- Theo A.I Liapis [59], các TSNVL của VLA chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ,
1.5. NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ STH THỰC PHẨM
Lịch sử công nghệ STH (Sublimation Lyophilization, Freeze drying) luôn gắn liền với lịch sử phát triển của ngành Công nghệ nhiệt lạnh và ngành Vật lý chân không. Tuy đã phát hiện về hiện tượng thăng hoa nước đá thành hơi rất sớm của
người Trung Quốc (1019) nhưng trong suốt khoảng thời gian dài chưa có một cơ sở
lý thuyết thăng hoa nào ra đời. Một nghiên cứu của Black [1] về ẩn nhiệt hóa hơi (rhh, J.kg-1), ẩn nhiệt thăng hoa (rth, J.kg-1), ẩn nhiệt đóng băng (L, J.kg-1) của nước, nhiệt độ ngưng tụ, kết tinh, hóa hơi và thăng hoa, đây là cơng trình mang tính then chốt, nó làm cơ sở khi nghiên cứu lạnh đơng, sấy và STH sau này [1, 25, 29].
Một số phát hiện của Simonersi, Ecuadonol và các cộng sự [72, 73], về thăng hoa vật chất (nước, các hợp chất hữu cơ, một số chất vô cơ đặc biệt, …) từ thể rắn sang thể hơi, nhưng chỉ dừng lại ở mức độ nhận biết. Một phát minh của G.I.Lappa Starsinexki [25, 29] làm khô SP bằng cách hạ thấp nhiệt độ VLA xuống làm ẩm
đóng băng, sau đó đưa VLA vào môi trường chân không để thăng hoa từ thể rắn
trực tiếp sang thể hơi, [25, 57]. Từ đây kỹ thuật STH bắt đầu có những nghiên cứu về lý thuyết, tại hội nghị khoa học về STH ở London (1929), M. Held bằng TN đã
đưa ra MHT (1.27) mô tả động học STH, xem bảng 1.9.
Bảng 1.9. Một số MHT mơ tả động học q trình STH
Ở MHT (1.27), với W0 độ ẩm ban đầu của VLA, %; A0, A1, A2, B, n, m, r: là các hệ số xác định bằng TN; q độ chênh nhiệt độ giữa MTS với VLA; t : thời gian sấy, h. Có thể thấy (1.27) chỉ áp dụng cho trường hợp cụ thể, chưa mang tính khái quát. Hội nghị khoa học về truyền nhiệt, truyền khối trong STH toàn Liên Bang Nga mở rộng (1956) đã đề nghị các phương trình hay định luật có thể sử dụng khi
xây dựng và giải MHT trong điều kiện STH đó là định luật bảo toàn vật chất và năng lượng của M.V. Lomonosov, hệ phương trình dẫn nhiệt trong chất rắn, lỏng của J.B.J. Fourier, Newton, Rickman, dẫn khối của Fick, các phương trình truyền nhiệt bằng bức xạ của Planck. R, Stefan, Bozltmann, Enstein, Kirchhoff, … và việc nghiên cứu xây dựng MHT mô tả động học QTS sẽ cho biết cơ chế của quá trình cấp nhiệt và tách ẩm [57]. Một số nghiên cứu của Becker, Fish, Nickerson [25, 82]
đã ứng dụng định luật Fick đưa ra MHT (1.28) mô tả QTS VLA.
Chrife, Roman, et al [82], đã giải (1.28) đưa ra MHT (1.29) để sấy VLA dạng tấm phẳng, như: bột sắn dây định dạng tấm phẳng, táo xắt lát tấm phẳng.
Lawrence, Scott, et al, Andrieu [82], đã giải (1.28) đưa ra MHT (1.30) để sấy VLA dạng hình trụ, như khoai tây, patê được tạo hình trụ.
Becker, Sallans, Kitic, Alves - Filho, Rumsey et al [82] đã giải (1.28) đưa ra MHT (1.31) để sấy VLA hình cầu, như: quả óc chó, đậu nành, đậu ván,…
Có thể thấy từ (1.29), (1.30) và (1.31) muốn tính tốn động học của QTS thì
trước hết phải xác định hệ số khuếch tán D và ms, hai đại lượng này khó xác định. Chẳng hạn đối với VLA rắn cho đến nay vẫn chưa có phương pháp xác định chính xác. Vì vậy, việc áp dụng các MHT (1.29), (1.30) và (1.31) để mô tả động học cho QTS khơng thể thực hiện được.
Chính vì vậy, A.V. Luikov [57] đã nghiên cứu xây dựng MHT mô tả cho quá trình STH một cách tổng quát như sau, xem bảng 1.10.
Bảng 1.10. Một số MHT truyền nhiệt tách ẩm trong điều kiện STH
Chú thích: k là hệ số ảnh hưởng của dòng bức xạ nhiệt; R (m) nửa bề dày của tấm
phẳng hoặc bán kính của hình trụ hay hình cầu; H (m) chiều cao hình trụ; x là bề dày lớp khơ; L0 (J/kg) là ẩn nhiệt thăng hoa, t (0C) là trường nhiệt độ của vùng (1) lớp khô ẩm đã thăng hoa; vùng (2) lớp ẩm rắn chưa thăng hoa; ack là hệ số dẫn nhiệt độ của lớp khơ.
Hình 1.12. Quan hệ giữa ae - Pth, Luikov A.V.
Để giải (1.32) cần phải xác định HSTN (ae, W.m-2.K-1), HSTN môi trường STH phụ thuộc vào áp suất (Pth < 4,58 mmHg) hay nhiệt độ thăng hoa, bởi vì Tth = f(Pth), được xác định [57] theo MHT (1.33), với k là hệ số ảnh hưởng của phần diện
tích hướng dòng bức xạ nhiệt, e =qd 1/ (1 /e + e -1 1/ 2 1)= 0,867: độ đen quy dẫn; với e1= 0,96, e2 = 0,9: độ đen của vật bức xạ và VLA.
Giải (1.32) thay vào (1.34), (1.35), (1.36), (1.37) tìm được W(t), sau đó thay
vào (1.38) sẽ thiết lập đường cong STH [57] cho các trường hợp cụ thể. Bằng TN trên khoai tây và cà rốt dạng tấm phẳng, ở Tf = -80C, Pth = 0,02 mmHg, k = 0,95. Hoover, Mellor et al. [82] đã kiểm
chứng (1.34) sai số so với TN:
đối với khoai tây là 5,67%, còn đối với cà rốt 4,89%, xem hình 1.11. Có thể thấy rằng, (1.34) phù hợp khi sử dụng tính tốn xác định đường cong STH cho các loại VLA dạng tấm phẳng “vô hạn”.
Theo một số nghiên cứu của A.V. Luikov [57], Copson, Gould, Kenyon, Bellows, King [82], đã đưa ra nhiều MHT STH cho các loại VLA (thực phẩm, dược phẩm) dạng tấm phẳng “vơ hạn”, hình trụ “vơ hạn” và hình cầu, áp dụng phù hợp cho từng trường cụ thể, [25, 57, 82]. Tuy nhiên, để giải được
(1.32) A.V. Luikov thì phải xác định hệ số k, cũng như xác định HSTN của mơi
trường, đây là vấn đề khó khăn và phức tạp, theo Simatos et al [82] hệ số k trong
(1.33) cần phải xác định từ TN. Do đó để tiện cho việc áp dụng MHT này xác định
đường cong STH, tác giả đề nghị chọn k = (0,75 ¸ 1), và khi k = 1, thì quan hệ giữa
HSTN với áp suất môi trường STH xác định theo đồ thị hình 1.12, nhưng vẫn chưa
Hình 1.11. Đường cong STH của khoai tây và cà rốt.
MHT-1: (1.34) tính cho khoai tây MHT-2: (2.34) tính cho cà rốt.
thể giải thích chính xác một số vấn đề động học của quá trình, theo nghiên cứu Greenfield, Moller [46], đã dựa trên MHT A.V. Luikov [57] và định luật khuếch tán của Fick đưa ra MHT STH cho VLA dạng tấm phẳng “vô hạn” tương tự như hệ
phương trình (1.29) và (1.34), tuy nhiên khi giải hệ phương trình này gặp nhiều khó khăn vì khơng đủ điều kiện biên, đồng thời D và ms của VLA không thể xác định
được, đây là vấn đề giới hạn của MHT này.
Theo nghiên cứu của Lichtfield, Liapis [89] đã phát triển (1.34) A.V. Luikov
đưa ra MHT mô tả quá trình STH cho VLA (dược phẩm, thực phẩm và các chế phẩm sinh học) được định hình ở dạng tấm phẳng “vô hạn” [57].
( )( ) ( ) ( ) ( ) 2 w ck ck ck 2 g w 0 b 2 1 1 1 1 1 2 1 1 ck 1 1 1 ck ck w 0 w g s J t t t c c x x d J W W ; x R d t t c x t t d c t c t J L J c t x x d ì ¶ ¶ ¶ r = l - ï ¶t ¶ ï ¶ ï x ï = - - x £ £ ï t í ï r ¶ = l ¶ ï ¶t ¶ ï ï ¶l - l ¶ + r - r x= - + ï ¶ ¶ t ỵ (1.39)
Với x - bề dày lớp khô (m); R - nửa bề dày tấm phẳng (m); L0 - ký hiệu chung cho ẩn nhiệt thăng hoa và ẩn nhiệt hóa hơi (J.kg-1); t(x, t) = t: trường nhiệt độ vùng khô (0C); t1(x, t) = tth = const: trường nhiệt độ vùng đóng băng (0
C); cg - nhiệt dung riêng của hơi bốc ra (J.kg-1K-1); Jw - lượng hơi ẩm bốc ra trong 1 đơn vị thời gian (kg.s-1.m-2); W0 - khối lượng ẩm ban đầu có trong VLA (kg); Wb - khối lượng
ẩm cịn lại có trong VLA (kg). Có thể thấy rằng, khơng thể xác định chính xác được
x, và khi áp dụng tính tốn, tác giả đã lấy giá trị Jw trung bình. Cho nên sai số của (1.39) so với TN trên bí đỏ là 21,15% tương đối lớn. Theo Skhalloufi, J.L. Robert, C. Ratti [80] cho rằng (1.39) chưa thể sử dụng tính tốn động học cho quá trình STH, bởi vì Jw hiện nay vẫn chưa có phương pháp xác định.
Một số kết quả nghiên cứu khác của Liapis, Bruttini et al, Sadikoglu, Liapis [59] và Felix Franks [63] bằng TN STH trên các chế phẩm sinh học (enzyme, vắcxin, ... và các hoạt chất sinh học) đã cho thấy khi nhiệt độ SP trong quá trình
STH khơng thay đổi, nếu áp suất buồng STH giảm thì khả năng thăng hoa của ẩm tăng, khi áp suất buồng STH không thay đổi, nếu nhiệt độ tấm bức xạ tăng thì khả
năng tách ẩm tăng, Millman M. J, George, Datta và cộng sự [79, 86] cho rằng, kết
Theo A.V. Luikov [57], Rasmuson, Lewis M.J, Pikal. M.J, Shah.S, S. Cardon et al, [65, 66] đã sử dụng MHT (1.34) tính tốn STH các SP dược phẩm, kiểm chứng bằng TN cho thấy, sai số của (1.34) đối với VLA dạng tấm phẳng “vô hạn” nhỏ hơn 6,02%, cịn dạng tấm phẳng hữu hạn, hình trụ và hình cầu khơng phù hợp vì sai số quá lớn, trên 24,36%. Theo Chandan Bhugra, F. Jameel, Rambhatla et al [66] đưa ra MHT (1.40) mô tả động học STH với VLA dạng tấm phẳng hữu hạn.
( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 w w ck ck ck 2 2 g w 0 b 2 2 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 ck 1 1 1 ck ck w 0 w g s J t J t t t t c c x y x y d J W W ; x R d t t t c x y t t t t d c t c t J L J c t x y x y d ì ¶ ỉ¶ ¶ ư ỉ¶ ¶ ư ï r =l ỗỗ + ữữ- ỗỗ + ữữ ảt ¶ ¶ ï è¶ ¶ ø è ø ï x ï =- - x£ £ ï t ï í ỉ ư ¶ ¶ ¶ ï r =lỗ + ữ ï ¶t ỗ¶ ¶ ữ è ø ï ï ỉ¶ ¶ ư ỉ¶ ¶ ư x ïlỗ + ữ-l ỗ + ữ+ r - r =- + ï è¶ ¶ ø è¶ ¶ ø t ỵ (1.40)
Bằng TN trên các chế phẩm sinh học: protease, trypsinase được định dạng tấm phẳng hữu hạn, nhiệt độ môi trường STH Tf = -50C, Pth = 0,01 mmHg thì sai số của (1.40) đối với protease là 5,87%, còn trysinase là 6,03%. Với kết quả này Marchello J.M [47] cho rằng (1.40) áp dụng thích hợp cho VLA dạng phẳng hữu hạn. Liapis I. A [59] đã kiểm chứng (1.40) bằng TN trên chuối, kết quả cho thấy sai số lớn hơn 31,51%. Như vậy (1.40) không thể áp dụng cho VLA dạng hình trụ.
Theo nghiên cứu của Millman M. J., et al [47], đã sử dụng (1.35) của A.V. Luikov, tính tốn STH cho VLA (thực phẩm) dạng hình trụ “vô hạn” [56, 57], với (1.35) Liapis A.I. và cộng sự, [59, 81], đã kiểm chứng bằng TN trên xúc xích bị và tổ yến (dạng sợi), với Tf = -100C, Pth = 0,004 mmHg thì kết quả cho thấy sai số giữa MHT với TN là 7,21% (xúc xích bị); 6,73% (tổ yến). Các tác giả cho rằng (1.35) có thể sử dụng tính tốn STH cho các loại VLA dạng trụ “vơ hạn”, cũng bằng TN trên
các SP vitamine như: M1 chứa 63% thiamine (B1), M2 chứa 68% Riboflavin (B2)
được định hình ở dạng trụ “vơ hạn”. Hammami, et al đã kiểm chứng (1.35), xem hình 1.13 và bảng 1.11, [76, 78]. Với W0 độ ẩm ban đầu, W độ ẩm của VLA biến
thiên trong QTS, MHT-1, TN-1 mô tả STH của M1 chứa 63% thiamine (B1), cịn MHT-2, TN-2 mơ tả STH của M2 chứa 68% Riboflavin (B2). Kết quả cho thấy, sai số của (1.35) với TN, đối với B1 là 6,57%, còn B2 là 6,84%. Kết quả cho thấy, (1.35) có thể sử dụng tính tốn STH đối với VLA dạng trụ “vơ hạn”. Tuy nhiên với TN trên cá viên của Ronmold Zylla và cộng sự [76], kết quả đã nhận được (1.35) sai số trên 27,93%. Vì vậy, (1.35) khơng thể sử dụng cho VLA dạng hình cầu.
Một nghiên cứu khác của J.L. Robert, C. Ratti, J.P. George [79], A.K. Datte, J. Stawczyk [76], đã sử dụng MHT (1.37) A.V. Luikov [57], tính tốn STH cho VLA (dược phẩm, chế phẩm sinh học, thực
phẩm) dạng hình cầu, kiểm chứng bằng TN trên VLA nho và táo, với Tf = 100C; Pth = 0,05 mmHg; k = 0,86. Kết quả cho thấy, sai số (1.37) so với TN là 7,31% (nho); 6,92% (táo). Theo S.C.Tsinontides, P.Rajniak và cộng sự [54, 82], cũng đã kiểm chứng (1.37) trên VLA: bột cá và bột axit amine dạng viên, kết quả nhận được là sai số của MHT
so với TN là 6,57% (bột cá); 5,98% (bột axit amine). Vì vậy, Rubens M.F, Eduardo cho rằng (1.37) có thể sử dụng tính tốn động học STH cho VLA dạng hình cầu.
Theo Millman M. J., Liapis I. A [47] cho rằng lượng ẩm bề mặt của VLA ms khơng thể xác định chính xác được, vì bề dày lớp ẩm bề mặt ds là bao nhiêu cũng khơng biết được và khi ds thay đổi thì ms sẽ thay đổi, do đó MHT (1.30) khó có thể mơ tả động học STH một cách chính xác.
Theo Kyuya Nakagawa [72, 81], Mike Pikal, Mark Manning, Marchello J.M et al [83], đã sử dụng (1.36) A.V. Luikov [57], tính tốn STH cho VLA dạng hình trụ hữu hạn, John Carpenter et al [83] kiểm chứng bằng TN trên xúc xích bị, kết
Bảng 1.11. Số liệu tính tốn MHT (1.35) và TN xác định TLBHA
Hình 1.13. Biểu diễn quan hệ TLBHA X = W/W0 với t bằng TN và MHT (1.35)
MHT-1, TN-1: sử dụng (1.35) tính STH và TN cho M1. MHT-2, TN-2: sử dụng (1.35) tính STH và TN cho M2.
Hình 1.14. Mơ hình VLA dạng cầu
quả cho thấy sai số MHT (1.36) so với TN là 4,81%. Vì vậy, John Carpenter đề nghị (1.36) sử dụng tính tốn STH cho VLA dạng hình trụ hữu hạn.
Nếu sử dụng MHT dạng tấm phẳng (1.34) để tính tốn STH cho VLA thủy sản (tơm sú, tơm bạc và tơm thẻ) thì sai số của MHT so với TN lớn hơn 36,21%. Kết quả tính tốn MHT và TN xem ở đồ thị ở hình 1.15
Có thể thấy, MHT dạng tấm phẳng chưa phù hợp, không thể sử dụng tính
tốn động học STH cho thủy sản (tơm sú, tôm bạc và tôm thẻ). Cịn nếu sử dụng MHT dạng hình trụ (1.36) thì sai số của MHT so với TN lớn hơn 26,79%. Kết quả tính tốn MHT và TN xem ở hình 1.16. Như vậy, cũng khơng thể sử dụng tính tốn
động học STH cho thủy sản (tơm sú, tôm bạc và tôm thẻ).
Nhận xét: từ kết quả nghiên cứu của các tác giả trên đã cho thấy:
- Cho đến nay, việc xây dựng MHT TNTA đồng thời để tính tốn cho QTS
nói chung và STH nói riêng vẫn chưa có phương pháp nào đáng tin cậy, bởi vì trong MHT (1.28), (1.32) có các đại lượng như: hệ số khuếch tán (D, m2.s-1), lượng ẩm bề
Hình 1.15. Mơ phỏng đường cong STH ở Pth = 0,1 mmHg, T¥ = 350C của MHT (1.34) dạng tấm phẳng áp dụng cho tơm sú
Hình 1.16. Mơ phỏng đường cong STH ở Pth = 0,1 mmHg, T¥ = 350C của MHT (1.36) dạng trụ hữu hạn áp dụng cho tôm sú
mặt của VLA (ms, kg), bề dày của lớp ẩm bề mặt VLA (ds, m) khơng thể xác định.
Do đó, A.V. Luikov đã xây dựng MHT TNTA từ cân bằng nhiệt và vật chất để mơ
tả động học cho QTS, từ đó triển khai áp dụng cho những trường hợp cụ thể.
- Việc xây dựng và giải MHT để xác định động học cho quá trình STH khá phức tạp, bởi vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: hình dạng kích thước hình học,
các đặc tính hóa, lý của VLA, các tính chất nhiệt vật lý của VLA, nhiệt độ, áp suất
của MTS, nhiệt độ thăng hoa ẩm và nhiệt độ của VLA cuối giai đoạn lạnh đông,
phương thức cấp nhiệt, …v.v. Nhưng kết quả nhận được dùng để tính tốn và vận hành hệ thống STH, đồng thời làm cơ sở cho việc xác lập CĐCN.
- Tuy đã có nhiều MHT được xây dựng để tính tốn cho q trình STH ở
giai đoạn 2, 3 và chủ yếu áp dụng cho các mơ hình vật thể dạng phẳng, dạng cầu, dạng trụ. Nhưng không thể áp dụng cho các loại thủy sản (tôm sú, tơm bạc và tơm thẻ), bởi vì sai số của các MHT này so với TN khá lớn, xem hình 1.15 và 1.16.
- Hiện nay, ứng dụng STH trong chế biến bảo quản thực phẩm được phổ biến hơn, đặc biệt là các loại thực phẩm có giá trị kinh tế. Tuy nhiên, đối với loại thủy sản nhóm giáp xác (tơm sú, tơm bạc và tôm thẻ) nuôi thương phẩm ở các tỉnh
ĐBSCL từ trước đến này vẫn chưa có cơng trình nào cơng bố số liệu TN hay MHT
phù hợp với mơ hình vật thể thực, mơ tả q trình TNTA trong điều kiện STH.