1.5.1. Mục đích, nguyên lý và bản chất quá trình sấy [12]
1.5.1.1. Mục đích
Nhằm giảm độ ẩm của nguyên liệu để tăng sự ổn định vi sinh vật và thời hạn sử dụng, giảm chi phí vận chuyển và lưu trữ.
1.5.1.2. Bản chất quá trình sấy
Trong quá trình sấy xảy ra sự trao đổi nhiệt và trao đổi chất giữa bề mặt nguyên liệu sấy và môi trường sấy. Cơ chế thoát ẩm ra khỏi nguyên liệu sấy là quá trình khuếch tán ngoại và khuếch tán nội.
1.5.2. Các giai đoạn của quá trình sấy [12]
1.5.2.1. Giai đoạn làm nóng vật liệu sấy
Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật liệu vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng, toàn bộ vật liệu sấy được gia nhiệt. Quá trình tăng nhiệt độ lớn dần từ bên ngoài vào trong vật liệu sấy. Do năng lượng liên kết của nước nhỏ vì vậy đường cong tốc độ sấy và đường cong sấy là một đường cong lồi.
1.5.2.2. Giai đoạn sấy đẳng tốc
Là giai đoạn ẩm bay hơi ở nhiệt độ không đổi, do sự chênh lệch giữa nhiệt độ của vật liệu sấy và nhiệt độ của môi trường không khí xung quanh không đổi nên tốc độ sấy không đổi. Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng ở bên trong vật liệu sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật liệu để hóa hơi. Ẩm thoát ra trong giai đoạn này là ẩm liên kết cơ lý và hóa lý. Do đó, đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy trong giai đoạn này là một đường thẳng.
Hình 1. 10. Đồ thị đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy
21 1.5.2.3. Giai đoạn sấy giảm tốc
Ở giai đoạn cuối thì hàm lượng nước còn lại trong nguyên liệu ít và chủ yếu là nước liên kết do đó năng lượng liên kết lớn. Vì vậy, việc tách ẩm cũng khó khăn hơn và cần năng lượng lớn hơn nên đường cong là phụ thuộc vào dạng liên kết ẩm trong vật liệu và tùy thuộc vào dạng vật liệu sấy. Độ ẩm của vật liệu cuối quá trình sấy phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường không khí xung quanh.
1.5.3. Cơ chế thoát ẩm khỏi vật liệu trong quá trình sấy [1]
Quá trình làm khô là một quá trình hết sức phức tạp. Nếu quá trình cung cấp nhiệt ngừng lại thì quá trình làm khô sẽ dừng lại. Do đó, khi làm khô vật liệu phải được cung cấp một lượng nhiệt nhất định.
Nhiệt cung cấp cho vật liệu Q được đưa tới bằng ba phương thức: bức xạ, truyền dẫn và đối lưu.
Sự cân bằng nhiệt khi làm khô được biểu thị:
Q = q1 + q2 + q3 (1.1)
Q: nhiệt lượng cung cấp cho nguyên liệu (J)
q1: nhiệt lượng làm cho các phân tử hơi và hơi nước tách ra trong nguyên liệu (J) q2: nhiệt lượng để cắt đứt các mối liên kết giữa nước và protein trong nguyên liệu (J) q3: nhiệt lượng dùng làm khô các tổ chức tế bào (J)
Trong quá trình làm khô nước ở trong vật liệu chuyển dần ra ngoài và đi vào trong không khí làm cho không khí xung quanh ẩm lên nếu không khí ẩm đó đứng yên thì chỉ đến một lúc nào đó quá trình làm khô sẽ dừng lại.
Quá trình chuyển ẩm trong vật liệu sấy bao gồm hai quá trình đó là quá trình khuếch tán ngoại và khuếch tán nội.
1.5.3.1. Quá trình khuếch tán ngoại
Là sự dịch chuyển của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu vào không khí. Lượng nước bay hơi trong quá trình khuếch tán ngoại thực hiện được dưới điều kiện áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt nguyên liệu lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí [7].
22 1.5.3.2. Quá trình khuếch tán nội
Là quá trình chuyển động của nước trong nguyên liệu từ lớp này sang lớp khác để tạo độ cân bằng ẩm trong bản thân 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. Nếu sự chênh lệch ẩm càng lớn tức gradien độ ẩm càng lớn thì tốc độ khuếch tán nội càng nhanh [7].
1.5.3.3. Mối quan hệ giữa khuếch tán nội và khuếch tán ngoại
Khuếch tán nội và ngoại có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, khi quá trình khuếch tán ngoại xảy ra thì quá trình khuếch tán nội mới được tiếp tục. Do đó, độ ẩm trong nguyên liệu sẽ được giảm dần. Nếu khuếch tán nội lớn hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ nhanh, nhưng điều đó thì ít có. Khuếch tán nội của nước trong nguyên liệu thường nhỏ hơn tốc độ bay hơi trên bề mặt. Khi khuếch tán nội nhỏ hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ bị gián đoạn [12].
Trong quá trình làm khô, ở giai đoạn đầu lượng nước trong nguyên liệu nhiều, sự chênh lệch về độ ẩm lớn, vì vậy khuếch tán nội thường phù hợp với khuếch tán ngoại, do đó tốc độ sấy tương đối nhanh. Nhưng ở giai đoạn cuối thì lượng nước còn lại trong nguyên liệu ít, tốc độ bay hơi mặt ngoài nhanh mà tốc độ khuếch tán nội lại chậm, vì vậy tốc độ làm khô ở lớp ngoài nhanh sẽ tạo thành một màng cứng làm ảnh hưởng rất lớn cho quá trình khuếch tán nội. Do đó, ảnh hưởng đến quá trình làm khô của nguyên liệu. Sự dịch chuyển của nước trong quá trình làm khô trước hết là nước tự do, sau đó mới đến nước kết hợp. Trong suốt quá trình làm khô, lượng nước tự do luôn giảm xuống.
Còn ở thời kì đầu lượng nước kết hợp tăng lên làm khối lượng nguyên liệu giảm. Nước tự do dịch chuyển ở 2 trạng thái lỏng và hơi. Nước kết hợp dịch chuyển bằng trạng thái hơi còn nước thẩm thấu và nước liên kết dịch chuyển bằng trạng thái lỏng. Độ ẩm càng giảm thì sự chuyển động của nước chuyển dần sang trạng thái hơi.
1.5.4. Các phương pháp sấy trong công nghệ thực phẩm 1.5.4.1. Phương pháp sấy tự nhiên
Là phương pháp làm khô thực phẩm nhờ ánh sáng mặt trời trực tiếp không đốt nóng thêm hay còn gọi là phương pháp phơi.
Ưu điểm: Thực hiện dễ dàng, tận dụng được nguồn năng lượng tự nhiên.
Nhược điểm: Thời gian sấy kéo dài, quá trình sấy không ổn định do phải phụ thuộc vào thời tiết; Không điều chỉnh được độ ẩm, vệ sinh không tốt.
23 1.5.4.2. Phương pháp sấy nhân tạo
Là phương pháp sấy khô thực phẩm nhờ các tác nhân sấy đã đốt nóng, hoặc khói lò thường dùng không khí nóng.
Ưu điểm: Thời gian sấy ít kéo dài và có thể điều chỉnh được thời gian; Ổn định không phụ thuộc vào thời tiết; Điều chỉnh được độ ẩm cuối của sản phẩm; Chất lượng vệ sinh được đảm bảo.
Nhược điểm: Tốn kém năng lượng chi phí; Sản phẩm dễ bị biến màu và bị ôxy hóa Trong phương pháp sấy nhân tạo có nhiều phương pháp sấy khác nhau như: sấy bằng bức xạ hồng ngoại hoặc hồng ngoại kết hợp lạnh; sấy bằng dòng điện cao tầng, sấy tầng sôi, sấy chân chân không thăng hoa.
1.5.4.3. Sấy vi sóng
Sơ đồ cấu tạo của lò sấy vi sóng [17]
Lò vi sóng có cấu tạo gồm 4 bộ phận chính:
Máy phát sóng cao tần (magnetron)- nguồn phát sóng
Mạch vi điều khiển (miicrocontronller)
Ống dẫn sóng (waveguide)
Buồng nấu
Nguyên lý làm việc [17]
Sóng vi ba được tạo ra từ một bộ dao động điện từ và được khuếch đại nhờ magnetron hoạt động như một đèn điện tử 3 cực. Năng lượng (sóng vi ba) từ máy phát
Hình 1. 11. Sơ đồ cấu tạo của lò vi sóng
24
(magnetron) được truyền theo ống dẫn sóng đến quạt phát tán (phía trên nóc lò) để đưa sóng ra mọi phía. Ở giữa lò các sóng phân tán đều đặn nhờ sự phản chiếu của sóng lên thành lò. Thức ăn được đốt nóng bởi các phân tử nước.
Sự đốt nóng chia ra làm hai giai đoạn:
Nước chứa trong thức ăn được hâm nóng bằng các sóng cực ngắn
Nước nóng sẽ truyền nhiệt cho các phần khác của thức ăn.
Ưu, nhược điểm của sấy vi sóng:
Ưu điểm: Thời gian sấy ngắn; chất lượng sản phẩm cao Nhược điểm: Năng suất sấy thấp
1.5.4.4. Phương pháp sấy chân không thăng hoa (đông khô)
Phương pháp sấy chân không thăng hoa là quá trình tách ẩm ra khỏi nguyên liệu trực tiếp từ trạng thái rắn qua trạng thái hơi không qua trạng thái lỏng.
Phương pháp sấy thăng hoa là một phương pháp sấy hiện đại được ứng dụng trong công nghệ để sấy các nguyên liệu quí, các loại nguyên liệu ở thể keo, keo xốp khó sấy.
Phần lớn các nguyên liệu nhạy cảm với nhiệt thường được đưa vào sấy thăng hoa để hạn chế tối đa sự giảm bớt chất lượng của sản phẩm.
Ưu điểm của phương pháp sấy thăng hoa là: Do được đông kết nên thể tích và hình dạng của sản phẩm gần như được giữ nguyên so với lúc ban đầu. Chất lượng của sản phẩm giảm rất ít. Tuy nhiên, cấu tạo của thiết bị quá phức tạp và chi phí giá thành quá cao nên ứng dụng của phương pháp sấy thăng hoa còn hạn chế.
Sản phẩm sau khi sấy thăng hoa rất háo nước nên cần phải được bảo quản trong các bao bì chống ẩm để tránh sự hút nước trở lại và sự ôxy hóa xảy ra.
25