Sấy lạnh là phƣơng pháp sấy đối lƣu, tách ẩm vật liệu sấy bằng không khí lạnh c độ ẩm thấp. Ẩm trong vật liệu sấy di chuyển ra bề mặt, từ bề mặt vào môi trƣờng, và đƣợc luân chuyển ra ngoài. Trong phƣơng pháp này ngƣời ta tạo ra sự chệnh lệch áp suất hơi bão hòa trên bề mặt vật liệu sấy và áp suất riêng phần của hơi nƣớc trong không khí bằng cách giảm áp suất riêng phần hơi nƣớc trong không khí nhờ giảm lƣợng chứa ẩm.
Sấy lạnh đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm cũng nhƣ các ngành công nghiệp khác do có nhiều ƣu điểm nhƣ thời gian sấy ngắn, chất lƣợng sản phẩm tốt, hiệu quả năng lƣợng cao.
Nguyên lý làm việc:
Tác nhân sấy là không khí ẩm đƣợc làm lạnh xuống dƣới nhiệt độ điểm đọng sƣơng để ngƣng tụ một phần ẩm. Không khí ẩm sau khi đƣợc làm lạnh c độ ẩm và nhiệt độ thấp, do đ phải gia nhiệt cho không khí bằng điện trở hay dàn nóng của máy lạnh đến nhiệt độ mà công nghệ yêu cầu rồi đƣợc quạt ly tâm hút và thổi qua vật liệu sấy. Khi đ áp suất riêng phần của hơi nƣớc trong không khí b hơn áp suất hơi nƣớc bão hòa trên bề mặt vật liệu sấy, ẩm từ dạng lỏng tên bề mặt vật liệu sấy bay hơi đi vào môi trƣờng. Không khí sau khi nhận ẩm đƣợc quạt ly tâm hút và đẩy ra ngoài.
1.5. SẤ ƠM NHIỆT KẾT HỢP BỨC XẠ HỒNG NGOẠI 1.5.1. Mục đích sấy kết hợp
Sấy lạnh không khí đƣợc tách ẩm và nâng nhiệt làm cho áp suất riêng phần hơi nƣớc trong không khí nhỏ, chênh lệch gradien độ ẩm lớn, nhờ đ thúc đẩy quá trình khuếch tán ngoại. Sấy bằng không khí lạnh giữ đƣợc màu sắc, mùi vị, chất lƣợng sản phẩm.
Sấy bức xạ hồng ngoại do nhiệt bức xạ cao, xuyên thấu vào bên trong vật liệu sấy làm nóng từ trong ra làm cho gradien nhiệt độ tăng , quá trình khuếch tán nội tăng đẩy nhanh quá trình sấy.
Sự kết hợp của hai phƣơng pháp sấy này sẽ làm tăng tốc độ sấy, giảm thời gian sấy. Điều này c ý nghĩa lớn khi sấy các sản phẩm thủy sản vì giảm đƣợc nhiệt độ sản phẩm, thời gian sấy ngắn nên tránh đƣợc sự biến tính các thành phần trong sản phẩm, giữ đƣợc màu sắc tự nhiên, khả năng phục hồi tốt.
1.5.2. Một số nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.5.2.1. Nghiên cứu trong nƣớc 1.5.2.1. Nghiên cứu trong nƣớc
Hiện nay, ở Việt Nam có rất nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng bức xạ hồng ngoại vào công nghệ sấy, đặc biệt trong lĩnh vực sấy khô nông sản, thủy sản.
Viện ứng dụng công nghệ Tp Hồ Chí Minh đã chế tạo thành công các nguồn phát hồng ngoại dạng hình tròn với các kích thƣớc dài ngắn khác nhau, thuận lợi cho việc thiết kế chế tạo thiết bị sấy dân dụng.
Đỗ Thị Bích Thủy, nghiên cứu quá trình sấy khô một số nguyên liệu nông sản c độ ẩm cao bằng bức xạ hồng ngoại. Kết quả nghiên cứu đã tìm ra đƣợc chế độ sấy thóc và lạc tối ƣu bằng máy sấy băng chuyền dùng đèn hồng ngoại với các thông số nhƣ sau: vận tốc băng tải: 7 m/s, khoảng cách bức xạ là 45cm, quá trình ủ ấm: 3 phút.
Trần Đại Tiến, nghiên cứu ảnh hƣởng của một số chế độ sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp sấy lạnh đến chất lƣợng của mực ống khô lột da. Kết quả nghiên cứu đã đƣa đến kết luận: Chất lƣợng mực ống khô đƣợc sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại kết hợp sấy lạnh tốt hơn so với phƣơng pháp sấy bức xạ kết hợp đối lƣu. Chế độ sấy bức xạ kết hợp sấy lạnh tốt nhất là: Nhiệt độ sấy là 35oC ± 1oC, vận tốc gió 2m/s ± 1m/s, khoảng cách bức xạ là 40cm.
Lê Văn Hoàng, sử dụng tia hồng ngoại trong quá trình bảo quản thóc. Kết quả nghiên cứu cho thấy khối hạt bảo quản đƣợc xử lí bằng bức xạ hồng ngoại thì không những côn trùng bị tiêu diệt gần nhƣ tuyệt đối, độ ẩm khối hạt nhanh ch ng đạt độ ẩm bảo quản cho phép mà chất lƣợng của khối hạt cũng đƣợc bảo giữ tối đa.
Phạm Đức Việt và các cộng sự - Viện công nghệ sau thu hoạch – Hà Nội, đã nghiên cứu sấy thóc, ngô, rau và rau gia vị bằng máy sấy gốm bức xạ hồng ngoại đã đƣa ra kết luận là sản phẩm thu đƣợc sau khi đƣợc sấy không bị tổn thất về chất lƣợng, mùi vị, hàm lƣợng các vitamin đƣợc bảo toàn, sản phẩm sấy đƣợc tiệt trùng. Thời gian sấy rút ngắn nhiều lần. Ðặc biệt khi sấy hạt giống tỷ lệ nảy mầm rất cao. Nếu cùng điều kiện sử dụng năng lƣợng điện thì sấy nông sản bằng gốm hồng ngoại dải tần hẹp chọn lọc tiết kiệm hơn về thời gian và năng lƣợng. Phƣơng pháp này không gây nguy hiểm, thiết bị c độ ổn định và độ bền cao.
1.5.2.2. Nghiên cứu ngoài nƣớc
Zhongli Pan và các cộng sự, nghiên cứu quá trình mất nƣớc của chuối khi sấy liên tục bằng bức xạ hồng ngoại và đông khô đã đƣa ra kết quả: Khi loại bớt nƣớc trong chuối cắt lát bằng cách sử dụng bức xạ hồng ngoại thì tỷ lệ khô cao hơn đáng kể so với sấy bằng không khí nóng, tỷ lệ này sẽ tăng theo sự gia tăng cƣờng độ bức xạ. Tuy nhiên, nghiên cứu này cũng cho thấy những lát chuối đƣợc loại bớt nƣớc trƣớc bằng bức xạ hồng ngoại sẽ khô chậm hơn trong quá trình đ ng băng khô so với các mẫu không cần loại nƣớc trƣớc do sự thay đổi cấu trúc xảy ra trong quá trình loại nƣớc.
Zhongli Pan và các cộng sự, nghiên cứu sấy khô hành tây bằng sấy hồng ngoại xúc tác, kết quả cho thấy hành tây sấy bằng phƣơng pháp hồng ngoại xúc tác cho hiệu quả hơn sấy bằng phƣơng pháp đối lƣu không khí cƣỡng bức. Nhiệt độ sấy đối với phƣơng pháp hồng ngoại xúc tác là 70°C và 80°C. Nhiệt độ 80°C nên đƣợc sử dụng vào đầu quá trình sấy để đạt đƣợc mức độ làm khô tối đa trong khi hƣ hỏng là tối thiểu. Nếu sử dụng hệ thống sấy đối lƣu kết hợp bức xạ hồng ngoại thì sẽ sấy bức xạ hồng ngoại trong giai đoạn đầu và sấy đối lƣu cƣỡng bức trong giai đoạn sau.
Damir Ježek và các cộng sự, nghiên cứu quá trình mất nƣớc của cần tây khi sấy bằng bức xạ hồng ngoại ở nhiệt độ 50oC và 75oC đã chỉ ra rằng:
Thời gian mất nƣớc phụ thuộc vào hàm lƣợng của các thành phần dễ bay hơi trong các mẫu cần tây, tức là, hàm lƣợng các thành phần này càng cao thì thời gian loại bỏ chúng càng dài.
Ở nhiệt độ cao 75°C, thời gian loại nƣớc giảm vì quá trình khuếch tán ẩm tăng. Đối với mẫu cần tây chần thì thời gian loại nƣớc dài hơn so với mẫu cần tây tƣơi c cùng kích thƣớc.
Kích thƣớc mẫu có ảnh hƣởng đến thời gian và tỷ lệ bốc hơi nƣớc từ bề mặt mẫu.
Taner Baysal và các cộng sự, nghiên cứu ảnh hƣởng của sấy vi sóng và bức xạ hồng ngoại đến chất lƣợng của cà rốt và tỏi đã đƣa ra kết luận:
Màu sắc của thực phẩm thay đổi trong suốt quá trình sấy, nhƣng khi sấy bằng không khí nóng thì màu sắc của cà rốt gần giống nhất với mẫu cà rốt tƣơi tuy nhiên khả năng hút nƣớc là thấp nhất. Trong khi đ , phƣơng pháp sấy hồng ngoại thì khả năng hút nƣớc là cao nhất.
Khi đánh giá hàm lƣợng chất khô của cà rốt, mẫu cà rốt sấy bằng vi sóng có hàm lƣợng chất khô cao đáng kể với thời gian sấy ngắn nhất và độ co rút cao.
Kết quả nghiên cứu cho thấy các đặc tính chất lƣợng của sản phẩm sẽ khác nhau tùy theo phƣơng pháp sấy đƣợc sử dụng.
Đối với tỏi, trong quá trình loại nƣớc, ngoại trừ màu sắc, không tìm thấy sự khác nhau đáng kể nào giữa ba phƣơng pháp sấy bằng không khí nóng, vi sóng và sấy hồng ngoại.
Junling Shi và các cộng sự, nghiên cứu quá trình sấy khô và các đặc tính chất lƣợng của quả việt quất tƣơi và việt quất ngâm đƣờng bằng bức xạ hồng ngoại, đã đƣa ra kết luận sấy bằng hồng ngoại cho sản phẩm có kết cấu vững chắc hơn, đồng thời thời gian sấy giảm so với sấy bằng không khí n ng. Đối với quả việt quất tƣơi, sấy bằng hồng ngoại ở 60oC thời gian sấy tiết kiệm đƣợc 40%. Hiệu quả khuếch tán ẩm
dao động từ 2.24 x 1010 m/s đến 16.4 x 1010 m/s ứng với quả tƣơi, từ 0.61 x 1010 m/s đến 3.84 x 1010 m/s ứng với quả ngâm đƣờng.
Zbicinski cùng các cộng sự, nghiên cứu kết hợp giữa máy sấy bơm nhiệt và bức xạ hồng ngoại vào việc sấy các vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ. Nghiên cứu này đã chứng minh sự kết hợp giữa sấy bơm nhiệt và gián đoạn bức xạ hồng ngoại làm dịch chuyển nhanh ẩm bề mặt ở giai đoạn đầu của quá trình sấy, giúp làm giảm thời gian sấy, và giảm ít nhất sự biến đổi xấu đối với chất lƣợng sản phẩm.
1.6. PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ SẤY TỐI ƢU 1.6.1. Phân tích lựa chọn thông số tối ƣu 1.6.1. Phân tích lựa chọn thông số tối ƣu
1.6.1.1. Nhiệt độ
Trong điều kiện độ ẩm không khí, vận tốc gi … không đổi thì tăng nhiệt độ của không khí sẽ làm tăng tốc độ làm khô. Nhiệt độ càng cao, lƣợng nƣớc trong nguyên liệu giảm càng nhiều, do đ nhiệt độ sấy cao thì tốc độ khô sẽ nhanh hơn. Vì vậy, chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nhiệt t1 và nguyên liệu t2 là động lực làm bay hơi nƣớc trong quá trình sấy:
( )
Trong đ :
dW : Là lƣợng nƣớc bay hơi dτ : Thời gian sấy
K : Hệ số bay hơi
t1, t2: Nhiệt độ sấy và nhiệt độ nguyên liệu
Khi tăng nhiệt độ cũng chỉ tăng trong một giới hạn cho phép. Vì nhiệt độ làm khô cao sẽ ảnh hƣởng lớn tới chất lƣợng của sản phẩm, dễ làm cho sản phẩm nứt nẻ, tạo màng cứng ở bề mặt cản trở sự di chuyển của nƣớc từ trong ra ngoài.
Nhƣng nếu nhiệt độ quá thấp, dƣới giới hạn cho phép sẽ làm kéo dài thời gian sấy gây ra sự biến đổi trong vật liệu sấy, quá trình thối rửa sẽ xảy ra. Nhiệt độ làm khô
thích hợp đƣợc xác định dựa vào nhiều yếu tố khác nhau, trong đ loại nguyên liệu tác động rất lớn đến việc lựa chọn chế độ sấy thích hợp.
1.6.1.2. Vận tốc chuyển động của không khí
Tốc độ chuyển động của không khí có ảnh hƣởng lớn đến quá trình làm khô, tốc độ gió quá lớn hoặc quá nhỏ sẽ không có lợi cho quá trình làm khô. Nếu tốc độ chuyển động không khí lớn khó giữ đƣợc nhiệt lƣợng trên nguyên liệu để cân bằng quá trình sấy. Ngƣợc lại tốc độ nhỏ sẽ làm cho quá trình làm khô chậm lại, dẫn đến sự hƣ hỏng sản phẩm do quá trình biến đổi của vi sinh vật, cũng hƣ các enzyme nội tại.
Hƣớng gi cũng ảnh hƣởng tới quá trình làm khô, khi hƣớng gió thổ song song với bề mặt nguyên liệu thì tốc độ khô nhanh nhất. Nếu hƣớng gió thổi tới nguyên liệu với g c 45 độ thì quá trình làm khô tƣơng đối chậm, còn th ng góc thì hiệu quả làm khô kém.
1.6.1.3. Độ ẩm không khí
Độ ẩm của không khí qua buồng sấy ảnh hƣởng quyết định đến quá trình làm khô. Độ ẩm không khí càng lớn thì quá trìh làm khô sẽ chậm do tốc độ khuếch tán ngoại chậm, gây ra sự biến đổi chất lƣợng dƣới tác động của vi sinh vật. Độ ẩm không khí 80% thì quá trình làm khô sẽ dừng lại và xảy ra hiện tƣợng trái ngƣợc, tức là nguyên liệu sẽ hút ẩm.
Làm khô tự nhiên kh đạt đƣợc độ ẩm tƣơng đối của không khí (50% - 60%), để làm cho không khí c độ ẩm thích hợp cần tiến hành tách ẩm bằng cách hạ nhiệt độ không khí xuống dƣới nhiệt độ đọng sƣơng, hơi nƣớc sẽ ngƣng tụ, đồng thời hàm ẩm tuyệt đối của không khí cũng hạ xuống thấp. Nhƣ vậy để làm khô không khí ngƣời ta áp dụng phƣơng pháp làm lạnh.
1.6.1.4. Khoảng cách từ nguồn bức xạ tới vật liệu sấy
Ở cùng nhiệt độ sấy và các điều kiện sấy khác thì khi khoảng cách từ nguồn bức xạ tới vật liệu sấy tăng lên thì sự biến đổi hàm ẩm chậm hơn, tốc độ sấy cũng nhỏ hơn vì vậy thời gian gian sấy kéo dài làm ảnh hƣởng chất lƣợng sản phẩm sấy, hoạt động
của vi sinh vật và enzyme nội tại. Do khoảng cách xa thì khả năng xuyên thấu kém, sự hấp thu năng lƣợng bức xạ kém nên vật liệu sấy chậm tăng nhiệt độ làm cho quá trình thoát ẩm diễn ra chậm chạp.
Khi ở khoảng cách gần thì hấp thụ năng lƣợng bức xạ tốt hơn, làm tăng nhiệt độ của vật liệu sấy nhanh hơn làm cho quá trình bốc hơi ẩm mãnh liệt, dẫn đến tốc độ sấy nhanh, thời gian sấy giảm. Tuy nhiên, nếu khoảng cách quá gần thì trƣờng nhiệt độ không đều, làm giảm khả năng hấp thụ của vật, làm chai bề mặt cục bộ, ảnh hƣởng tới chất lƣợng cảm quan của sản phẩm.
1.6.2. Hàm mục tiêu và xác định miền tối ƣu của các thông số 1.6.2.1. Hàm mục tiêu 1.6.2.1. Hàm mục tiêu
Tối ƣu h a chế độ sấy có các mục tiêu là: tìm ra chế độ sấy tối ƣu mà ở đ ta đạt đƣợc các hiệu quả nhƣ: thời gia sấy ngắn, khối lƣợng ẩm tách ra trên mộ đơn vị thời gian lớn nhất, chất lƣợng sản phẩm cao. Mà chế độ sấy phụ thuộc vào sự thay đổi của cá yếu tố nhƣ nhiệt độ, khoảng cách từ nguồn bức xạ tới nguyên liệu, vận tốc gió trong buồng sấy, kích thƣớc nguyên liệu,…Nhƣng trong phạm vi nghiên cứu, ta chỉ nghiên cứu sự ảnh hƣởng của nhiệt độ, vận tốc gió và khoảng cách bức xạ trên cùng một điều kiện đ là cùng kích thƣớc nguyên liệu, độ ẩm không khí và đƣợc tiến hành trên máy sấy hồng ngoại kết hợp sấy lạnh bơm nhiệt. Ba yếu tố đƣợc tiến hành nghiên cứu là các thông số quyết định đến hàm mục tiêu của quá trình sấy
Hàm mục tiêu của đối tƣợng nghiên cứu đƣợc biểu diễn nhƣ sau: W = f(tTNS, vTNS, hBX)
1.6.2.2. Miền tối ƣu của các thông số
Giá trị tối ƣu của các thông số, vận tốc không khí trong buồng sấy, khoảng cách từ nguồn bức xạ tới nguyên liệu sẽ nằm trong một miền giá trị nhất định của dải thông số làm việc. Để hạn chế số thí nghiệm và tăng độ chính xác của kết quả tìm thông số tối ƣu ta sẽ phân tích lý thuyết và tiến hành làm thí nghiệm để xác định miền giá trị mà các thông số tối ƣu rơi vào càng hẹp càng tốt.
Tiến hành thí nghiệm để xác định miền thông số tối ƣu dựa vào một số đề tài nghiên cứu trƣớc liên quan đến sấy bức xạ, sấy lạnh từ đ đƣa ra miền nghiên cứu.
CHƢƠNG 2 ĐỐI TƢỢNG, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Hành lá tƣơi sau khi thu hoạch tại Diên Toàn, Diên Khánh, Khánh Hòa, đƣợc đem về phòng thí nghiệm, tiến hành xử lý trƣớc khi đƣa vào quá trình sấy.
Vị trí trong hệ thống phân loại khoa học nhƣ sau: Giới: Plantae
Bộ: Asparagales Họ: Alliaceae Chi: Allium
Loài: A. fistulosum
Tên tiếng Anh: Welsh onion,green onion,bunching onion vàscallion.
2.2. THIẾT BỊ SẤY HỒNG NGOẠI KẾT HỢP SẤY LẠNH 2.2.1. Cấu tạo 2.2.1. Cấu tạo
1: Quạt ly tâm 1 2: Đèn hồng ngoại 2 3: Sản phẩm
4: Giá đỡ nguyên liệu 4 5: Quạt gió 6: Dàn ngƣng 7: Dàn lạnh 8: Chân thiết bị Không khí 5 6 7 vào 8
Hình 2.3 Sơ đồ máy sấy bơ nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại
Tủ sấy kết hợp gồm hai phần chính:
Phần máy lạnh có nhiệm vụ tạo ra không khí lạnh c độ ẩm tuơng đối thấp. Sau đ