1.3.1. Khái niệm về sấy
Sấy là một phương pháp bảo quản thực phẩm đơn giản, an toàn và dể dàng. Sấy làm giảm độ ẩm của thực phẩm đến mức cần thiết do đó vi khuẩn, nấm mốc và nấm men bị ức chế hoặc không phát triển và hoạt động được, giảm hoạt động các enzyme, giảm kích thước và trọng lượng của sản phẩm.
Quá trình sấy là quá trình làm khô các vật thể, các sản phẩm bằng phương pháp bay hơi nước. Như vậy, quá trình sấy khô một vật thể diễn biến như sau:
Vật thể được gia nhiệt để đưa nhiệt độ lên đến nhiệt độ bão hòa ứng với phân áp suất của hơi nước trên bề mặt vật thể. Vật thể được cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm.
1.3.2 Sự khuếch tán nước trong nguyên liệu Quá trình khuếch tán ngoại Quá trình khuếch tán ngoại
Khuếch tán ngoại là sự dịch chuyển của hơi nước từ bề mặt nguyên liệu vào không khí ẩm mà động lực của nó là sự chênh lệch áp suất của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu với áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm, sự chêch lệch đó là ∆P = E – e. Lượng nước bay hơi tỷ lệ thuận với ∆P, bề mặt bay hơi và thời gian làm khô.
Tốc độ bay hơi được biểu diễn như sau: dN = B(E-e).F.dt Trong đó: N là lượng nước bay hơi (kg)
F là diện tích bề mặt bay hơi (m2) t là thời gian bay hơi (h)
B là hệ số bay hơi
E là áp suất hơi nước trên bề mặt nguyên liệu (mmHg)
e là áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm (mmHg) Như vậy để tăng lượng ẩm bay hơi trong quá trình làm khô thì :
_ Tăng diện tích bề mặt bay hơi bằng cách làm giá đỡ nguyên liệu ở dạng lưới để ẩm có thể bay hơi cả phía trên và phía dưới
_ Tăng E bằng cách tăng nhiệt độ của nguyên liệu hoặc tăng nhiệt độ của tác nhân sấy. Phương pháp này chỉ áp dụng cho những nguyên liệu chịu được nhiệt độ cao. _ Giảm e bằng cách làm lạnh không khí xuống dưới nhiệt độ đọng sương để tách một lượng hơi nước trước khi vào thiết bị gia nhiệt để sấy. Khi sấy ở nhiệt độ không cao thì áp suất của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu bé nhưng áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm cũng bé nên hạn chế được sự giảm động lực của quá trình sấy. Nếu so với phương pháp sấy bằng không khí nóng ở cùng một nhiệt độ thì sấy lạnh sẽ có ∆P = E – e lớn hơn nên thời gian sấy và chất lượng sản phẩm sẽ tốt hơn.
Quá trình khuếch tán nội
Khuếch tán nội là quá trình chuyển dịch của hàm ẩm trong nguyên liệu ra bề mặt ngoài của nguyên liệu. Động lực của quá trình khuếch tán nội là sự chênh lệch
về độ ẩm giữa các lớp bên trong và bên ngoài nguyên liệu. Nếu sự chênh lệch về độ ẩm càng lớn tức là gradien độ ẩm lớn sẽ làm cho tốc độ khuếch tán nội càng nhanh. Tốc độ khuếch tán nội được biểu diễn như sau:
dx dc F K dt dW . . − =
Trong đó: W: lượng nước khuếch tán (kg) t : thời gian khuếch tán (h) K : hệ số khuếch tán
F : diện tích bề mặt khuếch tán (m2) dc/dx : gradien nồng độ ẩm
Sự di chuyển ẩm trong quá trình làm khô, trước tiên là ẩm tự do sau đó là ẩm liên kết hóa lý. Ẩm di chuyển trong nguyên liệu có thể bằng hai hình thức là ở thể lỏng hoặc thể hơi, điều này phụ thuộc vào sự liên kết ẩm. Ẩm liên kết hấp phụ khuếch tán dưới dạng hơi, ẩm liên kết thẩm thấu, kết cấu và tự do sẽ khuếch tán ở dạng lỏng
Mối quan hệ giữa khuếch tán nội và khuếch tán ngoại
Khuếch tán nội và khuếch tán ngoại có mối quan hệ qua lại với nhau, tức khi khuếch tán ngoại được tiến hành thì khuếch tán nội mới có thể tiếp tục và như thế độ ẩm nguyên liệu mới được giảm dần. Nếu cường độ khuếch tán nội nhanh hơn cường độ khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi nước trong nguyên liệu sẽ nhanh hơn, tuy nhiên điều này ít xảy ra. Nếu cường độ khuếch tán nội bé hơn khuếch tán ngoại thì bề mặt của nguyên liệu dễ 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 có ủ ẩm.
Trong quá trình sấy ở giai đoạn đầu khi hàm nước trong nguyên liệu nhiều làm cho sự dịch chuyển ẩm lớn nên cường độ khuếch tán nội thường phù hợp với cường độ khuếch tán ngoại và lượng ẩm thoát ra được nhiều, vì vậy ở giai đoạn này có thể tăng vận tốc chuyển động của không khí để tăng khả năng dịch chuyển ẩm.
Nhưng vào giai đoạn cuối của quá trình sấy, khi hàm nước trong nguyên liệu còn ít trong khi đó cường độ bay hơi ở mặt ngoài nhanh mà cường độ khuếch tán nội bé nên bề mặt dễ tạo màng cứng làm ảnh hưởng xấu đến quá trình khuếch tán nội. Chính vì vậy ở giai đoạn sấy giảm tốc nên hạn chế cường độ khuếch tán ngoại bằng cách giảm vận tốc chuyển động của không khí.
1.3.3 Tìm hiểu về sấy hồng ngoại.
a. Khái niệm sấy bức xạ hồng ngoại:
Sấy bức xạ hồng ngoại là phương pháp sấy vật liệu ẩm bằng nguồn nhiệt hồng ngoại. Năng lượng các tia hồng ngoại xuyên vào và hấp thụ trong thể tích vật liệu làm thay đổi trường nhiệt độ.
Tia hồng ngoại có bước sóng 0.76 ÷ 340µm phát tia bức xạ mà vật liệu ẩm có khả năng hấp thụ nhiều, nhưng việc chọn nguồn bức xạ để sấy cần liên hệ đến
đặc tính phổ quang học của vật liệu ẩm và các yêu cầu công nghệ xử lý vật liệu. Khi vật liệu quá ẩm thì khả năng phản xạ của các tia có thể mạnh hơn khả
năng hấp thụ thì phải thay đổi khoảng bước sóng cho thích hợp. Nhiệt độ của vật phát xạ có thể tính theo công thức:
λmax =
T
2886
Dựa vào λmax có thể tính được khoảng bước sóng cần thiết dùng để sấy: Vật phát xạ là thạch anh:λ1 =0,5 λmax; λ2 =4,3 λmax
Vật phát xạ là dây wonfram: λ1 =0,52 λmax; λ2 =4,27 ÷6,2.10-4T
Nếu sử dụng đèn hồng ngoại có công suất 250W thì thấy nhiệt độ sát bóng có thể đạt 163 ÷ 1650C, khi đó : λmax = 6,6 273 164 2886 = + µm
Bước sóng mà đèn hồng ngoại phát ra: λ1 =0,5 λmax= 0,52 * 6,6 =3,43µm λ2 = 4,27 – 6,2.10-4*(164+273) = 4µm
Vậy, qua thực nghiệm cho thấy các tia hồng ngoại có bước sóng λ = 3 ÷ 12µm thì cho khả năng hấp thụ của vật liệu ẩm là lớn nhất.
b.Cơ chế sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại.
Vật liệu sấy khô trong công nghiệp thực phẩm thường được cấu tạo chủ yếu bởi các chất hữu cơ và nước, phổ hấp thụ năng lượng bức xạ của nước và các chất hữu cơ là khác nhau.
Ở mỗi bước sóng nhất định, chất hữu cơ sẽ trở thành “ vật trong suốt” – không hấp thụ năng lượng bức xạ hồng ngoại mà nước sẽ trở thành “ vật đen” – hấp thụ năng lượng bức xạ hồng ngoại tối đa. Do đó khi chiếu hồng ngoại có bước sóng nằm trong khoảng 2.5- 3.5 µm tương ứng với bước sóng mà nước có thể hấp thụ tối đa năng lượng bức xạ. Kết quả là các phân từ nước sẽ dao động mạnh tạo ma sát và sinh nhiệt rất lớn.
Mặt khác, dưới tác động của năng lượng bức xạ phân tử nước dễ dàng bị phân ly thành các ion H+ và OH- nên làm cho ẩm trong vật liệu sấy thoát ra rất nhanh. Lúc này, chiều chuyển động của dòng ẩm trùng với chiều chuyển động của dòng nhiệt ( từ trong vật liệu sấy đi ra ngoài bề mặt ) làm tăng quá trình khuếch tán nội, điều này trái ngược hẳn với các phương pháp gia nhiệt thông thường là dòng nhiệt di chuyển từ bề mặt vật liệu vào trong tâm vật liệu, còn ẩm thì di chuyển từ trong vật liệu ra ngoài bề mặt.
Người ta chứng minh được rằng, dưới tác dụng của bức xạ hồng ngoại có tần số tương ứng với tần số dao động riêng của liên kết hóa học, các nhóm chức có khả năng phản ứng cao như: -OH, -COOH,... sẽ tác dụng trực tiếp đến liên kết hóa học tạo ra tình huống cộng hưởng làm đứt các liên kết hóa học. Kết quả là luôn tăng nhanh vận tốc phản ứng và quá trình sấy lớp sơn phủ bóng tăng.
Tính ưu việt của công nghệ sấy bức xạ hồng ngoại
_ Sản phẩm thu được trong quá trình sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại không bị tổn thất về chất lượng, mùi vị, hàm lượng các vitamin được bảo toàn đồng thời sản phẩm lại được bảo đảm về mặt vệ sinh thực phẩm tốt.
_ Màu sắc, mùi vị, các vitamin được đảm bảo không bị thất thoát trong quá trình bảo quản sản phẩm.
_ Công nghệ sấy bức xạ gốm hồng ngoại cho phép tiết kiệm cả thời gian lẫn năng lượng. Phương pháp này hoàn toàn không gây nguy hiểm và sử dụng hóa chất, chất độc, quán tính diệt thấp.
_ Công nghệ sấy bức xạ gốm hồng ngoại có ý nghĩa kinh tế xã hội to lớn và tính thiết thực cao, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, sấy các loại hạt, rau quả, hạt giống để bảo quản và gieo trồng. Nhất là, trong lĩnh vực chế biến thủy sản công nghệ sấy này được ứng dụng để sấy cá, mực, tôm, các sản phẩm thủy sản có giá trị cao khác. Trong y học sử dụng công nghệ này sấy các đối tượng sinh học quan trọng như enzym, mô động thực vật, máu, protein đảm bảo được tính chất, sản phẩm đạt chất lượng vệ sinh cao.
− Gradien nhiệt độ và độ ẩm ở lớp sát bề mặt vật là cùng chiều, do đó tăng cường tốc độ khuếch tán nội dẫn tới tốc độ sấy tăng, tránh được quá nhiệt cục bộ và làm chai bề mặt sản phẩm trong quá trình sấy.
− Bức xạ hồng ngoại là một phương pháp gia nhiệt sạch sẽ, an toàn, vô hại đối với người và môi trường.
− Dễ dàng điều khiển theo khu vực hiệu suất sử dụng nhiệt cao.
− Chi phí vận hành lắp đặt thấp, không tốn diện tích mặt bằng.
− Đặc biệt bức xạ hồng ngoại có khả năng tiêu diệt côn trùng, vi sinh vật có hại ngay cả ở nhiệt độ thấp.
Nhược điểm
_ Tuy nhiên nhiệt bức xạ hồng ngoại có nhược điểm là khả năng xuyên thấu kém 7-30 mm nên chỉ thích hợp sấy các sản phẩm có kích thước nhỏ, mỏng và ở dạng rời.
_ Sản phẩm sấy dễ bị nứt và cong vênh, vì vậy các vật liệu như men sứ không thích hợp với kiểu sấy này.
a. Cơ chế sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp lạnh.
Cơ sở khoa học của sấy bức xạ bằng đèn hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh. Cơ chế sấy bằng bức xạ hồng ngoại
Rx Tia nhiệt Dx Trong đó: Rx: tia khả năng phản xạ Ax: tia hấp thụ
Dx: tia xuyên qua.
Khi các vật liệu bị chiếu xạ có sự tăng nhiệt độ là kết quả của sự hấp thụ bức xạ của vật chất và sự cải biến năng lượng thành tia dưới dạng lượng tử. Khi dó năng lượng tia được phân tử vật chất hấp thụ sẽ chuyển hoá đồng thời thành năng lượng một số dạng chuyển động của vật chất. Nhưng chủ yếu là chuyển từ quang năng thành nhiệt năng.
Trong vật thể tương đối đồng nhất, có chiều dày thích hợp được chiếu xạ, nếu vật liệu có tính hấp thụ bức xạ đèn hồng ngoại tốt thì bên trong vật liệu có thể tạo ra nhiệt độ tương đối cao so với bề mặt điều đó dẫn đến xuất hiện gradien nhiệt độ lớn. Các gradien nhiệt độ này gây ra quá trình chuyển khối trong các vật thể xuất hiện sự khuếch tán làm tăng nhanh quá trình loại ẩm ra khỏi vật liệu.
Phương pháp sấy vật liệu ẩm dựa trên việc nghiên cứu động lực học, quá trình vận chuyển và loại ẩm, việc xác định cuờng độ bức xạ cần thiết để tạo ra các điều kiện tối ưu cho quá trình sấy khi thấy rõ bản chất và đặt tính phổ của vật liệu, vận tốc sấy cho trước, sự phân bố của các hồng ngoại.
Cơ chế sấy bằng bức xạ hồng ngoại trước đây người ta cho rằng đó là quá trình truyền nhiệt thuần túy xảy ra mà không có sự biến đổi gì về phuơng diện lý
hoá tượng như quá trình chuyển khối và truyền nhiệt của ẩm khi sấy các vật liệu ẩm. Nhưng sau này nhiều công trình nghiên cứu, người ta chứng minh được rằng, ngoài các quá trình lý hoá thuần túy cải biến năng lượng tia thành nhiệt năng ra có thể phát sinh các phản ứng hoá học bên trong lớp vật liệu đối với trường hợp sấy khô khô các lớp sơn phủ bóng bề mặt vật liệu .
Như vậy nguyên liệu có khả năng hấp thụ lớn thì sấy bức xạ càng thích hợp. Các nguyên liệu có hệ số xuyên qua bé dẫn đến làm quăng bề mặt và làm quá nhiệt bề mặt. Để tránh hiện tượng trên thì nguyên liệu sấy phải có độ dày thích hợp.
Qua thực nghiệm cho thấy đối với một số thực phẩm và một số vật liệu khác, thì khả năng hấp thụ lớn nhất lớn nhất ở bước sóng tia hồng ngoại là:
λ= 0,77 ÷ 340µm
Cơ chế truyền nhiệt và chuyển khối trong sấy bức xạ
Nhiệt lượng cung cấp cho vật sấy nóng lên và làm ẩm bốc hơi được lấy từ năng luợng của các tia bức xạ .Vì vậy cường độ và đặc tính của quá trình truyền nhiệt và chuyển khối trong sấy bức xạ, được xác định bởi quang phổ bức xạ của vật phát ra bức xạ và khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ của vật liệu sấy. Trong sấy bức xạ người ta, dùng vật phát ra năng lượng bức xạ liên tục và cường độ cao thuộc vùng quang phổ hồng ngoại với bước sóng λ = 0,76 ÷ 450µm.
Bước sóng lớn nhất là λmax và cường độ quang phổ bức xạEλ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật phát năng lượng bức xạ.
Theo các định luật của Planck và Vin có quan hệ như sau:
ελC1 λ−5 E = e T C λ 2 - 1 Trong đó: ε1: độ đen C1 = 3,74.10-16 (W.m2) C1, C2: các hằng số Planck C2 = 1,44.10-2( m.oK)
Cường độ bức xạ được xác định theo định luật sau: E = ∫=∞ = λ λ 0Eλdλ= ε.Co ( 100 1 )4 Trong đó: ε: độ đen
Co: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối Co= 5,6687 (W.m-2.oK-4)
Dùng bóng đèn hồng ngoại để sấy sản phẩm
Bóng đèn phát ra tia hồng ngoại thường thấy là loại có công suất 220V - 250W và 220V - 500W. Cấu tạo dây dẫn điện và dây tóc bóng đèn, ở phía bên trong có một lớp thuỷ ngân để tập trung tia hồng ngoại và tia sáng, nâng cao hiệu suất của bóng đèn.
Hiệu suất sản sinh tia hồng ngoại của bóng đèn đạt 70% còn 30% thì chuyển thành ánh sáng nhìn thấy hoặc bị mất đi.
Diện tích chiếu của bóng đèn bé nhưng cường độ của tia hồng ngoại trong đơn vị diện tích thì rất lớn. Các bóng đèn sản sinh ra tia hồng ngoại là dòng điện đi qua yếu vì vậy nhiệt độ phát quang tuơng đối thấp. Vì nhiệt độ phát quang của bóng đèn tương đối thấp cho nên tổn thất do hiện tượng bốc hơi của dây tóc bóng đèn tương đối nhỏ đồng thời trong bóng đèn có khí trơ vì vậy sử dung tương đối bền, thường vào khoảng 5000 đến 6000 giờ.
1.3.4 Sấy đối lưu lạnh.
Là tách ẩm bằng không khí lạnh, ẩm tách ra từ bề mặt sấy cần được mang đi để duy trì khuếch tán ẩm từ trong ra bề mặt sản phẩm. Điều kiện để tách ẩm: không khí có độ ẩm nhỏ, tốc độ gió thích hợp cung cấp năng lượng cho quá trình.