Bài giảng Kỹ thuật thu hồi và hoàn thiện sản phẩm: Chương 5 - Các phương pháp hoàn thiện sản phẩm

Bài giảng Kỹ thuật thu hồi hoàn thiện sản phẩm: Chương 5 tìm hiểu vầ các phương pháp hoàn thiện sản phẩm như: Phương pháp sấy phun; Phương pháp sấy đông khô; Phương pháp sấy khác như: sấy chân không và sấy tầng sôi. Mời quý thầy cô và các em cùng tham khảo!

2.4 PHƯƠNG PHÁP HOÀN THIỆN

SẢN PHẨM

5.1 Sấy phun (Spray drying)

5.2 Sấy đông khô (Freeze drying)

5.3 Phương pháp sấy khác

- Sấy chân không (Vacuum drying)

- Sấy tầng sôi (Fluid bed drying)

CHƯƠNG 5 CÁC PHƯƠNG

PHÁP HOÀN THIỆN SẢN PHẨM

Một số khái niệm

Khái niệm vật liệu sinh học

(biomaterial ) là vật chất liên quan

đến cơ thể sống hay chức năng

sống và hoạt động sống.

Sản phẩm sinh học

• Sản phẩm sinh học (bioproduct) được

định nghĩa là một vật liệu sinh học hay

là sản phẩm của quá trình chuyển hóa

khi sử dụng vi sinh vật, các thành phần

hay các chất có hoạt tính sinh học

Sấy vi sinh vật

• quá trình tách nước

• phản ứng khi nâng nhiệt độ sấy, tốc độ thoát ẩm

• cách dẫn truyền nhiệt

Đặc điểm cấu trúc

các dạng liên kết của phân tử nước

• vi sinh vật thuộc nhóm keo-mao dẫn-xốp :,,

nước dạng dung môi

nước tự do

nước liên kết

Hậu quả sau khi tách nước?

Biến đổi enzim

Biến đổi hóa học

Biến đổi hóa sinh

Biến đổi vật lý

Những biến đổi chính của sản phẩm sinh học

trong quá trình sấy

Hóa sinh Enzim Hóa học Vật lý

tế bào bị teo

(vi khuẩn,

nấm mốc)

Mất hoạt tính enzim và

vitamin

Giảm giá trị dinh dưỡng và hoạt tính protein,

hydratcacbon chất béo, chất kháng sinh,

thơm

Giảm các tính chất hữu ích (tính tan, tính hồi nước,

bị co lại, giảm khối lượng)

Hình dạng và kích thước tế bào

VSV so với phân tử protein

Loại vi sinh vậtmet Hình dạng KÍch thước

Vi khuẩn Hình cầu 0,5-4 m

Hình ống 2-20 m Hình sợi

Nấm mốc Hình cầu 10-40 đến 200m

Hình elip 9-15 x 5-10 m Hình sợi

Tảo Hình trứng 28-30 x 8-12 m

Hình sợi 4-8 m

Vi sinh vật-nhiệt độ

• Psychrophiles: grow -20o C, opt 15o C

• Mesophiles: 20-50 oC

• Thermophiles: >50 oC

Trạng thái tiềm sinh (anabiosis )

• là trạng thái tạm thời nhưng thuận

nghịch về chức năng được tạo ra do tác động của các yếu tố bên ngoài

Trong trạng thái này, tốc độ của các quá trình diễn ra chậm và nó lại trở lại hoạt động bình thường khi có đủ điều kiện trở lại

Các dạng tiềm sinh

• tiềm sinh khan (anhydrobiosis) –trong đó

gây ra bởi sự mất nước

• tiềm sinh lạnh (cryobiosis)- do nhiệt độ thấpvà sự đóng băng của nước,

• tiềm sinh thẩm thấu (osmobiosis)- nước bịtách khỏi tế bào do áp suất thẩm thấu

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời

gian sấy

Nguyên tắc chung chọn phương

pháp sấyCó 3 nhóm sản phẩm:

- VSV thuần khiết để tạo chủng khởi động, cần bảo quản lâu

- Các sản phẩm VSV và lên men cần bảo quản và duy trì hoạt tính vi sinh vật, cấu trúc sinh học (pesticides, active yeast, bacteria, biopreparations for environmental protection,

wastewater treatment

- VSV hay các SP lên men không có tính chất của sinh vật

sống nhưng không được ảnh hưởng đến tính chất hóa sinh và hóa học (Ex SCP) Single Cell Protein

Phân loại các thiết bị sấy

• Phương pháp nạp nhiệt: Đối lưu và tiếp xúc

• Dạng chất tải nhiệt: Không khí, khí và hơi

• Trị số áp suất trong phòng sấy: áp suất thường và

áp suất chân không

• Phương pháp tác động : tuần hoàn, liên tục

• Hướng chuyển động của vật liệu và chất tải nhiệt trong các máy sấy đối lưu: cùng chiều, ngược

chiều và với các dòng cắt nhau

• Kết cấu: Phòng, đường hầm, băng tải, tầng sôi,

sấy phun, thùng quay, thăng hoa, bức xạ nhiệt.

Giải pháp đảm bảo yêu cầu của

SPSH:

- Thực hiện ở điều kiện “mild”

- Sấy chân không hay sấy đông khô

- Áp dụng hệ thống nhiều bước

- Kỹ thuật đặc biệt dựa trên sự giảm thiểu hàmlượng nước trong vật liệu ban đầu

Cần biết trước khi sấy

• Độ ẩm của nguyên liệu và sản phẩm

• Độ nhớt

• Sức căng bề mặt

• Hệ số nhiệt dung

• Độ dẫn nhiệt

• Độ bền nhiệt

• Thành phần hóa học

Mục đích

❖Sấy các dạng dung dịch và huyền phù trong trạngthái phân tán nhằm tách ẩm ra khỏi vật liệu giúptăng độ bền và kéo dài thời gian bảo quản

❖- Sản phẩm của quá trình sấy phun là dạng bột mịn

- SP Thực phẩm: bột đậu nành, trứng, sữa)

- Các chế phẩm sinh học, dược phẩm như:

Dextran, enzymes, gamma globulin, huyếtthanh, tetracyclin, penicillin, dịch thủy phâncasein, vitamin,…

Nguyên lý

• Dung dịch cần sấy khô đã được cô đặc bằng

cách bốc hơi chân không, dưới áp suất nhất

định, đưa vào phần trên của thùng hình trụ

đáy côn và có tuy-e thích hợp để tạo tia liên

tục dưới dạng sương có đường kính 20-100

µm Ở ngang mức của tuy-e, một luồng khí

nóng (nhiệt độ không vượt quá nhiệt độ làmổn định sản phẩm đem sấy), được phóng vào

Các bộ phận chính:

1 buồng sấy phun

2 bộ phận nạp liệu là những vòi hoặc cơ cấu phun

3 hệ thống quạt

4 caloriphe để cấp nhiệt cho tác nhân sấy

5 bộ phận thu hồi sản phẩm sấy.

1 2

3

4

Sơ đồ Hệ thống sấy phun

Thời gian sấy phun?

T= K .W. D 2

m(Ta -Tg)

T- thời gian sấy, giây

λ -Nhiệt bốc hơi

W-hàm ẩm của sản

phẩm đem sấy

- Tỷ trọng của hạt khô

m -hệ số dẫn nhiệt không khí

=1,9 m2 / giờ/ độ

Ta - nhiệt độ không khí

T - nhiệt độ hạt sương

Phun sương

Ứng dụng

Sấy phun chế phẩm probiotic có sử dụng

các chất mang làm tác nhân bảo vệ:

- protein: skim milk (sữa tách béo), Gelatin

- polysacarit: Gum, Maltodextrin, tinh bột,

lactoza, trehalose,

Thông số kỹ thuật ( ví dụ)

• Nhiệt độ sấy đầu vào 80o C, đầu ra 48o C

• Dùng chất mang

protein: cacbohydrat tỷ lệ 1:1

• Sấy chân không ở bước 2 :

45o C, 10 mbar, 24 h

Sơ đồ hệ thống sấy phun kết hợp sấy tầng sôi sàng rung

Ưu điểm của công nghệ sấy phun

• Quá trình sấy nhanh, có thể điều khiển được

tỷ trọng sản phẩm

• Bột sau khi sấy có chất lượng cao, xốp, dễ hòatan, thuận tiện cho sử dụng và chế biến

• Dễ dàng lựa chọn các thông số chế độ sấy

• Vận hành liên tục và có thể tự động hóa hoàntoàn

• Áp dụng được cho các sản phẩm bền nhiệt và

Nhược điểm

• Lưu lượng tác nhân lớn,

• Chi phí cao trong khâu chuẩn bị nguyên liệu

sấy

• hệ thống phun có giá thành cao

• hệ thống có kích thước lớn, đặc biệt là khi sửdụng tác nhân sấy có nhiệt độ thấp

Ví dụ

• Sấy phun cho dịch quả chanh leo

• Sau khi rửa sạch, tách ruột và dung Na2CO3

điều chỉnh pH 4,5, bổ sung pectinex, giữ

40-45oC trong 3h Rồi lọc, tách hạt

• ĐK sấy phun: bổ sung maltodextrin, sấy nhiệtđộ kk nóng 145-185oC,

Buồng sấy phân bố hạt nhỏ dạng sương,

1.5.1010 giọt với tổng diện tích bề mặt lên tới

5.2 Sấy đông khô

➢Khái niệm

➢Bản chất quá trình sấy đông khô

➢Chi phí

➢Sơ đồ hệ thống

➢Các giai đoạn quá trình sấy

➢Ưu điểm và nhược điểm

Sấy đông khô là gì?

• Đông khô (Lyophilization) còn gọi là quá trìnhsấy lạnh đông (Freeze-drying), với ưu điểm làkhắc phục được các vấn đề ảnh hưởng tới

chất lượng sản phẩm mà quá trình sấy dịch

Sublimation is the freeze drying process in which solvents, such as water, pass directly from the solid

to the vapor state

The rate of sublimation is dependent on

temperature and pressure

Definition

Lyophilization is another word for freeze drying derived from the Greek words “solvent-loving.” Lyophilized

material is easily rehydrated.

Freeze Drying is the

process of removing

moisture from a frozen

product using vacuum.

Definition Freeze drying ( Lyophilization)

Bản chất quá trình sấy đông khô

• Sấy đông khô là quá trình làm lạnh đông mẫuở nhiệt độ -20 đến -160o C, sau đó làm bốc hơinước bên trong và bên ngoài tế bào dưới điềukiện chân không Độ chân không <0,05 mmHg và các mẫu đông khô thăng hoa nhanh

• Đối với tế bào VSV, sau 4-6 h, hơn 95% lượngnước tế bào bị loại bỏ Khả năng sống sót củatế bào cao Có thể sử dụng chất bảo vệ

Chi phí các phương pháp sấy so với

sấy đông khô

Sơ đồ hệ thống thiết bị

4 quá trình cơ bản

• Freezing

• Vaccum

• Heat

• Condensation

Các giai đoạn

• Giai đoạn 1: tiền lạnh đông

Vật liệu sấy chuyển trạng thái lỏng sang trạng thái rắn Cần làm lạnh SP tới nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ eutectic trước khi bốc hơi

• Giai đoạn 2: sấy thăng hoa sơ cấp Cần điều chỉnh áp

suất vì mẫu di chuyển từ vùng áp suất cao đến vùng có áp suất thấp hơn Nhiệt độ của SP cao hơn nhiệt độ của bình ngưng tụ Làm mất 90% hàm lượng nước

• Giai đoạn 3: sấy thứ cấp: làm mất nước liên kết Làm

Vacxin sởi

1 Đóng băng: giảm 5 đến -25oC trong 0,5 h

từ -25oC đến -40 oC với tốc độ 1oC/1 ph

Duy trì -40 oC đến -20 oC trong 3 h

2 Sấy sơ cấp: -40 oC đến -20 oC trong 1 giờ (

0.16 mbar)

Duy trì ở -20oC trong 8h

3 Sấy thứ cấp: -30o C/ 6h/ 0,005 mbar

Độ ẩm SP: 1,62-1,67%

• Product is stored in dry state –few stability

problems

• Product is dried without elevated temperature

• Good for oxygen and/or air sensitive drug

• Rapid reconstitution time

• Constituents of the dried material remain

homogenously dispersed

• Product is process in liquid form

• Sterility of product can be achieved and

• Volatile compounds may be removed by high

vacuum

• Single most expensive unit operation

• Stability problems associated with sterilization and sterility assurance of the dryer chamber and

aseptic loading of vials into chamber

• High energy costs 2-3 times more than other

methods

• Long process time

5.3 Các phương pháp sấy khác

5.3.1 Sấy chân không

5.3.2 Sấy tầng sôi

- Là quá trình tách ẩm của vật liệu sấy trong điều kiện chân không

- Sấy chân không phù hợp cho các vật liệu dễ bị biến đổi nhiệt nhưng thường mất thời gian sấy kéo dài 20-100 h.

- Có thể sử dụng sấy chân không liên tục và có thể đạt độ ẩm 1% ở 40 o C sau 10 phút

Nhiệt độ sôi 100 o C ở 0,1 MPa, ở 1 kPa- độ sôi là 7 o C

- sấy chân không giảm được sự oxy hóa vật liệu sấy

Ví dụ:

Sấy VK lactic bằng sấy chân không đảm bảo độ sống sót

5.3.1 SẤY CHÂN KHÔNG

Khái niệm

• Vacuum drying is performed under low

pressure conditions The heat transfer effect is produced by the convection or radiation

method The use of vacuum ensures a sparing effect on the product being dried due to the low values of drying temperatures

• vacuum drying of peppermint Vacuum drying was performed at temperatures ranging from

• In 2016, Zhi-Gang Chen, Xiao-Yu Guo, and Tao Wu proposed

a new technique for dehydrating carrot slices which used

ultrasound and vacuum drying methods The novel drying

technique involving a combination of ultrasound and vacuum dehydration was developed to shorten the drying time and

enhance the quality of carrot slices Carrot slices were dried

with ultrasonic vacuum (USV) drying and vacuum drying at

65 °C and 75 °C The duration of drying was dependent upon the drying technique and temperature As compared to vacuum drying, USV drying resulted in a 41–53% decrease in the

drying time The drying time for the USV and vacuum drying techniques at 75 °C was determined to be 140 and 340 minutes for carrot slices, respectively The dehydration rate, nutritional value (retention of β-carotene and ascorbic acid), color, and

textural properties of USV-dried carrot slices were found to be

Các phương pháp sấy ảnh hưởng đến

sự sống sót của vi khuẩn

5.3.2 Phương pháp sấy tầng sôi

• là một trong những kỹ thuật thông thường

dùng để sấy các hạt rắn Kỹ thuật này dựa

trên cơ sở dòng khí nóng chuyển động với

tốc độ cao mà tạo ra tầng sôi với đặc tính

chuyển khối và truyền nhiệt

• Các thông số kỹ thuật thiết bị sấy tầng sôi:

- Chiều cao vật liệu tầng sôi: 0,1-0,4 m

- Tốc độ dòng khí: 0,3-3,5 m/s (tùy thuộc vào

Sấy tầng sôi ( tiếp)

• Kích thước hạt 200µm-2mm

• Nếu có dư ẩm trên bề mặt hoặc quá dính thìcần hỗ trợ cơ học bằng các TB đảo trộn hoặcsàng rung

• So với sấy khay thì sấy tầng sôi tiết kiệm thờigian hơn do có sự tiếp xúc tích với tốc độ caogiữa khí nóng và vật liệu sấy

• Phương pháp kết hợp sấy tầng sôi với hệ

thống chân không được áp dụng phổ biến chocác sản phẩm dễ bị biến đổi do nhiệt độ

nhược điểm

• chênh lệch áp suất tương đối cao nên gây ra khí thổi áp lực cao;

• Hình dạng hạt bị giới hạn với hình cầu hay hình khối;

• Chiều cao của tầng sôi bị giới hạn bởi chiều cao tối

thiểu để đảm bảo tạo tầng sôi đồng nhất và chiều cao tối đa cho phép giảm áp suất

• Kích thước hạt bị giới hạn, vật liệu phân tán gây ra hiện tượng các vật liệu tinh và thô không tạo tầng sôi tốt;

• Khi chịu được tầng sôi kết tụ sẽ gây ra sự không ổn

Yếu tố ảnh hưởng

• Yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

trong quá trình sấy bằng khí nóng là

- sự oxi hóa

- ảnh hưởng của nhiệt độ

- ánh sáng, pH, hoạt độ nước

- Sự oxi hóa giảm tối thiểu khi aw = 0,3, ở giá trị0,5-0,8 thì tốc độ oxy hóa mạnh nhất

Advantages of Fluid Bed Dryer

1 Fluidized Bed Dryers Guarantee Fast and Homogeneous Drying

2 Fluid Bed Dryer is Suitable for Heat Sensitive Products

3 Fluidized Bed Ensures Efficiency in Material Drying

4 Handling Fluidized Bed Dryer is Easy and Less Labor Intensive

5 Fluid Bed Dryer Designs Come in a Wide Range of Capacities and Sizes

6 Fluid Bed Dryer has Low Maintenance Cost hence, Reduces

Downtime

7 No Hot Spots on the Final Products

8 Fluid Bed Dryer Is Suitable for both Continuous & Batch Material Processing

9 No risk of soluble substance migrating

10.Reduced dust pollution

Disadvantages of Fluid Bed Dryer

1 A Possibility of Product Loss

2 Chances of Electrostatic Build Up May be High

3 Drying Sticky Material is Quite Difficult