4. Các quá trình sấy sử dụng trong sản xuất sữa
4.1.1. Các giai đoạn xảy ra trong quá trình sấy thăng hoa:
Phương pháp sấy thăng hoa bao gồm 3 giai đoạn:giai đoạn 1 là làm lạnh đông vật liệu ẩm, chuyển hoàn toàn ẩm tự do từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, tiếp theo ở giai đoạn 2 là sấy thăng hoa, tạo môi trường sấy có nhiệt độ và áp suất thấp để ẩm trong vật liệu từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi, kết thúc giai đoạn này ẩm tự do trong vật liệu đã bị sấy thăng hoa bốc hơi đi hoàn toàn, kế tiếp là giai đoạn 3 với việc sấy chân không làm bay hơi ẩm liên kết trong vật liệu sấy, kết thúc giai đoạn này khi có sự cân bằng nhiệt xảy ra.
Giai đoạn1: làm lạnh (giai đoạn lạnh đông)
Trong giai đoạn này vật liệu sấy được làm lạnh từ nhiệt độ môi trường khoảng 200C xuống nhiệt độ (-10 ; -15oC). Ở giai đoạn này không gian của bình thăng hoa được hút chân không và áp xuất trong bình giảm. Do áp suất giảm nên phân áp suất hơi nước trong không gian bình thăng hoa cũng giảm so với phân áp suất trong lòng vật liệu sấy điều này dẫn tới hiện tượng thoát ẩm từ vật liệu.
Có 2 cách làm lạnh đông vật liệu sấy: cách thứ nhất sử dụng 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.Trong giai đoạn này có khoảng 10 - 15% trên toàn bộ ẩm thoát ra khỏi vật liệu sấy.Trong giai đoạn này 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 như sữa, phương pháp 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 2: sấy thăng hoa
Giai đoạn này là giai đoạn tách ẩm chính của phương pháp sấy thăng hoa. Ở đây ápsuất 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. Hơi nước tiếp tục được tách ra khỏi sản phẩm bằng cách giữ cho áp suất trong buồng sấy thăng hoa thấp hơn áp suất hơi nước trên bề mặt của băng, đồng thời tách hơi nước bằng máy bơmchân không và ngưng tụ nó bằng các ống xoắn ruột gà lạnh, các bản dẹt lạnh hoặc bằng hoáchất.
Khi quá trình sấy tiếp diễn, bề mặt thăng hoa di chuyển vào bên trong sản phẩm đông lạnh, làm 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 và đến bình ngưng, sau đó thành băng bámtrên bề mặt ống. Trong giai đoạn này nhiệt độ vật sấy ẩm không đổi. Như vậy, nếu không tính quá trình mất ẩm trong phương pháp để vật ẩm tự lạnh đôngtrong 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 đạt được bằng cách nâng nhiệt độ máy sấy lên gần nhiệt độ môitrường xung quanh trong khi vẫn giữ áp suất thấp giống như quá trình sấy ở các thiết bị sấychân không thông thường.
Giai đoạn 3: bốc hơi ẩm còn lại
Là giai đoạn làm bay hơi ẩm liên kết, nhiệt độ của vật liệu sấy tăng nhanh
Tốc độ sấy phụ thuộc phần lớn vào tính cản trở nhiệtcủa sản phẩm và ở mức độ thấp hơn vào độ cản trở dòng hơi (dịch chuyển khối) ra khỏi bề mặt thăng hoa. Sau giai
đoạn thăng hoa do trạng thái của nước trong vật liệu nằm trên điểm 3 thể nên ẩm trên vật liệu trở về dạng lỏng. Vì khi đó áp suất trong bình thăng hoa vẫn được duy trì bé hơn áp suất khí trời nhờ bơm chân không và vật liệu sấy vẫn tiếp tục được gia nhiệt nên ẩmvẫn không ngừng biến từ dạng lỏng sang dạng hơi và đi vào không gian bình thăng hoa.
Nhưvậy giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại chính là quá trình sấy chân không bình thường. Quá trình dịch chuyển ẩm trong sấy thăng hoa khác với quá trình dịch chuyển ẩmtrong hệ thống sấy khác làm việc ở áp suất khí quyển. Khi thăng hoa các phân tử nước không va chạm nhau nhờ đó mà sấy thăng hoa có một ưu điểm lớn là bảo toàn được chất lượng sinhhọc của sản phẩm sấy.
4.1.2. Thiết bị sấy thăng hoa
Thiết bị sây thăng hoa gồm có hai bộ phận chính như sau:
-Hệ thống lạnh đông để chuyển phần ẩm có trong nguyên liệu cần sấy sang trang thái rắn.
-Buồng sấy thăng hoa: để tách ẩm và chuyển ẩm từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi.
Buồng sấy thăng hoa có dạng hình trụ kín, nằm ngang hoặc thẳng đứng. Nguyên liệu sau giai đọan lạnh đông sẽ được đưa trong buồng sấy thăng hoa. Để gia nhiệt cho nguyên liệu, người ta có thể sử dụng phương pháp dẫn nhiệt, bức xạ sử dụng vi sóng hoặc dòng điện cao tầng.
1-bề mặt kim loại có nhiệt độ cao; 2-lưới kim loại
b) Gia nhiệt bằng phương pháp dẫn nhiệt từ hai phía bề mặt của nguyên liệu c) Gia nhiệt bằng phương pháp bức xạ
Hình: Phương pháp dẫn nhiệt trong buồng sấy thăng hoa.
Ngoài bộ phận gia nhiệt, buồng sấy thăng hoa, sẽ được kết nối với hệ thống tạo chân không. Hệ thống này gồm một bộ phân ngưng tụ hơi nước (hơi thoát ra từ nguyên liệu cần sấy) và bơm chân không để tách các cấu tử dễ bay hơi và những khí không ngưng khác.
Áp suất thường sử dụng trong sấy thăng hoa thường trong khoảng 27-133Pa, nhiệt độ không vượt quá 40-50o.
1-buồng chân không; 2-bộ phận gia nhiệt bằng bức xạ; 3-bộ phận gia nhiệt bằng phương pháp dẫn nhiệt; 4-nguyên liệu cần sấy; 5-bộ phận ngưng tụ; 6- cửa kết nối với hệ thống tạo chân không.
Hình: Các bộ phận cơ bản cảu hệ thống thiết bị sấy thăng hoa
4.1.3. Ứng dụng sấy thăng hoa trong sữa
Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng quá trình sấy thăng hoa sữa bột cho phép giữ lại các chất dinh dưỡng và mùi vị của sữa với độ tổn thất thấp nhất. Tuy nhiên, các hạt cầu béo trong sữa thường kết hợp lại với nhau trong quá trình sấy thăng hoa; hệ quả là trong quá trình hoàn nguyên sữa bột, sản phẩm hường bị tách pha. Ngoài ra chi phí năng
lượng và thiết bị cho quá trình sấy thăng hoa quá lớn nên đến nay nên phương pháp này vẫn ít được triển khai ứng dụng trong sản xuất sữa bột.
4.2. Sấy trục
Phương pháp sấy trục trước đây được sử dụng rất phỏ biến trong sản xuất sữa bột. Số trục sấy trong thiết bị có thể là một hoặc hai trục. Dựa vào phương pháp nạp liệu ta chia thiết bị sấy hai trục thành hai dạng:
-Máy sấy trục sử dụng máng nạp liệu (trough-fed roller dryer) -Máy sấy trục sử dụng vòi phun nạp liệu (spray-fed roller dryer)
1- nạp sữa nguyên liệu 2-dao cạo 3-trục vis 4-cửa thoát ẩm Hình: Thiết bị sấy trục
a) Thiết bị sấy trục sử dụng máng nạp liệu b) Thiết bị sấy trục sử dụng vòi phun nạp liệu
4.2.1. Thiết bị sấy trục sử dụng máng nạp liệu
Thiết bị gồm hai trục hình trụ có cùng chiều cao (1-6m) và đường kính (0,6-3,0m), được đặt nằm ngang, song song và gần sát nhau. Người ta sẽ cho hơi vào bên trong hai thân trụ để gia nhiệt phần bề mặt hình trụ. Bên dưới hai trụ là một máng cong được đặt gần kề với hai chân trụ để tạo ra một kênh dẫn sữa.
Khi thiết bị hoạt động, hai trục sấy sẽ quay ngược chiều nhau. Tốc độ quay của trục sấy từ 6-24 vòng/phút.
Sữa sẽ chảy thành một màng mỏng theo máng cong và tiếp xúc với bề mặt nóng của trục sấy. Lượng nước bốc hơi sẽ thoát ra ngoài theo cửa (4). Dao cạo (2) sẽ tách phần sữa khô bám trên bề mặt trục sấy làm chúng rơi xuống buồng bên dưới. Trục vis (3) sẽ vận chuyển sữa ra cửa thoát sản phẩm. Kích thước các hạt sữa thu được sẽ phụ thuộc vào độ dày của màng sữa chảy trên trục sấy, nhiệt độ bề mặt, tốc độ quay của trục và một số yếu tố khác. Độ dày của màng sữa hình thành trên trục sấy có thể hiệu chỉnh được qua khoảng cách giữa hai tâm trục.
Phần sữa thu được sau quá trình sấy tiếp tục được đem đi nghiền và rây để loại bỏ phẩn sữa bị cháy, cứng. Sữa bột qua rây với kích thước đồng nhất được đưa đi bao gói.
4.2.2. Thiết bị sấy trục sử dụng vòi phun nạp liệu
Thiết bị này có cấu tạo tương tự như thiết bị sấy trục sử dụng máng nạp liệu. Điểm khác biệt là sữa sẽ được phun trực tiếp lên bề mặt hai trục sấy nhờ hai vòi phun tương ứng được bố trí ở hai bên.
Đối với thiết bị sấy trục, sữa sẽ được tiếp xúc trực tiếp với bề mặt gia nhiệt của hai trục sấy. Hơi nạp vào bên trong trục sấy có nhiệt độ lên đến 150oC. Do đó, một số protein sữa bị biến tính không thuận nghịch trong quá trình sấy làm cho khả năng hòa tan của sữa bột thành phẩm không cao. Ngoài ra do quá trình nạp liệu không thật đồng đều nên một phần sữa có thể bị cháy khét, làm giảm chất lượng sản phẩm và tăng độ tổn thát của quá trình sấy. Trong phương pháp sấy trục, đẻ bốc hơi 1kg nước người ta cần từ 1,19-1,28kg hơi.
Để tăng cường quá trình tách ẩm và cải thiện cấu trúc sản phẩm, người ta sử dụng thiết bị sấy trục làm việc trong môi trường chân không. Áp lực chân không sử dụng: 685- 735mmHg. Tuy nhiên, giá thành thiết bị và chi phí năng lượng sấy sẽ tăng cao khi ta so sánh với thiết bị sấy trục hoạt động ở áp suất thường.
Phương pháp này được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ sản xuất sữa bột hiện nay. Hiệu suất thu hồi sản phẩm trong thiết bị sấy phun dao động trong khoảng 90- 98%.
4.3.1. Nguyên tắc của quá trình sấy phun
Nguyên liệu lỏng được phun thành bột, quá trình sấy tiến hành rất nhanh, đến lúc không kịp đốt nóng vật liệu lên quá giới hạn cho phép, sản phẩm thu được ở dạng bột mịn, không cần nghiền tán nữa.
Vật liệu lỏng được phun thành bụi trong phòng sấy nhờ vòi phun. Tác nhân sấy (không khí) được quạt hút qua bộ phận lọc, đi qua caloriphe được đốt nóng bằng khí lò, khói lò từ lò đốt đưa sang, không khí được sưởi nóng đi qua các cửa có độ mở điều chỉnh được để vào phòng sấy, ở đây không khí và vật liệu đi cùng chiều nhau, các giọt lỏng tiếp xúc với không khí nóng từ mọi phía, trong một vài giây bay hết ẩm tạo thành một dạng bột mịn và lắng xuống đáy phòng sấy. SảN phẩm khô được cào đưa ra khỏi phòng sấy.
4.3.2. Cấu tạo máy sấy phun
Hệ thống sấy phun gồm có các bộ phận chính là buồng sấy, cơ cấu phun, caloriphe để cấp nhiệt cho tác nhân sấy, hệ thông quạt hút và hệ thống thu hối sản phẩm.
1-Buồng sấy; 2-caloriphe; 3- thiết bị chứa nguyên liệu cần sấy (sữa đã cô đặc); 3a- Thiết bị lọc nguyên liệu; 4-Bơm nhập liệu; 5-Cơ cấu phun mẫu; 6-Cyclon thu hồi sản phẩm từ khí thoát; 7-Cyclon vận chuyển sản phẩm; 8- Hệ thống quạt hút màng lọc.
Hình: hệ thống sấy phun
4.3.2.1. Cơ cấu phun
Cơ cấu phun có chức năng đưa nguyên liệu dạng lỏng vào buồng sấy dưới dạng hạt mịn (sương mù). Quá trình tạo sương mù sẽ quyết định kích thước các dạng lỏng và sự phân bố của chúng trong buồng sấy, do đó ảnh hưởng đến giá trị bề mặt truyền nhiệt và tốc độ sấy. Đây là quá trình quan trọng nhất của kĩ thuật sấy phun. Hiện nay có 3 dạng cơ cấu phun sương: đầu phun áp lực, đầu phun ly tâm và đầu phun khí động.
Cơ cấu phun một dòng
Nguyên tắc hoạt động:
Mẫu nghiên liệu sẽ được nén vào đầu phun bằng một bơm cao áp. Áp lực có thể lên đến 5÷7Mpa. Tiếp theo, mẫu sẽ thoát ra khỏi một lỗ phun có dạng hình nón với đường kính 0,4÷4mm. Góc phun có thể dao động từ 40÷140o.
Ưu điểm: chi phí năng lượng thấp.
Nhược điểm: đầu phun áp lực dễ bị tắt ngẽn và không thể sử dụng cho các mẫu huyền phù có nồng độ cao. Do đó để tăng năng suất hoạt động của thiết bị sấy phun, người ta thường bố trí hệ thống gồm nhiều đầu phun áp lực trong buồng sấy.
Buồng sấy với nhiều đầu phun áp lực
Cơ cấu phun ly tâm
Nguyên tắc hoạt động:
Đầu phun ly tâm có cấu tạo dạng đĩa. Mẫu nguyên liệu sẽ được bơm vào tâm của đĩa. Người ta sử dụng khí nén để làm quay đĩa. Do tác động quay của đĩa và sự thoát ra của khí nén, mẫu nguyên liệu sẽ di chuyển về phía thành đĩa, va đập vào các rãnh trên đĩa và được phân tán thành các hạt sương nhỏ li ti. Góc phun ra là 180o nên các hạt lỏng sẽ chuyển động ngang đập vào thành buồng sấy. Khi đó, chúng thay đổi phương đột ngột và tạo nên một hỗn hợp sương bụi xoáy rối di chuyển xuống phía đáy buồng sấy. Tốc độ quay của đĩa dao động trong khoảng 10.000÷30.000 vòng/phút.
Đĩa quay được thiết kế với nhiều rãnh nhỏ xung quanh. Các rãnh này thuờng có hình tròn, chữ nhật hoặc oval.
Ưu điểm:
Tạo được các hạt sản phẩm có độ đồng nhất cao. Ít bị tắc nghẽn khi mẫu sấy có dạng huyền phù mịn. Sử dụng cho mẫu có độ nhớt cao.
Năng suất hoạt động của đầu phun ly tâm có thể lên đến 200 tấn/giờ.
Nhược điểm: buồng sấy thường được thiết kế với đường kính khá lớn do góc phun là 180o.
Cơ cấu phun bằng khí động
Cơ cấu phun bằng khí động
Nguyên lí hoạt động:
Mẫu nguyên liệu được bơm vào đầu phun theo ống trung tâm. Tác nhân sấy sẽ theo ống ở phần biên đầu phun đi vào buồng sấy. Hỗn hợp sẽ được phân tán dưới dạng sương mù trong buồng sấy. Góc phun dao động từ 20÷60o và phụ thuộc vào cấu tạo của đầu phun.
Ưu điểm:
Sử dụng được cho các mẫu dạng huyền phù hoặc mẫu có độ nhớt cao.
Năng suất hoạt động của đầu phun bằng khí động có thể lên đến 1000kg nguyên liệu/giờ.
Nhược điểm:
Đầu phun khí động tiêu tốn nhiều năng lượng Ít được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm.
Buồng sấy là nơi hòa trộn mẫu sấy (dạng sương mù) và tác nhân sấy (không khí nóng). Buồng sấy phun có thể có nhiều hình dạng khác nhau nhưng phổ biến nhất là buồng sấy hình trụ đứng, đáy côn. Kích thước buồng sấy (chiều cao, đường kính…) được thiết kế phụ thuộc vào kích thước các hạt lỏng và quỹ đạo chuyển động của chúng, tức phụ thuộc vào loại cơ cấu phun sương sử dụng.
Dựa vào hướng chuyển động của dòng nguyên liệu và tác nhân sấy trong buồng sấy, ta có ba trường hợp sau đây:
a. Dòng nguyên liệu và tác nhân sấy chuyển động cùng chiều (co-current contact):
Đầu phun nguyên liệu và cửa vào cho tác nhân sấy cùng được bố trí trên đỉnh buồng sấy. Dòng nguyên liệu qua cơ cấu phun tạo sương mù cùng hòa trộn với tác nhân sấy và di chuyển xuống phía đáy buồng sấy. Cả ba loại cơ cấu phun (ly tâm, áp lực và khí động) đều có thể áp dụng trong trường hợp này. Nhiệt độ bột sản phẩm thu được sẽ thấp hơn nhiệt độ tác nhân sấy tại cửa vào buồng sấy. Trường hợp này rất thích hợp cho những nguyên liệu mẫn cảm với nhiệt độ. Đây cũng là trường hợp phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm.
Đầu phun nguyên liệu được bố trí trên đỉnh buồng sấy và các giọt lỏng sẽ chuyển động theo chiều từ trên xuống. Ngược lại, cửa vào của tác nhân sấy được bố trí ở phần