8.1. Mục đích
Chế biến: Làm thay đổi tính chất ban đầu của nguyên liệu:
Tính chất vật lý: tỷ trọng thay đổi
Tính chất hóa lý: sức căng bề mặt thay đổi, sự thay đổi về pha.
Tạo ra sản phẩm mới có hướng ứng dụng khác với nguyên liệu ban đầu.
Bảo quản: giảm hàm ẩm xuống < 5%. 8.2. Các biến đổi
Vật lý:
Nhiệt độ sản phẩm tăng. Giảm về khối lượng. Tỷ trọng thay đổi.
Hoá học:
Xảy ra các phản ứng oxi hoá triglyceride, các axit béo tự do… Phản ứng maillard: Đường + axit amin.
Hoá lý:
Bốc hơi nước, có sự chuyển pha từ lỏng sang rắn và khí giúp hình thành hạt sản phẩm. Trong quá trình sấy có thể xảy ra sự biến tính protein.
Sinh học: ít bị biến đổi. Hoá sinh: ít bị biến đổi. 8.3. Phương pháp thực hiện
8.3.1. Sấy phun
8.3.1.1 Cơ sở khoa học của quá trình sấy phun:
Sấy là một quá trình bốc hơi nước ra khỏi vật liệu dưới tác dụng của nhiệt. Trong quá trình sấy, nước được tách ra khỏi vật liệu nhờ sự khuếch tán do:
- Chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt và bên trong vật liệu.
- Chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh.
Mẫu nguyên liệu đưa vào sấy phun có dạng lỏng còn sản phẩm thu được sau khi sấy có dạng bột. Thực chất, mẫu nguyên liệu khi vào thiết bị sấy sẽ được phân tán thành những hạt nhỏ li ti trong buồng sấy. Chúng được tiếp xúc với tác nhân sấy. Kết quả là hơi nước được bốc đi nhanh chóng. Các hạt sản phẩm được tách ra khỏi tác nhân sấy nhờ một hệ thống thu hồi riêng.
Quá trình sấy phun bao gồm ba giai đoạn cơ bản sau:
- Giai đoạn phân tán dòng nhập liệu thành những hạt sương nhỏ li ti (giai đoạn phun sương).
- Giai đoạn trộn mẫu cần sấy và không khí nóng, khi đó sẽ xảy ra quá trình bốc hơi nước trong mẫu.
- Giai đoạn thu hồi sản phẩm sau khi sấy từ dòng khí nóng.
8.3.1.2 Thiết bị sấy phun
Hệ thống sấy phun gồm có các thiết bị chính là buồng sấy, cơ cấu phun, caloriphe để cấp nhiệt cho tác nhân sấy, hệ thống quạt hút và hệ thống thu hồi sản phẩm.
Cơ cấu phun
Cơ cấu phun có chức năng đưa dung dịch lòng đỏ trứng vào buồng sấy dưới dạng hạt mịn (sương mù). Quá trình tạo sương mù sẽ quyết định kích thước các giọt lỏng và sự phân bố của chúng trong buồng sấy, do đó sẽ ảnh hưởng đến giá trị bề mặt truyền nhiệt và tốc độ sấy. Đây là quá trình quan trọng nhất trong kĩ thuật sấy phun.
Hiện nay có ba dạng cơ cấu phun sương: đầu phun áp lực, đầu phun ly tâm và đầu phun khí động. Trong quy trình này ta chọn cơ cấu phun bằng khí động.
Cơ cấu phun bằng khí động (còn được gọi là cơ cấu phun hai dòng)
Nguyên tắc 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. Trong trường hợp này, góc phun dao động từ 20-60o phụ thuộc vào cấu tạo của đầu phun. Đường kính hạt từ 5-300µm.
Ưu điểm của cơ cấu phun bằng khí động là có thể sử dụng 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 1000 kg nguyên liệu/giờ. Tuy nhiên, (nhược điểm) đầu phun khí động tiêu tốn nhiều năng lượng. Theo Mujumdar A. S (1995), để phun 1kg nguyên liệu trung bình cần 0.5 m3 khí nén
Buồng sấy
Buồng sấy là nơi hòa trộn mẫu sấy (dạng sương mù) và tác nhân sấy (không khí nóng). 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: dòng nguyên liệu và tác nhân sấy chuyển động cùng chiều, dòng nguyên liệu và tác nhân sấy chuyển động ngược chiều, dạng hỗn hợp.
Vì nguyên liệu dung dịch lòng đỏ trứng chứa nhiều cấu tử mẫn cảm với nhiệt độ nên trong quy trình này ta chọn buồng sấy có dòng nhập liệu và tác nhân sấy chuyển động cùng chiều.
Dòng nguyên liệu và tác nhân sấy chuyển động cùng chiều: Đầu phun nguyên liệu và cửa vào cho tác nhân sấy được bố trí trên đỉnh buồng sấy. Nhiệt độ bột sản phẩm thu được sẽ thấp hơn nhiệt độ tác nhân sấy tại cửa vào buồng sấy.
Tác nhân sấy
Trong quy trình này ta chọn hơi là tác nhân gia nhiệt. Nhiệt độ hơi sử dụng thường dao động trong khoảng 150-290oC. Nhiệt độ trung bình của không khí nóng thu được thấp hơn nhiệt độ hơi sử dụng là 10oC.
Hệ thống thu hồi sản phẩm:
Bột sản phẩm sau khi sấy phun được thu hồi tại cửa đáy buồng sấy. Để tách sản phẩm ra khỏi khí thoát, ta sử dụng phương pháp lắng xoáy tâm với cyclo. Khí thoát ra sẽ đi vào cyclon từ phần đỉnh theo phương tiếp tuyến với thiết bị. Bột sản phẩm sẽ di chuyển theo quỹ đạo hình xoắn ốc và rơi xuống đáy cyclon. Không khí sạch thoát ra ngoài theo cửa trên đỉnh cyclone.
hai quạt. Quạt chính được đặt sau thiết bị thu hồi bột sản phẩm từ dòng khí thoát. Còn quạt phụ được đặt trước thiết bị gia nhiệt không khí trước khi vào buồng sấy. Ưu điểm của việc sử dụng hệ thống hai quạt là người ta có thể kiểm soát dễ dàng áp lực trong buồng sấy.
Nếu ta chỉ sử dụng một quạt ly tâm đặt sau cyclone thu hồi sản phẩm, buồng sấy sẽ hoạt động dưới áp lực chân không rất cao. Chính áp lực chân không này sẽ ảnh hưởng đến lượng bột sản phẩm bị cuốn theo dòng khí thoát, do đó sẽ ảnh hưởng đế năng suất hoạt động và hiệu quả thu hồi bột sản phẩm của cyclon.
Trong quy trình này ta có sử dụng thêm một số quạt ly tâm để vận chuyển bằng khí động bột sản phẩm sau khi sấy vào thiết bị bảo quản.
8.3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sấy phun
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy phun. Dưới đây là những yếu tố quan trong nhất.
Nồng độ chất khô của nguyên lệu:
Trong quá trình sấy phun nếu nồng độ chất khô của nguyên liệu càng cao thì lượng nước bốc hơi đẩ sản phẩm đạt giá trị độ ẩm cho trước sẽ càng thấp. Như vậy, ta sẽ tiết kiệm được thời gian sấy và năng lượng cần cung cấp cho quá trình.
Tuy nhiên, nếu nồng độ chất khô quá cao sẽ làm tăng độ nhớt của nguyên liệu, gây khó khăn cho quá trình tạo sương mù trong buồng sấy, cơ cấu phun dễ bị tắc nghẽn hoặc tạo hạt với hình dạng và kích thước không mong muốn.
Trong công nghệ sản xuất bột lòng đỏ, nồng độ chất khô của dòng nguyên liệu vào buồng sấy thường dao động trong khoảng 40-50%.
Nhiệt độ tác nhân sấy
Nhiệt độ tác nhân sấy là yếu tố ảnh hưởng đến độ ẩm của sản phẩm sau khi sấy phun. Khi cố định thời gian sấy, độ ẩm của bột sản phẩm thu được sẽ giảm đi nếu ta tăng nhiệt độ tác nhân sấy.
Tuy nhiên, nếu nhiệt độ tác nhân sấy tăng quá cao, độ ẩm cuối cùng của bột sản phẩm sẽ không giảm đi nhiều. Hơn nữa, việc gia tăng nhiệt độ có thể gây phân hủy một số
cấu tử trong nguyên liệu mẫn cảm với nhiệt và làm tăng mức hao năng lượng của toàn bộ quá trình.
Trong công nghiệp sản xuất bột trứng, nhiệt độ không khí nóng tại cửa vào buồng sấy phun thường nằm trong khoảng 120÷280oC, nhiệt độ không khí tại cửa ra là 50÷80oC.
Kích thước, số lượng và quỹ đạo chuyển động của các hạt nguyên liệu trong buồng sấy
Như chúng ta đã biết, quá trình tạo sương mù không những ảnh hưởng quyết định đến tốc độ sấy, mức tiếu tốn năng lượng của quá trình mà còn ảnh hưởng đến hình dạng và cấu trúc hạt của sản phẩm sấy phun.
Theo lý thuyết nếu đường kính hạt nguyên liệu càng nhỏ thì tổng diện tích bề mặt các hạt thu được từ một đơn vị thể tích nguyên liệu sẽ càng lớn. Như vậy diện tích bề mặt truyền nhiệt trong quá trình sấy phun sẽ càng tăng. Tuy nhiên khi đó hình dạng và kích thước các hạt sản phẩm cũng sẽ thay đổi.
Bảng 14: So sánh giá trị bề mặt truyền nhiệt Tổng thể tích (m3) Đường kính hạt Số hạt Diện tích bề mặt một hạt Tổng diện tích bề mặt các hạt (m2) 1 1 1 1 1 1.23 m 1 cm 1 mm 100 micromet 1 micromet 1 1.986x106 1.986x109 1.986x1012 1.986x1018 3,14 m2 3,14 cm2 3,14 mm2 31.400 micromet2 3,14 micromet2 3,14 623,6 6236 62.360 6.236.000
Các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy phun là tốc độ bơm đưa dòng nguyên liệu vào cơ cấu phun sương, lưu lượng không khí nóng vào buồng sấy, cấu tạo và kích thước buồng sấy…