đến độ ẩm cân bằng gồm các giai đoạn chính : - Giai đoạn đốt nóng sản phẩm sấy, tương ứng với đoạn AB. - Giai đoạn vận tốc sấy không đổi (đẳng tốc), đoạn BK1 . - Giai đoạn vận tốc sấy giảm dần, tương ứng với đoạn K1C.
  19. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 18 - Điểm K1 gọi là điểm tới hạn, tương ứng với độ ẩm tới hạn Wth, tại đó xuất hiện ẩm tự do. Việc xác định hai giai đoạn sấy có ý nghĩa quan trọng để thiết lập chế độ sấy phù hợp với từng giai đoạn sấy và từng loại sản phẩm sấy. 2.5.3 Tính toán vận tốc sấy 2.5.3.1 Giai đoạn vận tốc sấy không đổi Ẩm được tách ra chủ yếu là do bốc hơi từ bề mặt của sản phẩm sấy, do đó : dW = b.dQ, trong đó b : hệ số tỉ lệ. Mặt khác, dQ = a.F.(tK - ts).dT Trong đó : a : hệ số cấp nhiệt (kcal/m2.độ) F : bề mặt trao đổi nhiệt (m2) o tK : nhiệt độ của không khí sấy ( C) ts : nhiệt độ của sản phẩm sấy (oC) T : thời gian sấy trong giai đoạn vận tốc sấy không đổi (s) ⇒ dW = b.a.F. (tK - ts).dT dW = kt.F. (tK - ts).dT (2.18) 2 Trong đó : kt [kg/m .s.độ] = b.a, là hệ số chuyển khối phụ thuộc vào nhiệt độ. Phương trình tính vận tốc sấy trong giai đoạn đẳng tốc sẽ là : dW u = = k .()t − t [kg/m2.s] (2.19) 1 F.dT t K s - Động lực của quá trình sấy không chỉ được biểu thị bằng sự chênh lệch độ ẩm, mà còn bằng sự chênh lệch nhiệt độ giữa tác nhân sấy và bề mặt sản phẩm sấy. Ngoài ra nó còn được biểu diễn bằng hiệu số áp suất riêng phần của hơi nước bão hoà của không khí Pbh tương ứng với nhiệt độ bay hơi ở bề mặt sản phẩm sấy và áp suất riêng phần trong không khí Ph, hoặc bằng hiệu số của hàm ẩm không khí trên bề mặt vật liệu sấy Xbh (có thể coi như hàm ẩm này tương ứng với trạng thái bão hoà) và hàm ẩm của không khí sấy Xh. 2.5.3.2 Giai đoạn vận tốc sấy giảm dần (thay đổi) Quá trình sấy xảy ra là phức tạp. Đường cong sấy có thể cong đều hoặc có điểm uốn. Để đơn giản hoá và với mức độ gần đúng, người ta có thể coi như vận tốc sấy giảm theo đường thẳng. Động lực của quá trình sấy là hiệu số giữa độ ẩm của sản phẩm sấy và độ ẩm cân bằng của nó và phương trình có dạng : dW u = 2 = k .(W − W ) (kg/m2.h) (2.20) 2 F.dt w cb Trong đó : W : độ ẩm của sản phẩm sấy (kg/kg chất khô) Wcb : độ ẩm cân bằng của SP sấy (kg/kg chất khô)
  20. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 19 2 kw : hệ số chuyển khối (kg/m .h) 2.5.4 Tính toán thời gian sấy Thời gian sấy là một thông số đặc biệt quan trọng được sử dụng trong tính toán thiết kế và vận hành thiết bị sấy. Thời gian sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại vật liệu sấy, hình dáng, kích thước hình học của vật liệu, độ ẩm đầu và cuối của vật liệu, loại thiết bị sấy, phương pháp cấp nhiệt, chế độ sấy. Do đó việc xác định thời gian sấy bằng giải tích gặp nhiều khó khăn. Vì vậy trong tính toán thực tế các thiết bị sấy thời gian được xác định theo thực nghiệm và cả theo kinh nghiệm vận hành. Tuy nhiên trong nghiên cứu các thiết bị sấy mới và để sấy các vật liệu khi chưa có kinh nghiệm người ta phải dựa vào lý thuyết giải tích hoặc nửa giải tích nửa thực nghiệm để tính toán thời gian sấy. Nguyên tắc xác định thời gian sấy bằng giải tích : 1- Xây dựng mô hình vật lý phù hợp với vật liệu cần sấy và với một thiết bị sấy nào đó phù hợp với phương pháp cấp nhiệt và chế độ sấy. 2- Từ mô hình vật lý thiết lập mô hình toán học của bài toán truyền nhiệt truyền chất, nghĩa là viết hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất cùng với các điều kiện đơn trị tương ứng. Trong hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất phải thể hiện mô hình vật lý một cách toàn diện, chính xác nhưng cũng lược bỏ những nhân tố phụ để mô hình toán học đơn giản và có thể giải được. 3- Giải mô hình toán học để xác định thời gian sấy Do trong mô hình vật lý và cả mô hình toán học đã được bỏ đi một số những yếu tố vì vậy thời gian sấy xác định bằng giải tích sẽ sai khác với thực tế, cho nên cần phải trải qua thực nghiệm để chỉnh lý cho phù hợp. 2.6 PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ SẤY Sấy có thể được chia ra hai loại : sấy tự nhiên và sấy bằng thiết bị (sấy nhân tạo). Sấy tự nhiên : quá trình phơi vật liệu ngoài trời, không có sử dụng thiết bị. Các phương pháp sấy nhân tạo thực hiện trong các thiết bị sấy. Có nhiều phương pháp sấy nhân tạo khác nhau. Căn cứ vào phương pháp cung cấp nhiệt có thể chia ra các loại : sấy đối lưu, sấy bức xạ, sấy tiếp xúc, sấy thăng hoa, sấy bằng điện trường dòng cao tần, sấy điện trở 2.6.1 Phơi và sấy bằng năng lượng mặt trời Sấy bằng cách phơi nắng (không có sử dụng thiết bị sấy) được sử dụng rộng rãi nhất trong chế biến nông sản.
  21. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 20 Trong các phương pháp phức tạp hơn (sấy bằng năng lượng mặt trời), năng lượng mặt trời được thu nhận để làm nóng không khí. Sau đó không khí nóng được sử dụng để sấy. 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). + 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). 2.6.1.1 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. 2.6.1.2 Nhược điểm - kiểm soát điều kiện sấy rất kém - tốc độ sấy chậm hơn so với với sấy bằng thiết bị, do đó chất lượng sản phẩm cũng kém và dao động hơn. - quá trình sấy phụ thuộc vào thời tiết và thời gian trong ngày. Hình 2.7. : Sơ đồ TB sấy bằng năng - đòi hỏi nhiều nhân công. lượng mặt trời 2.6.1.3 Thiết bị Có nhiều kiểu thiết kế thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời khác nhau. Những thiết bị nhỏ : thường có công suất nhỏ, tốc độ sấy và chất lượng cải tiến không đáng kể so với phương pháp sấy phơi (có đảm bảo vệ sinh), do đó ít được sử dụng. Hình 2.8 : Thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời có kệ để nguyên liệu
  22. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 21 Hình 2.9 : Sơ đồ hệ thống sấy bằng năng lương mặt trời có trữ nhiệt Những thiết bị lớn hơn, có sử dụng quạt chạy bằng năng lượng mặt trời với công suất 200-400 kg mẻ đang được sử dụng nhiều ở các nước vùng Địa trung hải để sản xuất trái cây sấy xuất khẩu cho thị trường châu Âu. Năng lượng mặt trời còn có thể được dùng làm nóng trước không khí ở các thiết bị sấy vận hành bằng nhiên liệu để tiết kiệm một phần năng lượng. 2.6.2 Sấy đối lưu 2.6.2.1 Nguyên lý hoạt động Không khí nóng hoặc khói lò được dùng làm tác nhân sấy có nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ phù hợp, chuyển động chảy trùm lên vật sấy làm cho ẩm trong vật sấy bay hơi rồi đi theo tác nhân sấy. Không khí có thể chuyển động cùng chiều, ngược chiều hoặc cắt ngang dòng chuyển động của sản phẩm. Bảng 2.1 so sánh các phương pháp chuyển động khác nhau của tác nhân sấy. Sấy đối lưu có thể thực hiện theo mẻ (gián đoạn) hay liên tục. Trên hình vẽ dưới là sơ đồ nguyên lý sấy đối lưu bằng không khí nóng. Hình 2.10 :
  23. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 22 Sản phẩm sấy có thể lấy ra khỏi buồng sấy theo mẻ hoặc liên tục tương ứng với nạp vào. Caloriphe 2 đốt nóng không khí có thể là loại caloriphe điện, caloriphe hơi nước v.v Kết cấu thực của hệ thống rất đa dạng, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : chế độ làm việc, dạng vật sấy, áp suất làm việc, cách nung nóng không khí, chuyển động của tác nhân sấy, sơ đồ làm việc, cấu trúc buồng sấy Bảng 2.1 :So sánh các hình thức chuyển động khác nhau của tác nhân sấy. Hương chuyển Ưu điểm Nhược điểm động TNS Cùng chiều Tốc độ sấy ban đầu cao, ít bị co khó đạt được độ ẩm cuối thấp ngót, tỷ trọng thấp, sản phẩm ít vì không khí nguội và ẩm hư hỏng, ít nguy cơ hư hỏng do thổi qua sản phẩm sấy. VSV Ngược chiều Năng lượng được sử dụng kinh tế Sản phẩm dễ bị co ngót, hư hơn, độ ẩm cuối cùng thấp hơn. hỏng do nhiệt. Có nguy cơ hư hỏng VSV do không khí ẩm, ấm gặp nguyên liệu ướt. Dòng khí thoát Kết hợp ưu điểm của sấy cùng Phức tạp và đắt tiền hơn so ở trung tâm chiều và ngược chiều nhưng với sấy một chiều. không bằng sấy bằng dòng khí thổi cắt ngang. Dòng khí thổi Kiểm soát điều kiện sấy linh hoạt Đầu tư trang bị, vận hành và cắt ngang bằng các vùng nhiệt được kiểm bảo dưỡng thiết bị phức tạp soát riêng biệt; tốc độ sấy cao và đắt tiền. Đối với quá trình sấy chi phí năng lượng là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế sản xuất, vì vậy khi thiết kế, cần chú ý đến các biện pháp làm giảm sự thất thoát nhiệt, tiết kiệm năng lượng. Ví dụ : - cách nhiệt buồng sấy và hệ thống ống dẫn. - tuần hoàn khí thải qua buồng sấy - sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt từ không khí thoát ra để đung nóng không khí hoặc nguyên liệu vào. - sử dụng nhiệt trực tiếp từ lửa đốt khí tự nhiên và từ các lò đốt có cơ cấu làm giảm nồng độ khí oxit nitơ. - sấy thành nhiều giai đoạn (ví dụ : kết hợp sấy tầng sôi với sấy thùng hoặc sấy phun kết hợp với sấy tầng sôi). - cô đặc trước nguyên liệu lỏng đến nồng độ chất rắn cao nhất có thể.
  24. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 23 - kiểm soát tự động độ ẩm không khí bằng máy tính. Các tiêu chuẩn để chọn lựa thiết bị sấy được mô tả trong bảng 2.2. 2.6.2.2 Thiết bị sấy đối lưu Thùng sấy (bin dryer) Cấu tạo : là một thùng chứa hình trụ hoặc hình hộp có đáy dạng lưới. Không khí nóng thổi lên từ phía đáy của nguyên liệu với vận tốc tương đối thấp (ví dụ : 0,5 m/s). Ứng dụng : - do có sức chứa lớn, giá thành và chi phí hoạt động thấp chúng được sử dụng chủ yếu để sấy kết thúc sau khi sản phẩm được sấy trước bằng các thiết bị sấy khác. Chúng có thể được dùng để cân bằng ẩm sản phẩm sau khi sấy. Yêu cầu đối với nguyên liệu : do thiết bị sấy có thể cao vài mét, yêu cầu nguyên liệu phải đủ độ cứng cơ học để chống lại sức ép, duy trì khoảng trống giữa các hạt, giúp không khí nóng có thể xuyên qua được. Buồng sấy : Cấu tạo : gồm có một buồng cách nhiệt với các khay lưới hoặc đột lỗ, mỗi khay chứa một lớp mỏng nguyên liệu (dày 2-6cm). Không khí nóng thổi vào với tốc độ 0,5-5 m/s qua hệ thống ống dẫn và van đổi hướng để cung cấp không khí đồng nhất qua các khay. Các thiết bị đun nóng phụ trợ có thể được đặt thêm ở phía trên hoặc dọc bên các khay để tăng tốc độ sấy. Ứng dụng : - dùng trong sản xuất nhỏ (1-20 tấn/ngày) hoặc trong thử nghiệm. Chúng có giá thành, chi phí bảo dưỡng thấp và có thể sử dụng linh hoạt để sấy các loại nguyên liệu khác nhau. Tuy nhiên, điều kiện sấy tương đối khó kiểm soát và chất lượng sản phẩm dao động do sự phân phối nhiệt đến nguyên liệu không đồng đều. Lò sấy Đây là những toà nhà 2 tầng trong đó sàn nhà có giát gỗ mỏng được đặt phía trên lò đốt. Không khí nóng và sản phẩm cháy từ lò đốt xuyên qua lớp nguyên liệu có độ dày đến 20 cm. Chúng được sử dụng theo truyền thống để sấy táo ở Mỹ hoặc hoa hớp-lông ở châu Âu, tuy nhiên việc kiểm soát điều kiện sấy rất khó khăn và thời gian sấy tương đối lâu. Do yêu cầu phải đảo sản phẩm thường xuyên, việc chất nguyên liệu và tháo dỡ sản phẩm được thực hiện bằng thủ công nên chi phí nhân công cao. Tuy vậy, chúng có ưu điểm là sức chứa lớn, dễ xây dựng và bảo dưỡng với chi phí thấp.
  25. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 23 Bảng 2.2 : Các phương pháp sấy và tiêu chuẩn chọn lựa. Phương Đặc tính nguyên liệu Điều kiện sấy Ví dụ sản phẩm pháp sấy Mẻ/ Rắn/ Ẩm Nhạy Kích Cứng Tốc độ sấy Ẩm cuối Năng suất bay hơi liên tục Lỏng dầu cảm nhiệt thước cơ học tối đa tiêu biểu Tháp sấy B S Thấp TrL Có Chậm Thấp - Rau củ Buồng sấy B S Tr.bình TrL Tr.bình Tr.bình 55-75 Rau củ, trái cây Băng chuyền C S Tr.bình TrL Tr.bình Tr.bình 1820 ngũ cốc, trái cây, bánh kẹo, bích quy, rau củ, hạt đậu Tang trống C S Tr.bình Nhỏ Tr.bình Tr.bình 410 dịch sệt, xi rô ngô, khoai tây ăn liền, gelatin Thảm bọt C L - Có - Nhanh - nước ép trái cây Tầng sôi B/C S Tr.bình Nhỏ Có Tr.bình Thấp 910 đậu, rau củ dạng mỏng hoặc dạng cục, hạt lúa, bột hoặc sản phẩm ép đùn, trái cây, duă khô, gia vị Lò sấy B S Tr.bình TrL Chậm Tr.bình - táo dạng lát, dạng nhẫn, hớp lông Sấy điện B/C S Thấp Nhỏ Nhanh Thấp - các loại bánh từ bột mì trường dòng cao tầng Khí động C S Thấp Có Nhỏ Có Nhanh Thấp 15900 tinh bột, bột súp, cháo khoai tây Bức xạ C S Thấp Nhỏ Nhanh - các loại bánh từ bột mì Thùng quay B/C S Tr.bình Có Nhỏ Có Tr.bình Tr.bình 1820-5450 hạt cacao, lạc, ngũ cốc chín, Spin flash C L Tr.bình Có TrL/Nh Nhanh Thấp 7800 pasta, ỏ Sáy phun C S - - Nhanh Tr.bình 15900 cà phê hoà tan, sữa bột Năng lượng B S Tr.bình TrL Chậm Tr.bình - trái cây, rau củ mặt trời Hầm C S Tr.bình TrL Tr.bình Tr.bình - trái cây, rau củ Băng chuyền/ C L Tr.bình TrL Chậm Thấp 18200 nươc ép trái cây, chiết xúât thịt, mẫu sô cô la kệ chân không
  26. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 24 Hầm sấy Cấu tạo : các khay chứa nguyên liệu được chất lên các xe goòng, được lập trình để chuyển động qua hầm cách nhiệt có tác nhân sấy chuyển động theo một hoặc nhiều hướng khác nhau như mô tả trong bảng 2.1. Sản phẩm sau khi ra khỏi hầm có thể được sấy kết thúc trong các thùng sấy. Một hầm sấy tiêu biểu dài 20 m có 12-15 xe goòng với tổng sức chứa 5000 kg nguyên liệu. Ứng dụng : do khả năng sấy lượng lớn nguyên liệu trong một thời gian tương đối ngắn, chúng được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, phương pháp này hiện đã bị thay thế bằng phương pháp sấy băng chuyền và sấy tầng sôi do hiệu suất năng lượng của sấy hầm thấp hơn, chi phí lao động cao hơn và chất lượng sản phẩm không tốt bằng hai phương pháp nêu sau. Sấy băng chuyền Cấu tạo : là thiết bị làm việc liên tục, có thể dài đến 20m, rộng 3m. Nguyên liệu được đặt trên một băng chuyền lưới có đáy sâu 5-15 cm. Dòng khí lúc đầu có hướng từ dưới lên qua đáy của nguyên liệu và ở các giai Hình 2.11 : Các hình thức chuyển động của đoạn sau đó được hướng xuống tác nhân sấy trong hầm sấy. dưới để sản phẩm khỏi bị thổi ra a) cùng chiều b) ngược chiều khỏi băng chuyền. c) kết hợp cùng - ngược chiều d) cắt ngang Ở các thiết bị sấy 2 hoặc 3 giai đoạn nguyên liệu sau khi được sấy một phần sẽ được xáo trộn và chất đống lại vào các băng chuyền kế tiếp sâu hơn (đến 15-25 cm hoặc 250-900 cm ở các máy sấy 3 giai đoạn), nhờ đó cải tiến được tính đồng nhất của quá trình sấy và tiết kiệm được không gian. Sản phẩm thường được sấy đến độ ẩm 10-15 % và sau đó được sấy kết thúc ở thùng sấy. Thiết bị sấy có thể có các khu vực sấy độc lập với nhau được kiểm soát bằng máy tính và hệ thống tự động nạp nguyên liệu và tháo sản phẩm để giảm chi phí nhân công.
  27. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 25 Ứng dụng : - do điều kiện sấy được kiểm soát tốt và năng suất cao nên thường được dùng để sấy sản phẩm ở quy mô lớn (ví dụ : đến 5,5 tấn/h). - Ứng dụng trong phương pháp sấy thảm bọt : nguyên liệu dạng lỏng được chuyển thành dạng bọt bền bằng cách cho thêm tác nhân tạo bọt và được hoà khí nitơ hoặc không khí. Nguyên liệu dạng bọt được trải lên băng chuyền có lỗ đến độ dày 2-3 mm và được sấy nhanh trong 2 giai đoạn bằng dòng khí thổi cùng chiều và sau đó ngược chiều. Sấy thảm bọt nhanh khoảng gấp 3 lần so với sấy chất lỏng có độ dày tương tự. Lớp thảm xốp mỏng của sản phẩm sấy sau đó được nghiền thành bột dễ chảy, có tính hồi nguyên rất tốt. Quá trình sấy nhanh và nhiệt độ sản phẩm thấp giúp cho chất lượng của sản phẩm tốt, nhưng khi sản xuất với năng suất cao đòi hỏi diện tích bề mặt lớn, chi phí do đó cũng cao. Máy sấy thùng quay (rotary dryer) o Cấu tạo : một thùng chứa kim loại hình trụ hơi nghiêng (khoảng 5 ) quay tròn quanh trục được gắn với các cánh hướng ở bên trong để nguyên liệu đổ xuống xuyên qua dòng khí chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều qua máy sấy. Diện tích bề mặt của nguyên liệu được phơi bày tối đa trong không khí nên tốc độ sấy cao và chất lượng sản phẩm sấy đồng đều. Ứng dụng : - đặc biệt thích hợp cho các loại nguyên liệu có khuynh hướng bị rối hoặc dính vào nhau trong băng chuyền hoặc khay sấy. Tuy nhiên, do sự hư hại do va đập, cọ xát trong máy, chúng chỉ hạn chế sử dụng cho tương đối ít loại sản phẩm (ví dụ : sấy hạt đậu, hạt cacao ). Hình 2.12 : Sơ đồ hệ thống sấy thùng quay Sấy tầng sôi (fluidized bed dryer) Cấu tạo : máy sấy tầng sôi gồm một thiết bị phân phối không khí đồng đều quanh phần đáy của nguyên liệu; một buồng thông gió vào để tạo ra một vùng khí đồng nhất, ngăn ngừa tốc độ cao cục bộ; và một vùng thoát khí ở phía trên tầng sôi để những phần tử bị gió cuốn lên thoát ra. Không khí thoát ra từ tầng sôi thường được thổi vào các xiclon để tách những phần tử mịn, sau đó chúng được đưa trở lại vào sản phẩm hoặc được làm kết cục. Phía trên của hệ thống phân phối khí, các khay lưới có chứa lớp nguyên liệu dạng hạt có bề dày đến 15 cm. Không khí nóng thổi xuyên qua lớp nguyên liệu làm chúng lơ lững và rung động mạnh, phơi bày tối đa diện tích bề mặt nguyên liệu (hình vẽ ). Những máy sấy kiểu này gọn và kiểm soát tốt điều kiện sấy và tốc độ sấy cao.
  28. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 26 Ứng dụng : Các thiết bị sấy tầng sôi làm việc theo mẻ được sử dụng trong sản xuất nhỏ, trong đó, sản phẩm được xáo trộn mạnh nên độ ẩm của sản phẩm đồng nhất. Thiết bị sấy liên tục có các khay rung để chuyển sản phẩm từ khay này sang khay kế tiếp dưới tác dụng của trọng trường. Độ ẩm của sản phẩm sấy dao động trong phạm vi rộng hơn và thường được kết hợp với thùng sấy. Các áp dụng chính bao gồm sấy các loại nguyên liệu dạng hạt nhỏ có khả Hình 2.13 : Thiết bị sấy tầng sôi dùng năng sôi mà không bị hư hại cơ học quá trong sấy đường mức như men khô, dừa khô, thóc lúa, gia vị, cà phê hoà tan, đường, trà Ngoài ra, còn có nhiều kiểu thiết kế khác của phương pháp sấy tầng sôi như : - máy sấy Torbed, trong đó lớp nguyên liệu sôi xung quanh một buồng sấy "hình chân cột" do không khí nóng thổi trực tiếp từ buồng đốt lên (hình vẽ ). Máy sấy có tốc độ truyền khối và truyền nhiệt rất cao, thời gian sấy rút ngắn một cách đáng kể. Thiết bị có bộ vi xử lý kiểm soát quá trình sấy và chúng có thể được sử dụng để nướng, rang nguyên liệu dạng hạt. - máy sấy spin-flash, trong đó buồng sấy được gắn với rotor ở đáy. Không khí nóng được thổi vào theo phương tiếp tuyến vào buồng sấy và dưới tác động của rôto không khí chuyển động xoáy lên trên. Các mẫu nguyên liệu, như là thịt cua nhão, bánh cô ca hoặc kẹo gôm, khi vào buồng sấy sẽ bị bột đã sấy khô dính vào. Những Hình 2.14 : Máy sấy tầng sôi cục này rơi xuống đáy ở đó chúng bị sôi do Torbed không khí thổi và bị quay bởi rô to. Khi khô, những cục này vỡ ra thành bột và được mang lên trên thành buồng sấy và lấy ra qua các lỗ phân loại có kích cỡ thay đổi được. - máy sấy tầng sôi ly tâm
  29. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 27 Máy sấy khí động Nguyên lý hoạt động : bột ẩm hoặc nguyên liệu dạng hạt, thông thường độ ẩm dưới 40 % và kích thước hạt trong phạm vi 10-500 µm, được nạp vào hệ thống ống dẫn bằng kim loại và bị Hình 2.15 : Máy sấy spin-flash thổi lơ lững trong không khí nóng. Ở các máy sấy thẳng đứng, dòng khí được điều chỉnh sao cho các hạt nhẹ và nhỏ hơn, tức là sẽ khô nhanh hơn, được đưa đến thiết bị tách xiclon trước, còn những hạt ẩm và nặng hơn phải lưu lại trong ống sấy ở trạng thái lơ lững lâu hơn để đạt đến độ ẩm yêu cầu. Đối với những sản phẩm đòi hỏi thời gian lưu lâu, hệ thống ống sấy có dạng vòng (máy sấy khí động dạng vòng) và nguyên liệu được quay vòng cho đến khi chúng đủ khô. Những máy sấy dạng vòng có nhiệt độ Hình 2.16 : Hệ thống sấy khí động sấy cao, thời gian sấy ngắn được sử dụng để dạng đứng làm nở tinh bột trong khoai tây, cà rốt, tạo ra cấu trúc xốp và rắn giúp cải tiến được tốc độ sấy cho các phương pháp sấy thông thường khác ở giai đoạn sấy sau đó và giúp quá trình hồi nguyên nhanh. Quá trình sấy kéo dài 2-10 giây, vì thế chúng thích hợp cho các sản phẩm mất ẩm nhanh trên bề mặt. Quá trình làm lạnh do bay hơi của hạt ngăn ngừa sự hư hại vì nhiệt, giúp sản phẩm có chất lượng cao. Ứng dụng : máy sấy khí động có vốn và chi phí bảo dưỡng tương đối thấp, tốc độ sấy cao và điều kiện sấy được kiểm soát chặt chẽ. Chúng thích hợp với các nguyên Hình 2.17 : Sơ đồ hệ thống sấy khí động liệu nhạy cảm với nhiệt. Năng suất đầu ra dạng vòng
  30. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 28 của sản phẩm khoảng từ 10kg/h đến 25 tấn/h. Chúng thường được dùng sau khi sấy phun để tạo ra những sản phẩm có độ ẩm thấp hơn so với bình thường (ví dụ : sữa đặc biệt, bột trứng, khoai tây dạng cục). Máy sấy phun Một hệ phân tán mịn của nguyên liệu đã được cô đặc trước (40-60 % ẩm) được phun để hình thành những giọt mịn, rơi vào trong dòng khí nóng cùng chiều hoặc ngược chiều ở nhiệt độ 150-300 oC trong một buồng sấy lớn. Các kiểu vòi phun sau được sử dụng : - Vòi phun ly tâm : chất lỏng được nạp vào giữa tâm của chén hoặc đĩa quay có vận tốc ngoại vi 90-200 ms-1. Các giọt lỏng đường kính 50-60 µm được bắn xuống từ mép rìa tạo thành lớp giọt lỏng đều. - Vòi phun áp suất : chất lỏng bị cưỡng bức dưới áp suất cao (700-2000 kPa) qua một kẽ hỡ nhỏ tạo nên những giọt lỏng có kích thước 180-250 (m. - Vòi phun khí động : không khí được sử dụng để phun dung dịch. Trước hết không khí qua ống phun tăng tốc độ rồi thổi ra miệng phun, chất lỏng được đưa đến miệng vòi bằng bơm. Không khí có tốc độ cao sẽ thổi dung dịch văng ra thành hạt nhỏ. Vòi phun lỗ dễ bị nghẹt bởi các hạt nguyên liệu và nguyên liệu cũng mài mòn dần dần các khe lỗ làm rộng lỗ ra do đó tăng kích thước trung bình của các giọt lỏng. Quá trình sấy xảy ra nhanh (1-10 giây) do diện tích bề mặt của những giọt lỏng rất lớn. Tốc độ nạp liệu được kiểm soát sao cho nhiệt độ không khí ra 90-100 oC, tương ứng với nhiệt độ bầu ướt (và nhiệt độ sản phẩm) 40-50 oC để sản phẩm ít bị hư hại. Bột khô thu được ở đáy thiết bị sấy và được lấy đi bằng vít tải Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau về vòi phun, buồng sấy, hệ thống đốt nóng không khí và hệ thống thu hồi bột, xuất phát từ yêu cầu của rất nhiều loại nguyên liệu sấy phun khác nhau (ví dụ : sữa, trứng, cà phê, ca cao, chè, khoai tây, hổn hợp kem đá, bột yaourt, pho mát, tác nhân làm trắng cà phê, nước ép trái cây, gia vị đóng gói và tinh bột ngô, lúa mì). Các thiết bị sấy phun cũng có thể được gắn với thiết bị sấy tầng sôi để sấy kết thúc sản phẩm thu được từ buồng sấy. Thiết bị sấy phun khác nhau về kích cỡ từ các thiết kế ở mức độ thí nghiệm để sấy những sản phẩm khối lượng nhỏ, giá trị cao như enzym, gia vị cho đến các thiết kế để sản xuất quy mô lớn dùng trong thương mại với năng suất đến 10.000 kg sữa sấy/giờ. Ưu điểm lớn là quá trình sấy nhanh, sản xuất liên tục ở quy mô lớn, chi phí nhân công thấp, vận hành và bảo dưỡng tương đối đơn giản. Hạn chế chính là chi phí đầu tư cao, yêu cầu độ ẩm ban đầu cao để bảo đảm nguyên liệu có thể bơm đến thiết bị tạo giọt lỏng. Điều này dẫn đến chi phí năng lượng cao hơn (để tách ẩm) và thất thoát các chất dễ bay hơi cao hơn. Thiết bị sấy băng chuyền và sấy tầng sôi đang bắt đầu thay chổ sấy phun do chúng gọn hơn và có hiệu qủa sử dụng năng lượng tốt hơn.
  31. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 29 2.6.3 Máy sấy tiếp xúc (contact dryer) - nhiệt được cung cấp bằng dẫn nhiệt - ưu điểm chính so với sấy đối lưu : + không cần thiết phải đun nóng lượng lớn không khí trước khi sấy do đó hiệu quả nhiệt cao hơn. + quá trình sấy có thể thực hiện không cần sự có mặt của oxy nên các thành phần dễ bị oxy hoá của nguyên liệu được bảo vệ. Nhu cầu nhiệt riêng thông thường là 2000-3000 kJ/kg nước bay hơi so với 4000-10.000 kJ/kg nước bay hơi của máy sấy đối lưu. Tuy nhiên, thực phẩm có độ dẫn nhiệt thấp, trở thành khô hơn nên khó dẫn nhiệt hơn trong quá trình sấy, vì vậy cần phải sấy lớp mỏng để nhiệt dẫn nhanh, tránh gây hư hại cho sản phẩm. Sấy tang trống (sấy trục lăn) (roller dryer) Hình 2.18 : Sơ đồ thiết bị sấy Hình 2.19 : Sơ đồ thiết bị sấy tang trống trục đơn tang trống trục kép Các trục rỗng bằng thép quay chậm được đun nóng bên trong bằng hơi nước áp suất cao đến 120-170 oC. Một lớp mỏng nguyên liệu được trải đều lên bề mặt bên ngoài bằng phương pháp nhúng, phun, trải hoặc bằng các trục lăn nạp liệu phụ. Trước khi trục lăn hoàn thành 1 vòng quay (khoảng 20 giây đến 3 phút) sản phẩm sấy được cào ra bằng lưỡi dao tiếp xúc đều với mặt trục theo chiều dài của nó. Thiết bị sấy có thể có 1 trục, 2 trục hoặc trục kép. Thiết bị đơn trục được sử dụng rộng rãi, vì chúng linh động, tỷ lệ diện tích bề mặt trục sử dụng để sấy lớn, dễ dàng tiếp cận để bảo dưỡng và không có nguy cơ bị hư hại do kim loại rơi vào giữa hai trục. Thiết bị sấy trục có tốc độ sấy cao, hiệu quả năng lượng cao, chúng thích hợp với nguyên liệu dạng sệt có kích thước các cấu tử lớn quá mức để có thể sấy phun được. Sấy trục lăn dùng trong sản xuất khoai tây dạng mãnh (flake), ngũ cốc nấu sẵn, mật đường, xúp bột, pu rê trái cây và sữa tách kem (whey). Tuy nhiên, do giá thành trục lăn cao và thành phần nguyên liệu nhạy cảm nhiệt dễ bị hư hại, nên trong sản xuất lớn chúng đã bị thay thế bằng phương pháp sấy phun.
  32. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 30 Sấy bằng quả cầu nóng Buồng sấy được gắn với vít tải quay chậm có chứa các quả cầu bằng sứ, được làm nóng bằng không khí nóng, thổi vào buồng sấy. Nguyên liệu dạng viên, cục được sấy chủ yếu do sự dẫn nhiệt do sự tiếp xúc với những quả cầu nóng và được dịch chuyển qua buồng sấy bằng vít tải, để thoát ra ở đáy. Thời gian sấy được kiểm soát bằng tốc độ vít tải và nhiệt độ của những quả cầu nóng. Máy sấy băng chuyền chân không và kệ sấy chân không (vacuum band dryer, vacuum shelf dryer) Hình 2.20 : Sơ đồ thiết bị sấy băng chuyền chân không Nguyên liệu dưới dạng sệt được trải hoặc phun lên 1 băng chuyền thép chạy qua 2 trục lăn rỗng trong 1 buồng chân không có áp suất 1-70 mmHg. Lúc đầu nguyên liệu được sấy bằng trục lăn được làm nóng bằng hơi nước và sau đó bằng ống xoắn trao đổi nhiệt có hơi nước làm nóng hoặc các thiết bị cấp nhiệt bức xạ đặt ở phía trên các băng chuyền. Sản phẩm sấy được làm nguội bằng trục lăn thứ 2 có nước lạnh ở trong và được tách ra bằng lưỡi dao. Kệ sấy chân không gồm các kệ đặt trong 1 buồng chân không với áp súât 1-70 mmHg. Nguyên liệu được đặt thành 1 lớp mỏng trên các khay thép phẳng được làm cẩn thận để đảm bảo sự tiếp xúc tốt với các kệ. Hơi nước hoặc nước nóng chạy qua các kệ để cấp nhiệt cho quá trình sấy. Quá trình sấy nhanh và sự hư hại do nhiệt đến sản phẩm được hạn chế giúp cho 2 phương pháp này thích hợp với các nguyên liệu nhạy cảm với nhiệt. Tuy nhiên, cần cẩn thận để tránh sản phẩm khỏi bị cháy trên các khay trong các kệ sấy chân không và sự co ngót làm giảm sự tiếp xúc giữa nguyên liệu với bề mặt nóng ở cả 2 thiết bị. Chúng có giá thành cao, chi phí vận hành cao và năng suất thấp, được dùng chủ yếu để sản xuất các sản phẩm sấy phồng (puff dried).
  33. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 31 Sấy nổ phồng (explosion puff drying) Bao gồm sấy sơ bộ nguyên liệu đến độ ẩm trung bình, sau đó đóng kín nó trong buồng áp suất. Nhiệt độ và áp suất trong buồng tăng lên đến mức nào đó thì được "giải phóng" tức thì. Do áp suất giảm nhanh, sản phẩm nở ra, tạo một cấu trúc xốp mịn. Điều này giúp cho quá trình sấy kết thúc sau đó và quá trình hồi nguyên của sản phẩm xảy ra nhanh hơn. Giá trị dinh dưỡng và cảm quan cũng được lưu giữ tốt. Phương pháp này lúc đầu chỉ được áp dụng đối với loại sản phẩm ngũ cốc nổ phồng dùng cho điểm tâm, nhưng dến nay chúng được áp dụng cho một loạt sản phẩm rau và trái cây sấy. 2.6.4 Sấy thăng hoa Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm ra khỏi vật sấy bằng sự thăng hoa của nước. Quá trình thăng hoa là quá trình chuyển trực tiếp từ thể rắn sang thể hơi. Ở điều kiện bình thường, ẩm trong thực phẩm ở dạng lỏng, nên để thăng hoa chúng cần được chuyển sang thể rắn bằng phương pháp lạnh đông. Chính vì vậy nên còn gọi là phương pháp Sấy lạnh đông (Freeze Drying hay Lyophillisation). Quá trình sấy thăng hoa bao gồm hai giai đoạn : làm lạnh đông và tiếp theo sấy khô bằng chân không thấp. Cả hai hệ thống đều hoạt động rất tốn kém và khi thiết bị sấy thăng hoa hoạt động theo mẻ, chi phí vận hành càng tăng cao. Hiện nay đã có các thiết bị làm việc liên tục, nhưng chi phí đầu tư rất cao. Vì vậy phương pháp sấy thăng hoa chỉ hạn chế sử dụng đối với các sản phẩm đắt tiền, những sản phẩm mà không thể sấy được bằng các phương pháp khác. Bên cạnh đó không phải bất kỳ nguyên liệu nào cũng có thể sấy bằng phương pháp lạnh đông. Đối với những nguyên liệu có cấu trúc dễ bị hư hại trong quá trình lạnh đông thì sản phẩm sấy thăng hoa khi hồi nguyên sẽ có kết cấu tồi. Sấy thăng hoa, nhất là phương pháp sấy nhanh (AFD : accelerated freeze drying) được áp dụng rộng rãi ở Mỹ để sấy các loại nguyên liệu đắt tiền như thịt gia súc, gia cầm Ngoài ra nó còn được sử dụng để sấy các sản phẩm khác như : cà phê, gia vị, trong dược phẩm v.v 2.6.4.1 Các giai đoạn của sấy thăng hoa Giai đoạn làm lạnh đông Giai đoạn đầu tiên của quá trình sấy thăng hoa là làm lạnh đông sản phẩm. Quá trình làm lạnh đông bằng thực hiện bằng hai cách. Cách thứ nhất trong 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. Sản phẩm cần được làm lạnh đông rất nhanh để hình thành các tinh thể băng nhỏ ít gây hư hại đến cấu trúc tế bào của sản phẩm. Đối với sản phẩm dạng lỏng, phương làm
  34. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 32 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 Giai đoạn kế tiếp là tách nước trong suốt quá trình sấy tiếp theo để làm khô sản phẩm. Nếu áp suất hơi nước được giữ dưới 4,58 mmHg (610,5 Pa) và nước ở dạng băng, khi sản phẩm được cung cấp nhiệt, thì băng rắn sẽ thăng hoa trực tiếp thành hơi mà không bị tan chảy (hình vẽ : đồ thị 3 pha của nước). Hơi nước tiếp tục được tách ra khỏi sản phẩm bằng cách giữ cho áp t suất trong buồng sấy thăng hoa thấp ấ hơn áp suất hơi nước trên bề mặt của Áp su băng, đồng thời tách hơi nước bằng máy bơm chân không và ngưng tụ nó bằng các ống xoắn ruột gà lạnh, các bản dẹt lạnh hoặc bằng hoá chất. Khi quá trình Nhiệt độ sấy tiếp diễn, bề mặt thăng hoa di chuyển vào bên trong sản phẩm đông lạnh, làm Hình 2.21 : Sơ đồ 3 pha của nước sản phẩm được sấy khô. Nhiệt lượng cần thiết để dịch chuyển bề mặt thăng hoa (ẩn nhiệt thăng hoa) được truyền đến sản phẩm do sự dẫn nhiệt hoặc do vi sóng cung cấp. Hơi nước di chuyển ra khỏi sản phẩm qua các kênh được hình thành do băng thăng hoa và được lấy đi. Như vậy, nếu không tính quá trình mất ẩm trong phương pháp để vật ẩm tự lạnh đông trong buồng sấy khi hút chân không thì sản phẩm được sấy trong hai giai đoạn : trước tiên do quá trình thăng hoa xuống khoảng 15 % độ ẩm và sau đó do bay hơi của phần nước không đóng băng đến 2% độ ẩm bằng quá trình nhả ẩm đẳng nhiệt. Quá trình nhả ẩm đẳng nhiệt (desorption) đạt được bằng cách nâng nhiệt độ máy sấy lên gần nhiệt độ môi trường xung quanh trong khi vẫn giữ áp suất thấp giống như quá trình sấy ở các thiết bị sấy chân không thông thường. Đường cong sấy
  35. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 33 Hình vẽ 2.21 là đường cong sấy và đường cong nhiệt t, W độ của vật sấy trong quá trình sấy thăng hoa trong đó vật sấy tự A lạnh đông trong buồng sấy. Khi hút chân không, áp suất trong buồng sấy giảm xuống, ẩm tự t do bay hơi mạnh làm giảm nhanh nhiệt độ của nó xuống đến nhiệt độ đóng băng tB của ẩm C (đường A-B). Quá trình đóng D băng của ẩm có toả nhiệt nên tB W nhiệt đọ của vật sấy tăng lên B một chút (B-C). Quá trình Hình 2.22 : Đường cong sấy và nhiệt độ sấy thăng hoa ẩm diễn ra khác trong sấy thăng hoa. với quá trình sấy thứ nhất (tốc độ không đổi) trong sấy đối lưu là nhiệt độ tăng lên một ít theo thời gian sấy (đoạn C-D dốc lên). Điều đó được giải thích là ở lớp sâu bên trong vật sấy còn có ẩm đang đóng băng. Giai đoạn sấy tiếp theo là giai đoạn bay hơi ẩm liên kết, nhiệt độ của vật sấy tăng nhanh. Trong một số sản phẩm (ví dụ nước ép trái cây, dịch chiết cà phê cô đặc), sự hình thành nên trạng thái thuỷ tinh trong quá trình đóng băng gây ra nhiều khó khăn cho việc di chuyển hơi nước. Vì vậy, chất lỏng cần được đóng băng ở dạng bọt (phương pháp sấy thăng hoa bọt : vacuum puff freeze drying), hoặc là nước ép trái cây để sấy cùng với phần thịt (cái). Cả hai phương pháp đều tạo nên các kênh nhờ đó hơi nước có thể thoát đi được. Ở phương pháp thứ ba, nước trái cây sau khi đóng băng được nghiền thành cục, nhờ đó sấy nhanh hơn và cho phép kiểm soát kích cỡ của hạt bột tốt hơn. Tốc độ sấy phụ thuộc phần lớn vào tính cản trở nhiệt của sản phẩm và ở mức độ thấp hơn vào độ cản trở dòng hơi (dịch chuyển khối) ra khỏi bề mặt thăng hoa. 2.6.4.2 Tốc độ truyền nhiệt Có ba phương pháp truyền nhiệt đến bề mặt thăng hoa. Nhiệt truyền xuyên qua các lớp đóng băng. Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào độ dày và độ dẫn nhiệt của lớp băng. Khi quá trình sấy xảy ra, chiều dày của lớp băng giảm xuống và tốc độ truyền nhiệt tăng lên. Nhiệt độ bề mặt của thiết bị cấp nhiệt được giới hạn để tránh làm tan băng. Nhiệt truyền qua lớp khô. Tốc độ truyền nhiệt đến bề mặt thăng hoa phụ thuộc vào chiều dày và diện tích bề mặt của sản phẩm, độ dẫn nhiệt của lớp khô và chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt của sản phẩm và bề mặt băng. Khi áp suất buồng sấy không đổi, nhiệt độ của bề mặt băng duy trì
  36. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 34 không đổi. Lớp khô của sản phẩm có độ dẫn nhiệt rất thấp (tương tự như vật liệu cách nhiệt) và vì thế gây ra sự cản trở lớn với dòng nhiệt. Khi quá trình sấy tiếp diễn, lớp này trở nên dày hơn và sự cản trở nhiệt tăng lên. Làm giảm kích thước nguyên liệu và tăng chênh lệch nhiệt độ sẽ làm tăng tốc độ truyền nhiệt. Tuy nhiên, ở sấy thăng hoa, nhiệt độ bề mặt bị giới hạn đến 40-65 oC để tránh sự biến tính protein và các thay đổi hoá học khác, có thể làm giảm chất lượng của sản phẩm. Truyền nhiệt bằng vi sóng. Nhiệt được tạo ra trên bề mặt băng và tốc độ truyền nhiệt không bị ảnh hưởng bởi độ dẫn nhiệt của băng và chất khô hay độ dày của lớp khô. Tuy nhiên, nhiệt vi sóng khó kiểm soát và có nguy cơ bị tình trạng qúa nóng cục bộ dẫn đến sự tan chảy băng. 2.6.4.3 Tốc độ truyền khối Khi nhiệt truyền tới bề mặt thăng hoa, nhiệt độ và áp suất hơi nước của băng được tăng lên. Hơi nước di chuyển xuyên qua chất khô đến vùng có áp suất hơi thấp trong buồng sấy. Ở áp suất 67 Pa, 1g băng hình thành 2 m3 hơi và do đó, máy sấy thăng hoa cần phải lấy đi hàng trăm mét khối hơi trong 1 giây qua các lổ hổng của chất khô. Các yếu tố kiểm soát chênh lệch áp suất hơi nước là : - áp suất trong buồng sấy - nhiệt độ của thiết bị ngưng tụ hơi, cả hai cần để thấp đến mức chi phí cho phép. - nhiệt độ của băng ở bề mặt thăng hoa, cần càng cao càng tốt nhưng không để tan chảy. Trong thực tế để đảm bảo tính kinh tế, áp suất buồng sấy thấp nhất vào khoảng 13 Pa và nhiệt độ thiết bị ngưng tụ thấp nhất là khoảng -35 oC. Về lý thuyết, nhiệt độ của băng cần nâng lên mức chỉ vừa dưới điểm đóng băng. Tuy nhiên, ở trên một nhiệt độ tới hạn nhất định, gọi là nhiệt độ sụp đổ (collapse temperature), cấu trúc sản phẩm sẽ bị phá huỹ ngay lập tức. Trong thực tế, vì thế tồn tại nhiệt đô băng tối đa, nhiệt độ ngưng tụ tối thiểu và áp suất buồng sấy tối thiểu và những thông số này kiểm soát tốc độ chuyển khối. Trong quá trình sấy, độ ẩm hạ xuống từ mức ban đầu rất cao trong vùng lạnh đông đến mức thấp hơn ở lớp khô, phụ thuộc vào áp suất hơi nước trong buồng sấy. Khi nhiệt chuyển qua lớp khô, quan hệ giữa áp suất trong buồng sấy và áp suất trên bề mặt băng là : k d Pi = Ps + (t s − t i ) (2.21) b.λ s Trong đó, Pi (Pa) là áp suất riêng phần của hơi nước ở bề mặt thăng hoa, Ps (Pa) áp suất riêng phần của hơi nước ở bề mặt, kd (Wm-1K-1) : độ dẫn nhiệt của lớp khô, b -1 -1 -1 o (kg.s .m ) độ thấm của của lớp khô, λs (J.kg ) : ẩn nhiệt thăng hoa, ts ( C) : nhiệt độ bề o mặt và ti ( C) nhiệt độ tại bề mặt thăng hoa. Thời gian sấy có thể được tính bằng công thức sau :
  37. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 35 2 x ρ()M1 − M 2 λ s t d = (2.22) 8k d ()t s − t i -3 trong đó : td (giây) là thời gian sấy, x (m) : chiều dày của sản phẩm, ( (kg.m ) : tỷ trọng của chất khô, M1 : độ ẩm ban đầu và M2 : độ ẩm cuối cùng. Chú ý rằng : thời gian sấy tỷ lệ với bình phương độ dày của sản phẩm : do đó gấp đôi chiều dày sản phẩm sẽ kéo dài thời gian sấy gấp 4 lần. 2.6.4.4 Thiết bị sấy thăng hoa Các máy sấy thăng hoa bao gồm một buồng chân không có chứa các khay đựng sản phẩm và thiết bị đun nóng để cấp ẩn nhiệt thăng hoa. Các ống xoắn ruột gà lạnh hoặc các bản dẹt lạnh được sử dụng để ngưng tụ hơi nước trực tiếp thành băng. Chúng được gắn với thiết bị tự động làm tan băng để giữ cho bề mặt của các dây xoắn ruột gà được trống tối đa cho việc ngưng tụ hơi nước. Điều này là cần thiết bởi vì phần lớn năng lượng đầu vào được dùng làm lạnh đông ở các thiết bị ngưng tụ và vì thế tính kinh tế của sấy thăng hoa được xác định bởi hiệu suất của thiết bị ngưng tụ : Nhiệt độ thăng hoa Hiệu suất = (2.23) Nhiệt độ tác nhân làm lạnh ở thiết bị ngưng tụ Bơm chân không tách đi các thành phần hơi không ngưng tụ. Hình 2.23 : Sơ đồ cấu tạo hầm sấy thăng hoa 2.6.4.5 Ảnh hưởng quá trình sấy thăng hoa đến chất lượng sản phẩm Sản phẩm sấy thăng hoa lưu lại rất tốt các đặc tính cảm quan và chất lượng dinh dưỡng và thời gian bảo quản dài khi được bao gói đúng cách. Các chất dễ bay hơi không
  38. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 36 bị cuốn vào hơi nước sinh ra trong quá trình thăng hoa mà bị mắc lại trong khung sản phẩm. Kết quả là 80-90 % mùi được giữ lại. Kết cấu của sản phẩm được tốt : ít bị co ngót và không bị hiện tượng cứng vỏ. Cấu trúc xốp cho phép quá trình làm ướt trở lại nhanh chóng và hoàn toàn, nhưng nó dễ vỡ và cần bảo vệ tránh bị hư hại cơ học. Chỉ có những thay đổi nhỏ về chất lượng protein, tinh bột và các hydrocacbon khác. Tuy nhiên cấu trúc xốp của sản phẩm có thể để cho oxy xâm nhập và gây oxy hoá lipit. Vì vậy, sản phẩm được bao gói trong khí trơ. Những thay đổi của thiamin và axit ascorbic trong quá trình sấy thăng hoa ở mức vừa phải và sự thất thoát của các vitamin khác không đáng kể (xem bảng). Tuy nhiên, sự thất thoát các chất dinh dưỡng do các quá trình chuẩn bị trước khi sấy, đặc biệt là chần hấp rau có thể ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng dinh dưỡng của sản phẩm sấy thăng hoa. Bảng 2.3 : Tổn thất vitamin trong quá trình sấy thăng hoa Thực phẩm Thất thoát (%) Vitamin Vitamin Thiamin Riboflavin Axit Niacin Axit C A folic Pantothenic Đậu xanh 26-60 0-24 - 0 - 10 - Đậu Hà lan 8-30 5 0 - - 0 10 Nước cam 3 3-5 - - - - - Thịt bò - - 2 0 + 0 13 Thịt heo - - <10 0 - 0 56 2.6.5 Máy sấy bức xạ Trong đó nhịêt chủ yếu được truyền đến vật liệu sấy qua bức xạ của nguồn nhiệt, ví dụ : bóng đèn với công suất lớn, điện trở Ẩm bay hơi vào dòng tác nhân sấy rồi ra ngoài. Thông thường các vật bức xạ được lắp cố định ngay trên bề mặt của lớp vật sấy. Vật sấy chuyển động liên tục nhờ băng tải, tự chảy, dòng lưu động khí hạt, tầng sôi. Để quá trình bay hơi ẩm tốt và tránh cho vật bị nóng quá mức, người ta dùng quạt đối lưu cưỡng bức tác nhân sấy. Chính vì vậy nên còn gọi là hệ thống sấy bức xạ- đối lưu. Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào : - Nhiệt độ bề mặt của nguồn nhiệt và vật sấy - Tính chất bề mặt của nguồn nhiệt và vật sấy - Hình dáng của vật phát và nhận bức xạ hồng ngoại Ưu điểm : - quá trình trao đổi nhiệt trong sấy bức xạ có cường độ cao hơn nhiều trong sấy đối lưu và sấy trên bề mặt nóng; có khả năng tăng cường độ sấy ở giai đoạn thứ nhất, rất hiệu quả với lớp vật sấy mỏng. Tuỳ trường hợp mà thời gian sấy có thể giảm hàng chục thậm chí cả trăm lần so với sấy đối lưu.
  39. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 37 - chỉ làm nóng vật liệu sấy, không ảnh hưởng đến môi trường không khí xung quanh - phương pháp sấy sạch - máy sấy bức xạ có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng. Nhược điểm : - bề mặt vật sấy nóng bị đốt nóng nhanh, tạo ra chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bề mặt và lớp sâu bên dưới. Điều này dễ dẫn tới chất lượng sản phẩm không như ý muốn (cong vênh, nứt vỡ, biến màu ). Muốn tránh điều trên ta căn cứ vào tính chất vật sấy, yêu cầu của sản phẩm sấy mà sử dụng nguồn tia bức xạ, điều chỉnh cường độ bức xạ và thời gian bức xạ cho phù hợp. Máy sấy bức xạ cần trang bị các thiết bị bảo vệ, điều chỉnh chế độ sấy, quan tâm thường xuyên để có sản phẩm tốt và không bị hoả hoạn. - không kinh tế bằng máy sấy đối lưu nên ít được sử dụng. Thiết bị : Thông thường người ta dùng vật phát năng lượng bức xạ liên tục và cường độ cao thuộc vùng quang phổ hồng ngoại với bước sóng λ = 0,77-300 µm. Để có các tia bức xạ, ta có thể dùng nhiều loại thiết bị bức xạ khác nhau như : - Đèn gương : dây tóc đèn là vonfram, công suất từ (150-500 W). Nhiệt độ đèn là (2300 ± 100) oK. Hệ số hiệu dụng năng lượng là 70 %. Đèn có nhược điểm dễ vỡ, quán tính nhiệt kém, tổn thất nhiệt lớn, chiếu không đều. Tuy có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng nhưng đèn ít được dùng để sấy các sản phẩm thực phẩm. - Đèn ống thạch anh : cấu tạo của loại này là dây vonfram xoắn được đặt trong tâm của ống thạch anh hình trụ, công suất của nó từ (0,1-20) kW. Nhiệt độ của đèn loại này là 2800 oK. - Que đốt bằng điện : cấu tạo của que đốt gồm dây hợp kim nicrôm xoắn hình lò xo đặt trong ống kim loại, cách điện bằng ôxit manhê, oxit nhôm hoặc cát thạch anh. Công suất của mỗi que đốt đạt đến 25 kW, nhiệt độ là 800 oC. Đây là loại que đốt thông dụng nhất. - Vật bức xạ bằng gốm : đây là loại tiện lợi trong công nghiệp chế biến thực phẩm. Cấu tạo của nó gồm dây điện trở bằng hợp kim nicrôm được ép vào trong lòng khối gốm. Công suất của mỗi chiếc là 1 kW với nhiệt độ làm việc từ 450-700 oC. Để đảm bảo bức xạ được đồng đều thì các thiết bị bức xạ phải có cơ cấu phản xạ như pha đèn. Ứng dụng : - để sấy sản phẩm có độ ẩm thấp (ví dụ : ca cao, bột mì, lúa, malt, sản phẩm bột nhào, trà ). Sản phẩm di chuyển bằng băng chuyền qua hầm phía dưới một dãy nguồn bức xạ. Tuy nhiên, bức xạ hồng ngoại không được sử dụng rộng rãi như là nguồn nhiệt duy nhất để
  40. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 38 sấy những sản phẩm dạng viên cục lớn do nó không xâm nhập sâu vào bên trong sản phẩm. - Năng lượng bức xạ cũng thường được dùng ở các máy sấy băng chuyền chân không và buồng sấy chân không, trong sấy thăng hoa, trong các lò vi sóng sử dụng trong nội trợ để làm sẩm màu thực phẩm. 2.6.6 Sấy bằng điện trường dòng cao tần (dielectric) Vị trí của sóng điện trường dòng cao tần, vi sóng (microwave) trên hình 2.23. Chúng có tần số từ 1- 100 MHz hoặc từ 300 MHz đến 300 GHz đối với vi sóng. Theo thoả thuận quốc tế, tần số được dùng đun nóng được sử dụng là 915 Mhz (hoặc 896 MHz ở Hình 2.24 : Thang sóng điện trường châu Âu) và 2450 MHz. Quá trình làm nóng bằng điện trường dòng cao tần Phần lớn thực phẩm có chứa một lượng nước đáng kể. Cấu trúc phân tử nước gồm có oxy mang điện tích âm và 2 nguyên tử hydro mang điện tích dương, hình thành nên lưỡng cực. Khi thực phẩm được đặt vào trong một điện trường dòng cao tần, lưỡng cực của phân tử nước và một vài thành phần ion như muối ăn cố định hướng chúng trong trường (tương tự như nam châm trong từ trường). Do trường điện tích dao động rất nhanh thay đổi từ dương sang âm và ngược lại hàng triệu lần trong một giây, các lưỡng cực này cố thay đổi theo và quá trình này tạo ra nhiệt ma sát. Sự tăng nhiệt độ của các phân tử nước làm nóng các cấu tử xung quanh nhờ quá trình dẫn nhiệt hoặc có thể đối lưu. Nhiệt lượng sinh ra phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng nước và muối trong nguyên liệu. Năng lượng hấp thụ P(W/cm3) được xác định bằng công thức : -14 ’’ P = 55.61x10 x f Efε Trong đó : f là tần số bức xạ (Hz) Ef : lực điện trường (V/cm) ε’’ : loss factor (LF)
  41. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 39 LF phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ, trạng thái đóng băng hay không và cũng phụ thuộc vào tần số bức xạ. Chiều sâu bức xạ xâm nhập được xác định bằng công thức : ⎡ λ 0 ⎤ ⎢D = 1/ 2 ⎥ (2.24) ⎣ 2π()ε'' ⎦ Trong đó : λ0 : bước sóng. Tần số và LF càng thấp, chiều sâu xâm nhập càng lớn. Nước có LF cao, nên hấp thụ bức xạ tốt. Nước đóng băng có LF thấp, thuỷ tinh, giấy và các loại bao polyme có LF thấp, vì vậy không bị đun nóng bằng vi sóng. Kim loại phản xạ sóng điện trường dòng cao tần, vì vậy làm tăng hiệu quả năng lượng của thiết bị. Ưu điểm : khắc phục những nhược điểm của sấy đối lưu : - tốc độ truyền nhiệt chậm, do độ dẫn nhiệt của nguyên liệu khô kém. - hư hại các giá trị cảm quan và dinh dưỡng do thời gian sấy lâu và quá nhiệt ở bề mặt. - oxy hoá các sắc tố và vitamin - gây hiện tượng cứng vỏ. Sấy điện trường dòng cao tần ngăn ngừa sự hư hại bề mặt, cải tiến sự truyền ẩm ở giai đoạn sau của quá trình sấy và loại bỏ hiện tượng cứng vỏ. Bức xạ chỉ làm nóng những vùng ẩm, không ảnh hưởng đến những vùng khác. Không cần phải đun nóng lượng lớn không khí và sự oxy hoá được hạn chế tối thiểu. Nhược điểm : chi phí đầu tư lớn, quy mô nhỏ nên chỉ giới hạn ứng dụng của nó để sấy kết thúc sản phẩm. Ví dụ : trong sấy bột nhào : sấy sơ bộ đến 18 % bằng đối lưu, sau đó kết hợp sấy đối lưu với sấy vi sóng để giảm ẩm đến 13 %, nhờ đó thời gian sấy rút ngắn từ 8h xuống còn 90 phút. Trong sấy thăng hoa, tốc độ truyền nhiệt đến bề mặt thăng hoa kém được khắc phục bằng việc sử dụng vi sóng. Tuy nhiên cần kiểm soát điều kiện sấy để tránh tan băng cục bộ gây ra việc tan chảy dây chuyền làm kết thúc quá trình thăng hoa. 2.7 CHỌN LỰA MÁY SẤY 2.7.1 Cơ sở cho việc chọn lựa máy sấy Muốn chọn máy sấy thích hợp nhất cho một nguyên liệu nhất định từ nhiều loại máy sấy, cần phải xem xét tất cả các thông số quan trọng đối với quá trình làm việc của máy sấy. - Tính chất vật liệu sấy : Rất ít máy sấy thích hợp cho nhiều loại sản phẩm sấy có hình dạng khác nhau. Việc chọn lựa máy sấy phụ thuộc vào : hình dáng, kích thước và thành phần hoá học của vật liệu sấy, dạng vật liệu (dạng lát, dạng cục, dạng bột, dạng đặc, dạng lỏng ). Ngoài ra cần biết
  42. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 40 sự thay đổi hình dạng và trạng thái của vật liệu trong quá trình sấy như sự co dúm, sự rạn nứt, sự phân lớp tính chất nào bị thay đổi mạnh nhất. Hình dạng, kích thước + Đối với nguyên liệu giàu tinh bột, lớp sấy dày (thường sấy chậm) : sử dụng phòng sấy, hầm sấy, tháp sấy + Đối với vật liệu rời, nhỏ và lớp sấy mỏng : sử dụng máy sấy nhanh, như máy sấy phun, máy sấy khí động, hoặc máy sấy trục lăn. Để sấy nhanh người ta có thể làm nhỏ, làm mỏng vật liệu trước khi sấy. Đối với lớp sấy mỏng : có thể sử dụng máy sấy bức xạ. Có thể sử dụng những máy sấy có kết cấu cơ học đặc biệt để phân bố đều vật liệu sấy, ví dụ : máy sấy cánh đảo, máy sấy thùng quay, máy sấy đĩa quay Có thể kết hợp máy sấy với máy nghiền trục vít. Tính chất ẩm : + Để bốc ẩm tự do : dùng những máy sấy tuần hoàn để tiết kiệm năng lượng (có thể tách ẩm tự do và ẩm dính ướt nhanh nhất bằng ly tâm và ép). Đối với vật liệu keo : có thể sử dụng những máy sấy nhanh, sau khi nguyên liệu được xử lý thành dạng bột hoặc lớp sấy mỏng. + Để tách nước liên kết người ta thường sử dụng máy sấy, mà ở đó sản phẩm sấy chịu được nhiệt độ cao hơn. + Người ta cũng cần chú ý đến độ ẩm ban đầu và ban cuối của sản phẩm. Nếu độ ẩm cuối của sản phẩm sấy được phép còn lại tương đối cao : có thể sử dụng máy sấy nhanh. Nếu độ ẩm cuối của sản phẩm bé : thời gian sấy lâu nên máy sấy cần cho phép kéo dài thời gian sấy của nó. Có thể phối hợp 2 máy sấy, ví dụ : đối với sản phẩm dạng rời có thể kết hợp máy sấy khí động tác dụng nhanh với máy sấy thùng quay tác dụng chậm. Đối với sản phẩm dạng pasta có thể kết hợp máy sấy trục lăn với máy sấy băng tải. Sự nhạy cảm với nhiệt độ của sản phẩm sấy Những vật liệu cho phép sử dụng nhiệt độ cao : có thể dùng loại máy sấy có tác nhân sấy là khói lò. Tiết gia súc, các chất chiết từ động thực vật cần phải sấy ở trạng thái ôn hoà, để giữ lại những tính chất có giá trị của nó. Trong máy sấy phun và sấy khí động, sản phẩm chỉ lưu lại thời gian rất ngắn nên được phép sử dụng nhiệt độ cao hơn so với sấy hầm. Trong tất cả những máy sấy phổ biến thì những máy sấy đối lưu kiểm soát nhiệt độ của sản phẩm sấy tốt nhất, vì có thể dễ dàng điều chỉnh trạng thái không khí thích hợp. Trong máy sấy tiếp xúc, sản phẩm sấy nhận nhiệt độ của bề mặt bị đun nóng ở những chỗ tiếp xúc, bởi vậy chỉ sử dụng đối với những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ, quá trình
  43. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 41 sấy xảy ra rất nhanh Không sử dụng máy sấy bức xạ đối với những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ, vì sản phẩm dễ bị đun nóng cục bộ gây nguy hiểm cho sản phẩm. Đối với một số sản phẩm cần chú ý đến sự nhạy cảm về sức căng, dễ bị co ngót, nứt nẻ trong quá trình sấy dưới tác dụng sức căng cơ học mạnh : có thể sử dụng máy sấy đối lưu cho phép điều chỉnh được các thông số sấy thích hợp với từng loại sản phẩm sấy. Trong một số trường hợp có thể sử dụng những phương pháp sấy đặc biệt : sấy bằng dòng điện cao tần, sấy chân không và sấy thăng hoa. Đối với một số sản phẩm không được phép sử dụng tác nhân sấy là khói lò, những sản phẩm dễ bị oxy hoá, bị cháy : sử dụng máy sấy chân không hoặc máy sấy dùng khí trơ tuần hoàn. Đối với những sản phẩm có tác dụng ăn mòn máy sấy : cần sấy trong những máy sấy có cấu tạo chống ăn mòn. - Năng suất sản phẩm : Đối với năng suất nhỏ và loại sản phẩm thay đổi hình dạng : thường sử dụng loại máy sấy làm việc gián đoạn. Đối với năng suất lớn, nguyên vật liệu đồng nhất thường dùng máy sấy làm việc liên tục. - Tính chất sản phẩm sau khi sấy : Thường giá trị thương mại của sản phẩm phụ thuộc vào cảm quan và độ đồng đều. Sản phẩm không được khác biệt nhiều về chất lượng và độ ẩm, nếu độ ẩm chưa đạt yêu cầu cần phải được sấy lại. Sản phẩm cần được đóng gói và trang trí bao bì theo khối lượng nhất định để tiện lợi cho người sử dụng. Cấu tạo của máy sấy có thể ảnh hưởng đến tính chất nói trên. - Khắc phục bụi và ngưng tụ hơi nước : Đối với những máy sấy, đặc biệt là máy sấy đối lưu thường dùng không khí làm tác nhân sấy, dòng không khí mang theo những phần tử nhỏ tạp chất và sản phẩm sấy và bụi này được thải ra môi trường xung quanh. Với những sản phẩm sấy sử dụng khối lượng không khí ít hoặc vận tốc không khí nhỏ thì ít sinh ra bụi, ví dụ : các loại máy sấy tiếp xúc, thì có thể không xử dụng bộ phận tách bụi. Ngược lại, người ta cần phải làm sạch bụi của không khí khi đi ra khỏi máy sấy đối với những máy sấy gây ra bụi nhiều. Đối với vật liệu sấy chứa hàm ẩm cao, hơi nước sinh ra trong quá trình sấy có thể ngưng tụ, làm ướt cục bộ sản phẩm sấy, gây hư hại hoặc giảm chất lượng sản phẩm trong quá trình bảo quản. Để khắc phục hiện tượng này người ta có thể dùng quạt hút ở cuối máy sấy hoặc bảo ôn xung quanh máy sấy, đặc biệt khi máy sấy làm việc lúc trời mưa và thời tiết mùa đông. - Làm vệ sinh máy sấy : Trong quá trình làm việc của máy sấy, những phần tử rất nhỏ của tạp chất và sản phẩm sấy, ngay cả một phần sản phẩm sấy bám chặt một số vị trí bên trong máy sấy, ngăn cản
  44. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 42 quá trình sấy và nếu để lâu sẽ sinh ra những khối vi sinh vật cục bộ. Vì vậy cấu tạo của máy sấy phải đảm bảo việc vệ sinh máy sấy được dễ dàng và nhanh chóng. - Diện tích hoạt động của máy sấy Diện tích hoạt động phụ thuộc vào loại máy sấy : những máy sấy dùng calorife bằng điện cần diện tích hoạt động nhỏ hơn máy sấy dùng calorife hơi nước hoặc lò đốt. Ngày nay người ta thường sử dụng các máy sấy hoạt động theo chiều cao, ưu điểm của loại này chiếm diện tích hoạt động nhỏ, có thể khắc phục bụi dễ dàng. - Nhu cầu về năng lượng : Bao gồm nhu cầu về nhiệt để bốc ẩm của vật liệu sấy và nhu cầu về điện dùng cho động lực (quạt, vận chuyển ). Nói chung những máy sấy tiếp xúc có nhu cầu năng lượng thấp còn máy sấy đối lưu và những máy sấy đun nóng sản phẩm bằng nhiều con đường (hỗn hợp) có nhu cầu năng lượng cao, vì vậy nên sử dụng chế độ nhiệt độ không khí sấy thấp đối với những máy sấy này. - Giá thành sấy : Gía thành sấy quyết định cuối cùng để chọn máy sấy. Đối với những sản phẩm có giá trị cao người ta có thể sử dụng những máy sấy hiện đại dùng năng lượng điện, hơi nước, khí đốt hoặc nhiên liệu lỏng. Đối với những sản phẩm rẻ tiền, giá trị thấp có thể sử dụng các máy sấy đơn giản với nguồn nhiên liệu rẻ tiền. Những máy sấy làm việc gián đoạn yêu cầu vốn cố định tương đối thấp, nhưng đòi hỏi nhiều người phục vụ, tiêu tốn năng lượng lớn. Những máy sấy làm việc liên tục thì ngược lại. Máy sấy chân không đòi hỏi vốn cố định và vốn lưu động cao hơn máy sấy làm việc ở áp suất thường, nhưng nó tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt hơn. Phương pháp sấy đắt nhất là sấy thăng hoa và sấy bằng điện trường cao tần. Các phương pháp này thường chỉ sử dụng đối với sản phẩm cao cấp, yêu cầu chất lượng đặc biệt. 2.7.2 Phương pháp chọn Bước tiếp theo là tiến hành thử nghiệm các thông số cần biết. Những hãng chế tạo lớn có uy tín, thường có phòng thử nghiệm để thực hiện những thử nghiệm cho khách hàng. Trong quá trình thử nghiệm có đại diện của khách hàng tham gia. Khách hàng phải biết những yêu cầu về chất lượng sản phẩm, những chi tiết về kế hoạch sản xuất và có thể đánh giá được chất lượng của sản phẩm sấy sau này có thể đúng như kết quả đã thử nghiệm hay không.
  45. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 43 Sau khi đánh giá kết quả thử nghiệm, những thông số về kỹ thuật, kích thước và cấu tạo đặc biệt của máy sấy được xác định, người chế tạo chỉ dẫn về giá cả, nhu cầu nhiệt và năng suất của máy sấy. Để lựa chọn một cách dễ dàng : so sánh với chi phí của một loại máy sấy đã được sử dụng tốt. Ở đây người ta cần phải tính thêm vào chi phí về đóng kiện, vận chuyển, thuế, lắp đặt và nhà bao che.Từ đó có thể tính chi phí sản xuất như : khấu hao, điều khiển, an toàn, chi phí năng lượng, động lực, nước làm nguội động lực, vận hành, bảo quản, quản lý và cuối cùng là giá thành sấy và lãi. Một số máy sấy có giá thành sấy thấp do những trang bị đặc biệt như : tiết kiệm năng lượng, tận dụng phế liệu, máy phân loại và đóng gói với chi phí thấp nhất. Để so sánh một cách trọn vẹn người ta còn phải đánh giá : chất lượng của sản phẩm sau khi sấy, tổn thất chất khô, tổn thất chất hoà tan và các tổn thất khác; chi phí về các trang bị phụ : hệ thống cấp liệu và hút bụi v.v Sự khác nhau lớn trong những vấn đề nói trên có thể làm tăng giá thành sấy. 2.8 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẤY 2.8.1 YÊU CẦU TÍNH TOÁN Các yêu cầu cơ bản của một thiết bị sấy là có khả năng bốc ẩm cao nhất, sản phẩm sấy khô đều, đảm bảo chất lượng sản phẩm, có đủ những điều kiện để theo dõi và điều chỉnh các thông số của quá trình sấy một các dễ dàng, có khả năng thích ứng với các dạng sản phẩm khác nhau nhưng đồng thời phải kinh tế nhất. Các yêu cầu này phụ thuộc vào mục đích của sản phẩm sấy, chế độ sấy, cấu tạo của thiết bị sấy và một số thông số lựa chọn trong khi tính toán. Vì vậy khi tính toán thiết bị sấy phải chú ý đến loại thiết bị sấy, chọn chế độ sấy và phương thức sấy thích hợp nhất. Khi tính toán thiết bị sấy ta cần biết hoặc chọn các số liệu sau : - Về thiết bị : Năng suất loại tác nhân sấy (không khí nóng, nước nóng, khói lò ) phương thức cung cấp nhiệt (đối lưu, tiếp xúc ) cách đun nóng tác nhân sấy (loại calorife) phương thức tuần hoàn của tác nhân sấy (cưỡng bức, tự nhiên ) - Về sản phẩm sấy : Độ ẩm ban đầu và ban cuối, nhiệt độ cho phép cực đại, thành phần nhạy cảm nhất đối với nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, kích thước lớn nhất, bé nhất của sản phẩm sấy. - Về chế độ sấy : các thông số của không khí bên ngoài và của tác nhân sấy, nhiệt độ đun nóng cho phép cực đại độ ẩm, vận tốc của tác nhân, thời gian sấy, nhiệt độ vào và ra của tác nhân sấy
  46. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 44 Ngoài những số liệu cho trước theo yêu cầu của thiết kế, nhưng cũng có số liệu người thiết kế phải tự chọn phù hợp với điều kiện cụ thể. Nội dung tính toán gồm các phần cơ bản sau : - Phần chung : lựa chọn máy sấy và phương thức sấy. 2.8.2 PHẦN TÍNH TOÁN : NỘI DUNG TÍNH TOÁN 1) Tính các kích thước cơ bản của máy sấy. 2) Tính hàm lượng ẩm bay hơi từ sản phẩm sấy. 3) Tính lượng không khí tiêu tốn cho quá trình sấy. 4) Tính lượng nhiệt cho quá trình sấy : - Nhiệt tiêu tốn cho quá trình bốc ẩm. - Nhiệt tiêu tốn để đun nóng sản phẩm từ nhiệt độ to đến t1. - Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh. 5) Tính toán hệ thống đun nóng tác nhân sấy : - Tác nhân sấy là không khí nóng, dùng calorife hơi nước : + Tính bề mặt truyền nhiệt. + Chọn lọai calorife và số lượng. + Tính lượng hơi nước tiêu tốn cho quá trình sấy. - Tác nhân sấy là không khí nóng, dùng calorife lò đốt : + Tính bề mặt truyền nhiệt. + Tính kích thước calorife lò đốt. + Tính kích thước lò đốt. + Tính lượng nhiên liệu tiêu tốn. - Tác nhân sấy là không khí nóng, dùng calorife điện trở : + Chọn và tính kích thước của dây điện trở. + Tính kích thước của calorife điện trở. + Tính công suất điện tiêu thụ. - Tác nhân sấy là khói lò : + Tính kích thước lò đốt. + Tính kích thước của phòng lắng bụi và trộn khí. + Tính nhiên liệu tiêu tốn. - Tác nhân sấy là nước nóng : + Tính bề mặt truyền nhiệt. + Tính hoặc chọn vận tốc nước nóng đi trong bộ phận truyền nhiệt. + Tính khối lượng nước nóng và hệ thống đối lưu. + Tính lượng nhiên liệu tiêu tốn để đun nước nóng. 6) Tính hệ thống thông thoáng cho quá trình sấy. - Thông thoáng cưỡng bức (dùng quạt). + Vẽ sơ đồ hệ thống quạt. + Tính hoặc chọn năng suất của quạt
  47. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 45 (bằng lượng không khí dùng cho quá trình sấy). + Tính áp suất của quạt : áp suất động học và tĩnh học. + Chọn lọai quạt (dựa năng suất và áp suất). + Tính công suất quạt. - Cưỡng bức bằng hệ chân không : + Tính trở lực và chọn bơm chân không, độ chân không. - Thông thoáng tự nhiên : + Tính chiều cao ống thoát ẩm (vận tốc thông thoáng tự nhiên 0,4-0,6 m/s) 7) Tính toán thiết bị phụ : - Tính các dụng cụ chứa nguyên vật liệu sấy. - Các cơ cấu đưa nguyên liệu vào và ra. - Phương tiện vận chuyển trong quá trình sấy. - Điều khiển và tự động hoá Trên đây là nội dung cụ thể cần tính toán, nhưng về trình tự để tính toán thì tuỳ trường hợp cụ thể ta bố trí thích hợp cho từng loại thiết bị và phương thức sấy. 2.8.3 MỘT SỐ CÔNG THỨC CƠ BẢN TRONG TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẤY Tính lượng ẩm cần bốc hơi từ nguyên liệu sấy: W1 − W2 W1 − W2 ∆W = m1. = m 2 . (2.25) 100 − W1 100 − W2 Trong đó : m1 - khối lượng nguyên vật liệu đưa vào sấy (kg/h) m2 - khối lượng sản phẩm sau khi sấy (kg/h) w1, w2 - độ ẩm đầu và cuối của sản phẩm sấy (%) Tính lượng không khí cần thiết dùng làm tác nhân sấy cho 1 kg ẩm bốc hơi: 1000 l = (kg KKK/Kg ẩm bốc hơi) (2.26) X 3 − X 0 Ở đây, X3 : hàm ẩm của không khí sau khi sấy (g/kg KKK) X0 : hàm ẩm ban đầu của không khí trướckhi vào bộ phận đun nóng (calorife) (g/kg KKK). Tính nhiệt lượng cần thiết dùng cho quá trình sấy: Nhiệt lượng dùng để cung cấp cho 1 kg ẩm bốc hơi : q = l.(0,24 + 0,00047.X0).(t1 – t0) (kcal/kg ẩm bốc hơi) (2.27) hoặc q = l.(I3 – I0) (2.28) o Trong đó, t0 ( C): nhiệt độ ban đầu của không khí o t1( C) : nhiệt độ của không khí đi vào thiết bị sấy l (kg KKK/kg ẩm bốc hơi): lượng không khí cần thiết dùng làm tác nhân sấy.
  48. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 46 Lượng không khí cần thiết tiêu tốn trong một giờ: L = W.l (kg/h) (2.29) Lượng nhiệt cần thiết tiêu tốn trong một giờ: Q1 = W.q (kcal/h) (2.30) Chú ý: trạng thái ban đầu và trạng thái cuối của không khí sấy có thể giả thiết sát với điều kiện thực tế để tính toán. Nó phụ thuộc vào thời tiết. Nếu chọn điều kiện mùa đông sẽ cho tiêu tốn nhiệt cực đại, nếu chọn mùa hè sẽ cho tiêu tốn nhiệt thấp nhất. Nhiệt tiêu tốn dùng để đun nóng sản phẩm sấy từ nhiệt độ t0 đến t1: Q2 = m1.Csp.(t1b – t0) (kcal/h) (2.31) Trong đó, m1 : khối lượng nguyên liệu ban đầu đưa vào sấy (kg/h) o Csp : nhiệt dung riêng của nguyên liệu (kcal/kg. C), lấy trung bình của Csp vào và Csp ra, hoặc C .(100 − w) + C .w C = ck n (kcal/kg.oC) (2.32) sp 100 o t0 : nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu sấy ( C) t1b : nhiệt độ đun nóng cho phép nguyên liệu sấy, lấy bằng totb của không khí sấy (oC) Nhiệt lượng của calorife cần cung cấp : Qcal = Q1 + Q2 + Qtt (kcal/h) (2.33) Trong đó, Qtt : nhiệt lượng tổn thất trong quá trình sấy bao gồm nhiệt tổn thất ra môi trường chung quanh , đun nóng thiết bị sấy và các tổn thất khác. Theo nhiều tài liệu nghiên cứu, nếu thiết bị sấy không có bảo ôn bên ngoài có thể lấy bằng từ 8-12 % nhiệt lượng dùng để sấy theo lý thuyết, tức là Q1. Xác định hệ số năng lượng hữu ích của thiết bị sấy q hi ηhi = (2.34) q sd Trong đó, qhi : nhiệt hữu ích thực tế dùng cho quá trình sấy và được tính theo công thức sau: X − X q = r. 3 1 (kJ/kg KKK) (2.35) hi 1000 r : nhiệt hoá hơi của nước, được xác định theo nhiệt độ trung bình của sản phẩm sấy, nghĩa là ttb = (t1 – t2)/2 o t1, t2 : nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm sấy ( C) qsd : nhiệt lượng tiêu tốn thực tế sử dụng cho quá trình sấy và được tính theo công thức: qsd = Ctb.(t1 – t0) (kJ/kg KKK) (2.36) Trong đó Ctb : tỷ nhiệt trung bình của không khí, được tính theo công thức sau: Ctb = CKKK + Chn
  49. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 47 o = 0,24 + 0,00047.X0 (kcal/kg. C) (2.37) CKKK: tỷ nhiệt của không khí khô. Chn: tỷ nhiệt của hơi nước. r.(X3 − X1 ) Vậy, ηhi = (2.38) Ctb .()t1 − t 0 .1000 Nếu tính tất cả theo 1 kg ẩm bốc hơi, ta có công thức gần đúng: r ηhi ≅ (2.39) q calorife Hệ số hữu ích của nhiên liệu cháy (cháy tốt hay xấu) được xác định theo công Ctb .(t1 − t 0 ) thức: ηt ≅ P (2.40) By .QH By : tổn thất riêng của nhiên liệu cho 1 kg không khí khô: B B = (2.41) y L B : lượng nhiên liệu tiêu tốn (kg/h) L : lượng không khí tiêu tốn cho quá trình sấy (kg KKK/h). Từ đó suy ra: r.()X3 − X1 ηhi = P (2.42) ηt .By .QH .1000 P QH : nhiệt trị trung bình của nguyên liệu (kcal/kg). Vậy hệ số hữu ích chung của thiết bị sấy sẽ là: r(x 2 − x1 ) ηchung = ηhi .ηt = P (2.43) By .QH .1000 r()x 2 − x1 .L hoặc ηchung = P (2.44) B .QH .1000 1000 Trong đó, L = ∆W. X 2 − X1 r.∆W Vậy, ηchung = P (2.45) B.QH Trong đó, r : nhiệt hoá hơi của nước, phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất khí quyển. Nếu ở điều kiện áp suất thường và khoảng nhiệt độ từ 0-100 oC, r = 595 kcal/kg. Tính lượng nhiên liệu cần thiết cho quá trình sấy, tức là Qcal : Qcal B = P (2.46) QH .η Trong đó, η : độ tác dụng của lò đốt; đối với mùa đông khoảng 0,85 và mùa hè 0,9.
  50. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 48 CHƯƠNG III: CÔNG NGHỆ SẤY NÔNG SẢN, THỰC PHẨM VÀ THỨC ĂN GIA SÚC 3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH SẤY ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM Tất cả sản phẩm đều chịu thay đổi trong quá trình sấy và bảo quản sau đó. Yêu cầu đặt ra đối với quá trình sấy là bảo vệ tới mức tốt nhất chất lượng, hạn chế những hư hại trong quá trình sấy, bảo quản, đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế một cách tốt ưu nhất. Xét về bản chất, trong những thay đổi trong quá trình sấy có thể chia ra: - Những thay đổi lý học: sứt mẻ, gãy vỡ - Những thay đổi hoá lý: trạng thái tính chất của những keo cao phân tử bị thay đổi. - Những thay đổi hoá sinh:do sự oxy hóa của chất béo, phản ứng sẩm màu phi enzim, phản ứng enzim - Những thay đổi do vi sinh vật Những thay đổi đó đã làm thay đổi cấu trúc, mùi vị, màu sắc, giá trị dinh dưỡng và có ảnh hưởng đến tính hồi nguyên của sản phẩm sau khi sấy. 3.1.1 Ảnh hưởng đến cấu trúc Thay đổi về cấu trúc của các loại thực phẩm rắn là một trong những nguyên nhân quan trọng làm giảm chất lượng sản phẩm. Bản chất và mức độ của các biện pháp xử lý rau quả trước khi sấy đều có ảnh hưởng đến cấu trúc của sản ph ẩm sau khi hồi nguyên. Nguyên nhân là do sự hồ hoá của tinh bột, sự kết tinh của xenluloza và sự hình thành các sức căng bên trong do khác biệt về độ ẩm ở các vị trí khác nhau. Kết quả là sự tạo thành các vết nứt, gãy, các tế bào bị nén ép và vặn vẹo vĩnh viễn, làm cho sản phẩm có bề ngoài bị co ngót và nhăn nheo. Trong quá trình làm ướt trở lại, sản phẩm hút nước chậm và không lấy lại được cấu trúc cứng như ban đầu. Các sản phẩm khác nhau có sự dao động đáng kể về mức độ co ngót và khả năng hấp thụ nước trở lại. Sấy nhanh và ở nhiệt độ cao làm cho cấu trúc bị thay đổi nhiều hơn so với sấy với tốc độ vừa phải ở nhiệt độ thấp. Trong quá trình sấy, các chất hoà tan di chuyển theo nước từ bên trong ra bề mặt bên ngoài của sản phẩm. Quá trình bay hơi nước làm cô đặc các chất tan ở bề mặt kết hợp với nhiệt độ cao của không khí (đặc biệt khi sấy trái cây, cá, thịt) gây ra các phản ứng lý hoá phức tạp của các chất tan ở bề mặt và hình thành nên lớp vỏ cứng không thấm được. Hiện tượng này gọi là hiện tượng "cứng vỏ" (case hardening), làm giảm tốc độ sấy và
  51. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 49 làm cho sản phẩm có bề mặt khô, nhưng bên trong thì ẩm. Vì vậy cần kiểm soát điều kiện sấy để tránh chênh lệch ẩm quá cao giữa bên trong và bề mặt sản phẩm. Đối với các sản phẩm dạng bột các đặc tính về cấu trúc của chúng liên quan đến dung lượng và tính hồi nguyên. Dung lượng của sản phẩm bột phụ thuộc vào kích cỡ, bản chất rỗng hay đặc của các hạt và được quyết định bởi bản chất, thành phần của sản phẩm và điều kiện sấy. Tính dễ chảy của khối bột phụ thuộc vào hàm lượng béo. Các nguyên liệu ít béo (như nước ép trái cây, khoai tây và cà phê) cho ra bột dễ chảy hơn là các sản phẩm nhiều béo như trứng nguyên quả hoặc chiết xuất từ thịt. Bột có thể được làm "hoà tan hoá" bằng cách xử lý các hạt rời sao cho chúng dính với nhau và kết cục thành khối dễ chảy. Khi làm ướt trở lại, nước dễ dàng thấm qua bề mặt của mỗi cục bột, làm vỡ các hạt bột ra và giúp các hạt bột phân tán nhanh trong chất lỏng. Quá trình này này liên quan đến những đặc tính của khối bột: độ thấm ướt, độ chìm, độ phân tán và độ hoà tan. Một loại bột được gọi là "hoà tan" nếu nó hoàn thành quá trình tan như trên trong vòng vài giây. Việc kết cục các hạt có thể thực hiện bằng cách: làm ẩm trở lại các hạt sản phẩm trong hơi nước có áp suất thấp. Có thể sử dụng các thiết bị làm kết cục kiểu tầng sôi, phản lực, đĩa, nón hoặc băng chuyền. Ở phương pháp khác, việc kết cục có thể thực hiện trực tiếp trong quá trình sấy phun khi bột tương đối ẩm được kết cục và sấy trong máy sấy tầng sôi gắn kèm. Có thể sử dụng các tác nhân kết dính (ví dụ lecithin) để liên kết các hạt lại với nhau. Phương pháp này trước đây được sử dụng cho thực phẩm có hàm lượng béo cao (ví dụ: sữa bột nguyên kem), nhưng hiện nay phần lớn đã được hay thế bằng cácphương pháp khác. Đối với thị trường bán lẻ, sự tiện lợi của bột được hoà tan hoá được đặt lên trên chi phí cho quá trình sản xuất, đóng gói và vận chuyển. Tuy nhiên đối với nhiều thực phẩm dạng bột là bán thành phẩm cho các quá trình sản xuất khác, yêu cầu đặt ra là chúng phải có dung lượng lớn và kích cỡ hạt khác nhau, để các hạt nhỏ làm đầy chổ trống giữa các lổ lớn, như thế có thể loại đi không khí, kéo dài thời gian bảo quản. Các đặc tính của một số thực phẩm sấy dạng bột được đưa ra ở bảng dưới.
  52. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 50 Bảng 3.1 : Dung lượng và độ ẩm của một số sản phẩm sấy dạng bột Sản phẩm Dung lượng Độ ẩm (kg.m-3) (%) Ca cao 480 3-5 Cà phê (nghiền) 330 7 Cà phê (hoà tan) 330 2.5 Cà phê kem 470 3 Tinh bột ngô 560 12 Trứng, nguyên quả 340 2-4 Sữa bột tách béo 640 2-4 Sữa bột tách béo hoà tan 550 2-4 Muối hạt 960 0.2 Đường hạt 800 0.5 Bột mì 450 12 3.1.2 Ảnh hưởng đến mùi vị Nhiệt làm thất thoát các thành phần dễ bay hơi ra khỏi sản phẩm vì vậy phần lớn các sản phẩm sấy bị giảm mùi vị. Mức độ thất thoát phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của sản phẩm, áp suất hơi nước và độ hoà tan của các chất bay hơi trong hơi nước. Những sản phẩm có giá trị kinh tế cao nhờ vào những đặc tính mùi vị (ví dụ như gia vị) cần được sấy ở nhiệt độ thấp. Một số sản phẩm sấy có kết cấu xốp, tạo điều kiện cho oxy không khí dễ dàng tiếp xúc với sản phẩm, gây ra các phản ứng oxy hoá các chất tan và chất béo trong quá trình bảo quản làm thay đổi mùi vị của sản phẩm. Tốc độ của quá trình gây hỏng phụ thuộc vào nhiệt độ bảo quản và hoạt độ nước. Sự oxy hoá lipit của sữa sấy gây ra mùi vị ôi thiu, do sự hình thành các sản phẩm thứ cấp như các chất δ-lacton. Phần lớn rau quả chỉ chứa một lượng nhỏ lipit, tuy nhiên sự oxy hoá của các chất béo không no tạo ra các hydroperoxit tham gia tiếp vào các phản ứng polyme hoá, phản ứng tách nước hoặc oxy hoá để tạo thành aldehyt, keton và các axít gây mùi ôi thiu khó chịu. Có thể hạn chế những sự thay đổi này bằng các phương pháp sau:
  53. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 51 - bao gói trong môi trường chân không hoặc khí trơ ví dụ: bảo quản sữa bột trong môi trường có 90 % khí N2 và 10 % CO2. - bảo quản ở nhiệt độ thấp - loại trừ ánh sáng và tia cực tím - duy trì hàm ẩm thấp - bổ sung các chất chống oxy hoá tổng hợp - bảo quản bằng các chất chống oxy hoá tự nhiên: vd: sử dụng chế phẩm enzim glucoza oxidaza - sử dụng SO2, axit ascorbic và axit xitric để ngăn ngừa những thay đổi về mùi vị do các enzim oxy hoá và thuỷ phân gây nên đối với trái cây. - áp dụng phương pháp thanh trùng đối với sữa hoặc nước ép trái cây và các phương pháp chần hấp đối với rau củ. Một số phương pháp khác duy trì mùi vị của sản phẩm sấy: - thu hồi các chất dễ bay hơi và đưa chúng trở lại sản phẩm. - liên kết các chất bay hơi với các chất giữ mùi vị, sau đó tạo viên và bổ sung trở lại sản phẩm sấy (ví dụ: bột thịt sấy). - bổ sung enzim hoặc kích hoạt các enzim tự nhiên sẳn có để tạo ra các mùi vị từ các tiền chất có trong sản phẩm (ví dụ: hành và tỏi được sấy trong các điều kiện không gây hại đến các enzim tạo mùi vị đặc trưng) 3.1.3 Ảnh hưởng đến màu sắc Có nhiều nguyên nhân gây ra sự mất màu hay thay đổi màu trong sản phẩm sấy, như là: - sự thay đổi các đặc trưng bề mặt của sản phẩm gây ra thay đổi độ phản xạ ánh sáng và màu sắc. - nhiệt và sự oxy hoá trong quá trình sấy gây ra những thay đổi hoá học đối với carotenoit và clorophyl, cũng như hoạt động của enzim polyphenoloxidaza gây ra sự sẩm màu trong quá trình bảo quản của các sản phẩm rau quả. Có thể ngăn ngừa được những thay đổi này bằng các phương pháp chần hấp hoặc xử lý trái cây bằng axit ascorbic hoặc SO2. Tuy nhiên SO2 làm tẩy trắng anthocyanin và dư lượng SO2 cũng đang là mối quan tâm về mức độ an toàn đối với sức khoẻ. Hiện nay, nó đã bị cấm sử dụng ở nhiều nước. Tốc độ của phản ứng sẩm màu Maillard ở sản phẩm sữa và trái cây bảo quản phụ thuộc vào hoạt độ của nước trong sản phẩm và nhiệt độ bảo quản. Tốc độ sẩm màu tăng đáng kể khi nhiệt độ sấy cao, độ ẩm của sản phẩm vượt quá 4-5 % và nhiệt độ bảo quản trên 38 oC.
  54. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 52 3.1.4 Ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng Các số liệu về sự thất thoát các chất dinh dưỡng của các tác giả khác nhau thường không thống nhất, có thể là do có sự khác nhau đáng kể trong các quá trình chuẩn bị sấy, nhiệt độ và thời gian sấy, cũng như điều kiện bảo quản. Ở rau quả, thất thoát dinh dưỡng trong quá trình chuẩn bị thường vượt xa tổn thất do quá trình sấy. Ví dụ: thất thoát vitamin C trong quá trình chuẩn bị sấy táo (dạng khối) là 8 % do quá trình cắt gọt, 62 % do chần hấp, 10 % do quá trình nghiền pu rê và 5 % do quá trình sấy. Vitamin có độ hoà tan trong nước khác nhau và khi quá trình sấy diễn ra, một vài loại (ví dụ: vit B2 riboflavin) đạt trạng thái quá bão hoà và kết tủa khỏi dung dịch, nhờ vậy chúng ít bị tổn thất. Một số khác, ví dụ: axit ascorbic, hoà tan ngay cả khi độ ẩm của sản phẩm hạ xuống đến mức rất thấp, chúng phản ứng với các chất tan với tốc độ càng lúc càng cao hơn trong quá trình sấy. Vitamin C cũng rất nhạy cảm với nhiệt và oxy hoá. Vì thế để tránh những thất thoát lớn cần sấy trong thời gian ngắn, nhiệt độ thấp, bảo quản ở độ ẩm thấp và nồng độ khí oxy thấp. Thiamin (Vit B1) cũng nhạy cảm với nhiệt, tuy nhiên các vitamin khác tan trong nước bền với nhiệt và oxy hoá hơn và tổn thất trong quá trình sấy hiếm khi vượt quá 5-10 %, ngoại trừ thất thoát do quá trình chần hấp. Sự tổn thất các vitamin có thể hạn chế đáng kể hoặc ngăn ngừa hoàn toàn khi sử dụng các phương pháp sấy nhanh và ôn hoà (như sấy phun), đặc biệt bằng phương pháp sấy thăng hoa đối với các nguyên liệu nghiền nát và nguyên liệu dạng cắt nhỏ. Các chất dinh dưỡng tan trong chất béo (ví dụ: các axit béo không thay thế và các vitamin A, D, E, K) phần lớn chứa trong phần chất rắn của sản phẩm và chúng không bị cô đặc trong khi sấy. Tuy nhiên nước là dung môi của các kim loại nặng, là những chất xúc tác của quá trình oxy hoá các chất dinh dưỡng không no. Khi nước bị mất đi, chất xúc tác trở nên hoạt động hơn và làm tăng tốc độ oxy hoá. Các vitamin tan trong chất béo bị biến đổi mất đi khi tiếp xúc với peroxit được sinh ra do sự oxy hoá chất béo. Để giảm thất thoát trong quá trình bảo quản người ta hạ thấp nồng độ oxy, nhiệt độ bảo quản và loại trừ ánh sáng tiếp xúc với sản phẩm. Các giá trị sinh học và độ tiêu hoá của protein trong phần lớn các sản phẩm sấy không thay đổi đáng kể. Tuy nhiên protein của sữa sấy bị biến tính một phần trong quá trình sấy trục lăn và gây ra việc giảm độ tan của bột sữa và làm mất khả năng kết cục. Sấy phun không ảnh hưởng đến giá trị sinh học của protein sữa. Nhiệt độ bảo quản cao và độ ẩm khoảng trên 5 % làm giảm giá trị sinh học của protein sữa do phản ứng Maillard giữa lyzin và lactoza. Lyzin nhạy cảm với nhiệt và thất thoát trong bột sữa nguyên kem vào khoảng 3-10 % khi sấy phun và 5-40 % khi sấy bằng trục lăn.
  55. Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 53 3.1.5 Ảnh hưởng đến sự hồi nguyên sản phẩm (rehydration) Sản phẩm sau khi sấy không thể trở lại tình trạng ban đầu khi làm ướt trở lại. Sau khi sấy, tế bào bị mất áp suất thẩm thấu, tính thấm của màng tế bào bị thay đổi, các chất tan di chuyển, polysacarit kết tinh và protein tế bào bị đông tụ, tất cả góp phần vào sự thay đổi cấu trúc, làm thất thoát các chất dễ bay hơi và đây đều là những quá trình không thuận nghịch. Nhiệt trong quá trình sấy làm giảm khả năng hydrat hoá của tinh bột và tính đàn hồi của thành tế bào, làm biến tính protein, giảm khả năng giữ nước của chúng. Tốc độ và mức độ thấm nước trở lại có thể được dùng như là chỉ số đánh gía chất lượng sản phẩm sấy. Những sản phẩm được sấy trong những điều kiện tối ưu, ít hư hại hơn sẽ thấm ướt trở lại nhanh hơn, hoàn toàn hơn. 3.2 KỸ THUẬT SẤY MỘT SỐ SẢN PHẨM THỰC PHẨM 3.2.1 SẤY ĐƯỜNG TINH THỂ Quy trình sản xuất đường: Mía Æ Xử lý trước khi ép Æ Lấy nước mía Æ Làm sạch Æ Cô đặc Æ Nấu đường và kết tinh ÆTách ly tâm Æ Sấy. Đường tuy có hàm lượng ẩm ban đầu nhỏ, nhưng dung dịch bám quanh tinh thể đường thường là dung dịch keo nên dễ làm cho đường vón cục khi đường còn ướt. Để khắc phục hiện tượng này người ta thường dùng sàn rung, sàn này đặt ngay bên dưới máy ly tâm, nó có nhiệm vụ làm tơi và làm nguội đường. Việc làm nguội đường có ý nghĩa đặc biệt với đường được rửa bằng hơi nước khi ly tâm, khi đó nhiệt độ có thể từ 70-80 oC, nên việc làm nguội đường sẽ làm bay hơi một phần ẩm đáng kể cho đường. Sấy là công đoạn cuối cùng trước khi làm nguội và bao gói. Độ ẩm ban đầu của đường tinh thể không những phụ thuộc vào phương pháp rửa bằng nước hay hơi nước trong quá trình ly tâm, nếu rửa bằng nước thì nó có độ ẩm đầu từ 1-1,7 %, nếu rửa bằng hơi nước thì từ 0,7 đến 1,6 %, mà nó còn phụ thuộc vào tốc độ quay của máy ly tâm. Nếu vận tốc nhỏ hơn 1200 vòng/phút thì độ ẩm của đường có thể từ 2-3,5 %. Sấy đường nhằm mục đích làm đường khô đạt độ ẩm cuối từ 0,03-0,05 %, làm cho màu sắc của đường trắng, bóng không bị biến đổi chất lượng khi bảo quản. Quá trình sấy đường tương đối dễ dàng, vì tinh thể đường không ngậm nước, chủ yếu tách ẩm trên bề mặt tinh thể đường. Đường sấy với nhiệt độ của tác nhân sấy từ 70- 90 oC, nếu nhiệt độ vượt quá 100 oC, đường sẽ ngả vàng làm giảm giá trị thương phẩm. Vận tốc không khí sấy từ 0,6-0,8 m/s và thường sấy ngược chiều, sau khi sấy cần làm