công nghệ sấy truyền thống. Nguyên
liệu
Phương pháp sấy Nhận xét chất lượng cảm quan Hàm lượng vitamine C, % Độ ẩm cuối, Cà rốt Sấy bằng khơng khí nóng Đỏ tối, kém thẳng - 5,7 Sấy bằng hồng ngoại Đỏ b ng kém thẳng - 5,6 Sấy lạnh bơm nhiệt Đỏ tự nhiên, b ng
thẳng - 6,6 Sấy bằng khơng khí nóng Xanh tối, khá xốp, kém thơm 32 5,0
Trang 21
Củ cải
Sấy bằng hồng ngoại Trắng ngà hơi đậm, khá xốp
40 5,2
Sấy lạnh bơm nhiệt Trắng ngà thẳng xốp 64 6,1
Hành Sấy lạnh bằng khơng khí nóng Xanh tối, xốp, khá thơm 27 6,0
Sấy bằng hồng ngoại Xanh thẫm, xốp, thơm 54 5,2
Nhận xét: Qua phân tích các kết quả nghiên cứu và ứng dụng của các tác giả
trong và ngoài nước cho thấy tốc độ sấy và chất lượng của sản phẩm khô phụ thuộc nhiều vào phương pháp sấy khác nhau.
Các tác giả đánh giá cao về tốc độ sấy và chất lượng của sản phẩm khô, dùng các chất phụ gia để xử lý VLS trước khi sấy nhằm đảm bảo chất lượng, rút ngắn thời gian sấy.
Cơng bố về sấy khí n ng 17] chỉ ra rằng hàm lượng chất dinh dưỡng, màu sắc, và các hợp chất chống oxi h a bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ tác nhân sấy, khi sấy ở dưới 60oC thì các chất dinh dưỡng này được bảo vệ và sản phẩm c chất lượng tốt, tuy nhiên tác giả c ng không xem xét mức tiêu thụ năng lượng và thời gian sấy, thời gian sấy kéo dài c ng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, vận tốc tác nhân sấy, bố trí vật liệu trong bồng sấy, c ng không được đề cập.
Công bố về sấy thăng hoa 37] màng gấc khơng đề cập đến chi phí năng lượng tuy nhiên chắc chắn tiêu tôn năng lượng cao hơn các phương pháp sấy khác vì cần cấp đơng VLS, mặt khác kết quả c ng chưa chỉ ra được sự thất thoát hàm lượng beta – carotene so với vật liệu ban đầu, chỉ công hàm lượng cuối cùng của sản phẩm tuy nhiên hàm lượng này c ng là thấp so với các công bố khác (404,39 mg/100g).
Công bố về sấy bơm nhiệt màng đỏ hạt gấc [19] chi phí năng lượng quá cao (66,68 kWh/kg), thời gian sấy kéo dài (16,257 h) làm cho chế độ sấy này kh c thể áp dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp mặc dù hàm lượng beta – carotene thất thoát
Trang 22
khá thấp (5,04 ) so với VLS ban đầu. Nhiệt độ sấy thấp, thời gian sấy dài và đặc biệt là vận tốc tác nhân sấy quá cao (9,38 m/s) làm chi phí năng lượng bất hợp lý.
Xay nhuy n màng gấc và tạo bọt dưới dạng foam rồi sấy lớp mỏng [41] c ng chưa cơng bố được chi phí năng lượng, hàm lượng beta – carotene đạt mức cao nhất là so với nguyên liệu tươi hay so với các sản phẩm sấy khác, việc so sánh c ng không được thực hiện cụ thể và phương pháp sấy ở nghiên cứu này là gì và liệu với nhiệt độ tác nhân sấy 70oC đã thực sự giữ được hàm lượng beta – carotene ở mức cao nhất chưa. C ng chưa xem xét sự ảnh hưởng của chất tạo bọt đến chất lượng sản phẩm.
ết u n : Từ những kết quả về sấy loại vật liệu màng gấc, công dụng và tiềm
năng của loại sản phẩm này tác giả nhận thấy:
Nhiệt độ sấy bơm nhiệt thích hợp cho loại vật liệu này.
Chí phí năng lượng sấy bằng phương pháp sử dụng bơm nhiệt [19] cần được xem xét lại và đối với loại VLS màng gấc cần chứng tỏ ưu thế sấy bơm nhiệt so với sấy thăng hoa [39].
Vận tốc sấy và nhiệt độ tác nhân sấy của công bố 19] trước đ là chưa hợp lý, vận tốc tác nhân sấy 9,38 m/s là quá cao trong phương pháp sấy bơm nhiệt và chính điều này làm thời gian sấy kéo dài, tiêu hao năng lượng lớn.
Sử dụng h a chất trong chế biến và bảo quản thực phẩm nên hạn chế, cần phải điều tra tác động của h a chất đến sức khoe và tác động của h a chất ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. chưa kể sử dụng h a chất gây tốn kém và mất thời gian cho công đoạn xử lý.
Do đ , mục đích nghiên cứu của luận văn là chế tạo và tối ưu h a chế độ sấy hợp lý cho máy sấy bơm nhiệt bao gồm các yếu tố vận tốc TNS, nhiệt độ TNS, nhiệt độ ngưng ẩm, thời gian sấy, chi phí năng lượng, chất lượng dinh dưỡng và màu sắc và đặc biệt không sử dụng h a chất để sấy màng đỏ hạt gấc nhằm hoàn thiện chế độ sấy tao ra sản phẩm chất lượng cao, đồng đều như nội dung cơ bản đã được trình bày ở phần mở đầu.
Trang 23
Chƣơng 2
CƠ SỞ Ý THU ẾT 2 1 Nƣớc hoạt h a của thực ph m và rau củ quả
Nước hoạt h a của một loại thực phẩm được định nghĩa là t lệ áp suất hơi nước trong thực phẩm với áp suất hơi bão hòa của nước ở cùng nhiệt độ và c giá trị từ 0 đến 1. Trong thực tế, hoạt độ nước của một thực phẩm bằng độ ẩm tương đối của khơng khí (chia cho 100) khi cân bằng với độ ẩm của sản phẩm.
Mục đích chính của quá trình sấy là để loại bỏ nước hoạt h a cho đến hàm lượng ẩm mà có thể bảo quản được. Trong đ sự ức chế sự tăng trưởng của vi khuẩn được tìm thấy tại Aw dưới 0,9, enzyme tại hàm lượng nước hoạt h a dưới 0,6. Nói chung, sự hư hỏng thực phẩm bị kìm hãm khi nồng độ nước hoạt h a dưới 0,6 [2]. Theo định nghĩa của hoạt độ nước, các giá trị hoạt độ của thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ tăng thì độ hoạt h a tăng.
2 2 Các dịng dịch chuyển và cơ chế thốt m trong V S [43] 2 2 1 Cơ chế thoát m trong v t iêu sấy
Sự khuếch tán của nước ra khỏi nguyên liệu gồm 2 quá trình là khuếch tán nội và khuếch tán ngoại.
Quá trình khuế h tán n oại
Khuếch tán ngoại là sự dịch chuyển hơi nước từ bề mặt VLS vào TNS mà động lực của n là sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật liệu với áp suất riêng phần của hơi nước trong khơng khí ẩm. Động lực đ là (P = pbm- ph). Lượng nước bay hơi t lệ thuận với P, bề mặt bay hơi và thời gian làm khô:
dw = B.(pbm - ph).F.d (2.1) Trong đ :
w- Lượng nước bay hơi, kg F- Diện tích bề mặt bay hơi, m2
Trang 24
- Thời gian bay hơi, h
B- Hệ số bay hơi, kg/h.m2.mmHg
pbm- p suất hơi nước bão hòa trên bề mặt vật liệu sấy, mmHg ph- p suất riêng phần của hơi nước trong khơng khí ẩm, mmHg
Như vậy, để tăng lượng ẩm bay hơi trong q trình làm khơ c thể thay đổi một số thông số như sau:
- Tăng diện tích bề mặt bay hơi thì giá đỡ nguyên liệu sấy nên làm ở dạng lưới để ẩm bay hơi được cả phía trên và phía dưới.
- Tăng hệ số bay hơi B, tức là tăng vận tốc TNS. Tuy nhiên, khi tăng vận tốc TNS quá lớn c ng làm cho quá trình làm khơ chậm lai.
- Tăng pbm bằng cách tăng nhiệt độ của VLS hay tăng nhiệt độ của tác nhân sấy. Phương pháp này chỉ ứng dụng cho những VLS chịu được nhiệt độ cao. Phần lớn các VLS thực phẩm rau quả và sản phẩm sinh học khi sấy ở nhiệt độ cao chất lượng bị giảm đi nhiều đặc biệt là màu sắc và mùi vị.
- Giảm áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm bằng cách làm lạnh khơng khí xuống dưới nhiệt độ đọng sương để tách một lượng nước trước khi vào thiết bị gia nhiệt để sấy. Khi sấy ở nhiệt độ khơng cao thì áp suất của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu bé nhưng áp suất riêng phần của hơi nước trong khơng khí ẩm c ng bé nên sẽ nâng cao động lực của quá trình sấy.
Quá trình khuế h tán nội
Khuếch tán nội là quá trình chuyển dịch ẩm từ trong VLS ra bề mặt ngoài của VLS. Động lực của quá trình là sự chênh lệch về độ ẩm giữa các lớp bên trong và bên ngoài. Nếu sự chênh lệch ẩm càng lớn tức là gradient độ ẩm lớn sẽ làm cho tốc độ khuếch tán nội càng nhanh. Tốc độ khuếch tán nội được thể hiện bằng phương trình sau: w . d d dc K F dx (2.2) Trong đ :
Trang 25
w- lượng nước khuếch tán, kg
- Thời gian khuếch tán, h
F - Diện tích bề mặt khuếch tán, m2 K - Hệ số khuếch tán.
dc/ dx - Gradient độ ẩm
Sự di chuyển ẩm trong quá trình làm khơ trước tiên xảy ra với ẩm tự do sau đ là ẩm liên kết h a lý. Ẩm di chuyển trong VLS ở thể lỏng hoặc thể hơi là do sự liên kết ẩm. Ẩm liên kết hấp phụ khuếch tán dưới dạng hơi và ẩm liên kết thẩm thấu, liên kết kết cấu và ẩm tự do sẽ khuếch tán ở dạng lỏng. Nguyên liệu nơng sản nói chung thường là dạng keo xốp. Vì vậy, sự di chuyển ẩm trong VLS trong q trình làm khơ được tiến hành bằng cả ở thể lỏng và thể hơi, gọi sự di chuyển đ là “sự truyền dẫn ẩm phần” do sự chênh lệch độ ẩm gây nên. Độ ẩm của nguyên liệu cao thì sự di động của ẩm là ở thể lỏng và độ ẩm càng giảm thì sự di động của ẩm chuyển qua dạng hơi. Lượng ẩm dịch chuyển trong VLS t lệ với sự chênh lệch độ ẩm và được tính như sau[43].
W’ = - k..u (2.3) Trong đ :
W’- Lượng nước của VLS chuyển qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian, kg
- Khối lượng riêng của chất khô tuyệt đối. k- Hệ số truyền dẫn ẩm phần
u- Sự chênh lệch độ ẩm.
Dấu trừ (-) mang ý nghĩa ẩm được dịch chuyển từ nơi c độ ẩm cao đến nơi c độ ẩm thấp.
Từ thực nghiệm .V.Luikov còn chứng minh được rằng khi VLS được cấp nhiệt thì một phần nước di động từ nơi c nhiệt độ cao đến nơi c nhiệt độ thấp theo hướng của dòng nhiệt và hiện tượng trên c thể do các nguyên nhân cơ bản sau:
Trang 26
- Cường độ vận động của các phân tử ở thể khí hoặc thể lỏng trong giới hạn c nhiệt độ cao hơn so với nơi nhiệt độ thấp hơn.
- Khi nhiệt độ tăng thì sức căng bề mặt ngoài của thể lỏng giảm do đ lực của các ống mao dẫn c ng giảm tạo sự chuyển động của chất lỏng theo phía nhiệt độ giảm xuống tức là theo hướng của dòng nhiệt.
- Trong ống mao dẫn chứa thể lỏng thường tồn tại nhiều bọt khí, khi nhiệt độ tăng, bọt khí sẽ giãn nở đẩy thể lỏng theo hướng dịng nhiệt.
Sự di chuyển ẩm trong VLS do sự chênh lệch nhiệt độ gây nên gọi là sự “truyền dẫn nhiệt ẩm phần”. Lượng ẩm di chuyển đ được t lệ với chênh lệch nhiệt độ Δt tức là:
W” = - . .t. (2.4) Trong đ :
- Hệ số truyền dẫn nhiệt ẩm phần.
t- Hiệu nhiệt độ, dấu (-) mang ý nghĩa ẩm được dịch chuyển từ nơi c nhiệt độ cao đến nơi c nhiệt độ thấp.
Như vậy, nếu sự phân bố nhiệt độ của VLS giảm dần từ trong ra ngồi trong q trình làm khơ sẽ tăng cường được sự dịch chuyển ẩm.
Bằng phương pháp sấy bơm nhiệt, VLS được cấp nhiệt bằng khơng khí ấm sau khi được tách ẩm thổi qua bề mặt VLS sẽ làm cho độ ẩm tương đối TNS thấp hơn bên trong VLS tạo điều kiện tốt cho sự dịch chuyển ẩm từ trong nguyên liệu ra ngoài làm cho thời gian sấy giảm xuống và chất lượng sản phẩm sau khi sấy sẽ được cải thiện.
Mối quan hệ iữa khuế h tán nội và khuế h tán n oại [43].
Khuếch tán nội và khuếch tán ngoại c mối quan hệ mật thiết với nhau, khuếch tán ngoại được tiến hành thì khuếch tán nội mới c thể được tiếp tục và như thế độ ẩm của nguyên liệu mới được giảm dần. Nếu cường độ khuếch tán nội lớn hơn cường độ khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ nhanh nhưng điều đ rất ít xảy ra. Nếu cường
Trang 27
độ khuếch tán nội bé hơn cường độ khuếch tán ngoại thì bề mặt của VLS d bị tạo màng khô làm ảnh hưởng xấu đến quá trình dịch chuyển ẩm.
Trong quá trình sấy nếu cường độ khuếch tán ngoại lớn hơn cường độ khuếch tán nội thì cần phải tiến hành sấy gián đoạn tức là đình chỉ hoặc hạn chế quá trình khuếch tán ngoại hay gọi là quá trình sấy c ủ ẩm. Trong quá trình sấy giai đoạn đầu lượng nước trong nguyên liệu nhiều làm cho sự dịch chuyển ẩm lớn do đ mà cường độ khuếch tán nội phù hợp với cường độ khuếch tán ngoại nên lượng ẩm thoát ra được nhiều cho nên ở giai đoạn này c thể tăng vận tốc chuyển động của khơng khí để tăng khả năng dịch chuyển ẩm. Nhưng giai đoạn sau thì lượng nước cịn lại trong ngun liệu ít trong khi đ cường độ bay hơi ở mặt ngoài nhanh mà cường độ khuếch tán nội bé nên bề mặt ngoài d tạo màng cứng làm ảnh hưởng xấu đến quá trình khuếch tán nội. Vì vậy, ở giai đoạn tốc độ sấy giảm nên hạn chế cường độ khuếch tán ngoại như giảm vận tốc chuyển động của khơng khí xuống.
2 2 2 Các dòng dịch chuyển m và thế dịch chuyển m trong V S [43]
Để nghiên cứu về công nghệ sấy, trước hết cần nghiên cứu về các dạng liên kết ẩm, các dòng dịch chuyển ẩm và thế dịch chuyển ẩm trong VLS nhằm hiểu rõ cơ chế dịch chuyển ẩm và định hướng phương pháp tác động để tăng cường hoặc hạn chế dòng dịch chuyển ẩm phục vụ các yêu cầu công nghệ. Theo dạng liên kết ẩm với cốt khô của vật, VLS được chia thành 3 nh m: Vật keo, vật xốp mao dẫn và vật keo xốp mao dẫn.
2 2 4 Các giai đoạn trong quá tr nh sấy
Tốc độ sấy bằng tia hồng ngoại c ng c hai giai đoạn, đ là giai đoạn đẳng tốc và giai đoạn giảm tốc nhưng chỉ đúng với VLS mỏng cịn đối với VLS dày thì ngay từ lúc bắt đầu sấy đã bước vao giai đoạn giảm tốc [43].
Giai đoạn tố độ sấy khôn đổi
Khi kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ của vật bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt. Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sẽ h a hơi cịn nhiệt độ của vật giữ khơng đổi nên nhiệt lượng cung cấp chỉ để làm h a hơi nước. Ẩm sẽ h a hơi ở lớp sát bề mặt vật
Trang 28
ẩm và lỏng bên trong vật sẽ truyền ra bề mặt ngoài của vật để h a hơi. Do nhiệt độ khơng khí n ng khơng đổi, nhiệt độ vật c ng không đổi nên chênh lệch nhiệt độ giữa VLS và TNS c ng không đổi. Do vậy, tốc độ bay hơi ẩm của vật c ng không đổi, điều này làm cho tốc độ giảm ẩm của vật theo thời gian c ng không đổi, c nghĩa là tốc độ sấy c ng không đổi.
Giai đoạn sấy tố độ iảm dần
Khi kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi ẩm tự do đã bay hơi hết, còn lại trong vật là ẩm liên kết. Năng lượng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn so với ẩm tự do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ (ẩm liên kết càng chặt). Do vậy, tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này là nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc độ không đổi c nghĩa là tốc độ sấy trong giai đoạn này nhỏ hơn và càng giảm đi theo thời gian sấy. Quá trình sấy tiếp di n, độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy càng giảm cho đến khi độ ẩm của vật giảm đến bằng độ ẩm cân bằng ứng với điều kiện môi trường khơng khí ẩm trong buồng sấy thì q trình thốt ẩm của vật ngừng lại c nghĩa là tốc độ sấy bằng không.
2.2 5 Các dạng iên kết m trong v t iệu [43]