2.3.1 Sấy đối lƣu
Sấy đối lƣu là phƣơng pháp sấy dùng dòng khí nóng (thƣờng là không khí) tiếp xúc trực tiếp và truyền nhiệt cho các VLA. Ẩm từ vật liệu sẽ bay hơi vào không khí nóng và khô, sau đó không khí này sẽ thoát hơi nƣớc đi ra ngoài hệ thống sấy (Nguyễn Minh Thủy và ctv., 2013).
Không khí đƣợc đốt nóng bởi lò đốt, sau khi đƣợc đốt nóng, nhiệt độ không khí này thƣờng rất cao, có khi lên tới 1000 oC, độ ẩm tuơng đối giảm, sau đó khí nóng ra khỏi lò đốt đƣợc trộn với khí trời để hạ nhiệt độ xuống đúng với nhiệt độ sấy theo yêu cầu.
Quá trình đốt nóng khí sấy có thể thực hiện bằng hai cách:
- Đốt trực tiếp: khí sấy từ lò đốt đƣợc trộn với khí trời thành khí sấy rồi thổi trực tiếp vào khối vật liệu.
- Đốt gián tiếp: trong đó sản phẩm cháy từ lò đốt không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy mà thuờng phải qua bộ phận trao đổi nhiệt để có đƣợc khí sạch.
Khí sấy đuợc chuyển vào buồng sấy, nơi có chứa VLS. Sấy đối lƣu đƣợc sử dụng phổ biến hơn các phƣơng pháp sấy khác, nó thƣờng để sấy các loại nông sản, thƣờng với số lƣợng lớn.
Tùy theo trạng thái của vật liệu trong buồng sấy mà có thể sấy tĩnh và sấy động:
- Sấy tĩnh là quá trình sấy với lớp vật liệu đứng yên, chỉ có khí sấy di chuyển qua VLS.
- Sấy động là quá trình mà vật liệu luôn chuyển động thành dòng trong khi đó khí sấy cũng đuợc thổi vào dòng vật liệu.
Sấy đối lƣu hay sấy kiểu dùng không khí đốt nóng có thể sấy theo các hình thức: sấy theo mẽ, sấy vĩ ngang, sấy tĩnh dạng tháp, sấy tuần hoàn, sấy liên tục, sấy đồng dòng, sấy ngƣợc dòng, sấy đảo trộn và sấy không đảo trộn.
2.3.2 Sấy chân không
Trong máy sấy chân không vật liệu cần sấy khô đƣợc đặt trong buồng kín, không khí và ẩm đƣợc rút ra ngoài nhờ bơm chân không và trở thành buồng chân không. Trong buồng chân không có gia nhiệt để kích thích ẩm bốc ra khỏi vật liệu và trong môi trƣờng khô ráo bốc ra với áp suất thấp nên ẩm bốc ra rất nhanh ngay cả khi không cần nhiệt độ cao; do đó tốc độ sấy đƣợc nâng lên đáng kể, đồng thời còn tiết kiệm năng lƣợng.
(http://www.buschvacuum.com)
Thiết bị sấy chân không đƣợc chia thành 2 loại: sấy vật liệu ở trạng thái tĩnh và sấy vật liệu ở trạng thái động. Máy sấy chân không khi vật liệu trong buồng ở trạng thái tĩnh nên hình dáng vật liệu không bị phá hỏng, truớc khi sấy khô có thể tiến hành xử lí thanh trùng, còn trong buồng sấy vậy liệu ở trạng thái động vật liệu sấy luôn luôn đƣợc đảo trộn nên sấy khô đồng đều hơn. Ƣu điểm của máy sấy chân không là: sấy nhanh, nâng suất cao, không cần thời gian làm nóng sản phẩm và sản phẩm giữ đƣợc chất lƣợng cảm quan và dinh dƣỡng cao.
2.4 Năng lƣợng vi sóng và môi trƣờng chân không 2.4.1 Năng lƣợng vi sóng 2.4.1 Năng lƣợng vi sóng
Vi sóng là sóng điện từ (Hình 2.13) có bƣớc sóng nằm từ 0,3 GHz đến 300 GHz. Sóng điện từ là sóng ngang có thành phần điện tích dao động theo phƣơng thẳng đứng và thành phần điện tử dao động theo phƣơng nằm ngang. Tần số sóng điện từ bằng tần số của điện tích dao động và vận tốc của nó trong chân không bằng vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3x108
m/s. (http://vi.wikipedia.org/wiki/Bức_xạ_điện_từ)
Trong lĩnh vực ISM (Industry, Science, Medicine) trên thế giới ngƣời ta qui ƣớc sử dụng các loại vi sóng có tần số (915, 2450, 5800, 24125) MHz. Trong các tần số trên, chỉ có tần số 2450 MHz là đƣợc sử dụng rộng rãi.
Hầu hết các lò vi sóng gia dụng đều sử dụng tần số 2450 MHz, tần số này còn đƣợc dùng trong công nghệ chế biến nông sản và thực phẩm. Sự giới hạn tần số nhằm ngăn ngừa sự gây trở ngại những tần số dành cho truyền thông.
Hình 2.13 Sóng điện từ
(Nguồn: http://www.moatel.com/board/faq.html)
2.4.1.1 Tính chất của sóng điện từ
Sóng điện từ phản xạ trên các mặt kim loại và giao thoa đƣợc với nhau đều tuân theo các quy luật truyền thẳng, phản xạ, nhiễu xạ và khúc xạ. Sóng cơ học truyền đƣợc trong những môi trƣờng đàn hồi, còn sóng điện từ thì nó tự truyền đi mà không cần đến sự biến dạng của môi trƣờng truyền đi cũng nhƣ sự biến dạng của môi trƣờng đàn hồi. Năng lƣợng của vi sóng là năng lƣợng điện từ.
Khi vi sóng chạm đến vật liệu, một phần năng lƣợng của nó bị phản xạ trở lại, một phần đáng kể hơn sẽ bị vật liệu hấp thu. Năng lƣợng này chuyển hóa thành nhiệt lƣợng và giảm dần khi nó truyền đi trong vật liệu.
2.4.1.2 Sự tác động của vi sóng lên vật liệu
Năng lƣợng vi sóng là một hình thức của nhiệt điện môi, các tính chất điện môi là một trong những yếu tố quan trọng nhất của vi sóng. Đối với một chất đƣợc xử lý bằng lò vi sóng, cần phải có một cấu trúc phân tử phân cực điện, nhƣ trong trƣờng hợp của một phân tử nƣớc.
Phân tử nƣớc (Hình 2.14) đƣợc cấu tạo bởi một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro. Những điện tử có huynh hƣớng kéo về nguyên tử oxy, kết quả là nguyên tử hydro bị mất bớt tính điện âm và có khuynh hƣớng dƣơng. Nghĩa là trong phân tử nƣớc có hai đầu dƣơng của hydro và một đầu âm của oxy. Sự phân cực này tạo ra một điện trƣờng nhỏ trong mỗi phân tử nƣớc. Điều này gây cho mỗi phân tử nƣớc trở nên rất nhạy cảm với tia sóng cực ngắn (vi sóng).
Trong quá trình truyền dẫn nếu vi sóng gặp các kim loại sẽ phản xạ ra hƣớng khác giống nhƣ ánh sáng chiếu vào gƣơng; nếu gặp chất cách điện nhƣ thủy tinh, sứ thì sẽ xuyên qua; nếu gặp thực phẩm thì vi sóng sẽ bị thực phẩm hút.
Hình 2.14 Phân tử nƣớc
2.4.2 Môi trƣờng chân không
Quá trình sấy là một quá trình tổng hợp của 3 quá trình vật lý cơ bản: quá trình mao dẫn, quá trình bay hơi nƣớc và quá trình khuếch tán ẩm. Khi độ ẩm của vật liệu lớn hơn điểm bảo hòa thì quá trình mao dẫn đóng vai trò di chuyển ẩm của vật liệu. Khi vật liệu khô dần và độ ẩm giảm xuống dƣới điểm bảo hòa thì quá trình di chuyển ẩm trong vật liệu là quá trình khuếch tán đơn thuần.
Quá trình bay hơi nƣớc trên bề mặt vật liệu phụ thuộc vào các điều kiện vật lý giữa không khí và nƣớc. Tốc độ bay hơi của nƣớc vào không khí phụ thuộc vào sự chênh lệch áp suất của hơi nƣớc trên bề mặt vật liệu (ph) và áp suất hơi nƣớc của môi trƣờng đặt vật (po).
Trong quá trình sấy chân không, nhiệt độ của VLS thấp, đôi khi thấp hơn nhiệt độ của môi trƣờng xung quanh. Do đó, xảy ra sự trao đổi nhiệt giữa môi trƣờng xung quanh trong buồng sấy và vật liệu trong giai đoạn hút chân không. Nếu nhiệt độ của môi trƣờng cao, sẽ có một khả năng truyền nhiệt đáng kể làm ảnh hƣởng đến quá trình sấy, đặt biệt là tốc độ sấy và chất lƣợng VLS. Chênh lệch áp suất hơi nƣớc trong VLS và môi trƣờng sấy đƣợc coi là động lực thúc đẩy tốc độ dịch chuyển của ẩm của vật liệu trong quá trình sấy.
Trong sấy chân không, sự chênh lệch áp suất này là động lực chính thúc đẩy quá trình sấy. Bởi nguyên lý cơ bản của sấy chân không đó là sự phụ thuộc vào áp suất điểm sôi của nƣớc. Nếu hạ thấp áp suất trong một thiết bị chân không xuống đến áp suất mà ở đó nƣớc trong vật liệu bắt đầu sôi và bốc hơi sẽ tạo nên một dòng ẩm chuyển động trong vật liệu theo hƣớng từ trong ra
bề mặt ngoài. Điều này có nghĩa là ở một áp suất nhất định nƣớc sẽ có một điểm sôi nhất định, do vậy khi hút chân không sẽ làm cho áp suất trong vật liệu giảm đi và đến mức nhiệt độ bên trong vật liệu đạt đến nhiệt độ sôi của nƣớc ở áp suất đó, nƣớc trong vật liệu sẽ hóa hơi và làm tăng áp suất tạo nên sự chênh lệch áp suất hơi Δp = (pbh – ph) giữa áp suất bảo hòa hơi nƣớc trên bề mặt vật liệu và áp suất hơi nƣớc trong môi trƣờng đặt vật sấy, đây chính là điều kiện thúc đẩy quá trình di chuyển ẩm từ bên trong VLS ra bề ngoài mặt bay hơi, giúp quá trình bay hơi diễn ra nhanh chóng VLS khô nhanh hơn rút ngắn đƣợc thời gian sấy (Nguyễn Văn Lụa, 2014).
2.4.3 Sấy chân không kết hợp với vi sóng
Sấy bằng lò vi sóng trên rau quả thực phẩm cho thời gian sấy ngắn hơn và chi phí năng lƣợng thấp hơn so với sấy bằng không khí nóng thông thƣờng (Yongsawatdigul and Gunasekaran, 1996). Không giống nhƣ các phƣơng pháp sấy khác, sự tác động của vi sóng lên thực phẩm qua sự lan truyền nhiệt lên toàn bộ thực phẩm, nhiệt đƣợc tạo ra bên trong các lớp vật liệu và truyền năng lƣợng bên trong thực phẩm trong suốt quá trình sấy nên không bị ảnh hƣởng bởi những hạn chế truyền tải nhiệt đặc biệt đối với những nguyên liệu có độ nhớt cao (Krulis et al., 2005). Chính vì thế phƣơng pháp sấy bằng vi sóng nhanh hơn các phƣơng pháp sấy khác. Tuy nhiên khi áp dụng sấy vi sóng thì nhiệt truyền không đều do vậy ảnh hƣởng đến các mô bên trong thực phẩm. Để khắc phục đƣợc vấn đề này thì việc kết hợp giữa vi sóng với một phƣơng pháp sấy khác là một ý tƣởng sáng tạo.
Trong phƣơng pháp sấy chân không, do trong môi trƣờng chân không thiếu oxy nên làm giảm các phản ứng xảy ra không mong muốn của thực phẩm vì thế sản phẩm sấy khô có chất lƣợng cao hơn các phƣơng pháp sấy khác (Motevali et al., 2011b). Tuy nhiên phƣơng pháp sấy chân không do tiêu tốn nhiều năng lƣợng nên chỉ áp dụng cho các sản phẩm có giá trị cao và các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt (Motevali et al., 2011a; 2011b).
Theo Kim and Bhowmik (1995) và Abbasi and Azari (2009), phƣơng pháp chân không kết hợp với vi sóng khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của hai phƣơng pháp này là cải thiện hiệu quả năng lƣợng tiêu thụ và tăng chất lƣợng sản phẩm sau khi sấy. Với việc kết hợp hai phƣơng pháp này đƣợc các nhà khoa học ứng dụng trên một số rau quả thực phẩm và cho kết quả khả quan nhƣ cà tím (Wu et al., 2007), đào (Wang và Sheng, 2006), nấm (Lombraña et al., 2010, Motevali et al., 2011b), tỏi (Figiel, 2009) và nho (Caglar, 2009; Ruiz Celma et al., 2009).
CHƢƠNG III
PHƢƠNG TIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Phƣơng tiện nghiên cứu 3.1.1 Thời gian và địa điểm 3.1.1 Thời gian và địa điểm
Quá trình sấy chân không vi sóng, sấy chân không, sấy đối lƣu đƣợc thực hiện tại PTN Máy và Thiết bị chế biến LT – TP, Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Công nghệ, Trƣờng Đại học Cần Thơ và các quá trình đánh giá cảm quan, phân tích giá trị dinh dƣỡng (vitamin C) của các sản phẩm sau khi sấy đƣợc tiến hành ở PTN Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Nông nghiệp và Sinh học Ứng dụng, Trƣờng Đại học Cần Thơ vào thời gian từ tháng 6/2014 đến tháng 10/2014.
3.1.2 Nguyên liệu
Các nguyên liệu đƣợc chọn làm thí nghiệm trong quá trình sấy chân không vi sóng gồm có:
- Xoài cát Chu ở Cao Lãnh - Khóm Cầu Đúc ở Vị Thanh - Cà rốt
- Tôm sú
3.1.3 Hóa chất sử dụng
Các hóa chất đƣợc dùng trong quá trình phân tích giá trị dinh dƣỡng (vitamin C) của các sản phẩm sau khi sấy bao gồm:
- Dung dịch HCl 5% - Dung dịch iot 0,01 N - Dung dịch tinh bột 1%
3.1.4 Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm 3.1.4.1 Dụng cụ thí nghiệm 3.1.4.1 Dụng cụ thí nghiệm
Những dụng cụ đƣợc dùng trong quá trình thí nghiệm và phân tích các chỉ tiêu của các sản phẩm sau khi sấy gồm có:
- Pipet - Cối sứ - Burette - Bình định mức 100 ml - Bình tam giác 100 ml - Cốc thủy tinh 250 ml, 500 ml - Giấy lọc
- Dao, thớt - Thƣớc kẹp
- Đồng hồ bấm giờ và một số dụng cụ cần thiết khác có trong phòng thí nghiệm.
3.1.4.2 Thiết bị thí nghiệm
a. Thiết bị sấy chân không vi sóng
Thiết bị đƣợc sử dụng trong nghiên cứu là thiết bị sấy chân không vi sóng WaveVac0150-lc (Hình 3.1), đƣợc sản xuất và thƣơng mại bởi công ty Püschner – Đức. Việc nghiên cứu động học quá trình sấy đƣợc thực hiện tại Phòng thí nghiệm máy và thiết bị chế biến lƣơng thực – thực phẩm, khoa Công Nghệ, Trƣờng Đại học Cần Thơ.
Hình 3.1 Thiết bị sấy chân không vi sóng
Nguyên lý sấy chân không vi sóng
Sấy chân không vi sóng đã đƣợc nghiên cứu hơn 20 năm qua. Với tần số phát vi sóng 2450 MHz, điện trƣờng do sóng điện từ này sinh ra có chiều thay đổi 2450 triệu lần/giây, làm cho phân tử nƣớc bên trong sản phẩm sẽ liên tục đão chiều dao động 2450 triệu lần/giây. Sự dao động của phân tử nƣớc sẽ tạo ra va chạm và gây ra ma sát giữa các phân tử nƣớc với nhau, từ đó tạo ra nhiệt lƣợng lớn làm nóng vật sấy. Nƣớc trong vật sấy sẽ đƣợc bốc hơi ra ngoài và đƣợc hút về bơm chân không.
Cấu tạo thiết bị sấy chân không vi sóng WaveVac0150-lc
Thiết bị sấy vi sóng WaveVac0150-lc đƣợc thể hiện trong Hình 3.2, bao gồm một số bộ phận chính sau:
Buồng sấy chân không: nguyên liệu sấy đƣợc đặt trong bình chân không, chịu tác động của công suất phát vi sóng. Trên lớp vỏ buồng sấy có hệ
thống gia nhiệt nhằm để tránh hiện tƣợng đọng sƣơng của hơi nƣớc. Trong buồng có một bàn quay có gắn loadcell dùng để chứa vật sấy.
Bàn quay có loadcell: bàn quay đƣợc dùng để chứa vật liệu sấy, loadcell đƣợc gắn phía dƣới để có thể xác định đƣợc khối lƣợng mẫu sấy, khối lƣợng hơi nƣớc mất đi trong quá trình sấy.
Hệ thống phát vi sóng: là hệ thống đèn magnetron dùng để phát vi sóng, tạo ra nguồn năng lƣợng điện từ để nung nóng vật sấy trong quá trình sấy. Vi sóng đƣợc phát từ nguồn phát, sau đó đƣợc hệ thống ống dẫn sóng dẫn vào buồng sấy chân không; công suất vi sóng có thể đạt đến 2000 W.
Bơm chân không: dùng để tạo độ chân không trong buồng sấy, độ chân không có thể đạt đƣợc là 20 mbar.
IR camera: dùng để xác định nhiệt độ trên bề mặt của vật liệu sấy.
Màn hình hiển thị và điều khiền PLC: tất cả các thông số cài đặt của máy có thể đƣợc thiết lập nhờ vào màn hình điều khiển PLC. Ngoài ra, sự thay đổi của các thông số nhiệt độ, áp suất chân không, khối lƣợng ẩm mất đi đều đƣợc hiển thị trên màn hình này. Bên cạnh đó, máy có thể đƣợc kết nối với máy tính và quá trình sấy đƣợc thực hiện nhờ vào các chƣơng trình đƣợc xây dựng với phần mềm WaveCAT.
Cửa buồng sấy và ống quan sát: vật liệu sấy đƣợc quan sát nhờ vào ống kính quan sát đặt trên cửa buồng sấy. Trong quá trình sấy, cửa phải đảm bảo đƣợc đóng kín để đảm bảo độ chân không và tránh rò vi sóng ra ngoài.
Hình 3.2 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống thiết bị sấy chân không vi sóng
WaveVac0150-lc
Nguyên lý làm việc
Vật liệu sấy đƣợc xác định khối lƣợng và ẩm độ ban đầu, đƣợc đặt trên bàn quay trong buồng sấy chân không. Các thông số về công suất phát vi sóng
và độ chân không đƣợc thiết lập trên màn hình điều khiển PLC (hoặc bằng chƣơng trình trên máy tính). Khi điều kiện chân không đƣợc thiết lập, bộ phát vi sóng hoạt động và vi sóng đƣợc dẫn vào trong buồng sấy để làm nóng nguyên liệu sấy. Trong quá trình sấy, vật liệu đƣợc quay tròn nhờ bàn xoay, khối lƣợng vật liệu còn lại cũng nhƣ khối lƣợng nƣớc bay hơi sẽ đƣợc ghi nhận và hiển thị trên màn hình điều khiển nhờ loadcell và bộ điều khiển. Hơi nƣớc đƣợc bốc hơi một cách nhanh chóng nhờ vào năng lƣợng vi sóng ở điều