Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất sữa chua sấy thăng hoa bổ sung hương vị việt quất

Trang 1 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆPNGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT SỮA CHUA SẤY THĂNG HOA BỔ SUNG HƯƠNG VỊ VIỆT QUẤT GVHD: PGS.. 562

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SỮA

CHUA SẤY THĂNG HOA BỔ SUNG HƯƠNG VỊ VIỆT QUẤT

GVHD: PGS TS NGUYỄN TẤN DŨNG SVTH: QUÁCH THỊ MỸ HẠNH

S K L 0 0 9 6 8 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu đề tài 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 3

6 Bố cục của báo cáo 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Cơ sở khoa học sấy thăng hoa 4

1.1.1 Định nghĩa sấy thăng hoa 4

1.1.2 Nguyên lý sấy thăng hoa 4

1.2 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật sấy thăng hoa 11

1.2.1 Ưu điểm 11

1.2.2 Nhược điểm 12

1.3 Các biến đổi vật lý, hóa học và vi sinh ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa 12

1.3.1 Biển đổi về vật lý 12

1.3.2 Biến đổi về hóa học 12

1.3.3 Biến đổi về vi sinh vật 13

1.3.4 Biến đổi về hoá lý 13

1.3.5 Biến đổi về sinh học 13

1.3.6 Biến đổi hoá sinh 13

1.4 Tình hình nghiên cứu về lĩnh vực sấy thăng hoa 13

1.4.1 Nghiên cứu trong nước về lĩnh vực sấy thăng hoa 13

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước về lĩnh vực sấy thăng hoa 14

1.5 Hệ thống và thiết bị sấy thăng hoa 15

1.5.1 Buồng sấy thăng hoa 15

1.5.2 Thiết bị ngưng tụ 16

1.5.3 Bơm chân không 17

1.5.4 Hệ thống đo lường, điều khiển 18

1.5.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy thăng hoa 18

1.6 Một số hệ thống sấy thăng hoa 19

1.6.1 Sấy thăng hoa cấp đông riêng 19

1.6.2 Sấy thăng hoa tự cấp đông 20

1.6.3 Sấy thăng hoa liên tục 21

1.7 Tình hình nghiên cứu về lĩnh vực sấy thăng hoa 22

1.7.1 Trong nước 22

1.7.2 Ngoài nước 25

1.8 Nguyên liệu sữa chua việt quất 28

1.8.1 Sữa chua 28

1.8.2 Phân loại 29

1.8.3 Thành phần hóa học 30

1.8.4 Các chỉ tiêu trong sữa chua 33

1.8.4.1 Chỉ tiêu cảm quan 33

1.8.4.2 Chỉ tiêu hoá lý: 33

1.8.4.3 Chỉ tiêu về kim loại nặng: 33

1.8.4.4 Chỉ tiêu về sinh vật: 33

1.8.5 Giá trị dinh dưỡng 34

1.8.6 Công dụng sữa chua 35

1.8.7 Giới thiệu chung về việt quất 37

1.8.8 Các tính chất nhiệt vật lý của nguyên liệu sữa chua 38

1.8.9 Quy trình sản xuất 41

1.8.10 Quy trình công nghệ sấy thăng hoa sữa chua việt quất 44

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47

2.1 Phương pháp xử lý nguyên liệu 47

2.2 Phương pháp nghiên cứu 47

2.2.1 Thiết bị thực nghiệm 47

2.2.2 Phương pháp phân tích và tiếp cận hệ thống 49

2.2.3 Phương pháp sấy thăng hoa cho nguyên liệu 51

2.2.4 Phương pháp xác định hàm mục tiêu chi phí năng lượng (y1) 53

2.2.5 Phương pháp xác định hàm mục tiêu độ ẩm (y2) 53

2.2.6 Phương pháp xác định hàm mục tiêu độ cứng của sản phẩm (y 3 ) 54 2.2.7 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 56

2.3 Phương pháp tối ưu hoa đa mục tiêu trong nghiên cứu công nghệ sản xuất sữa chua sấy thăng hoa 61

2.3.1 Xây dựng BTTƯ một mục tiêu cho quá trình sấy thăng hoa sữa chua 61 2.3.2 Xây dựng BTTƯ hóa đa mục tiêu cho quá trình sấy thăng hoa sữa chua

62

2.4 Phương pháp đánh giá cảm quan sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa 63

2.5 Một số công cụ toán học và công nghệ hỗ trợ quá trình nghiên cứu 64

2.6 So sánh với các sản phẩm trên thị trường hiện nay 64

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 66

3.1 Xác định thành phần hóa học và dinh dưỡng trong nguyên liệu tươi 66 3.2 Xây dựng bảng yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu sản xuất sữa chua sấy thăng hoa 66

3.2.1 Nhiệt độ sấy thăng hoa 66

3.2.2 Áp suất sấy thăng hoa 67

3.2.3 Thời gian sấy thăng hoa 67

3.3 Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ đến hàm mục tiêu 68

3.4 Xây dựng và giải toán mô hình toán – hàm mục tiêu chi phí năng lượng 69

3.5 Xây dựng và giải mô hình toán – hàm mục tiêu độ ẩm sản phẩm 71

3.6 Xây dựng và giả mô hình toán – hàm mục tiêu độ cứng của sản phẩm 74

3.7 Xây dựng và giả mô hình toán – hàm mục tiêu số lượng VSV còn sống sót 76

3.8 Xây dựng và giải các BTTƯ hóa để xác định chế độ công nghệ cho quy trình sấy thăng hóa sữa chua 79

3.8.1 Xây dựng BTTƯ một mục tiêu: 79

3.8.2 Xây dựng BTTƯ đa mục tiêu bằng phương pháp điểm không tưởng

81

3.9 Bàn luận kết quả 85

3.10 Đánh giá chất lượng mẫu tối ưu 86

3.11 Xây dựng quy trình sản xuất sữa chua việt quất sấy thăng hoa tối ưu 88 3.11.1 Thuyết minh qui trình Error! Bookmark not defined 3.11.2 Qui trình thực hiện sấy thăng hoa sản phẩmError! Bookmark not defined KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 89

1 Kết luận 93

2 Kiến nghị 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Giản đồ trạng thái pha của nước 5

Hình 1.2 Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đá 8

Hình 1.3 Đồ thị làm việc của buồng sấy thăng hoa sử dụng nguồn bức xạ từ các tấm kim loại với nhiệt độ lạnh đông (-35 ÷ -30)ºC 8

Hình 1.4 Buồng sấy thăng hoa 16

Hình 1.5 Thiết bị ngưng tụ 17

Hình 1.6 Máy bơm chân không 18

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy thăng hoa 19

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa lạnh đông riêng 20

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông DS1 và DS2 21

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa liên tục 22

Hình 1.11 Máy sấy thăng hoa DS-6 24

Hình 1.12 Hệ thống sấy thăng hoa DS-10 25

Hình 1.13 Tôm sú sấy thăng hoa 25

Hình 1.14 Máy sấy thăng hoa hai buồng Ultra 35 Super ES 26

Hình 1.15 Máy sấy thăng hoa FD-JP -01 của Nhật 27

Hình 1.16 Máy sấy thăng hoa FD-JP-02 của Nhật 28

Hình 1.17 Giá trị dinh dưỡng 34

Hình 1.18 Quả việt quất 37

Hình 1.19 Sữa chua TH true milk việt quất 38

Hình 1.20 Sơ đồ quy trình sản xuất sữa chua việt quất 41

Hình 1.21 Sơ đồ quy trình sản xuất sữa chua việt quất sấy thăng hoa 44

Hình 1.22 Sữa chua việt quất sấy thăng hoa 46

Hình 2.1 Tủ lạnh âm sâu 47

Hình 2.2 Hệ thống sấy thăng hoa DS-12 48

Hình 2.3 Cân đo ẩm hồng ngoại Precisa (Model XM 50) 48

Hình 2.4 Máy phân tích kết cấu TPA Brookfield Ametek (Model CT3) 49

Hình 2.5 Sơ đồ nghiên cứu hệ thống sản xuất sữa chua sấy thăng hoa 51

Hình 2.6 Màn hình Chương trình điều khiển hệ thống sấy thăng hoa DS–12 52

Hình 2.7 Sơ đồ mối quan hệ mô tả sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến các hàm mục tiêu 57 Hình 2.8 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 60 Hình 2.9 Không gian hàm mục tiêu của BTTƯ hai mục tiêu 63 Hình 3.1 Sản phẩm sữa chua việt quất sấy thăng hoa với thông số công nghệ tối ưu 85

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất thăng hoa của nước đá 7

Bảng 1.2 Thành phần hóa học trong 100g sữa chua việt quất 30

Bảng 1.3 Các chỉ tiêu cảm quan của sữa chua [27] 33

Bảng 1.4 Các chỉ tiêu hoá - lý của sữa chua [27] 33

Bảng 1.5 Hàm lượng kim loại nặng của sữa chua 33

Bảng 1.6 Các chỉ tiêu sinh vật về sữa chua 34

Bảng 2.1 Các mức yếu tố ảnh hưởng quá trình sấy thăng hoa sữa chua 57

Bảng 2.2 Ma trận thực nghiệm trực giao cấp 2, k = 3, n 0 = 4 58

Bảng 2.3 Thang điểm để đánh giá cảm quan 64

Bảng 3.1 Xác định thành phần hóa học và dinh dưỡng trong nguyên liệu tươi 66

Bảng 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến các hàm mục tiêu cần xác định 68

Bảng 3.3 Số liệu thực nghiệm của các hàm mục tiêu 68

Bảng 3.4 Ma trận quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là chi phí năng lượng 69

Bảng 3.5 Hệ số phương trình hồi quy bj và bjk với hàm mục tiêu là chi phí năng lượng 70

Bảng 3.6 Hệ số phương sai tj với hàm mục tiêu là chi phí năng lượng 71

Bảng 3.7 Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là chi phí năng lượng 71

Bảng 3.8 Ma trận quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là độ ẩm 72

Bảng 3.9 Hệ số phương trình hồi quy b j và b jk với hàm mục tiêu là độ ẩm của sản phẩm 73

Bảng 3.10 Hệ số phương sai tj với hàm mục tiêu là độ ẩm của sản phẩm 73

Bảng 3.11 Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là độ ẩm 74

Bảng 3.12 Số liệu thực nghiệm hàm mục tiêu độ cứng của sản phẩm 74

Bảng 3.13 Hệ số phương trình hồi quy bj và bjk với hàm mục tiêu là độ cứng của sản phẩm 75 Bảng 3.14 Hệ số phương sai tj với hàm mục tiêu là độ cứng của sản phẩm 76

Bảng 3.15 Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm

mục tiêu là độ cứng 76

Bảng 3.16 Ma trận quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là % lượng VSV còn sống sót của sản phẩm 77

Bảng 3.17 Hệ số phương trình hồi quy bj và bjk với hàm mục tiêu là % lượng VSV còn sống sót của sản phẩm 78

Bảng 3.18 Hệ số phương sai tj với hàm mục tiêu là % lượng VSV sống sót 78 Bảng 3.19 Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là số lượng VSV còn sống sót 78

Bảng 3.20 Giá trị tối ưu của từng hàm mục tiêu 80

Bảng 3.21 Bảng kết quả của giá trị nhỏ nhất S(x) 82

Bảng 3.22 Kết quả kiểm chứng thực nghiệm 84

Bảng 3.23 Thành phần hóa học và dinh dưỡng của sản phẩm 88

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Sấy thăng hoa được xem là một trong những kỹ thuật và công nghệ sấy hiện đại nhất ngày nay Ngoài ra gần đây trên thế giới đã có những nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa vào việc đông khô tế bào sống của con người Mặt khác, phương pháp sấy thăng hoa cũng được vận dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như trong ngành dược phẩm để bảo quản các chất có hoạt tính sinh học hay trong công nghệ sinh học dùng để bảo quản nhiều loại vật liệu nhạy cảm với nhiệt như vaccine, protein, vi khuẩn, dược phẩm, các mô và huyết tương

Sấy thăng hoa còn được gọi là một kỹ thuật khử nước trong sản phẩm Điều khác biệt giữa sấy thăng hoa và các phương pháp sấy khác là sự khử nước diễn ra trong khi sản phẩm ở trạng thái đông lạnh và dưới áp suất chân không Chính những điều kiện này đã giúp ổn định sản phẩm, giảm thiểu tác động của quá trình oxy hóa và các quá trình suy thoái khác Nói một cách khoa học, sấy thăng hoa là quá trình tách nước ra khỏi sản phẩm từ thể rắn (lạnh đông) sang thể hơi mà không qua trạng thái lỏng trong điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất chân không dưới điểm

ba thể O (0.0098 , 4.58 mmHg), tức là nhiệt độ dưới điểm kết tinh của độ ẩm trong sản phẩm (Tk<0, áp suất dưới 4.58 mmHg) Đối với các phương pháp sấy khác, phương pháp sấy thăng hoa có thể mang lại các sản phẩm chất lượng cao vì hầu hết các phản ứng làm sản phẩm xấu đi bị chậm lại hoặc dừng (nghĩa là giảm thiểu

sự mất mát của mùi hương và mùi vị, duy trì tối đa chất dinh dưỡng, cấu trúc, độ cứng của sản phẩm) do trong phẩm không có chất lỏng là nước cùng với sự vắng mặt của oxy trong chân không và việc sử dụng nhiệt độ thấp

Nhờ vào khả năng ít làm mất đi giá trị dinh dưỡng của sản phẩm vượt trội hoàn toàn so với các hệ thống sấy thông thường khác nhờ thế chúng tôi đã đi vào tìm hiểu sâu về kỹ thuật sấy thăng hoa Ưu điểm của kỹ thuật sấy thăng hoa đó là

kỹ thuật sấy được tiến hành ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp chính vì thế mà kỹ thuật này gần như giữ được tất cả các tính chất tự nhiên ban đầu của vật liệu, đặc biệt trong nghiên cứu này là sữa chua, thành phần protein của tinh bột gần như không

bị thủy phân và biến tính, các thành phần đường và lipid dường như không bị thủy phân, các vitamin và enzyme không bị phá hủy trong quá trình sấy…Chính nhờ

những ưu điểm này mà kỹ thuật sấy thăng hoa được coi là kỹ thuật có tính ưu việt nhất so với các kỹ thuật sấy thông thường khác

Nhờ những ưu điểm tối ưu của kỹ thuật sấy thăng hoa mà chúng tôi đã tiến hành “Nghiên cứu quy trình sản xuất sữa chua bổ sung hương việt quất sấy thăng hoa, nhằm tạo ra hệ thống sấy thăng hoa cho có ứng dụng thực tiễn phục vụ cho lợi ích của các doanh nghiệp

Bài nghiên cứu hướng đến mục tiêu tính toán, xây dựng quy trình công nghệ sản xuất sữa chua việt quất sấy thăng hoa và xác lập chế độ (thời gian, nhiệt độ, áp suất) với thông số công nghệ tối ưu trên thiết bị sấy thăng hoa DS –12 để tạo ra các sản phẩm có chất lượng tốt nhất, đáp ứng sự đa dạng cho thị trường tiêu dùng trong nước và xuất khẩu để nâng cao giá trị về mặt kinh tế của Việt Nam

2 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu đề tài

Đối tượng nghiên cứu: Nguyên liệu sữa chua việt quất và xác lập chế độ

công nghệ sấy thăng hoa ( thời gian, nhiệt độ, áp suất) tối ưu cho nguyên liệu

Giới hạn nghiên cứu: Đề tài này tiến hành xác lập chế độ công nghệ tối ưu

cho sản phẩm sữa chua bổ sung hương việt quất sấy thăng hoa trên hệ thống sấy thăng hoa DS – 12 Từ đó xây dựng quy trình công nghệ cho sản phẩm sữa chua việt quất sấy thăng hoa

3 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về nguyên liệu sữa chua việt quất

- Các phương pháp xác định thành phần hóa học và dinh dưỡng của nguyên liệu sữa chua và sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa

- Mô tả động học, xây dựng và giải bài toán tối ưu hóa nhằm xác lập chế

độ cho công nghệ sản xuất sữa chua sấy thăng hoa

- Tiến hành thực nghiệm để thiết lập quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm sữa chua bằng phương pháp sấy thăng hoa

- Định mức nguyên liệu và tính toán giá thành cho sản phẩm

4 Phương pháp nghiên cứu

- Đề tài được nghiên cứu theo phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

- Phương pháp phân tích: Xác định thành phần hóa học của nguyên liệu

và các hàm mục tiêu về chất lượng sản phẩm

- Phương pháp tiếp cận hệ thống để phân tích xác lập mối quan hệ giữa đại lượng đầu vào

- Phương pháp mô hình hóa và tối ưu hóa ma trận thực nghiệm trực giao cấp 2 bằng phương pháp điểm không tưởng

- Ngoài ra còn sử dụng các phần mềm hỗ trợ như: Microsoft Excel, Microsoft Word…

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

➢ Ý nghĩa khoa học

Đề tài này làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng các thông số công nghệ tối ưu của sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa nói riêng và các sản phẩm từ rau quả sấy thăng hoa nói chung Từ kết quả của nghiên cứu này, các nhà khoa học sẽ tiếp tục phát triển và hoàn thiện bằng việc đánh giá chất lượng sản phẩm sau khi sấy

➢ Ý nghĩa thực tiễn

Đối với nhu cầu người tiêu dùng ngày càng đa dạng và khắt khe dẫn đến thị trường ngày càng cạnh tranh thì việc tạo ra sản phẩm mới đáp ứng sự so sánh và chọn lựa của khách hàng là cần thiết Vì thế đề tài sẽ góp phần tạo tiền đề cho sự phát triển công nghệ sấy thăng hoa nói chung và công nghệ sấy thăng hoa sữa chua nói riêng giúp giữ lại các dưỡng chất quan trọng và mang đến cho các doanh nghiệp một phương pháp bảo quản mới Sự cải tiến và đổi mới các sản phẩm chính là cách

để các doanh nghiệp tham gia vào cuộc đua thị trường khắc nghiệt hiện nay

6 Bố cục của báo cáo

Luận văn nghiên cứu này được trình bày trong các chương bao gồm:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Kết luận – Kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở khoa học sấy thăng hoa

1.1.1 Định nghĩa sấy thăng hoa

Sấy thăng hoa được tiến hành trong điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất, dưới điểm ba thể O (0,0098°C; 4,58 mmHg) chính xác hơn là nhiệt độ sản phẩm sấy dưới nhiệt độ kết tinh của nước trong sản phẩm, áp suất dưới 4,58 mmHg Vì thế, sản phẩm sấy thăng hoa bảo toàn được tính chất ban đầu của nguyên liệu, sản phẩm

có cấu trúc cứng và hoàn nguyên rất tốt Để đáp ứng được nhu cầu bảo quản lâu,

tăng tính tiện dụng và nhanh chóng khi sử dụng, quá trình nghiên cứu và phát triển các công nghệ bảo quản sữa chua đã ra đời Để sữa chua giữ được các đặc tính sinh học vốn có của nó, không bị mất đi các giá trị dinh dưỡng thì các kỹ thuật sấy sử dụng nhiệt thông thường có thể làm biến tính và phá hủy các chất dinh dưỡng Chính vì thể để đáp ứng được với yêu cầu khắt khe giữ được tính toàn vẹn của các chất dinh dưỡng trong sữa chua thì kỹ thuật sấy thăng hoa là kỹ thuật có thể đáp

ứng được Có thể nói, sấy thăng hoa là quá trình tách nước ra khỏi sản phẩm từ

thể rắn (lạnh đông) sang thể hơi mà không qua trạng thái lỏng trong điều kiện nhiệt

độ thấp và áp suất chân không dưới điểm ba thể O (0.0098 , 4.58 mmHg), tức là nhiệt độ dưới điểm kết tinh của độ ẩm trong sản phẩm (Tk<0, áp suất dưới 4.58 mmHg) Đối với các phương pháp sấy khác, phương pháp sấy thăng hoa có thể mang lại các sản phẩm chất lượng cao vì hầu hết các phản ứng làm sản phẩm xấu

đi bị chậm lại hoặc dừng (nghĩa là giảm thiểu sự mất mát của mùi hương và mùi

vị, duy trì tối đa chất dinh dưỡng, cấu trúc, độ cứng của sản phẩm) do trong phẩm không có chất lỏng là nước cùng với sự vắng mặt của oxy trong chân không và việc sử dụng nhiệt độ thấp

1.1.2 Nguyên lý sấy thăng hoa

Là quá trình vật liệu sấy được tách ẩm bằng nhiệt ở nhiệt độvà áp suất xác định, với cácmục đích sau (trên hình 1.1 diễn ra theo M – G)

Hình 1.1 Giản đồ trạng thái pha của nước

- Ở điều kiện áp suất PM = const, khi cấp nhiệt vào làm nhiệt độ của nước tăng từ TM đến TG, thì trạng thái của nước diễn ra theo M-G, tại M nước

ở trạng thái lỏng, tại G ước ở trạng thái hơi Hiện tượng này thường xảy

ra trong các quá trình sấy vật liệu ẩm

- Trường hợp nếu làm giảm áp suất PM < 760mmHg, quá trình diễn ra theo đường M – L, hiện tượng này thường xuất hiện trong quá trình sấy chân không

- Ở điều kiện áp suất PM = const, khi lấy nhiệt ra làm giảm nhiệt độ của nước từ TM xuống TN = TR = TH, thì trạng thái pha của nước diễn ra theo

M – N, tại M nước ở trạng thái lỏng, tại N nước ở trạng thái rắn hay nước

đá Hiện tượng này thường xảy ra trong quá trình làm lạnh đông

Ở điều kiện áp suất PR = const < PO = 4,58mmHg, tại R nước ở trạng thái rắn và có nhiệt độ là TH = TR Giản đồ hình "Giản đồ trạng thái của nước" cho

thấy, ứng với mỗi giá trị nhiệt độ nước đá là TH sẽ có một giá trị áp suất thăng hoa tương ứng là PH (điểm H) và ngược lại Vì vậy, nếu đặt nước đá trong môi trường

có áp suất là PR, với PH < PR < 4,58 mmHg, tương ứng sẽ có nhiệt độ thăng hoa của nước đá là Tth = TF > TH Khi đó nước đá chưa thể thăng hoa ngay (điểm R)

mà nó phải thực hiện một giai đoạn truyền nhiệt đốt nóng (đoạn RF), để nâng nhiệt

độ TR = TH lên đến TF (tương ứng với PR = PF), lúc đó nước đá mới bắt đầu thăng hoa, diễn biến của quá trình đi theo đường R – Q và cần một lượng nhiệt cấp vào

Q = Gndcnd(TF – TH), trong đó Gnd, cnd khối lượng và nhiệt dung riêng của nước đá,

do đó tiêu tốn năng lượng và thời gian để nâng nhiệt trước khi thăng hoa Nếu đặt nước đá trong môi trường có áp suất là PD, với PD PH < 4,58 mmHg, tương ứng sẽ

có nhiệt độ thăng hoa của nước đá là TD ≤ TH, khi đó nước đá sẽ thăng hoa ngay tại điểm H (điểm thăng hoa thực tế là E) và động lực của quá trình thăng hoa chính

là ΔT = TH – TD Vì thế rút ngắn thời gian thăng hoa và nếu có nhiệt cấp vào nó sẽ làm tăng động lực thăng hoa nước đá, các hiện tượng này thường xảy ra trong sấy thăng hoa Điều kiện tiên quyết để nước đá thăng hoa là khi chúng được đặt trong môi trường có nhiệt độ và áp suất nhỏ hơn điểm ba thể O(0,00980C; 4,58mmHg) Quá trình biến đổi pha của nước luôn phụ thuộc vào hai thông số cơ bản đó là nhiệt

độ và áp suất, ứng với một giá trị áp suất xác định sẽ có một giá trị nhiệt độ thăng hoa xác định

Mối quan hệ áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đá ở bảng trên, được biểu diễn ở hình "Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đá", việc

chọn áp suất môi trường sấy thăng hoa phù hợp với nhiệt độ thăng hoa nước đá sẽ quyết định đến thời gian thăng hoa của nước đá, nếu áp suất môi trường sấy thăng hoa không phù hợp sẽ kéo dài thời gian thăng hoa

- Giảm trọng lượng và chi phí vận chuyển của sản phẩm,

- Tăng độbền và làm thay đổi giá trị cảm quan của sản phẩm

- Tăng thời gian bảo quản

Ở điều kiện áp suất PM không đổi, do nhiệt được cấp vào làm nhiệt độ của nước tăng từ TM đến TG, điều này có nghĩa nước ở trạng thái lỏng sau khi được cấp nhiệt sẽ hóa thành dạng hơi (khí) xem hình 1.1 điểm biểu diễn đường nhiệt đi từ

M – G Hiện tượng này thường xảy ra trong quá trình sấy nhiệt bình thường

Ở trường hợp áp suất PM < 760 mmHg cho thấy rằng việc áp suất giảm, nhiệt độ sấy không đổi Xem hình 1.1 thì quá trình sẽ diễn ra theo M – L Hiện tượng này xuất hiện trong quá trình sấy chân không

Ở trường hợp PM không đổi làm giảm nhiệt độ của nước từ TM xuống TN =

TR = TH (xem hình 1.1) trạng thái pha của nước sẽ diễn ra theo M – N, tại M nước

ở trạng thái lỏng và tại N nước ở trạng thái rắn Hiện tượng này xảy ra trong quá trình lạnh đông

Ở điều kiện áp suất PR không đổi < PO = 4.58mmHg với O là điểm ba thể của nước có nhiệt độ 0.0098°C và áp suất 4.58 mmHg, lúc này nước đang ở trạng thái rắn và có nhiệt độ TH = TR Giản đồ hình 1.1 cho thấy ứng với một giá trị TH

sẽ có một giá trị áp suất thăng hoa tương ứng là PH Vì vậy nếu đặt nước đá trong môi trường có áp suất là PR với PH < PR < PO = 4.58 mmHg tương ứng sẽ có nhiệt

độ thăng hoa là Tth = TF > TH khi đó nước chưa đến điểm thăng hoa ngay (điểm R)

mà nó phải thực hiện giai đoạn truyền nhiệt từ R – F để nâng nhiệt độ từ TR = THlên đến TF (tương ứng PR = PF), lúc này nước đá mới bắt đầu thăng hoa, tuy ở cùng nhiệt nhưng áp suất của điểm R và H khác nhau Diễn biến của quá trình sẽ đi theo đường R – Q và cần một lượng nhiệt cấp vào Q = GndCnd(TF – TH), trong đó Gnd(khối lượng riêng của nước đá) Cnd (nhiệt dung riêng của nước đá), do đó tiêu tốn năng lượng và thời gian để nâng nhiệt trước khi thăng hoa Nếu đặt nước đá trong môi trường có áp suất là ở điểm D, lúc này nhiệt độ ở điểm D sẽ nhỏ hơn điểm H, lúc này nước đá sẽ thăng hoa tại điểm H (điểm thăng hoa thực tế là điểm E) điều này có thể thấy được ở áp suất điểm D nhỏ hơn áp suất tại điểm H, lúc này chỉ cần cấp một lượng nhiệt sao cho ΔT =TH–TD chính vì thế mà có thể rút ngắn được thời gian thăng hoa, các hiện tượng này thường xảy ra trong sấy thăng hoa

Vì vậy điều kiện tiên quyết để nước đá thănghoa là khi được đặt trong môi trường có nhiệt độ và áp suất nhỏ hơn điểm ba thể của nước hoặc điểm O

Mối quan hệ nhiệt độ và áp suất của nước đá ở bảng 1.1 và được biễu diễn

ở hình 1.2 Việc chọn áp suất và nhiệt độ của môi trường sấy thăng hoa phù hợp

sẽ quyết định đếnthời gian thăng hoa củanước đá, nếu áp suất môi trường sấy thăng hoa không phù hợp thì thời giansấy sẽ bị kéo dài

Hình 1.2 Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đá

Cơ chế thăng hoa của nước đá: Khi nước đá trong môi trường có áp suất nhỏ hơn 4.58mmHg thì nó lập tứcthực hiện quá trình thăng hoa Ban đầu các lớp

ở bề mặt nước đá thăng hoa trước, vì áp suất riêng phần trên bề mặt nước đá cân bằng với áp suất môi trường xung quanh, còn áp suất các lớp bên trong lớn hơn Khi lớp bề mặt thăng hoa hết thì lúc này các lớp kếtiếp đóng vai trò làm các lớp

bề mặt, áp suất riêng phần của các lớp này giảm so với ban đầu và cân bằng với môi trường xung quanh, lúc này các các lớp nước đá này thực hiện quá trìnhthăng hoa, cứ tiếp tục quá trình như thế cho đến khi nước đá thăng hoa hết

Hình 1.3 Đồ thị làm việc của buồng sấy thăng hoa sử dụng nguồn bức xạ từ

các tấm kim loại với nhiệt độ lạnh đông (-35 ÷ -30)ºC

1- Nhiệt độ tấm gia nhiệt

2- Nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa

3- Nhiệt độ thực phẩm sấy

4- Nhiệt độ ở lối ra buồng thăng hoa

5- Độ ẩm của thực phẩm sấy

6- Áp suất trong buồng sấy thăng hoa

➢ Giai đoạn làm lạnh đông

Nguyên liệu sau khi chuẩn bị được cấp đông để ẩm trong vật liệu sấy kết tinh Sản phẩmđược làm lạnh đông từ nhiệt độ (20 ÷ 25°C)°C xuống nhiệt độ từ (-35 ÷ -30)°C, ở nhiệt độ nàynước trong thực phẩm đóng băng gần như hoàn toàn Ứng với mỗi loại thực phẩm khác nhau sẽ có nhiệt độ lạnh đông khác nhau Từ Hình 1.3 cho ta thấy, đường (3) là đường nhiệt độ của thực phẩm sấy, đồng thời trong giai đoạn nàyáp suất trong buồng sấy thăng hoa cũng như buồng lạnh đông thực phẩm hầu như không thay đổi và bằng với áp suất khí quyển xem đường số (6) ,nhưng thực tếnó có vẫn thay đổi một chút và xem như là khôngđáng kể, bởi

vì quá trình làm lạnh, nhiệt độ không khí giảmdẫn đến áp suất giảm mà thể tíchbuồng sấy thăng hoa khép kín và không thay đổi Do đó, ở giaiđoạn này lượng ẩm thoát ra rất ít, chủ yếu là sự bay hơi và thăng hoa nước trên bề mặt thực phẩm Sự thoát ẩm là do sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường sấy Ngoài ra, sự chênh lệch nhiệt độ thực phẩm lạnh đông với nhiệt độ môi trường lạnh đông cũng là nguyên nhân làm bay hơi ẩm để có xu hướng đạt tới trạng thaicân bằng nhiệt

➢ Giai đoạn sấy thăng hoa

Khi sản phẩmlạnh đông đạt nhiệtđộ thích hợp, ngừng quátrình làm lạnh và kết thúc giai đoạn lạnh đông, lúc này bơmhút chân không bắt đầu hoạt động, áp suất buồng sấyhạ đột ngột tạo môi trường sấy là môi trường chân không, áp suất biến thiên hầu như không thay đổi Pm=(0,001÷1)mmHg, xem đường (6) Do Pn(áp suất riêng phần hơi nước của sản phẩm) và Pnm (áp suất hơi nước trong môi trường sấy) chênh lệch quá lớn, đồng thời dòng nhiệt bức xạ từ các tấm kim loại phát ra làm cho sự khác nhau giữa nhiệt độ môi trường sấy và sản phẩm lớn Kết quả giai đoạn này, nước trong sản phẩmlạnh đông bất đầu thăng hoa mãnh liệt, độ

ẩm giảm rất nhanh và gần như tuyến tính xem đường (5) Vì thế, giai đoạn sấy thăng hoa có thể xem là giai đoạn sấy đẳng tốc, phần lượngnhiệt bức xạ mà sản

phẩm sấy nhận được trong giai đoạn nàydùng để biến thành nhiệt ẩn thăng hoa;

do đó, nhiệt độ sả phẩm sấy hầu như không đổi, xem đường (3) Thực tế thì nhiệt

độ sản phẩm sấy có tăng nhưng với tốc độ rất chậm, ở thời gian cuốicủa giai đoạn này nhiệt độ sản phẩm sấy tăng dần từ (-30 ÷ -25)0C đến 0,00980C (chính xác là

Tkt nhiệt độ kết tinh của ẩm trong sản phẩm), tại đây giai đoạn sấy thăng hoa kết thúc

Đường (4) hình 1.3, nhiệt độ ở lối ra của buồngthăng hoa không thay đổi thế nên nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ – đóng băngcũng được giữ nguyêntrong suốt quá trình thăng hoa sản phẩm

Đường (1) và (2) hình 1.3, nhiệt độcác tấm gia nhiệt và môi trường giữa các tấm gia nhiệthầu như không chênhlệch trong suốt quá trình thăng hoa Trong công nghệ sấy thăng hoa nhiệt độ tầm gia nhiệt được duy trì trong khoảng từ (0 ÷ 45)0C, tương ứng nhiệt độ môi trường sấy dao động từ (0 ÷ 40)0C tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ

Kết thúc giai đoạn này, độ ẩm sản phẩm đạt yêu cầu thì sản phẩm đạt chất lượng tốt nhất Như vậy, giai đoạn 3 của quá trình sấy thăng hoa sẽ không diễn ra

➢ Giai đoạn sấy chân không

Quá trình thănghoa kết thúc, nhiệt độ thực phẩm sấy đạt tới Tkt (0C), áp suất môi trườngsấy chân không không thay đổi, dao động trong khoảng từ (0,001 ÷1) mmHg, nhưng áp suất riêngphần của ẩm còn lại trongsản phẩm lớn hơn 4,58 mmHg (áp suất của điểm ba) Vì vậy, ẩm trong sản phẩm trở về trạng thái lỏng

Do áp suấtmôi trường sấy là áp suất chânkhông (0,001 ÷ 1) mmHg và nó được duy trì bởi bơm hút chân không và sản phẩm sấy vẫn tiếp tục gia nhiệt bằng bức xạ nhiệt nên ẩm tiếp tục biến đổi pha từ dạng lỏng sang dạng hơi rồi khuếch tán, bay hơi vào môi trường sấy trước khi đi về bình ngưng tụ – đóng băng Như vậy, giai đoạn làm bay hơi lượng ẩm còn lại chính là giai đoạn sấy chân không nhiệt độ thấp, động lực của quá trình bay hơi – khuếch tán vẫn là sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước và nhiệt độ giữa sản phẩm và môi trường sấy

Kết thúc giai đoạn này khi độ ẩm sản phẩm đạt yêu cầu xem hình 1.3 thì sẽ thấy đường (1), (2) và (3) cắt nhau tại một điểm Tại điểm này xảy ra sự cân bằng

nhiệt và cân bằng ẩm, lượng ẩm trong sản phẩm không thể bốc hơi được nữa, độ

ẩm sản phẩm đạt tới độ ẩm cân bằng, xem đường (5)

Ở áp suất khí quyển (P = 760 mmHg = 1atm) thì quá trình dịch chuyển ẩm trong sấy thăng hoa khác với quátrình dịch chuyển ẩm trong các phương pháp sấy khác Khi thăng hoa, các phân tử nước không va chạm nhau vì môi trườngchân không không tồn tại trường lực đàn hồi của không khí, các phân tử nước tương tác với nhau bởi lực đẩy nên không hề va chạm nhau, điều này được chứng minh rằng trong thuyết chuyển động các hạtvật chất ở môi trường chân không của Plank R, nhờ vậy sấy thăng hoa có một ưu điểm rất lớn là bảo toàn được chất lượng sinh học của sản phẩm sấy

Không những thế, ở môi trường chân không các sản phâm sấy không bị oxy hóa Bên cạnh đó hệ thống sấy thăng hoa có nhược điểm là chỉ phí sấy 1 kg sản phẩm rất cao, hệ thống sấy phức tạp, phải dùng đồng thời bơm chân không và máy lạnh; do đó, vận hành phức tạp và đỏi hỏi công nhân có trình độ kỹ thuật cao

1.2 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật sấy thăng hoa

1.2.1 Ưu điểm

• Các chất dễ oxy hóa được bảo vệ tốt trong điều kiện chân không

• Do loại bỏ 95 -99.5% nước có trong vật liệu nên kéo dài thời gian bảo quản

của sản phẩm

• Tạo sản phẩm có chất lượng tốt và đồng đều

• Ít nhiễm bẩn do quá trình vô trùng

• Giảm thiểu thất thoát các hợp chất dễ bay hơi, thành phần dinh dưỡng

và hợp chất hương nhạy cảm với nhiệt

• Thời gian hoàn nguyên ngắn

• Giảm thiểu sự thay đổi tính chất của vật liệu sấy do sự phát triển của vi sinh vật và tác động của enzyme trong điều kiện nhiệt độ thấp

• Sản phẩm có thể được vận chuyển và bảo quản ở nhiệt độ thông thường

• Tính vô trùng của sản phẩm được duy trì

• Có thể không thay thế được phương pháp sấy thăng hoa bằng phương pháp khác đối với các vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ

• Giảm chi phí vận chuyển cho sản phẩm

• Cải thiện độ hòa tan, độ co ngót, biến dạng của vật liệu sấy

1.2.2 Nhược điểm

• Chi phí lắp đặt cao

• Thời gian vận hành dài

• Các hợp chất dễ bay hơi có thể mất ở mức chân không cao

• Chi phí sấy 1 kg sản phẩm rất cao

1.3 Các biến đổi vật lý, hóa học và vi sinh ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa

1.3.1 Biển đổi về vật lý

Hình dạng, kíchthước, khối lượng, tỉ trọng, độ cứng trong sản phẩm sẽ bị thay đổi tùy thuộc vào bản chất nguyên liệu và các thông số công nghệ trong quá trình sấy mà những biến đổinói trên sẽ diễn ra với các mức độ khác nhau Sự khuếch tán ẩm sẽ xảy ra do sự chênhlệch ẩm tại các vị trí khác nhau ở bên trong mẫu nguyên liệu Trong giai đoạn sấy đẳng tốc, cácphân tử nưởc tại vùng trung tâm củanguyên liệu sẽ dịchchuyển ra vùng biên

1.3.2 Biến đổi về hóa học

• Phản ứng oxy hóa: Sữa chuaviệt quất có chứa hàm lượng vitamin C khá cao nên dễ bị oxy hóa trong quá trình sấy Kết quả là hàm lượng vitamin C sẽ giảm đi đáng kể so với nguyên liệu ban đầu Độ tổn thấtvitamin không vượt quá 3% thì sản phẩm xem như đạtyêu cầu chất lượng

• Phản ứngthủy phân: Sảy ra trong giai đoạn đầu của quá trình sấy, nếu

độ ẩm nguyên liệu cao thì nó sẽ xảy ra phản ứng thủy phân các hợp chất trong nguyên liệu, ví dụ như triglyceridebị thủy phân thành glycerolvà các acid béo

• Phản ứng Maillard: đây là phản ứng thường gặp khi sấy nguyên liệu có chứa đường khử và các hợp chất có nhóm -NH2 tự do Phản ứng sẽ tạo

ra các hợp chất melanoidine và làm cho sản phẩm sấy bị sậm màu

• Theo Carslaw và Taylor, độ thất thoát của các thành phần chấtkhô sau khi sấy thăng hoa không vượt quá 3%, nếu vượt quá 3% xemnhư chế

độ sấy thăng hoa không phù hợp

1.3.3 Biến đổi về vi sinh vật

Khi quá trình sấy diễn ra, sự trao đổi chất của các mô và tế bào nguyên liệu động thực vật sẽ ngừng lại nếu nhiệt độ sấy tăng cao Nguyên nhân chính là do hệ enzyme trong tế bào bị vô hoạt bất thuận nghịch Ngoài ra, các thànhphần khác trong tế bào như DNA cũng có thể bị biến tính nhiệt, Các vi sinh vật trong nguyên liệu cũng bị ức chế hoặc tiêu diệt trong quá trình sấy do tác dụng nhiệt và do hoạt

độ của nước giảm đi

1.3.4 Biến đổi về hoá lý

Sự thay đổi của của nước trong quá trình thăng hoa đó là nước từ pha rắn

sẽ thăng hoa thànhdạng khí, chính vì điềunày mà các hợp chất dễ bay hơi có trong nguyên liệu cũng sẽ thoát ra môitrường bên ngoài, kết quả là mùi của sảnphẩm sấy sẽ giảm đi so với nguyên liệu ban đầu

1.3.5 Biến đổi về sinh học

Trong quá trình sấy, sự trao đổi chất của các tế bào và mô nguyên liệu động thực vật sẽ dừng lại nếu nhiệt độ sấy tăng cao Nguyên nhân chính là do hệ enzyme trong tế bào bị vô hoạt bất thuận nghịch Ngoài ra, các thành phần khác trong tế bào như DNA cũng có thể bị biến tính nhiệt, Các vi sinh vật trong nguyên liệu cũng bị ức chế hoặc tiêu diệt trong quá trình sấy do tác dụng nhiệt và do hoạt độ của nước giảm đi

1.3.6 Biến đổi hoá sinh

Nhiệt độ của nguyênliệu tăng lên dẫn đến các phản ứng enzyme trong nguyên liệu tiếp tục diễn ra mạnh mẽ Các hoạt chất sinh học quý dễ bị phá hủy bởi tác dụng của nhiệt độ, áp suất, oxy không khí, độ ẩm và thời gianbảo quản

1.4 Tình hình nghiên cứu về lĩnh vực sấy thăng hoa

1.4.1 Nghiên cứu trong nước về lĩnh vực sấy thăng hoa

Từ đầu những năm 2000 ở Việt Nam, công nghệ sấy thăng hoa đã bắt đầu được quan tâm đến Kể từ đó đã có nhiều công trình nghiên cứu về ứng dụng sấy thăng hoa trong bảo quản dược phẩm, thực phẩm Điển hình có các công trình

nghiên cứu của tác giả Trần Như Khuyên với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công

nghệ sấy thăng hoa để sấy màng hạt gấc” hay đề tài của tác giả Trần Đức Ba với

“Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa để sấy một số loại thủy sản” và

tác giả Nguyễn Tấn Dũng với “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa tôm

sú, một số rau quả, sữa ong chúa, ” để bảo quản Việc thực hiện các nghiên cứu

này đã và đang đóng góp cho nền công nghiệp nước nhà Chẳng hạn như trong một

nghiên cứu của tác giả Nguyễn Tấn Dũng với đề tài “Nghiên cứu công nghệ và

thiết kế, chế tạo hệ thống sấy thăng hoa công suất nhỏ phục vụ cho sản xuất thực phẩm cao cấp” đã thiết kế thành công chế độ công nghệ sấy thăng hoa tôm sú, đáp

ứng được yêu cầu trong việc áp dụng sản phẩm tôm sú có giá trị kinh tế cao, phương pháp sấy thăng hoa này có thể bảo toàn các tính chất tự nhiên của tôm sú

và bảo quản được ở nhiệt độ thường với hạn sử dụng lên đến 6 năm Ngoài ra để giảm chi phí đầu tư, một số đề tài trong nước về nghiên cứu, tính toán, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa đã và đang được thực hiện nhằm vận dụng vào sản xuất ngay tại Việt Nam với mục đích không cần phải nhập các sản phẩm sấy thăng hoa từ nước ngoài, như vậy sẽ giảm được chi phí đầu tư Chính vì vậy mà các nhà khoa học, điển hình là những nhà nghiên cứu đến từ trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM gồm PGS.TS Nguyễn Tấn Dũng, Ths Lê Tấn Cường cùng với Ths Lê Thanh Phong đã miệt mài nghiên cứu trong nhiều năm liền để chế tạo và cải tiến thành công 11 phiên bản của hệ thống sấy thăng hoa (từ DS – 1 đến DS –12) với các tính năng nổi bật khác nhau, phiên bản sau là kế thừa và phát huy chất lượng của phiên bản trước Ví dụ, đối với hệ thống sấy thăng hoa DS–11 đã thay thế cho

hệ thống sấy thăng hoa phiên bản cũ DS – 9 và DS – 10 khi chi phí năng lượng tạo

ra sản phẩm giảm (20 – 25%) Ngoài ra hệ thống sấy DS – 11 còn có thêm chức năng cấp nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại sẽ rút ngăn thời gian sấy Các hệ thống sấy thăng hoa này đã được vận dụng vào sản xuất tại một số nhà máy, không những thế còn được đặt tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM để tạo cơ hội cho các giảng viên và sinh viên thuộc ngành Công nghệ thực phẩm có thể học tập và thực nghiệm

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước về lĩnh vực sấy thăng hoa

Ở nước ngoài, mãi cho đến những năm 1930, khi có nhu cầu xử lý các sản phẩm trong y học được đề cao thì phương pháp sấy thăng hoa đã được đưa vào sử

dụng và được xem là một trong những kỹ thuật được dùng trong phòng thí nghiệm Vào thời điểm đó, công nghệ lạnh đông và chân không cũng dần được phát triển hơn và dần mở rộng phạm vi sử dụng trong cả ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và sinh học Chỉ riêng trong lĩnh vực về công nghệ thực phẩm, có vô số các nghiên cứu về sự ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm bằng phương pháp sấy thăng hoa Ví dụ như theo nghiên cứu của Marques, Silveira cho thấy màu sắc, hương vị và mùi của dứa, anh đào, ổi đu đủ và xoài được bảo toàn sau khi sấy thăng hoa Bên cạnh đó bài nghiên cứu còn chứng minh được rằng sấy thăng hoa các loại trái cây nhiệt đới thì duy trì được giá trị dinh dưỡng Trong một nghiên cứu khác của Oikonomopoulou, Krokida cho thấy chế độ sấy thăng hoa có ảnh hưởng đến độ cứng của thực phẩm khô mà ở đây là gạo, nấm, khoai tây và dâu tây Kết quả của nghiên cứu cho thấy khi áp suất giảm độ cứng tăng và ngược lại, nấm

có nhiều cấu trúc lỗ khí hơn các lương thực còn lại trong khi khoai tây cho độ cứng thấp nhất Còn theo nghiên cứu của Silva-Espinoza, Ayed về tác động của các yếu

tố công nghệ sấy thăng hoa đến các đặc tính hóa lý và các chất hoạt tính sinh học của trái cam thì kết quả cho thấy có tác động của áp suất, nhiệt độ sấy đến độ sáng, màu sắc và hàm lượng nước; hàm lượng vitamin C và beta – carotene được duy trì tốt hơn với điều kiện lần lượt là khi nhiệt độ sấy cao với thời gian sấy ngắn và áp suất thấp hơn

1.5 Hệ thống và thiết bị sấy thăng hoa

1.5.1 Buồng sấy thăng hoa

Là nơi chứa sản phẩm và thực hiện quá trình sấy thăng hoa Buồng sấy phải

có thiết kế kín để đảm bảo điều kiện chân không và các ngăn (kệ) được kiểm soát nhiệt độ để theo dõi và quan sát môi trường sấy Và mật độ đặt sản phẩm và cường

độ bay hơi lớn nhất Đồng thời trong môi trường chân không thì truyền nhiệt và sấy nhiệt phải là lớn nhất

Buồng sấy thăng hoa thường có 3 loại như sau [8]:

• Buồng sấy thăng hoa có hệ thống cấp đông riêng: Vật liệu trước khi sấy được cấp đông bởi thiết bị làm đông riêng biệt, sau khi quá trình cấp đông kết thúc vật liệu sẽ được đưa vào buồng sấy và quá trình sấy bắt đầu

• Buồng sấy thăng hoa có hệ thống cấp đông tự động: Giai đoạn cấp đông vật liệu bắt đầu và kết thúc trong buồng sấy thăng hoa

• Buồng sấy thăng hoa liên tục: Trước khi thực hiện giai đoạn cấp đông, vật liệu được tạo thành các hạt có kích thước nhỏ giúp tăng diện tích tiếp xúc Sau đó được đưa vào buồng sấy bằng các băng tải hoặc vít tải Quy trình nhập và xuất vật liệu xảy ra liên tục, vì thế đây là một hệ thống rất phức tạp vì cần phải đảm bảo điều kiện chân không từ khâu nhập liệu đến khâu tháo liệu, đặc biệt là buồng sấy

Hình 1.4 Buồng sấy thăng hoa

• Thiết bị ngưng tụ không có bộ phận cào nạo tuyết: Thường có 2 loại là: Loại thứ nhất được cấu tạo bởi các ống trao đổi nhiệt có dạng ống chùm

và được xếp song song với nhau, môi chất lạnh sẽ di chuyển bên trong ống còn hơi ẩm đi bên ngoài ống Loại thứ hai được cấu tạo với các ống trao đổi nhiệt có dạng vòng xoắn ốc, thường có từ 2 đến 4 vòng xoắn vào nhau tùy theo công suất hệ thống sấy

• Thiết bị ngưng tụ có bộ phận cào nạo tuyết: Khi nước ngưng tụ và bám lên bề mặt dàn lạnh của thiết bị ngưng tụ, thì được bộ phận cào – nạo

và rơi xuống không gian bên dưới, giúp tăng khả năng truyền nhiệt, tuy nhiên điều này mang lại một nhược điểm là phải tốn thêm chi phí năng lượng để cung cấp cho bộ phận này và quá trình gia công, sửa chửa thiết

bị này là vô cùng phức tạp

Hình 1.5 Thiết bị ngưng tụ

1.5.3 Bơm chân không

Có tác dụng loại bỏ không khí ngưng tụ ra khỏi buồng sấy để tạo môi trường chân không trong quá trình sấy thăng hoa Và cường độ bay hơi ẩm phụ thuộc vào

độ chênh lệch hơi ẩm trên bề mặt vật liệu sấy và áp suất riêng phần của nước Môi trường sấy thăng hoa phải tuân theo các yêu cầu như sau:

Áp suất trong môi trường sấy thăng hoa phải đảm bảo nhỏ hơn điểm ba thể (P0 = 4,58 mmHg) Và tăng cường độ bay hơi để giảm thời gian sấy, cường độ bay hơi lớn nhất xảy ra khi áp suất của môi trường sấy thăng hoa dao động trong khoảng (0,001 ÷ 1) mmHg

Thời gian bơm chân không hút khi trong môi trường từ áp suất khi quyển đến áp suất chân không được cài đặt trên thiết bị phải đủ nhỏ Điều này có tác dụng giúp nhiệt độ vật liệu sấy không tăng trong lúc môi trường tạo chân không, quá trình này thường mất 30 giây 2,5 phút [8]

Hình 1.6 Máy bơm chân không

1.5.4 Hệ thống đo lường, điều khiển

Hệ thống đo lường, điều khiển của quá trình sấy thăng hoa: Bao gồm các thiết bị được điều khiển tự đông, thiết bị và tín hiệu được điều khiển, hoạt động một cách có tổ chức do các chương trình được thiết lập sẵn nhằm theo dõi và quan sát các yếu tố công nghệ trên màn hình hệ thống sấy thăng hoa

Để hệ thống sấy thăng hoa đạt chất lượng tốt, làm việc ổn định và thương mại hóa được cần đòi hỏi nhà chế tạo phải thiết kế, tính toán chính xác, từ diện tích bề mặt truyền nhiệt trong giai đoạn lạnh đông, giai đoạn sấy thăng hoa đến công suất các thiết bị bên trong hệ thống.[6]

1.5.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy thăng hoa

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy thăng hoa

1- Máy nén cấp 2; 2- Bình tách dầu; 3- Thiết bị ngưng tụ; 4- Bình chứa cao áp; 5- Phin lọc; 6- Mắt gas; 7- Van điện từ; 8- Van tiết lưu 1; 9- Bình tách lỏng; 10- Máy nén cấp 1; 12- Thiết bị hóa đá; 13- Bơm hút chân không; 14- Buồng thăng hoa; 15- Tấm gia nhiệt và đặt vật liệu sấy; 16- Đường xả nước ngưng; P k - Áp kế cao áp; P 0 - Áp kế thấp áp; P TG - Áp kế trung gian; P ck - Áp kế chân không

1.6 Một số hệ thống sấy thăng hoa

1.6.1 Sấy thăng hoa cấp đông riêng

Hệ thống máy sấy có các ngăn để chứa các khay nguyên liệu, tuy nhiên các ngăn này không có khả năng gia nhiệt tức thời bên trong buồng sấy Nguyên liệu phải được cấp đông trước bằng tủ đông hoặc phòng cấp đông, sau đó mới được đưa vào buồng sấy trong giai đoạn thăng hoa Hơi nước sẽ là nhiệt lượng cung cấp cho quá trình thăng hoa Vì vậy hệ thống này thường yêu cầu phải bố trí thêm một

lò hơi bên ngoài

Hệ thống sấy thăng hoa cấp đông riêng: Trước khi sấy thăng hoa, nguyên liệu được cấp đông riêng ở các thiết bị cấp đông độc lập như: tủ cấp đông, phòng lạnh đông hoặc băng chuyền lạnh đông IQF, hoặc lạnh đông siêu tốc bằng khí nitơ hóa lỏng, hoặc bằng nước đá khô CO2, … Sau khi cấp đông xong, chuyển sản phẩm vào buồng sấy để thực hiện quá trình sấy thăng hoa Hiện nay, hệ thống này được chế tạo ở quy mô công nghiệp là chủ yếu Khi sấy thực phẩm, chỉ cần điều chỉnh nhiệt độ gia nhiệt ở (21)0C lên tới nhiệt độ trong khoảng (45÷65)0C, áp suất