Công nghệ sấy gừng học viện nông nghiệp việt nam

Những biến đổi cơ bản của quá trình sấy - Quá trình trao đổi nhiệt: Khi vật liệu sấy nhận nhiệt từ tác nhân sấy thì nhiệt độ trong lòng vật sấy thay đổi do đó phân áp suất hơi nước trong

Gừng

Rửa

Lựa chọn – phân loại

1 Tính chất vật lí và thành phần hóa học của gừng:

Gừng sấy là gừng trâu có các tính chất sau:

a Tính chất vật lý:

- Màu sắc: vàng chanh, hương vị hơi cay nồng

- Độ ẩm ban đầu: 80% ÷ 90%

- Khối lượng riêng: 956 ÷ 984 kg/m3

b Thành phần hóa học:

2.Các quy trình công nghệ sấy gừng

Rễ gừng có chứa tinh dầu dễ bay hơi, hương vị cay nồng, protein, cellulo, pentoza, tinh bột Gừng khô có chứa: độ ẩm (10.85%), tinh dầu (1.8%), oleoresin (chiết xuất acetone) (6.5%), chiết xuất nước (19.6%), chiết xuất alcohol lạnh (6.0%), tinh bột (53%), sợi thô (7.17%), protein thô (12.4%), tro (6.64%)

Rễ gừng sau khi thu hoạch được làm sạch và cạo bỏ vỏ, sau khi cạo vỏ xong thì gừng được thái thành từng lát mỏng 4÷5 mm, sau đó nhúng tất cả chúng vào trong nước nóng khoảng 5 đến 6 phút rồi vớt ra và làm lạnh bằng cách nhúng vào nước lạnh Sau đó trải những lát gừng này ra các khay sấy và cho vào lò sấy Nhiệt độ sấy có thể thay đổi từ thấp đến cao thường từ 45 đến 650C nếu sấy nóng và từ 20 đến 400C nếu sấy lạnh Thời gian sấy có thể kéo dài từ 7 đến 12 giờ tùy thuộc vào chế độ sấy Cuối cùng loại bỏ tạp

chất, vụn và đóng gói bảo quản Thời gian bảo quản có thể kéo dài tới hơn 2 năm, [7]

Dựa vào một số quy trình sấy của các nước trên thế giới ta rút ra quy trình sấy gừng thích hợp nhất ở Việt Nam hiện nay:

Cắt miếng (thái lát)

Chần, hấp

Xử lý hoá chất

Sấy

Bao gói

Gừng dạng bản mỏng

3 Những biến đổi cơ bản của quá trình sấy

- Quá trình trao đổi nhiệt: Khi vật liệu sấy nhận nhiệt từ tác nhân sấy thì nhiệt độ

trong lòng vật sấy thay đổi do đó phân áp suất hơi nước trong vật ẩm thay đổi theo, nhờ

đó mà quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng vật sấy ra ngoài bề mặt

- Quá trình trao đổi ẩm: Quá trình này diễn ra do sự chênh lệch giữa độ ẩm tương đối

của vật ẩm và độ ẩm tương đối của môi trường không khí xung quanh Động lực của quá trình này là do sự chênh lệch phân áp suất hơi trên bề mặt của vật liệu sấy và phân áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường không khí Quá trình thải ẩm diễn ra cho đến khi phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật bằng phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy

Độ ẩm của môi trường không khí xung quanh càng nhỏ thì quá trình sấy càng nhanh và

độ ẩm cuối của vật liệu càng thấp Qua đó có thể kết luận độ ẩm của môi trường không

khí xung quanh là động lực của quá trình sấy, đây cũng là nguyên nhân tại sao khi sấy bằng bơm nhiệt (sấy lạnh) thì thời gian sấy giảm

4 Cơ chế thoát ẩm ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy

4.1 Quá trình khuếch tán nội

Quá trình khuếch tán nội là quá trình chuyển dịch ẩm từ các lớp bên trong ra lớp bề mặt ngoài của vật ẩm Động lực của quá trình này là do sự chênh lệch nồng độ ẩm giữa các lớp bên trong và các lớp bề mặt Ngoài ra quá trình khuếch tán nội còn diễn ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp bên trong và các lớp bề mặt Qua nghiên cứu ta thấy rằng, ẩm dịch chuyển từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp Vì vậy, tùy thuộc vào phương pháp sấy và thiết bị sấy mà dòng ẩm dịch chuyển dưới tác dụng của nồng độ

ẩm và nhiệt độ có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với nhau

Ta có thể biểu thị tốc độ khuếch tán nội bằng phương trình sau:

dW

dt =k F

dc dx

(3-1)

Trong đó: W – lượng nước khuếch tán, [kg] ;

dt – thời gian khuếch tán, [h] ;

F – diện tích bề mặt khuếch tán, [m2] ;

k - hệ số khuếch tán;

dc

dx - gradien độ ẩm.

Nếu hai dòng ẩm dịch chuyển cùng chiều với nhau sẽ làm thúc đẩy quá trình thoát

ẩm, rút ngắn thời gian sấy Nếu hai dòng ẩm dịch chuyển ngược chiều nhau sẽ kìm hãm

sự thoát ẩm, kéo dài thời gian sấy

4.2 Quá trình khuếch tán ngoại

Quá trình khuếch tán ngoại là quá trình dịch chuyển ẩm từ lớp bề mặt của vật liệu sấy vào môi trường không khí xung quanh Động lực của quá trình này là do sự chênh lệch phân áp suất hơi trên bề mặt của vật ẩm và áp suất riêng phần hơi nước trong môi trường

không khí Lượng nước bay hơi trong quá trình khuếch tán ngoại thực hiện được dưới điều kiện áp suất hơi nước bão hòa (E) lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong

không khí (e) Sự chênh lệch đó là ΔPP=E−e Lượng hơi nước bay hơi tỷ lệ thuận với ΔPP , với bề mặt bay hơi và thời gian làm khô: dW =B ( E−e) F dt

Tốc độ bay hơi nước được biểu diễn theo công thức:

dW

Trong đó:

W – lượng nước bay hơi, [kg] ;

F – diện tích bề mặt bay hơi, [m2] ;

dt – thời gian bay hơi, [h] ;

B – hệ số bay hơi

4.3 Mối quan hệ giữa quá trình khuếch tán nội và khuếch tán ngoại

Khuếch tán nội và khuếch tán ngoại có một mối quan hệ chặt chẽ với nhau Quá trình khuếch tán nội là động lực của quá trình khuếch tán ngoại và ngược lại Tức là khi khuếch tán ngoại được tiến hành thì khuếch tán nội mới có thể được tiếp tục và như thế

độ ẩm của nguyên liệu mới được giảm dần Tuy nhiên trong quá trình sấy phải làm sao cho hai quá trình này ngang bằng với nhau, tránh trường hợp khuếch tán ngoại lớn hơn khuếch tán nội, vì khi đó sẽ làm cho sự bay hơi ở lớp bề mặt diễn ra mãnh liệt, làm cho

bề mặt của sản phẩm bị khô cứng, hạn chế sự thoát ẩm Khi xảy ra hiện tượng đó ta khắc phục bằng cách sấy gián đoạn (quá trình ủ ẩm), mục đích là để hạn chế khuếch tán ngoại

và thúc đẩy quá trình khuếch tán nội

5 PHƯƠNG PHÁP SẤY

5.1 Phương pháp sấy nóng

Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy và vật liệu sấy được đốt nóng Do tác nhân sấy được đốt nóng nên độ ẩm tương đối φ giảm dẫn đến phân áp suất hơi nước pam trong

tác nhân sấy giảm Mặt khác do nhiệt độ của vật liệu sấy tăng lên nên mật độ hơi trong các mao quản tăng và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật cũng tăng theo công thức:

φ =

P r

P0=exp{−2 δρh

P0P r }

Trong đó:

Pr – áp suất trên bề mặt cột mao dẫn, N/m2

P0 – áp suất trên bề mặt thoáng, N/m2

δ – sức căng bề mặt thoáng, N/m2

ρh – mật độ hơi trên cột dịch thể trong ống mao dẫn, kg/m3

ρ0 – mật độ dịch thể, kg/m3

Như vậy trong hệ thống sấy nóng có hai cách để tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường:

1) Giảm phân áp suất của hơi nước trong tác nhân sấy bằng cách đốt nóng

2) Tăng phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy Tóm lại, nhờ đốt nóng cả tác nhân sấy và vật liệu sấy hoặc chỉ đốt nóng vật liệu sấy mà hiệu số giữa phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật Phb và phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy Ph tăng lên dẫn đến quá trình dịch chuyển ẩm từ trong long vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi trường Do đó, hệ thống sấy nóng thường được phân loại theo phương pháp cung cấp nhiệt:

+ Hệ thống sấy đối lưu: Vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể nóng mà thông thường là không khí nóng hoặc khói lò Hệ thống sấy đối lưu gồm: hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy khí động…

+ Hệ thống sấy tiếp xúc: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng Như vậy trong

hệ thống sấy tiếp xúc, người ta tạo ra độ chênh lệch áp suất nhờ tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy Hệ thống sấy tiếp xúc gồm: hệ thống sấy lô, hệ thống sấy tang…

+ Hệ thống sấy bức xạ: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để dẫn ẩm dịch chuyển từ lòng vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường Ở đây người ta tạo ra

độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường bằng cách đốt nóng vật + Hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường: Khi vật

liệu sấy đặt trong môi trường điện từ thì trong vật xuất hiện các dòng điện và chính dòng điện này sẽ đốt nóng vật

* Ưu điểm của phương pháp sấy nóng:

+ Thời gian sấy bằng các phương pháp sấy nóng ngắn hơn so với phương pháp sấy lạnh

+ Năng suất cao và chi phí ban đầu thấp

+ Nguồn năng lượng sử dụng cho phương pháp sấy nóng có thể là khói thải, hơi nước nóng, hay các nguồn nhiệt từ dầu mỏ, than đá, rác thải, cho đến điện năng

+ Thời gian làm việc của hệ thống cũng rất cao

* Nhược điểm

+ Chỉ sấy được các vật sấy không cần có các yêu cầu đặc biệt về nhiệt độ

+ Sản phẩm sấy thường hay bị biến màu và chất lượng không cao

5.2 Phương pháp sấy lạnh

Trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy Ph nhờ giảm

độ chứa ẩm d Mối quan hệ đó được thể hiện theo công thức

Ph =

B.d

Trong đó:B - áp suất môi trường (áp suất khí trời)

Khi đó, phân áp suất của môi trường không khí bên ngoài giảm xuống, độ chênh áp suất của ẩm trong vật sấy vào môi trường xung quanh tăng lên Ẩm trong vật sấy dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường Nhiệt độ của sấy lạnh có thể trên dưới nhiệt độ môi trường (t > 0 oC) và cũng có thể nhỏ hơn 0oC

5.2.1 Sấy lạnh dùng máy hút ẩm hấp phụ chuyên dụng kết hợp máy nén lạnh.

Phương pháp này là sự kết hợp giữa máy hút ẩm dùng chất hấp phụ và máy lạnh Không khí trong buồng được hút ẩm nhờ máy, còn dòng không khí ngoài trời được làm nóng để hoàn nguyên chất hấp phụ sau khi đã hút ẩm Về nguyên lý hoạt động của máy

hút ẩm, dòng không khí sau khi được khử ẩm có nhiệt độ tương đối cao, chính vì thế thêm một máy lạnh có tác dụng làm giảm nhiệt độ xuống

* Phương pháp này có ưu điểm là: khả năng hút ẩm lớn, năng suất hút ẩm cũng khá

cao

* Nhược điểm của phương pháp này là:

- Giá thành thiết bị tương đối lớn, ngoài máy hút ẩm ra cần kết hợp thêm một máy lạnh nên chi phí ban đầu rất cao

- Chất hút ẩm phải thay thế định kỳ, thường một năm thay một lần đối với sản phẩm của nước ngoài sản xuất, còn nếu của Việt Nam thì thời gian cần thay thế ngắn hơn nhiều

- Chi phí bảo trì, bảo dưỡng lớn

- Điện năng tiêu thụ cho thiết bị lớn vì ngoài việc cần nung nóng dây điện trở để giúp cho quá trình hoàn nguyên còn cung cấp cho việc chạy máy lạnh

- Trong điều kiện làm việc nhiều bụi thì máy phải có thời gian ngừng hoạt động để làm sạch cho chất hấp phụ của máy hút ẩm

5.2.2 Sấy lạnh dùng bơm nhiệt.

Cũng giống như phương pháp dùng máy hút ẩm chuyên dụng nhưng ở đây để hút ẩm người ta sử dụng máy hút ẩm kiểu bơm nhiệt để làm lạnh khử ẩm Đầu tiên không khí đi qua dàn lạnh của máy hút ẩm kiểu bơm nhiệt Ẩm của không khí được ngưng lại trên dàn lạnh Dung ẩm của dòng không khí giảm xuống nhưng do nhiệt độ của dòng không khí cũng giảm nên độ ẩm tương đối sau khi ra khỏi dàn lạnh cũng cao ( ϕ≈98% ) Sau đó

dòng không khí tiếp tục được chuyển qua dàn nóng, không khí được làm nóng đẳng dung

ẩm làm độ ẩm trong không khí lúc này giảm xuống mạnh Từ đây dòng không khí khô được chuyển đến các vật sấy và hấp thụ ẩm của vật

Hình 3.2: Máy hút ẩm đơn giản

1 – Máy nén; 2 – Dàn ngưng; 3 – Tiết lưu; 4 – Dàn bay hơi; 5 – Quạt giĩ

A – Trước dàn bay hơi; B – Sau dàn bay hơi; C – Sau dàn ngưng

d 2

d, kg/kg kkk

3

B

t 1

Daìn ngỉng

2

 2 A

 1 5

A

 =100%

C

Daìn bay håi

d 1

Mạy nẹn

* Ưu điểm của phương pháp:

- Giảm chi phí thiết bị, vận hành và bảo dưỡng

- Năng lượng của dàn nĩng và dàn lạnh đều được tận dụng triệt để

- Quá trình hoạt động của thiết bị khơng bị gián đoạn do khơng phải thay chất hấp phụ như trong phương pháp dùng máy bài ẩm

- Tuổi thọ thiết bị cao, trong khoảng thời gian (7 – 8) năm Thiết bị hầu như khơng cần địi hỏi bảo dưỡng lớn, chỉ cần sau một thời gian vệ sinh các dàn

để đảm bảo khả năng trao đổi nhiệt tốt

- Điện năng sử dụng cũng thấp hơn nhiều so với phương pháp dùng máy hút ẩm hấp phụ

- Chất lượng và màu sắc của vật sấy được giữ tốt hơn

- Thích hợp để sấy khơ các vật phẩm khơng chịu được nhiệt độ cao

* Nhược điểm của phương pháp:

-Thời gian sấy thường lâu hơn.

-Chi phí ban đầu khá cao

5.2.3 Phương pháp sấy thăng hoa.

Khác với hai phương pháp sấy lạnh trên, sấy thăng hoa được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất buồng sấy thấp hơn Quá trình sấy được thực hiện trong một buồng kín Giai đoạn đầu là giai đoạn làm lạnh và hút chân không buồng sấy Nhiệt độ và áp suất trong buồng phải thấp hơn điểm 3 thể của nước ( 0,00980C và áp suất phải dưới 4,58 mmHg) Khi đó ẩm trong vật sẽ ở dưới dạng rắn Nếu ta cung cấp nhiệt cho vật sấy thì

ẩm trong vật sẽ thăng hoa từ thể rắn sang thể hơi và thoát ra khỏi vật Hơi ẩm này sẽ đến bình ngưng và ngưng lại thành lỏng, sau đó thành băng bám trên bề mặt bình (giai đoạn thăng hoa) Ở giai đoạn cuối trạng thái của nước trong vật liệu sấy nằm trên điểm 3 thể, nên ẩm trong vật liệu sấy sẽ trở về dạng lỏng Do áp suất trong bình thăng hoa được giữ không đổi, mà vật liệu sấy vẫn tiếp tục được gia nhiệt nên ẩm sẽ biến từ lỏng sang hơi Giai đoạn sấy này giống như sấy các vật thể trong môi trường chân không thông thường

* Ưu điểm của phương pháp:

-Sản phẩm sấy giữ được tính chất tươi sống, hương vị, vitamin

-Tiêu hao năng lượng để bay hơi ẩm thấp

Hình 3.3: Sơ đồ thiết bị sấy thăng hoa tác động tuần hoàn

* Nhược điểm của phương pháp:

- Giá thành thiết bị cao, vận hành phức tạp

- Người vận hành cần có trình độ hiểu biết sâu về lạnh đông, sấy chân không

- Điện năng tiêu thụ lớn

- Số lượng sản phẩm cần sấy bị giới hạn, không thể tăng năng suất vì kích thước buồng sấy không thể phát triển quá lớn

- Các thiết bị cho buồng chân không cũng cần được kín Dầu bôi trơn cho các máy móc hoạt động cũng là loại đặc biệt, đắt tiền và khó kiếm để thay thế, bổ sung

5.2.4 Phương pháp sấy chân không.

Nếu nhiệt độ vật liệu sấy vẫn nhỏ hơn 273 K nhưng áp suất tác nhân sấy bao quanh vật P>610 Pa thì khi vật liệu sấy nhận nhiệt lượng, nước trong vật liệu sấy ở dạng rắn không thể chuyển trực tiếp thành hơi để đi vào tác nhân sấy mà trước khi biến thành hơi, nước phải chuyển từ thể rắn qua thể lỏng

* Ưu điểm của phương pháp sấy chân không

+ Các chỉ tiêu về chất lượng như màu cảm quan, mùi vị, khả năng bảo toàn vitamin C cao

+ Thích hợp để sấy các loại vật liệu sấy yêu cầu chất lượng cao, đòi hỏi phải sấy ở nhiệt độ thấp

+ Sản phẩm bảo quản lâu và ít bị tác động bởi điều kiện bên ngoài

+ Quá trình sấy kín nên không phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường

* Nhược điểm của phương pháp sấy chân không

+ Giá thành thiết bị cao, tiêu hao điện năng lớn

+ Vận hành phức tạp, người vận hành cần có trình độ kỹ thuật cao

+ Cấu tạo thiết bị phức tạp, thời gian sấy lâu

+ Nhiệt độ môi chất sấy thường gần nhiệt độ môi trường nên chỉ thích hợp với một

số loại vật liệu, không sấy được các vật liệu dể bị vi khuẩn làm hư hỏng ở nhiệt độ môi trường như bị ôi, thiu, mốc…

+ Do cuốn bụi nên có thể gây tắc tại thiết bị làm lạnh

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN SẤY

1 Phân tích một số phương pháp sấy ở Việt Nam

1.1 Thiết bị sấy buồng kiểu đối lưu tự nhiên

Thiết bị sấy buồng kiểu đối lưu tự nhiên điển hình là kiểu buồng sấy của giáo sư Grum-Grêmal (hình 4.1)

Nhược điểm của thiết bị sấy đối lưu tự nhiên là vật liệu khô không đều, các khay ở trên vật liệu khô nhanh hơn vật liệu ở các khay dưới Không khí nóng tập trung ở phía trên nên ở đây vật liệu hay bị sấy quá Để cho vật liệu sấy khô đều thường phải định kỳ đảo khay

Hình 4.1: Hệ thống sấy buồng đối lưu tự nhiên

1.2 Thiết bị sấy buồng dùng quạt gió tập trung

Trong thiết bị này môi chất nóng được quạt gió thổi vào kênh dẫn 3 (hình 4.2) Khi nóng chuyển động lên ngang qua các khay vật liệu rồi tập trung xuống kênh thoát khí 4 để thoát ra ngoài Vật liệu được chất trên các xe goòng và đưa vào buồng sấy.