Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu nhằm tránh hư hỏng trong quá trình bảo quản, tăng độ bền cho sản phẩm, giảm trọng lượng, giảm chi phí chuyên chở và đồng thời nó cũng làm tăng giá trị cảm quan cho sản phẩm. Sấy thăng hoa là quá trình sấy tách ẩm ra khỏi vật liệu 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. Phương pháp sấy thăng hoa do kỹ sư G.I.Lappa Stajenhexki phát minh năm 1921, được ứng dụng lần đầu tiên ở Nga.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA NÔNG NGHIỆP & TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM LÊ THỊ NGỌC HƯƠNG KHƯU THỊ HUỲNH DƯƠNG TRƯƠNG THỊ YẾN NHI PHAN HOÀNG QUYÊN LÊ CẪM TU DH16TP BÁO CÁO MÁY CHẾ BIẾN THỰC PHẦM Chủ đề thảo luận: Thiết bị sấy thăng hoa An Giang, Tháng 10 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA NÔNG NGHIỆP & TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM LÊ THỊ NGỌC HƯƠNG KHƯU THỊ HUỲNH DƯƠNG TRƯƠNG THỊ YẾN NHI PHAN HOÀNG QUYÊN LÊ CẪM TU DH16TP BÁO CÁO MÁY CHẾ BIẾN THỰC PHẨM Chủ đề thảo luận: Thiết bị sấy thăng hoa Giáo viên hướng dẫn (Ký tên) Ths.Diệp Kim Quyên An Giang, Tháng 10 2017 Mục Lục Giới thiệu 1.1 Định nghĩa Hệ thống sấy thăng hoa 2.1 Yêu cầu thiết bị sấy thăng hoa .1 2.2 Cấu tạo hệ thống sấy thăng hoa .1 2.3 Cấu tạo hai thiết bị hệ thống sấy thăng hoa Quá trình sấy thăng hoa 3.1 Các giai đoạn trình sấy thăng hoa .2 3.1.1 Giai đoạn làm lạnh (giai đoạn lạnh đông) 3.1.2 Giai đoạn thăng hoa 3.1.3 Giai đoạn bớc ẩm lại 3.2 Tốc độ truyền nhiệt trình sấy thăng hoa 3.2.1 Nhiệt truyền xuyên qua lớp đóng băng .4 3.2.2 Nhiệt truyền qua lớp khô 3.2.3 Truyền nhiệt vi sóng 3.3 Tốc độ truyền khới q trình sấy thăng hoa Ưu nhược điểm phương pháp Sấy thăng hoa 4.1 So với phương pháp bảo quản khác 4.2 Ưu nhược điểm phương pháp sấy thăng hoa so với phương pháp sấy khác6 Ứng dụng sấy đông khô Tài liệu tham khảo .8 Giới thiệu 1.1 Định nghĩa Sấy trình tách ẩm khỏi vật liệu nhằm tránh hư hỏng trình bảo quản, tăng độ bền cho sản phẩm, giảm trọng lượng, giảm chi phí chuyên chở đồng thời làm tăng giá trị cảm quan cho sản phẩm Sấy thăng hoa trình sấy tách ẩm khỏi vật liệu thăng hoa nước Quá trình thăng hoa trình chuyển trực tiếp từ thể rắn sang thể Ở điều kiện bình thường, ẩm thực phẩm dạng lỏng, nên để thăng hoa chúng cần chuyển sang thể rắn phương pháp lạnh đơng Chính nên gọi phương pháp sấy lạnh đông Phương pháp sấy thăng hoa kỹ sư G.I.Lappa Stajenhexki phát minh năm 1921, ứng dụng lần Nga Sấy thăng hoa phân làm hai loại, sấy chân không sấy đông khô SẤY CHÂN KHƠNG: Vật liệu cấp đơng trước thiết bị cấp đơng, sau đưa vào hệ thống sấy chân không Thông thường, nhiệt độ cấp đông phải đại -600 Áp suất chân không đạt 760 torr SẤY ĐƠNG KHƠ: Đây hình thức liên hồn từ q trình cấp đơng tới q trình sấy thăng hoa Tất khép kín chu trình nên gọi sấy đông khô Với thiết bị sấy đông khô, người sử dụng cần bỏ sản phẩm vào, cài đặt chu trình, chờ kết Hệ thống sấy thăng hoa 2.1 Yêu cầu bản của thiết bị sấy thăng hoa - Trong buồn sấy phải có dàn cấp nhiệt dàn lạnh để làm lạnh đông vật sấy Cấu tạo phù hợp với suất yêu cầu Độ bền độ cứng cao Nạp tháo sản phẩm dễ dàng 2.2 Cấu tạo hệ thống sấy thăng hoa Trong hệ thống sấy thăng hoa tuần hồn sử dụng cơng nghiệp thực phẩm Vật liệu sấy làm lạnh với nhiệt độ thích hợp kho lạnh sâu đưa vào bình thăng hoa.Bình thăng hoa nới với bơm chân khơng qua bình ngưng đóng băng Bình ngưng đóng băng làm lạnh máy lạnh amoniac gồm máy nén, giàn ngưng, bình tách lỏng bình chứa amoniac Nhờ bình ngưng đóng băng mà ẩm từ vật liệu sấy tách dạng băng để máy hút chân khơng làm việc với khơng khí khô Điều làm cho bơm chân không làm việc nhẹ nhành giảm chi phí điện cho hệ thớng Các thiết bị cảu hệ thớng dấy thăng hoa gồm bình thăng hoa, bình ngưng đóng băng, bơm chân không máy lạnh với thiết bị: bình tách lỏng, giàn ngưng, bình chúa tác nhân lạnh máy nén Các máy sấy thăng hoa bao gồm buồng chân khơng có chứa khay đựng sản phẩm thiết bị đun nóng để cấp nhiệt cho q trình thăng hoa Các ớng xoắn ruột gà lạnh dẹt lạnh sử dụng để ngưng tụ nước trực tiếp thành băng Chúng gắn với thiết bị tự động làm tan băng để giữ cho bề mặt dây xoắn ruột gà trống tối đa cho việc ngưng tụ nước Điều cần thiết phần lớn lượng đầu vào dùng àm lạnh đông thiết bị ngưng tụ tính kinh tế sấy thăng hoa xác định hiệu suất thiết bị ngưng tụ: Hiệu suất = Bơm chân không tách thành phần không ngưng tụ 1.1 Cấu tạo của hai thiết bị hệ thớng sấy thăng hoa Bình thăng hoa: bình hình trụ nằm nang Một đáy hàn liền với hình trụ đáy chỏm cầu gắn kết với than hình trụ bằn bulong để đưa VLS vào Đỉnh bình thăng hoa có mặt bích để nới với bơm cân khơng qua bình ngưng – đóng băng Phí bình thăng hoa người ta bớ trí hộp kim loại xen kẽ Trên hộp khay chứa VLS Trong hộp nước nóng chuyển động Do nhiệt độ bình thăng hoa rất thấp có độ chân không rất lớn nên truyền nhiệt giưa thành hộp chứa nước nóng với VLS chủ yếu xảy nhờ xạ nhiệt Bình ngưng – đóng băng: thiết bị trao đổi dạng ớng Nó hình trụ đứng, tron bớ trí ớng đường kính 51/57 mm gắn kết với với hình trụ nhờ hai mặt sàng Hỗn hợp nước khơng khí bớm chân khơng hút từ bình thăng hoa qua lưới phân phới phía vào ống Amoniac đưa vào mặt sàn chứa đầy không gian ống Ở hỗn hợp nước – khơng khí làm lạnh nước hỗn hợp ngưng tụ lại bám vào thành ớng, khơng khí khơ qua bơm chân khơng để thải vào khí Ngược lại, amoniac lỏng nhận nhiệt hỗn hợp nước – khơng khí để bay qua bình tách lỏn máy nén máy lạnh Vật liệu làm lạnh tới ( 10 - 15°C) cho vào bình thăng hoa (1) Bình thăng hoa nới với bơm chân khơng (10) qua bình ngưng – đóng băng làm lạnh máy lạnh amoniac Máy lạnh gồm máy nén 9, giàn nưng 7, bình tách lỏng bình chứa ammoniac Nhờ bình ngưng – đóng băng, ẩm từ vật liệu dạng băng, máy hút chân khơng 10 làm việc với khơng khí khơ Ngồi bình thăng hoa nới với hệ thớng cung cấp nước nón từ bình chứa làm nguồn gia nhiệt cho vật liệu Quá trình sấy thăng hoa 3.1 Các giai đoạn của trình sấy thăng hoa Quá trình sấy thăng hoa trải qua giai đoạn chính: Giai đoạn làm lạnh Giai đoạn thăng hoa giai đoạn bớc ẩm lại Hình 2.1: Đồ thị biểu trạng thái thăng hoa điểm ba thể Quan sát biểu đồ mực nước ta hiểu rõ nguyên lý thăng hoa- Nguyên lý chủ đạo q trình đơng khơ chân khơng khiến nước thăng hoa thành Trong biểu đồ, ba đoạn thẳng OA, OB , OC gọi Đường lỏng hóa, Đường khí hóa Đường thăng hoa, biểu thị mối quan hệ nước nhiệt độ giai đoạn : Băng- nước , nước - nước, băng- nước Điểm O gọi điểm ngã 3, nhiệt độ đối ứng 0.01℃, áp suất 6.11 mbar 4.58 mmHg，611 Pa, nhiệt độ này, yếu tố: nước, băng nước tồn trạng thái cân Khi nhiệt độ áp suất thay đổi xuất nhiều biến đổi nước đóng băng tan xảy tượng chất rắn trở thành chất khí– thăng hoa Trong trạng thái chân không cao, với nguyên lý thăng hoa, nước đá sản phẩm không qua tan rã mà trực tiếp hóa ngồi, đạt đến mục đích làm khơ sản phẩm Do q trình gọi sấy thăng hoa Về lý thuyết, tiến trình thăng hoa cần thực nhiệt độ điểm ngã được, thực tế điều kiện khắt khe hơn, thơng thường cần độ chân không 0.5~1.5 mbar nhiệt độ khoảng -25oC đảm bảo tiến hành thuận lợi Nếu ẩm vật liệu sấy có trạng thái đóng băng gia nhiệt đẳng áp đến nhiệt độ nhất định nước thể rắn thực trình thăng hoa Từ đồ thị cho thấy áp suất thấp f nhiệt độ thăng hoa nước giảm cấp nhiệt cho vật liệu sấy áp suất thấp độ chênh lệch nhiệt độ nguồn nhiệt vật liệu sấy tăng 1.1.1 Giai đoạn làm lạnh (giai đoạn lạnh đông) Trong giai đoạn vật liệu sấy làm lạnh đến nhiệt độ -10 oC -40oC bình thăng hoa dược hút chân khơng áp śt bình giảm, áp śt nước khơng gian bình thăng hoa giảm so với áp suất lòng vật liệu sấy dẫn đến tượng thoát ẩm từ vật liệu sấy nhiệt độ vật liệu sấy nhỏ điểm ba thể Có hai cách làm lạnh đơng vật liệu sấy: - Sử dụng thiết bị lạnh đông thông thường Nitơ lỏng để làm lạnh đơng sản phẩm bên ngồi buồng sấy thăng hoa - Vật liệu sấy tự lạnh đông buồng sấy thăng hoa buồng sấy hút chân khơng Trong giai đoạn có khoảng 10 – 15% ẩm thoát khỏi vật liệu sấy Sản phẩm cần làm lạnh đong rất nhanh để hình thành tinh thể băng nhỏ để cấu trúc bị biến đổi 1.1.2 Giai đoạn thăng hoa Giai đoạn giai đoạn tách ẩm phương pháp sấy thăng hoa Ở áp suất nước giữ 4,58mmHg (610,5Pa) nước dạng băng Khi sản phẩm cung cấp nhiệt, băng rắn thăng hoa thành mà không bị tan chảy Hơi nước tiếp tục tách khỏi sản phẩm cách giữ áp suất buồng sấy thấp áp suất nước bề mặt băng, đồng thời tách nước máy bơm chân không ngưng tụ ớng xoắn ruột gà lạnh, dẹt lạnh hoa chất Khi trình sấy tiếp tục, bề mặt thăng hoa di chuyển vào bên sản phẩm đông lạnh, làm sản phẩm sấy khô Nhiệt lượng cần thiết để dịch chuyển bề mặt thăng hoa truyền đến sản phẩm dẫn nhiệt vi sóng cung cấp Hơi nước di chuyển khỏi sản phẩm qua kênh bình ngưng, sau thành băng bám mặt ống Trong giai đoạn nhiệt độ vật liệu khơng thay đổi Nếu khơng tính q trình mất ẩm phương pháp để vật ẩm tự lạnh đông buồng sấy hút chân khơng sản phẩm sấy hai giai đoạn: Trước tiên trình thăng hoa x́ng khoảng 15% ẩm sau bay phần nước khơng đóng băng đến 2% ẩm trình nhả ẩm đẳng nhiệt (nâng nhiệt độ máy sấy lên gần nhiệt độ môi trường áp śt thấp 1.1.3 Giai đoạn bớc ẩm lại Đây giai đoạn làm bay ẩm liên kết, nhiệt độ vật liệu sấy tăng nhanh Trong số sản phẩm ( nước ép trái cây, dịch chiết cà phê đặc), hình thành nên trạng thái thủy tinh q trình đóng băng gây nhiều khó khăn việc di chuyển nước Vì vậy, chất lỏng cần đóng băng dạng bọt ( phương pháp sấy thăng hoa bọt: vacuum puf freeze drying), nước ép trái để sấy phần thịt Cả hai phương pháp tạo nên kênh nhờ nước Ở phương pháp thứ ba, mức trái sau đóng băng nghiền thành cục, nhờ sấy nhanh cho phép kiểm sốt kích cỡ hạt bột tốt Tốc độ sấy phụ thuộc phần lớn vào tính cản trở nhiệt sản phẩm mức độ thấp độ cản trở dòng (dịch chuyển khối) khỏi bề mặt thăng hoa Sau giai đoạn thăng hoa trạng thái nước vật liêu nằm điểm ba thể nên ẩm trở dạng lỏng Vì áp śt bình thăng hoa trì bé áp śt khí trời nhờ bơm chân không vật liệu sấy tiếp tục gia nhiệt nên ẩm không ngừng biến từ dạng lỏng sang dạng vào khơng gian bình thăng hoa Như giai đoạn bớc ẩm lại q trình sấy chân khơng bình thường Q trình dịch chuyển ẩm sấy thăng hoa khác với trình dịch chuyển ẩm hệ thớng sấy khác làm việc áp śt khí Khi thăng hoa phân tử nước không va chạm nhờ mà sấy thăng hoa có ưu điểm lớn bảo toàn chất lượng sinh học sản phẩm sấy 3.2 Tốc độ truyền nhiệt q trình sấy thăng hoa Có phương pháp truyền nhiệt đến bề mặt thăng hoa 1.1.1 Nhiệt truyền xun qua lớp đóng băng Tớc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào độ dày độ dẫn nhiệt lớp băng Khi trình sấy xảy ra, chiều dày lớp băng giảm xuống tốc độ truyền nhiệt tăng lên Nhiệt độ bề mặt thiết bị cấp nhiệt giới hạn để tránh làm tan băng 1.1.2 Nhiệt truyền qua lớp khô Tốc độ truyền nhiệt đến bề mặt thăng hoa phụ thuộc vào độ dày diện tích bề mặt sản phẩm, độ dẫn nhiệt lớp khô chênh lệch nhiệt độ bề mặt sản phẩm bề mặt băng Khi áp suất buồng sấy không đổi, nhiệt độ bề mặt băng trì khơng đổi lớp khơ sản phẩm có độ dẫn nhiệt rất thấp gây cản trở lớn với dòng nhiệt Khi trình sấy tiếp diễn, lớp trở nên dày cản trở nhiệt tăng lên Làm giảm kích thước nguyên liệu tăng chênh lệch nhiệt độ làm tăng tốc truyền nhiệt Tuy nhiên sấy thăng hoa, nhiệt độ bề mặt bị giới hạn đến 4065oC để tránh biến tính protein thay đổi hóa học khác, làm giảm chất lượng sản phẩm 1.1.3 Truyền nhiệt vi sóng Nhiệt tạo bề mặt băng tốc độ truyền nhiệt không bị ảnh hưởng độ dẫn nhiệt băng chất khô hay độ dày lớp khô Tuy nhiên nhiệt vi sóng khó kiểm sốt có nguy bị tình trạng q nóng cục dẫn đến tan chảy băng 3.3 Tốc độ truyền khối trình sấy thăng hoa Khi truyền nhiệt tới bề mặt thăng hoa, nhiệt độ áp suất nước băng tăng lên Hơi nước di chuyển xun qua chất khơ đến vùng có áp śt thấp buồng sấy Ở áp suất 67Pa, 1g băng hình thành 2m máy sấy thăng hoa cần phải lấy hàng trăm m3 1s qua lỗ hổng chất khô.các yếu tớ kiểm sốt chênh lệch áp śt nước là: - Áp suất buồng sấy - Nhiệt độ thiết bị ngưng tụ hơi, cần để thấp đến mức chi phí cho phép - Nhiệt độ băng bề mặt thăng hoa cần cao tốt không để tan chảy Trong thực tế để đảm bảo tính kinh tế, áp suất buồng sấy thấp nhất vào khoảng 13Pa nhiệt độ thiết bị ngưng tụ thấp nhất khoảng -35oC Về lý thuyết, nhiệt độ băng cần nâng lên mức điểm đóng băng Tuy nhiên nhiệt độ tới hạn nhất định, gọi nhiệt độ tới hạn nhất định, gọi nhiệt độ sụp đổ (collapse temperature), cấu trúc sản phẩm bị phá hủy Trong thực tế, tồn nhiệt độ băng tối đa, nhiệt độ ngưng tụ tối thiểu áp suất buồng sấy tối thiểu thông số kiểm sốt tớc độ chuyển khới Trong q trình sấy, độ ẩm hạ xuông từ mức ban đầu rất cao vùng lạnh đông đến mức thấp lớp khô, phụ thuộc vào áp suất nước buồng sấy Khi nhiệt chuyển qua lớp khô, quan hệ áp suất buồng sấy bề mặt băng là: Trong Pi (Pa) áp suất riêng phần nước bề mặt thăng hoa, P s (Pa) áp suất riêng phần nước bề mặt, k d (Wm-1K-1) độ dẫn nhiệt lớp khô, b (kg.s-1.m-1) độ thấm lớp khô Ưu và nhược điểm của phương pháp Sấy thăng hoa 4.1 So với phương pháp bảo quản khác Trong kỹ thuật sấy, nhiệt nguyên nhân gây tổn thất hương thơm chất lượng dinh dưỡng Tuy nhiên Sấy thăng hoa làm giảm hoạt độ nước mà không dùng nhiệt tác động lên thực phẩm, kết giữ hương thơm sản phẩm tớt Trong sấy thăng hoa chi phí cho hệ thống tạo áp suất chân không làm lạnh rất lớn Vấn đề với vố đầu tư ban đầu làm cho chi phí sấy thăng hoa cô đặc thực phẩm tăng cao Nên cần xem xét lại chi phí liên quan tong q trình sấy thăng hoa tỷ lệ làm khô Tuy nhiên người tiêu dùng chấp nhận sản phẩm có giá thành cao mà chất lượng tốt giữ hương vị cấu trúc sản phẩm tươi 4.2 Ưu nhược điểm của phương pháp sấy thăng hoa so với phương pháp sấy khác Ưu điểm: sấy thăng hoa sản phẩm có chất lượng cao ( giữ nguyên màu sắc, cấu trúc, hương vị tính thủy hóa), giữ gìn hoạt tính sinh học, khơng làm mất vitamin Tiêu hao lượng để bay hàm ẩm thấp Nhược điểm: giá thành thiết bị cao, vận hành cần có trình độ kỹ thuật cao, tiêu thụ điện lớn Sấy khô truyền thống Sấy thăng hoa Thực phẩm sấy khô dễ dàng (rau, ngũ Sấy hầu hết loại thực phẩm mà cốc) phương pháp khác không thực Thịt không cho hiệu Khoảng nhiệt độ tử 39 - 93°C Rất tớt cho chế biến thịt chín sớng Áp śt khí Nhiệt độ điểm đơng lạnh Bớc nước từ bề mặt thực phẩm Áp suất thấp (27 – 133Pa) Làm tổn thất chất hòa tan, có làm Thăng hoa nước từ mặt nước đá cứng sản phẩm Sự tổn thất tối thiểu Ứng suất tác động thực phẩm rắn Ít gây thay đổi cấu trúc làm co sản nguyên nhân ảnh hưởng đến cấu trúc phẩm làm co sản phẩm Khử nước rất mạnh Sự khử nước chậm khơng hòa tan Những sản phẩm sấy khơ xớp có Những sản phẩm sấy khô rắn hay lỗ mật độ thấp ngun liệu xớp thường có mật độ cao nguyên Hương vị giữ lại bình thường liệu Màu bình thường Tổn thất hương vị Giữ dinh dưỡng Sản phẩm thường sậm màu Giá ản phẩm cao gấp lần sấy khơ Giá trị dinh dưỡng giảm thông thường Giá sản phẩm thấp Ứng dụng của sấy đông khô - Nấm, cà rốt, ngô ngọt, rau chân vịt, rau cần, hạt đậu Hà lan, cải bắp, nấm hương, ớt đỏ, hành, tỏi tây, mộc nhĩ (nấm mèo), rau mùi, măng tây - Thịt bò lát, thịt lợn lát, thịt gà, thịt vịt - Tơm nõn, cá mực, cá con, cua, sò điệp - Đậu phụ, súp miso, bột xì dầu, bột dấm, bột trà, bột cà phê - Sữa ong chúa, bột hoa, cao xương cá, tinh dầu tỏi, dầu linh chi, dầu nấm hương, men, kháng sinh - Bột dâu tây, bột chuối, bột dứa, bột kiwi - Vi sinh vật (các loại vi khuẩn), men, máu huyết tương dùng y học, mẫu vật sinh học, thuốc kháng sinh - Công nghệ sinh học, công nghệ emzyne, công nghệ tế bào - Trong phòng thí nghiệm nghiên cứu Tài liệu tham khảo Hoàng Văn Chước, Kỹ Thuật Sấy, NXB Khoa học – Kỹ thuật – 1999 Nguyễn Văn May, Giáo trình Kỹ thuật Sấy nơng sản thực phẩm, NXB Khoa học – Kỹ thuật – 2007 Nhóm Sinh viên thực tập, (12/2010), “ Bài Tập nhóm Cơng nghệ chế biến Rau Trái Sấy Thăng Hoa”, Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Thực Phẩm Tp Hồ Chí Minh, Hồ Chí minh ... hoa .1 2.2 Cấu tạo hệ thống sấy thăng hoa .1 2.3 Cấu tạo hai thiết bị hệ thống sấy thăng hoa Quá trình sấy thăng hoa 3.1 Các giai đoạn trình sấy thăng hoa. .. đoạn làm lạnh Giai đoạn thăng hoa giai đoạn bớc ẩm lại Hình 2.1: Đồ thị bi u trạng thái thăng hoa điểm ba thể Quan sát bi u đồ mực nước ta hiểu rõ nguyên lý thăng hoa- Ngun lý chủ đạo q trình... thống sấy thăng hoa Trong hệ thống sấy thăng hoa tuần hồn sử dụng cơng nghiệp thực phẩm Vật liệu sấy làm lạnh với nhiệt độ thích hợp kho lạnh sâu đưa vào bình thăng hoa. Bình thăng hoa nới với