DO AN CONG NGHE Thiết bị sấy

Ở nước ta, ngoài những thiết bị sấy được nhập khẩu nằm trong hệ thống thiết bị sản xuất chung hay các thiết bị sấy chuyên dùng được chế tạo hàng loạt, nhiều quá trình sản xuất sản phẩm c

LỜI NÓI ĐẦU

Thiết bị sấy được sử dụng rất rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp Hệ thống thiết bị sấy là khâu khá quan trọng trong dây chuyền công nghệ sản xuất sản phẩm

Để đưa các thiết bị sấy ứng dụng vào thực tế, việc thiết kế hệ thống sấy là việc đầu tiên và vô cùng quan trọng Ở nước ta, ngoài những thiết bị sấy được nhập khẩu nằm trong hệ thống thiết bị sản xuất chung hay các thiết bị sấy chuyên dùng được chế tạo hàng loạt, nhiều quá trình sản xuất sản phẩm cũng theo yêu cầu xây dựng các hệ thống sấy riêng đáp ứng cho từng trường hợp cụ thể, ví dụ: hệ thống sấy rau quả, thủy hải sản, nông lâm sản…Trường hợp này đòi hỏi phải thiết kế hệ thống sấy riêng phù hợp các yêu cầu đó Khi chúng ta chế tạo trong nước các thiết bị sấy chuyên dùng thì thiết kế là rất cần thiết

Chương I TỔNG QUAN TÀI LIỆU

I Tồng quan vật liệu

1 Giới thiệu

Chitin và chitosan là những polysaccarit có ứng dụng quan trọng trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, y dược và môi trường như: sản xuất glucosamin, chỉ khâu phẩu thuật, chất bảo vệ hoa quả, bảo vệ môi trường Chitin và chitosan được sản xuất

từ vỏ giáp xác như tôm, cua

Ở Việt Nam, giáp xác là nguồn nguyên liệu dồi dào chiếm 1/3 tổng sản lượng nguyên liệu thủy sản Trong công nghiệp chế biến thủy sản xuất khẩu tỷ lệ cơ cấu các mặt hàng đông lạnh giáp xác chiếm 70-80% công suất chế biến

Hàng năm các nhà máy chế biến đã thải bỏ một lượng phế liệu giáp xác khá lớn khoảng 70000 tấn/năm Chính lượng phế thải này đã gây ra hiện tượng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, gây ảnh hưởng lớn đến cuộc sống của người dân Việc sản xuất chitin, chitosan có nguồn gốc từ vỏ tôm, cua mang lại hiệu quả kinh tế cao và góp phần giải quyết lượng lớn rác thải rắn trong ngành chế biến thủy sản

2 Khái quát về chitin-chitosan

Chitin, chitosan là những polysaccarit tồn tại trong tự nhiên với sản lượng rất lớn( đứng thứ hai sau xenlulozo)

Trong tự nhiên chitin tồn tại trong cả động vật và thực vật Trong động vật chitin

là thành phần quan trọng của vỏ của một số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn Trong động vật bậc cao monome của chitin

là thành phần chủ yếu trong mô da giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da Trong thực vật chitin có trong thành phần nấm họ Zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ hàm lượng chitin chiếm khá cao, dao động từ 14-35% so với trọng lượng khô, vì vậy vỏ tôm cua, ghẹ là nguyên liệu chính để sản xuất chitin

Chitin lần đầu tiên được tìm thấy trong nấm bởi nhà khoa học người Pháp

Braconnot vào năm 1811, nó cũng được tách ra từ biểu bì của sâu bọ và được đặt tên

là chitin, có nghĩa là bao bọc bởi nhà khoa học người Pháp Odier vào năm 1823 Chất được khử acetyl từ chitin đã được khám phá bởi Roughet vào năm 1859, được đặt tên là chitosan bởi nhà khoa học người Đức Hoppe Seyler vào năm 1894 Chitosan là polymer hữu cơ tự nhiên duy nhất mang điện tích dương, điều này khiến chitosan có những thuộc tính đặc biệt hơn là nhóm amit của chitin Việc nghiên cứu

về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất hóa lý ứng dụng của chitosan được công bố từ những năm 30 của thế kỷ XX Những nước đã thành công trong lĩnh vực nghiên cứu

sản xuất chitosan là Nhật Bản, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Pháp Nhật Bản là nước đầu tiên trên thế giới năm 1973 sản xuất 20 tấn/năm

Trước đây, người ta thử chiết tách chitin từ thực vật biển nhưng nguồn nguyên liệu không đủ đáp ứng nhu cầu sản xuất, trữ lượng chitin phần lớn có nguồn gốc từ vỏ tôm cua Trong một thời gian, các chất phế thải này không được thu hồi mà thải ra ngoài gây ô nhiễm môi trường Năm 1977, Viện kỹ thuật Masachusetts Mỹ, khi tiến hành xác định giá trị của chitin và protein trong vỏ tôm cua đã cho thấy việc thu hồi các chất này có lợi nếu sử dụng trong công nghiệp Phần protein thu được sẽ dùng để chế biến thức ăn gia súc, còn phần chitin sẽ được dùng như một chất khởi đầu để điều chế các dẫn xuất có nhiều ứng dụng Ở nước ta, việc sử dụng hợp chất thiên nhiên này còn itw, vì chitin-chitosan dù dồi dào nhưng lại ở các nguồn phân tán quá rộng, hàm lượng chứa trong các nguồn ấy thường nhỏ, không đạt hiệu quả kinh tế Cả chitin và

chitosan đều rất khó tan trong các dung môi thông thường và các phản ứng hóa học nhằm biến tính chúng đều tốn kém và hiệu suất thấp

3 Cấu trúc hóa học của chitin- chitosan:

3.1 Cấu trúc của chitin:

Chitin là polisaccarit mạch thẳng, có thể xem như là dẫn xuất của xenlulozo, trong

đó nhóm (-OH) ở nguyên tử C(2) được thay thế bằng nhóm axetyl

amino(-NHCOCH3)(cấu trúc I) Như vậy chitin là

poli(N-axety-2-amino-2deoxi-β-D-glucopyranozo) liên kết với nhau bởi các liên kết β-(C-1-4) glicozit Trong đó các mắt xích của chitin cững được đánh số như của glucozo:

Hình

Tên gọi: poly(1-4)-2-axetamido-2-deoxy-β-D-Glucozo

Công thức phân tử: [C8H13O5N]n

Phân tử lượng: Mchitin=(203,09)n

Chitin có cấu trúc tinh thể rất chặt chẽ và đều đặn Bằng phương pháp nhiễu xạ tia

X, người ta chứng minh được chitin tồn tại ở 3 dạng cấu hình α, β, γ- chitin, các dạng này khác nhau về hướng sắp xếp của mỗi mắt xích N-axety-2-amino-2-deoxi-β-D-glucopyranozo

α- chitin phổ biến nhất trong tự nhiên, nó có mặt trong vỏ tôm, trong các loài nhuyễn thể, thức ăn cá voi, trong dây chằng, và vỏ của tôm hùm, cua Hiếm hơn là dạng β-chitin, nó được tìm ra trong protein của mực ống Còn γ-chitin thì rất hiếm 3.2 Cấu trúc hóa học của chitosan:

Chitosan là dẫn xuất đề axetyl hóa của chitin, trong đó nhóm (-NH2) thay thế nhóm(-COCH3) ở vị trí C(2)

Chitosan được cấu tạo từ các mắt xích D-glucozamin liên kết với nhau bởi các liên kết β-(1-4)-glicozit, do vậy chitosan có thể gọi là poly β-(1-4)-2-amino-2-deoxi-D-glucozo hoặc là poly β-(1-4)-D-glucozamin(cấu trúc III)

Hình

Poly(1-4)-2-amino-2-deoxy- β-D-glucose

Công thức phân tử:[C6H11O4N]n

Phân tử lượng: Mchitosan = (161,07)n

Qua cấu trúc hóa học của chitin và chitosan, ta thấy chỉ có một nhóm chức hoạt động là –OH (H ở nhóm hidroxyl bậc 1 linh động hớn H ở nhóm hidroxyl bậc 2 trong vòng 6 cạnh), còn chitosan có 2 nhóm chức hoạt động là –OH và –NH2, do đó dễ dàng tham gia phản ứng hóa học hơn chitin

4 Tính chất vật lý, hóa học, sinh học của chitin-chitosan

4.1 Tính chất vật lý của chitin-chitosan:

Chitin và chitosan là những polymer sinh học có khối lượng phân tử lớn

Chitin có hình thái từ nhiên ở dạng rắn, màu của vỏ giáp xác hình thành từ hợp chất của chitin( dẫn xuất của 4-xeton và 4,4’ di xeton- β-carotene), có màu trắng hoặc phớt hồng, dạng vảy hoặc dạng bột, không mùi, không vị, không tan trong nước, trong môi trường kiềm, axit loãng và dung môi hữu cơ khác như ete, rượu nhưng tan trong dung dịch đặc nóng của muối thioxianat liti( LiSCN) và thioxianat caxi [Ca(SCN)2] tạo thành dung dịch keo, nó cũng có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại có bước sóng 884-890 cm-1

Chitosan có màu trắng ngà hoặc màu vàng nhạt, tồn tại ở dạng bột hay dạng vảy,không màu, không mùi, không vị, nhiệt độ nóng chảy ở 309-311oC

Chitosan có tính kiềm nh, không tan trong nước nhưng hòa tan được trong dung dịch acid hữu cơ loãng như acid axetic, acid fomic, acid lactic tạo thành dung dịch keo nhớt

Giống như cellulose, chitosan là chất xơ, nhưng không giống chất xơ thực vật, chotosan có khả năng tạo màng, có các tính chất của cấu trúc quang học, chitosan có

khả năng tích điện dương do đó nó có khả năng kết hợp với những chất tích điện âm như chất béo, lipid, acid mật

Chitosan là chất có độ nhớt cao, độ nhớt của chitosan phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mức độ decacetyl hóa, khối lượng nguyên tử, nồng độ dung dịch, dộ mạnh của lực ion, pH và nhiệt độ

Tỷ trọng của chitin từ tôm và cua thường là 0.06 và 0.17 g/ml, điều này cho thấy chitin từ tôm xốp hơn từ cua, từ nhuyễn thể xốp hơn từ cua 2.6 lần Tỷ trọng của chitin và chitosan tuwg giáp xác rất cao(0,39g/cm3), nó phụ thuộc vào phương pháp chế biến, ngoài ra, mức độ deacetyl hóa cũng làm tăng tỷ trọng của chúng

4.2 Tính chất sinh học của chitosan:

Chitosan không độc, dùng an toàn cho người, có khả năng tự hủy sinh học Nó là chất mang lý tưởng trong hệ thống vận tải thuốc, không những sử dụng cho đường uống, tiêm, mà còn an toàn trong ghép mô

Chitosan có nhiều tác dụng sinh học đa dạng như: tính kháng nấm, tính kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau, kích thích sự phát triển tăng sinh của tế bào, cầm máu Ngoài ra nó cũng có tác dụng làm giảm cholesterol và lipid trong máu, hạ huyết áp, điều trị thận mãn tính, điều trị bệnh tiểu đường

4.3 Tính chất hóa học của chitin- chitosan;

Trong phân tử chitin- chitosan có chứa các nhóm chức –OH, -NHCOCH3, trong các mắt xích N-axetyl-D-glucozamin và nhóm –OH, nhóm –NH2 trong các mắt xích D-glucozamin có nghĩa chúng vừa là ancol vừa là amin, vừa là amit Phản ứng hóa học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thế N-, hoặc dẫn xuất thế O-, N-

Mặc khác chitin-chitosan là những polime mà các monome được nối với nhau bởi các liên kết β-(1-4)-glicozit; các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất hóa học như acid, bazo, tác nhân oxy hóa va fcacs enzym thủy phân

Chitin ổn định với các chất oxi hóa mạnh như thuốc tím, nước oxy già, nước giaven,

Khi đun nóng trong dung dịch NaOH đậm đặc (40%-50%), ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị mất gốc axetyl tạo thành chitosan:

Khi đun nóng trong acid HCl đậm dặc, ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị cắt mạch thu được glucosamin;

Phản ứng este hóa:

- Chitin tác dụng với HNO3 đậm đặc cho sản phẩm chitin nitrat

- Chitin tác dụng với anhidrit sunfunic trong piridin, dioxan và

N,N-dimetylanilin cho sản phẩm chitin sunfonat

- Chitosan phản ứng với acid đậm đặc tạo muối khó tan, tác dụng với iot trong môi trường H2SO4 cho phản ứng lên màu tím Chitosan tham gia phản ứng dễ dàng hơn so với chitin

5 Ứng dụng của chitin- chitosan:

5.1 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

a) Chất làm trong- ứng dụng trong sản xuất nước quả

Trong sản xuất nước quả việc làm trong là yêu cầu bắt buộc Thực tế hiện nay đang

sử dụng các chất làm trong như: gelatin, bentonite, kali cascinat, tannin, polyvinyl pirovinyl Chitosan là tác nhân loại bỏ đục, giúp điều chỉnh độ acid trong nước quả Đối với dịch quả táo, nho, chanh cam không cần qua xử lý pectin, sử dụng chitosan

để làm trong Đặc biệt nước táo, độ đục có thể giảm tối thiểu chỉ ở mức xử lý với 0.8 kg/m3 mà không gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng của nó Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng chitosan có ái lực lớn đối với các hợp chất pholyphenol như: catechin,

proanthocianydin, acid ciamic, dẫn xuất của chúng, những chất mà có thể biến màu nước quả bằng phản ứng oxy hóa

b) Ứng dụng làm màng bao( bảo quản hoa quả thực phẩm)

Lớp màng không độc bao quanh bên ngoài bao toàn bộ khu cư trú từ bề mặt khối nguyên liệu nhằm hạn chế sự phát triển vi sinh vật bề mặt- nguyên nhân gây hư hỏng thực phẩm

Chitosan cơ khả năng ức chế hoạt động của một số loại vi khuẩn như E.Coli Một

số dẫn xuất của chitosan diệt được một số loại nấm hại dâu tây, cà rốt, đậu và có tác dụng tốt trong bảo quản các loại rau quả có vỏ cứng bên ngoài Nó có thể dùng để bảo quản các loại thực phẩm tươi sống, đông lạnh khi bao gói chúng bằng các màng mỏng

dễ phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường

5.2 Ứng dụng trong y tế

a) Chỉ khâu phẩu thuật:

Đầu tiên chitin được phát hiện rằng có khả năng chữa lành vết thương Đến giữa những năm 1950 chỉ khâu phủ chitin đã được sử dụng, nó giảm thời gian chữa bệnh từ 35-50% Trong những năm 1970, các nhà nghiên cứu thuộc đại học

Delaware đã phát triển một phương pháp để quay sợi chitin tinh khiết những chỉ khâu chitin mới có thể được hấp thụ vào cơ thể Ngoài ra chitin được sử dụng băng cho vết bỏng, vết thương bề mặt, các thủ thuật ghép da,có tác dụng đáng kể trong việc chữa lành vết thương và giảm đau so với băng thông thường

- Sản xuất thuốc kháng virut

- Ứng dụng trong hệ dẫn thuốc

- Ứng dụng trong nhiệt trị ung thư.

- Ứng dụng trong chế tạo dung dịch gel kháng khuẩn

- Sử dung thực phẩm chức năng

5.3 Trong công nghiệp

Chitosan được ứng dụng rất nhiều trong sản phẩm chăm sóc tóc như dầu gội, dầu

xả và sản phẩm tạo nếp tóc, trong mỹ phẩm chăm sóc da, duy trì độ ẩm, tạo màng trên da đồng thời gắn kết các dưỡng chất cần thiết Một số ứng dụng khác như:

- Vải chịu nhiệt chống thấm

- Vải chitosan dùng cho may quần áo diệt khuẩn trong y tế

- Làm tăng độ bền của giấy

- Dùng làm thấu kính tiếp xúc

- Góp phần tăng tính bền của hoa vải

- Sử dụng trong sản xuất sơn chống mốc và chống thấm

- Dùng làm mực in cao cấp trong công nghệ in

- Tăng cường độ bám dính của mực in

II Tổng quan về phương pháp sấy

1 Bản chất về phương pháp sấy

Sấy là sự bốc hơi nước từ vật liệu ẩm vào không khí để làm khô đến một ẩm độ nào

đó nhờ quá trình truyền nhiệt từ tác nhân thường là chất khí

Quá trình sấy là quá trình làm khô một vật thể bằng phương pháp bay hơi

Là quá trình khuếch tán do chênh lệch ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu, hay nói cách khác là do chênh lệch áp suất hơi riêng phần ở bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh

Đối tượng của quá trình sấy là các vật ẩm – là những vật thể có chứa một số lượng chất lỏng nhất định Chất lỏng thường chứa trong vật ẩm là nước Một số ít vật ẩm chứa trong chất lỏng khác là dung môi hữu cơ… Qua định nghĩa ta thấy quá trình sấy yêu cầu các tác động cơ bản đến vật ẩm là:

 Cấp nhiệt cho vật ẩm, làm cho ẩm trong vật hóa hơi

 Lấy hơi ẩm ra khỏi vật và thải ra ngoài môi trường

Ở đây quá trình hóa hơi của ẩm trong vật là bay hơi nên có thể xảy ra ở bất kì nhiệt

độ nào

2 Phân biệt quá trình sấy với một số quá trình làm khô khác

Có một số quá trình có thể làm giảm ẩm trong vật thể nhưng không phải là quá trình sấy, đó là:

Vắt ly tâm là quá trình làm giảm ẩm của vật liệu bằng phương pháp cơ học Phương pháp này chỉ có thể làm cho ẩm tự do thoát ra khỏi vật

Cô đặc là phương pháp giảm ẩm của vật thể (dung dịch) bằng đun sôi Ví dụ cô đặc dung dịch đường, sữa…

Người ta có thể dùng phương pháp sấy phun để sấy dung dịch đường thành bột

đường, sấy dung dịch sữa thành sữa bột…Trong sấy phun người ta phun dung dịch thành hạt vô cùng nhỏ Các hạt nhỏ tiếp xúc với không khí nóng và ẩm bay hơi vào không khí Chất rắn trong dung dịch còn lại ta thu được dưới dạng bột

3 Phân loại quá trình sấy

Gồm hai loại chính:

 Sấy tự nhiên: Nhờ tác nhân chính là nắng và gió… Với phương pháp này thời gian sấy dài, tốn diện tích sân phơi, khó điều chỉnh và độ ẩm cuối cùng của vật liệu tương đối lớn, phụ thuộc vào thời tiết khí hậu

 Sấy nhân tạo: Quá trình cần cung cấp nhiệt, nghĩa là phải dùng đến tác nhân sấy như khói lò, không khí lò, hơi quá nhiệt… và nó được hút ra khỏi thiết bị sau khi sấy xong Quá trình sấy nhanh, đễ điều khiển và triệt để hơn sấy tự nhiên

Phân loại theo phương thức truyền nhiệt:

 Phương pháp sấy đối lưu: Nguồi nhiệt cung cấp cho quá trình sấy là nhiệt truyền từ môi chất sấy đến vật liệu sấy bằng cách truyền nhiệt đối lưu Đây là phương pháp được dùng rộng rãi hơn cả cho sấy hoa quả và sấy hạt

 Phương pháp sấy bức xạ: Nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy là thực hiện bằng bức xạ từ một bề mặt nào đó đến vật sấy, có thể dùng bức xạ thường hoặc bức xạ hồng ngoại

 Phương pháp sấy tiếp xúc: Nguồn cung cấp nhiệt cho vật sấy bằng cách cho tiếp xúc trực tiếp vật sấy với bề mặt nguồn nhiệt

 Phương pháp sấy bằng bằng điện trường dòng cao tần: Nguồn nhiệt cung cấp cho vật sấy nhờ dòng điện cao tần tạo nên điện trường cao tần trong vật sấy làm vật nóng lên

 Phương pháp sấy thăng hoa: Được thực hiện bằng cách làm lạnh vật sấy đồng thời hút chân không để cho vật sấy đạt đến trạng thái thăng hoacuar nước, nước thoát ra khỏi vật sấy nhờ quá trình thăng hoa

 Phương pháp sấy tầng sôi: Nguồn nhiệt từ không khí nóng nhờ quạt thổi vào buồng sấy đủ mạnh và làm sôi lớp hạt, sau một thời gian nhất định, hạt khô và được thoát ra ngoài

 Phương pháp sấy phun: Được dùng để sấy các sản phẩm dạng lỏng

Phân loại theo tính chất xử lý vật liệu ẩm qua buồng sấy:

 Sấy mẻ: Vật liệu đứng yên hay chuyển động qua buồng sấy nhiều lần, đến khi hoàn tất sẽ được tháo ra

 Sấy liên tục: Vật liệu được cung cấp liên tục và sự chuyển động của vật liệu

ẩm qua buồng sấy cũng sảy ra liên tục

Phân loại theo sự chuyển động tương đối giữa dòng khí và vật liệu ẩm:

 Loại thổi qua bề mặt vật liệu

 Loại thổi xuyên vuông góc với vật liệu

 Sấy tầng sôi: vận tốc dòng khí sấy nếu đủ lớn làm cho hạt lơ lững trong không khí

 Sấy khí động: vận tốc dòng khí lớn hơn đủ để vận chuyển vật liệu đi theo

4 Các loại thiết bị sấy:

4.1 Thiết bị sấy đối lưu

Thiết bị này sử dụng phương pháp sấy đối lưu Đây là phương pháp sấy thông dụng nhất Thiết bị sấy đối lưu bao gồm: thiết bị sấy buồng, thiết bị sấy hầm, thiết

bị sấy khí động, thiết bị sấy tầng sôi, thiết bị sấy tháp, thiết bị sấy thùng quay, thiết bị sấy phun…

a Thiết bị sấy thùng quay

Thiết bị sấy thùng quay dùng để sấy các vật liệu dạng hạt Khi sấy các vật liệu hạt cỡ nhỏ cần chọn tốc độ khí sao cho tránh bay vật liệu theo khí thoát Trong thiết bị sấy thùng quay thường không sử dụng tái tuần hoàn vì trong khí thoaát có bụi

Thiết bị sấy thùng quay là một thùng sấy hình trụ với một góc nghiêng xác định Trong thùng có các cánh xáo trộn, khi thùng quay thì vật liệu sấy chuyển động từ đầu này sang đầu kia và tác nhân sấy cũng vào đầu này, ra đầu kia

Ưu điểm:

 Quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt nhờ tiếp xúc tốt giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy

 Cường độ sấy lớn, có thể đạt 100kg ẩm bay hơi/m3h Thiết bị nhỏ gọn, có thể cơ khí và tự động hóa hoàn toàn

 Máy sấy thùng quay được đặc trưng bởi công suất lớn với mức tiêu thụ năng lượng thấp

 Được thiết kế với cơ cấu hợp lý, hoạt động than thiện với môi trường, ít tạo ô nhiễm

Nhược điểm: Vật liệu bị đảo trộn nhiều nên dễ tạo bụi do vỡ vụn Do đó trong nhiều trường hợp sẽ làm giảm chất lượng sản phẩm sấy

b Thiết bị sấy bức xạ