Báo cáo đồ án quá trình thiết bị: Thiết kế hệ thống sấy phun bột cà rốt

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị trong Công nghệ Thực phẩm là một trong hai đồ án của sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM. Đồ án với mục tiêu giúp cho sinh viên có thể vận dụng được các kiến thức đã học ở các môn Quá trình và thiết bị trong Công nghệ Thực phẩm vào việc tính toán, thiết kế hệ thống để áp dụng vào thực tế. Sau 2 tháng nổ lực thực hiện đồ án: “Tính toán, thiết kế hệ thống sấy phun bột cà rốt với năng suất 1000kg/mẻ ”. Ngoài sự cố gắng học hỏi, nghiên cứu của bản thân em nhận được nhiều sự giúp đỡ hết mình từ bạn bè và đặc biệt là sự giúp đỡ của thầy hướng dẫn cùng các thầy cô trong bộ môn. Em cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các anh chị đi trước đã hỗ trợ em trong quá trình thực hiện đồ án này. Dưới sự đồng ý và sự chỉ dẫn tận tình của thầy Nguyễn Tiến Lực, đồ án: “Tính toán, thiết kế hệ thống sấy phun bột cà rốt với năng suất 1000kg/mẻ ” đã được hoàn thành với nội dung gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và tính toán Chương 3: Tính toán, thiết kế hệ thống sấy phun bột cà rốt với năng suất 1000kg/mẻ. Với trình độ chuyên môn còn nhiều thiếu sót và đây là đồ án đầu tiên nên không tránh khỏi những sai sót trong bài làm. Tôi rất mong được sự đóng góp, nhận xét và bổ sung để hoàn thiện đồ án này! Mặc dù em đã có nhiều cố gắng để hoàn thành đồ án nhưng với thời gian, khả năng hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô và các bạn. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn tất cả những người đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án quá trình thiết bị này.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SPKT TP.HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC KHOA: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

GVHD: TS Nguyễn Tiến Lực

SVTH: Nguyễn Ngọc Minh Giao 16116209

Trần Lê Tri 16116186

1 Tên đồ án: Tính toán, thiết kế hệ thống sấy phun bột cà rốt với năng suất 1000kg/mẻ 2 Nhiệm vụ đồ án (yêu vầu về nội dung và số liệu ban đầu)  Số liệu ban đầu: Năng suất 1000kg/mẻ  Nội dung:  Tổng quan về sấy phun  Tính toán hệ thống thiết bị  Tổng quan về cà rốt  Thiết kế hệ thống  Tính cân bằng vật chất và năng lượng  Bản vẽ chi tiết thiết bị trên giấy A1, A4 3 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 25/09/2019 4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 02/12/2019 TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký và ghi rõ họ tên) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019 GIÁO VIỆN HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) ……… .………

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Người duyệt:………

Đơn vị:………

Ngày bảo vệ:………

Điểm tổng kết:………

Nơi lưu trữ:………

LỜI CẢM ƠN

Đồ án môn học Quá trình và thiết bị trong Công nghệ Thực phẩm là một trong hai

đồ án của sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Đồ án với mục tiêu giúp cho sinh viên có thể vận dụng được các kiến thức đã học

ở các môn Quá trình và thiết bị trong Công nghệ Thực phẩm vào việc tính toán, thiết kế

hệ thống để áp dụng vào thực tế

Sau 2 tháng nổ lực thực hiện đồ án: ―Tính toán, thiết kế hệ thống sấy phun bột cà

rốt với năng suất 1000kg/mẻ ‖ Ngoài sự cố gắng học hỏi, nghiên cứu của bản thân em

nhận được nhiều sự giúp đỡ hết mình từ bạn bè và đặc biệt là sự giúp đỡ của thầy hướng dẫn cùng các thầy cô trong bộ môn Em cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các anh chị đi trước đã hỗ trợ em trong quá trình thực hiện đồ án này

Dưới sự đồng ý và sự chỉ dẫn tận tình của thầy Nguyễn Tiến Lực, đồ án: ―Tính toán,

thiết kế hệ thống sấy phun bột cà rốt với năng suất 1000kg/mẻ ” đã được hoàn thành với

nội dung gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và tính toán

Chương 3: Tính toán, thiết kế hệ thống sấy phun bột cà rốt với năng suất 1000kg/mẻ

Với trình độ chuyên môn còn nhiều thiếu sót và đây là đồ án đầu tiên nên không tránh khỏi những sai sót trong bài làm Tôi rất mong được sự đóng góp, nhận xét và bổ sung để hoàn thiện đồ án này!

Mặc dù em đã có nhiều cố gắng để hoàn thành đồ án nhưng với thời gian, khả năng hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô và các bạn

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn tất cả những người đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án quá trình thiết bị này

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Cơ sở khoa học của phương pháp sấy phun bột cà rốt 2

1.1.1 Một số khái niệm cơ bản 2

1.1.1.1 Vật liệu ẩm 2

1.1.1.2 Tác nhân sấy 3

a Không khí ẩm 4

b Khói lò 4

c Hơi quá nhiệt 4

1.1.1.3 Chất tải nhiệt 4

a Hơi nước 4

b Nước nóng 4

c Chất lỏng hữu cơ 5

d Khói lò 5

e Điện 5

1.1.2 Qúa trình sấy 6

1.1.2.1 Định nghĩa quá trình sấy 6

1.1.2.2 Động lực của quá trình sấy 6

1.1.2.3 Động học quá trình sấy 7

1.1.3 Qúa trình sấy phun 9

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy 11

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước về sấy phun 11

1.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước về sấy phun 12

1.4 Nguyên liệu trong sản xuất bột cà rốt 12

1.4.1 Thành phần hóa học 15

1.4.2 Phytonutrients 18

1.5 Công nghệ về sấy phun bột cà rốt 22

1.5.1 Quy trình công nghệ 22

1.5.2 Thuyết minh quy trình 22

1.5.2.1 Phân loại 22

1.5.2.2 Công đoạn rửa 23

1.5.2.3 Nghiền, chà 23

1.5.2.4 Lọc 23

1.2.5.5 Công đoạn phối chế 24

1.2.5.6 Công đoạn cô đặc chân không 24

1.2.5.7 Sấy phun 25

1.2.5.8 Đóng gói bảo quản 26

1.6 Thiết bị sấy phun 28

1.6.1 Tổng quan thiết bị 28

1.6.1.1 Cơ cấu phun (vòi phun) 28

1.6.1.2 Buồng sấy 32

1.6.1.3 Hệ thống thu hồi sản phẩm 33

1.6.1.4 Calorifer 34

1.6.1.5 Hệ thống quạt hút 35

1.6.2 Nguyên lý hoạt động 36

1.7 Giới thiệu một số thiết bị sấy phun 37

1.7.1 Máy sấy phun sương 37

1.7.1.1 Khái quát và phạm vi sử dụng 37

1.7.1.2 Nguyên lí làm việc 38

1.7.1.3 Thông số kỹ thuật của thiết bị 39

1.7.2 Máy sấy phun li tâm tốc độ cao LPG 40

1.7.2.1 Khái quát và phạm vi ứng dụng 40

1.7.2.2 Nguyên lí làm việc 40

1.7.2.3 Thông số máy 41

1.7.3 Máy sấy phun tạo hạt áp lực cao 41

1.7.3.1 Khái quát về máy 41

1.7.3.2 Đặc tính của máy 42

1.7.3.3 Thông số kĩ thuật 43

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN 44

2.1 Quy hoạch mặt bằng xây dựng xưởng lắp đặt hệ thống sấy phun bột cà rốt…… .44

2.1.1 Lựa chọn địa điểm xây dựng nhà xưởng 44

2.1.2 Tiêu chuẩn thiết kế nhà xưởng thực phẩm 44

2.1.2 Những yêu cầu khi bố trí tổng mặt bằng nhà máy 46

2.1.3 Chọn địa điểm xây dựng phân xưởng 46

2.2 Đối tượng nghiên cứu và tính toán 48

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu: 48

2.2.2 Tính toán 49

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY PHUN BỘT CÀ RỐT VÀ THẢO LUẬN 50

3.1 Kết quả 50

3.1.1 Nội dung cần thiết hỗ trợ cho sự lựa chọn thông số tính toán 50

3.1.2 Các thông số ban đầu cần thiết cho quá trình tính toán 53

3.1.2.1 Tính thành phần dịch ép cà rốt sau khi cô đặc: 53

3.1.2.2 Xác định khối lượng maltodextrin thêm vào dịch ép cà rốt sau khi cô đặc, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng trước khi sấy 54

a Thành phần dịch cà rốt khi phối trộn thêm maltodextrin 55

b Khối lượng riêng của các thành phần dịch ép cà rốt trước khi sấy ở 30oC 56

c Khối lượng riêng của dung dịch trước khi sấy ở 30oC: 56

d Nhiệt dung riêng của các thành phần dịch ép cà rốt trước khi sấy ở 30oC 57

e Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi sấy ở 30oC 57

3.1.3 Tính cân bằng vật chất 58

3.1.4 Tính cân bằng năng lượng 59

3.1.4.1 Độ chứa hơi của không khí ban đầu 60

3.1.4.2 Tính toán năng lượng chi tiết của hệ thống 61

a Enthalpy của dịch ép cà rốt vào (Q1v) 61

b Enthalpy của bột cà rốt (Q2r) 61

c Enthalpy của không khí vào (Qkv) 66

d Enthalpy của không khí ra (Qkr) 66

e Enthalpy của lượng ẩm bốc hơi (Qhh) 66

f Tổn thất năng lượng 67

3.1.5 Tính toán thời gian sấy 68

3.1.5.1 Tính đường kính giọt lỏng và hạt sản phẩm 68

a Lượng chất rắn trong một giọt lỏng 68

b Lượng chất rắn trong một hạt sản phẩm 69

c Đường kính của hạt lỏng: 69

3.1.5.2 Tính thời gian sấy 70

3.1.6 Tính toán kích thước căn bản của tháp sấy 71

3.1.6.1 Chiều cao tháp sấy 71

3.1.6.2 Đường kính tháp sấy 72

3.1.6.3 Tính chiều cao đáy nón 72

3.1.6.4 Chiều cao thiết bị 72

3.1.6.5 Kích thước nắp tháp 72

3.1.6.6 Thể tích tháp sấy 72

3.1.7 Tính toán các thiết bị phụ 73

3.1.7.1 Tính toán chọn cyclone 73

a Tiết diện ngang của cyclone 73

b Đường kính cyclone 74

c Đường kính của ống khí thoát ra 74

d Tính toán các kích thước cơ bản của cyclone 75

3.1.7.2 Tính toán chọn bơm 76

a Cột áp toàn phần tạo ra khi chạy bơm 76

b Công suất của bơm 77

3.1.7.3 Tính toán bộ phận tạo sương 77

3.1.7.4 Tính toán quạt hút 79

a Xác định cột áp toàn phần ΔP 79

b Xác định ΔPms 83

c Xác định ΔPcb 85

d Công suất quạt 86

3.1.7.5 Tính toán calorife 86

3.2 Thảo luận 88

KẾT LUẬN 89

Tài liệu tham khảo trong nước 91

Tài liệu tham khảo nước ngoài 92

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Đường cong sấy 8

Hình 2: Đường cong tốc độ sấy 9

Hình 3:Sơ đồ bố trí một số buồng sấy trong hệ thống sấy phun 10

Hình 4: Phần cà rốt theo chiều dọc 14

Hình 5: Sản lượng thế giới, diện tích thu hoạch và sản lượng cà rốt và củ cải từ năm 1994 đến năm 2016 (FAO, 2018) 15

Hình 6: Củ cà rốt 16

Hình 7: Cấu trúc của β-carotene 19

Hình 8: Các chức năng tăng cường sức khỏe của carotenoids 19

Hình 9: Sơ đồ khối quy trình sản xuất bột cà rốt bằng phương pháp sấy phun 22

Hình 10: Sơ đồ hệ thống sấy phun 26

Hình 11: Cơ cấu vòi phun áp lực và mặt cắt đứng của vòi phun áp lực 29

Hình 12: Cơ cấu phun đĩa ly tâm 30

Hình 13: Vòi phun đĩa ly tâm 30

Hình 14: Vòi phun khí động 31

Hình 15: Các dạng chuyển động dòng nguyên liệu và tác nhân sấy trong buồng sấy 32

Hình 16: Hệ thống thu hồi sản phẩm 34

Hình 17: Điện trở chữ U 35

Hình 18: Cấu tạo quạt hút 36

Hình 19: Sơ đồ hệ thống sáy phun trên thực tế 36

Hình 20: Máy sấy phun sương 38

Hình 21: Máy sấy phun sương LPG 40

Hình 22: Máy sấy phun áp lực cao kí hiệu YPG 42

Hình 23: Sơ đồ tính toán thiết bị 49

Hình 24: Thiết kế mô hình hệ thống sấy 52

Hình 25 Sơ đồ cân bằng vật chất cho thiết bị sấy 58

Hình 26 Sơ đồ cân bằng năng lượng cho thiết bị 61

Hình 27: Tháp sấy thực tế 73

Hình 28: Bộ phận cyclone thực tế 76

Hình 29 Đầu phun động cơ Spindle 79

Hình 30: Thiết bị quạt hút thực tế 86

Hình 31: Calorifer điện 3 thanh chữ U công suất 330 kW 87

DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Thành phần hóa học của carrot được báo cáo bởi Sharma et al (2012), USDA 17 Bảng 2: Thành phần hóa học của carrot được báo cáo bởi Holland et al (1991) 18

Bảng 3: Năng lượng tiêu hao của 3 loại cơ cấu phun (Arun S Mujumdar, 2006) 31

Bảng 4: Thông số kỹ thuật của máy phun sương 39

Bảng 5: Máy sấy phun li tâm tốc độ cao LPG 41

Bảng 6: Thông số kỹ thuật cho kiểu máy YPG-I 43

Bảng 7: Thông số kỹ thuật cho kiểu máy YPG-II 43

Bảng 8: Giá điện tại khu công nghiệp Long Thành – Đồng Nai 48

Bảng 9: Thành phần dinh dưỡng trung bình của cà rốt 53

Bảng 10: Thành phần dịch ép cà rốt sau khi cô đặc đến 40% 54

Bảng 11 Thành phần dịch cà rốt sau khi phối trộn maltodextrin 55

Bảng 12: Thông kê những thông số ban đầu thuận tiện cho tính toán 58

Bảng 13 Thành phần bột cà rốt sau khi sấy 63

Bảng 14: Thông kê những thông số đã tính toán được 67

Bảng 15 Thông số kỹ thuật động cơ spindle 78

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, hòa nhịp cùng với sự phát triển của đất nước cùng với

sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp nước ta có những chuyển biến

rõ rệt đặc biệt là ngành công nghiệp chế biến thực phẩm Bởi lẽ, đời sống của con người ngày càng được nâng cao thì đòi hỏi các sản phẩm thực phẩm phải ngày càng phong phú

và đa dạng để đáp ứng tốt nhất nhu cầu của con người Tuy nhiên, đối với thực phẩm nhất

là những thực phẩm ở dạng lỏng như sữa, nước ép trái cây, rau củ, cà phê,…việc đa dạng của sản phẩm phụ thuộc nhiều vào công nghệ chế biến do tính chất dễ bị hư hỏng dưới tác động của vi sinh vật, của môi trường xung quanh…kéo theo thời gian bảo quản và sử dụng rất hạn hẹp

Hiểu được điều đó, các nhà khoa học đã nghiên cứu và ứng dụng thành công các công nghệ chế biến mới cho những thực phẩm ở dạng lỏng như thế này, nổi trội hơn hết

là công nghệ sấy như: Sấy thăng hoa, sấy phun, sấy tầng sôi, sấy khí động,…nhằm tách bớt nước ra khỏi thực phẩm, biến thực phẩm ở dạng lỏng thành thực phẩm dạng bột mà không làm thay đổi tính chất của sản phẩm Công nghệ sấy ra đời đánh dấu bước chuyển mình của thực phẩm dạng lỏng, nó giúp cho thực phẩm này bảo quản được lâu hơn và đặc biệt là ngày càng thu hút được sự quan tâm chú ý của người tiêu dùng nhiều hơn do

sự phong phú của sản phẩm

Chính vì những lý do trên, là sinh viên trường công nghệ, ngành hóa học và thực

phẩm với đồ án quá trình và thiết bị, em được giao đề tài “Tính toán, thiết kế hệ thống

sấy phun bột cà rốt với năng suất 1000kg/mẻ” Với đề tài này, nó đã giúp em bổ sung

những kiến thức còn thiếu của công nghệ sấy phun, biết được ứng dụng thực tế của nó trong nhiều ngành đặc biệt là ngành thực phẩm Và em hy vọng rằng với đề tài này cũng

sẽ giúp cho những bạn học chuyên ngành thực phẩm hiểu hơn về công nghệ sấy phun, hy vọng nó sẽ là một tài liệu bổ ích cho những ai muốn nghiên cứu sâu hơn về công nghệ này - một trong những công nghệ có tính ứng dụng thực tế cao

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở khoa học của phương pháp sấy phun bột cà rốt

1.1.1 Một số khái niệm cơ bản

1.1.1.1 Vật liệu ẩm

Vật liệu sấy chủ yếu là các nông-lâm-hải sản có nhiều dạng khác nhau: từ củ như khoai, sắn; quả như vải, nhãn; con như tôm, cá v.v đến các dạng huyền phù như sữa bò, sữa đậu nành v.v Những vật đem đi sấy đều là những vật ẩm có chứa một khối lượng chất lỏng đáng kể (chủ yếu là nước) Trong quá trình sấy ẩm chất lỏng trong vật bay hơi,

độ ẩm của nó giảm Trạng thái của vật liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của

nó Độ ẩm của vật có thể biểu thị qua độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm toàn phần, độ chứa ẩm và

nồng độ ẩm (Lê Văn Việt Mẫn, 2011)

 Độ ẩm tuyệt đối

Độ ẩm tuyệt đối là tỉ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối Độ ẩm tuyệt đối được ký hiệu Ta có:

(a) khối lượng ẩm chứa trong vật liệu (kg) khối lượng độ khô tuyệt đối (kg)

Độ ẩm tuyệt đối có giá trị từ 0% đến Vật có độ ẩm tuyệt đối 0% là vật khô tuyệt đối và vật có độ ẩm là vật chứa toàn bộ nước (Lê Văn Việt Mẫn, 2011)

 Độ ẩm toàn phần

Độ ẩm toàn phần là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng của vật

ẩm, kí hiệu độ ẩm toàn phần là ta có:

(b) Khối lượng vật ẩm , (kg)

Độ ẩm toàn phần có giá trị từ 0 đến 100% Vật có độ ẩm toàn phần là 0% là vật khô tuyệt đối và 100% là vật toàn nước Như vậy độ ẩm toàn phần luôn luôn nhỏ hơn 100% (Lê Văn Việt Mẫn, 2011)

Từ (a) và (b) Ta có quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm toàn phần ta có

Độ chứa ẩm đặc trưng cho toàn bộ vật và từng vật vùng của vật thể Nếu độ chứa

ẩm phân bố đều trong toàn bộ vật thể thì (Lê Văn Việt Mẫn, 2011)

 Nồng độ ẩm

Nồng độ ẩm là khối lượng ẩm chứa trong 1m3 vật thể Nồng độ ẩm kí hiệu N Ta có :

N = [kg/m3] (d) Trong đó V- thể tích vật

Nếu gọi là khối lượng riêng của vật khô tuyệt đối thì từ (c) và (d) ta có: N = u (Lê Văn Việt Mẫn, 2011)

1.1.1.2 Tác nhân sấy

Tác nhân sấy là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật sấy Trong quá trình sấy môi trường buồng sấy luôn luôn được bổ sung ẩm thoát ra từ vật sấy Nếu lượng ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối trong buồng sấy tăng lên, đến một lúc nào đó sẽ đạt đến sự cân bằng giữa vật sấy và môi trường trong buồng sấy và quá trình thoát ẩm từ vật sấy sẽ ngừng lại, lúc này phần áp suất hơi nước thoát ra từ vật bằng với phần áp suất của hơi nước trong buồng sấy Do vậy cùng với việc cung cấp nhiệt cho vật để hóa hơi ẩm lỏng đồng thời phải tải ẩm thoát ra khỏi vật trong buồng sấy Người ta

sử dụng tác nhân sấy làm nhiệm vụ này Tác nhân sấy thường là các chất khí như: không

khí, khói, hơi quá nhiệt Chất lỏng cũng được sử dụng làm tác nhân sấy như các loại dầu, một số muối nóng chảy (Lê Văn Việt Mẫn, 2011),…

a Không khí ẩm

Không khí ẩm là loại tác nhân sấy thông dụng nhất có thể dùng cho hầu hết các loại sản phẩm Dùng không khí ẩm sản phẩm sấy sẽ không bị ô nhiễm Tuy vậy, dùng không khí ẩm cần trang bị thêm bộ phận gia nhiệt không khí (calorife); nhiệt độ không khí sấy không thể quá cao, thường nhỏ hơn 500 vì nếu nhiệt độ cao thiết bị trao đổi nhiệt phải sử dụng thép hợp kim hay gốm sứ chi phí cao

c Hơi quá nhiệt

Dùng hơi quá nhiệt làm tác nhân sấy trong trường hợp sản phẩm dễ cháy nổ và sản phẩm sấy chịu được nhiệt độ cao

Dùng nước nóng làm chất tải nhiệt có ưu điểm:

+ Áp suất sử dụng thấp hơn khi dùng hơi

+ Lò nước nóng có cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ

+ Nhiệt dung riêng của nước lớn nên thiết bị gọn

Nhược điểm khi dùng nước nóng làm chất tải nhiệt:

+ Nhiệt độ bị hạn chế ( thường < 100 ), nếu dùng nhiệt độ cao hơn phải dùng nước

áp suất cao

+ Cần xử lý nước để chống đóng cặn

c Chất lỏng hữu cơ

 Ưu điểm:

+ Nhiệt độ có thể tăng lên vài trăm độ ở áp suất khí quyển

+ Không có hiện tượng đóng cặn trên bề mặt trao đổi nhiệt

+ Lò gia nhiệt chất lỏng hữu cơ có cấu tạo đơn giản hơn so với lò hơi

 Nhược điểm khi dùng chất lỏng hữu cơ làm chất tải nhiệt là:

+ Nhiệt dung riêng bé hơn nước nên lưu lượng lớn hơn so với nước khi cùng công suất

+ Gía thành đắt hơn nước

d Khói lò

 Dùng khói ò làm chất tải nhiệt có ưu điểm:

+ Không phải trang bị lò hơi nên vốn đầu tư ít hơn

 Nhược điểm:

+ Calorife khí – khói làm việc ở nhiệt độ cao cần dùng vật liệu chịu nhiệt

+ Khói lò có hệ số truyền nhiệt thấp nên diện tích bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với dùng hơi nước hay chất lỏng

+ Khói làm bám bẩn bề mặt trao đổi nhiệt

+ Điều chỉnh nhiệt độ khó khăn hơn khi dùng hơi hay chất lỏng

e Điện

 Dùng điện để cấp nhiệt có các ưu điểm:

+ Thiết bị đơn giản, hiệu suất sử dụng cao

+ Dễ điều chỉnh nhiệt độ

+ Không gây ô nhiễm môi trường (trong khi dùng hơi hay chất lỏng đều phải dùng

lò hơi hay lò chất lỏng… đều phải đốt nhiên liệu gây ô nhiễm môi trường)

1.1.2.1 Định nghĩa quá trình sấy

Sấy là quá trình sử dụng nhiệt để tách nước ra khỏi mẫu nguyên liệu Trong quá trình sấy, nước được tách ra khỏi nguyên liệu theo nguyên tắc bốc hơi (evaporation) hoặc thăng hoa (sublimation) Trong quá trình sấy mẫu nguyên liệu thường ở dạng rắn, tuy nhiên mẫu nguyên liệu cần sấy cũng có thể ở dạng lỏng hoặc huyền phù Sản phẩm thu được sau quá trình sấy luôn ở dạng rắn hoặc bột (Lê Văn Việt Mẫn, 2011)

1.1.2.2 Động lực của quá trình sấy

Tất cả các vật liệu sấy đều có khả năng hút ẩm từ môi trường xung quanh hoặc nhã

ẩm ra môi trường xung quanh Sự chuyển động của hơi nước theo chiều nào phụ thuộc vào trạng thái của môi trường xung quanh và tính chất của vật liệu (Võ Văn Bang, 2004) Môi trường xung quanh vật liệu có thể là hơi nước hoặc hỗn hợp hơi nước – không khí Nếu kí hiệu pA là áp suất riêng phần của hơi nước và PA là áp suất hơi của nước trên

bề mặt vật liệu thì điều kiện để nước từ vật liệu bay hơi vào môi trường chung quanh là

PA> pA (Võ Văn Bang, 2004)

Áp suất hơi của nước trên bề mặt vật liệu PA phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu, nhiệt

độ và dạng liên kết ẩm với vật liệu Khi nhiệt độ và độ ẩm của vật liệu tăng thì PA tăng, lực liên kết ẩm với vật liệu càng lớn thì PA càng giảm (Võ Văn Bang, 2004)

Trạng thái ẩm vật liệu ứng với điều kiện PA = pA gọi là trạng thái cân bằng, quá trình bay hơi ngừng lại, độ ẩm vật liệu tại điều kiện này gọi là độ ẩm cân bằng Khi

pA=Pbh (áp suất hơi bão hòa) được gọi là điểm hút nước Lượng ẩm ứng với vật liệu có độ

ẩm lớn hơn độ ẩm hút nước gọi là ẩm không liên kết và ngược lại là ẩm liên kết Quá trình sấy thường chỉ bốc hơi lượng ẩm không liên kết và một phần lượng ẩm liên kết Lượng ẩm bốc hơi được gọi chung là lượng ẩm tự do Quá trình ẩm bay hơi từ vật liệu có

2 giai đoạn (Võ Văn Bang, 2004):

Ẩm trên bề mặt vật liệu bay hơi vào môi trường chung quanh, tốc độ của quá trình phụ thuộc vào áp suất PA, pA, nhiệt độ và tốc độ chuyển động của môi trường

Khi độ ẩm trên bề mặt vật liệu nhỏ hơn độ ẩm bên trong vật liệu, nước sẽ khuếch tán từ bên trong ra bề mặt vật liệu nhờ chênh lệch độ ẩm Khi nhiệt độ trong vật liệu khác nhau thì nước sẽ di chuyển từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp (Võ Văn Bang, 2004)

Tốc độ của hai giai đoạn này thường không bằng nhau và ảnh hưởng đến tốc độ sấy (Võ Văn Bang, 2004)

1.1.2.3 Động học quá trình sấy

Động học quá trình sấy khảo sát sự thay đổi của các các thông số đặc trưng của vật sấy trong quá trình sấy Nghiên cứu động học quá trình sấy các thông số này thường lấy giá trị trung bình Các thông số được nghiên cứu thường là độ chứa ẩm u, độ ẩm w, nhiệt

độ vật sấy tv, tốc độ sấy

(hay

) Trong quá trình sấy các thông số này thay đổi theo thời gian sấy Các quy luật nghiên cứu được ở động lực quá trình sấy cho phép tính toán lượng ẩm bay hơi, nhiệt lượng cần cung cấp cho quá trình sấy, từ đó xác định thời gian sấy cũng như các chế độ sấy phù hợp nhất đối với các loại sản phẩm khác nhau (Lê Văn Việt Mẫn, 2011)

Sự thay đổi độ ẩm và nhiệt độ tại mỗi phần của vật phụ thuộc vào cường độ và quan

hệ của các quá trình trao đổi nhiệt, chất trong lòng vật và trên bề mặt vật dưới tác dụng của môi trường xung quanh vật sấy Trao đổi nhiệt và chất bên trong vật là quá trình rất phức tạp bị ảnh hưởng của dạng liên kết ẩm trong vật thể (Lê Văn Việt Mẫn, 2011)

Các quy luật cơ bản của quá trình sấy

 Đường cong sấy

Đường cong biểu diễn sự thay đổi độ ẩm của vật sấy theo thời gian sấy gọi là đường cong sấy: u = f( ) Dạng đường cong sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như dạng liên kết giữa nước và vật sấy, hình dáng, kích thước và đặc tính của vật sấy, phương pháp và chế

độ sấy (Trần Văn Phú, 2008) Ba giai đoạn của quá trình sấy được biểu diễn ở hình bên dưới:

- Giai đoạn 1: đun nóng vật liệu sấy và làm bay hơi nước bề mặt, giai đoạn này dường cong sấy ở dạng phi tuyến (Bài giảng)

- Giai đoạn 2: quá trình bay hơi nước do quá trình khuếch tán nội và khuếch tán ngoại xảy ra đồng thời, giai đoạn này là sấy đẳng tốc, đường cong sấy ở dạng tuyến tính (Bài giảng)

- Giai đoạn 3: quá trình bốc hơi ẩm còn lại cho đến khi đạt tới độ ẩm cân bằng, quá trình này đường cong sấy ở dạng phi tuyến rất phức tạp (Bài giảng)

 Đường cong tốc độ sấy

Hình 1: Đường cong sấy

Đường cong tốc độ sấy biểu thị quan hệ giữa tốc độ sấy

và thời gian sấy hoặc

f( ) Tốc độ sấy tại mỗi thời điểm được biểu thị bằng độ dốc của đường cong u = f( ) tại thời điểm đó Trong quá trình sấy độ ẩm của vật giảm dần nên chiều diễn biến của đường cong tốc độ sấy là từ phải sang trái (Lê Văn Việt Mẫn, 2011)

1.1.3 Qúa trình sấy phun

Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu dưới tác dụng của nhiệt Trong quá trình sấy, nước được tách ra khỏi vật liệu nhờ sự khuếch tán do:

+ Chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt và bên trong của vật liệu

+ Chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh

 Mục đích của quá trình sấy là làm giảm khối lượng vật liệu, tăng độ bền và bảo quản sản phẩm được lâu hơn

Sấy phun là một công nghệ sấy đặc biệt do khả năng sấy trực tiếp nguyên liệu từ dạng lỏng sang dạng rắn (bột) Một cách hiểu khác, ―Sấy phun là quá trình chuyển hóa của nguyên liệu vào (VLS) từ trạng thái chảy (fluid) thành dạng cấu tử khô bằng cách phun nguyên liệu vào môi trường sấy nóng‖ Hệ thống sấy phun là hệ thống chuyên dùng

để sấy các VLS dạng dung dịch huyền phù, ví dụ trong trong công nghệ sản xuất sữa bột,

Hình 2: Đường cong tốc độ sấy

bột trứng, cà phê hoà tan,… (Hoàng Văn Chước, 1999) Cấu tạo chủ yếu của hệ thống sấy phun gồm một bơm dịch thể, một buồng sấy hình trụ, trong đó bố trí các vòi phun và cuối cùng là cyclon để thu hồi sản phẩm VLS được nén qua vòi phun vào buồng sấy dưới dạng sương mù Ở đây VLS trao đổi nhiệt - ẩm với tác nhân sấy Quá trình sấy diễn

ra rất nhanh đến mức không kịp đốt nóng vật liệu lên quá giới hạn cho phép do đó có thể

sử dụng tác nhân sấy ở nhiệt độ cao, phần lớn sản phẩm được sấy khô dưới dạng bột và rơi xuống phía dưới, phần nhỏ còn lại bay theo tác nhân sấy di qua xyclon và được thu hồi trở lại Tác nhân sấy sau khi đi qua xyclon sẽ thải vào môi trường Sản phẩm thu được ở dạng bột mịn (Hoàng Văn Chước, 1999)

Nhiệt độ dòng khí có thể lên đến 750 và chỉ phụ thuộc vào tính chịu nhiệt của vật liệu Dòng khí ra khỏi thiết bị sấy phải qua hệ thống cyclon để thu hồi bụi sản phẩm

bị lôi cuốn theo

 Ưu điểm: sấy nhanh, sản phẩm thu được ở dạng bột mịn, chi phí điều hành tương

đối thấp, tháp sấy có năng suất lớn

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

 Nồng độ chất khô của nguyên liệu

Nồng độ cao: giảm được thời gian bốc hơi nhưng lại tăng độ nhớt của nguyên liệu, gây khó khan cho quá trình sấy phun

Nồng độ thấp: tốn nhiều thời gian và năng lượng cho quá trình

Thực tế nồng độ vào khoảng: 45-52%

 Nhiệt độ tác nhân sấy

Đây là yếu tố ảnh hưởng quyết định đến độ ẩm của sản phẩm sau khi sấy phun Khi

cố định thời gian sấy, độ ẩm của bột sản phẩm thu được sẽ giảm đi nếu ta tăng nhiệt độ tác nhân sấy

Tuy nhiên, việc gia tăng nhiệt độ cao có thể gây phân hủy một số cấu tử trong nguyên liệu mẫn cảm với nhiệt và làm tăng mức tiêu hao năng lượng cho toàn bộ quá trình

 Kích thước, số lượng và quỹ đạo chuyển động của các hạt nguyên liệu trong buồng sấy

Các yếu tố ảnh hưởng đến sấy phun là tốc độ bơm đưa dòng nguyên liệu vào cơ cấu phun sương, lưu lượng không khí nóng vào buồng sấy, cấu tạo và kích thước buồng sấy…

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước về sấy phun

- Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật sấy phun trong sản xuất bột chanh dây, tác giả:

Tôn Nữ Minh Nguyệt, Đào Văn Hiệp (Tạp chí phát triển KH & CN tập 9, số 4, 2006) với các thông số kỹ thuật như sau: hàm lượng chất khô dịch quả trước sấy là 8%, nhiệt độ không khí đầu vào là 165o

C, áp lực khí nén là 4,25 bar và tốc độ bơm nhập liệu là 22,5 mL/ph thì hiệu suất thu hồi sản phẩm của quá trình sấy phun đạt 75 – 78% và độ ẩm sản phẩm thấp hơn 5%

- Tối ưu hóa quá trình sấy phun dịch cà chua, tác giả: Nguyễn Thị Hồng Minh,

Nguyễn Thị Thùy Ninh (Tạp chí khoa học và phát triển 2011 Tập 9 số 6: 1014 – 1020) với các thông số kỹ thuật như sau: tỷ lệ maltodextrin/chất khô dịch quả 52%, nhiệt độ không khí sấy 133oC , tốc độ bơm nhập liệu 27 ml/phút Khi đó hiệu suất đạt 74,2% và hàm lượng lycopen của sản phẩm là 43,334 mcg%

- Nghiên cứu sản xuất sản phẩm bột uống liền từ dịch trích ly lá dâu tằm (Morus alba L.) Việt Nam, tác giả: Hoàng Thị Lệ Hằng (Tạp chí khoa học và phát triển 2012 Tập

10 số 5: 723 – 729) với các thông số kỹ thuật như sau: Sử dụng dịch trích ly có hàm lượng chất khô hòa tan là 200Bx, nhiệt độ đầu vào khi sấy phun là 130 oC với lưu lượng bơm nhập liệu là 1500mL/giờ cho hiệu suất thu hồi sản phẩm đạt 60% (Wsp <5%) Để tạo ra sản phẩm có hương vị hấp dẫn, dịch sấy phun cần được một số chất phụ gia như: 0,6% đường cỏ ngọt; 6% hương dâu

1.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước về sấy phun

- Applications of spray-drying in microencapsulation of food ingredients: An overview, Adem Gharsallaoui et al, Food Research International 40 (2007) 1107–1121

- Surface composition of industrial spray-dried milk powders 2 Effects of spray drying conditions on the surface composition, Esther H.-J.Kim et al, Journal of Food

Engineering, Volume 94, Issue 2, September 2009, Pages 169-181

- How surface composition of high milk proteins powders is influenced by drying temperature, C.Gaiani et al, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, Volume 75,

spray-Issue 1, 1 January 2010, Pages 377-384

1.4 Nguyên liệu trong sản xuất bột cà rốt

Cà rốt (Daucus carota L) là một trong những loại rau củ phổ biến được trồng trên khắp thế giới và là nguồn carotenoids quan trọng nhất ở các nước phương Tây bao gồm Hoa Kỳ (Block 1994; Torronen et al 1996) Cà rốt là một trong những loại rau củ quan trọng giàu hợp chất hoạt tính sinh học như carotenoids và chất xơ với mức độ đáng kể của một số thành phần chức năng khác có đặc tính tăng cường sức khỏe đáng kể

Cà rốt không phải là nguồn năng lượng chính trong chế độ ăn uống của con người nhưng là nguồn dinh dưỡng đáng kể trong số các loại trái cây và rau quả khác (Alasalvar

et al., 2001) Cà rốt được biết đến nhiều nhất với hàm lượng phenolics cao, đặc biệt là các caroten như α- và-carotenes tạo ra màu cam đặc biệt Đây là những tiền chất quan trọng đối với vitamin A trong quá trình trao đổi chất của con người có liên quan đến sự phát triển lành mạnh và chức năng của răng, xương, da và mắt (NIH, 2018) Carotenoids hoạt động như chất chống oxy hóa để vô hiệu hóa các gốc oxy tự do và oxy nhóm đơn và cũng

có liên quan đến lợi ích sức khỏe bao gồm: ức chế một số bệnh ung thư, phòng ngừa bệnh tim mạch, giảm nguy cơ hình thành đục thủy tinh thể, ngăn ngừa thoái hóa cơ bắp và tăng cường chức năng hệ thống miễn dịch (Sharma et al., 2012) Hoạt tính chống oxy hóa của

cà rốt đã được báo cáo là cao nhất trong số các loại rau phổ biến ở mức tương đương 4256μmol vitamin C trên 100 g (Nayak et al., 2015) Do những lợi ích sức khỏe liên quan đến các loại rau màu đỏ và cam giàu sắc tố caroten, USDA khuyến nghị người lớn nên ăn tới 350g các loại rau này mỗi tuần (USDA, 2015) Cà rốt có màu sẫm (đỏ hoặc tím) rất giàu sắc tố anthocyanin, đây cũng là chất chống oxy hóa quan trọng trong dinh dưỡng của con người và cũng được chiết xuất và sử dụng làm chất màu thực phẩm tự nhiên (Bradeen và Simon, 2007) Cà rốt thường có độ ẩm từ 86% đến 89%, tương đối ít protein

và chất béo, và giàu carbohydrate và chất xơ Hàm lượng sinh hóa chung của cà rốt sống được thể hiện trong Bảng 1

Nguồn gốc của củ cà rốt được sử dụng ngày nay có thể được truy nguyên từ Ba Tư

cổ đại vào thế kỷ thứ 10 sau Công nguyên (Banga, 1957), nơi nó được phổ biến về Địa Trung Hải từ Afghanistan ngày nay (Banga, 1963) Cà rốt phổ biến nhất thời bấy giờ được cho là có màu tím do nồng độ sắc tố anthocyanin cao (Banga, 1963) Kể từ đó, các màu khác nhau của cà rốt đã phát triển cụ thể là: vàng, trắng, cam, đỏ và tím hoặc đen Một số cơ chế phát triển các màu khác nhau từ cà rốt tím ban đầu đã được đề xuất (Bradeen và Simon, 2007) bao gồm: các đột biến màu dẫn từ tím sang vàng, vàng sang trắng và vàng sang cam (Banga, 1963); lai giữa mầm cây được trồng và hoang dã; hoặc

sự kết hợp của sự giao thoa giữa tế bào mầm được trồng và tự nhiên và chọn lọc con người (Heywood, 1983)

Cây cà rốt là một loại cây hàng năm thân thảo với lá kép xen kẽ, bộ sưu tập hoa hình chiếc ô màu trắng và một chiếc vòi hình nón có thể kéo dài tới 5-50 cm (Bradeen và Simon, 2007) Các phần mô tả chính của phần gốc của củ cà rốt có thể được nhìn thấy trong hình 1 mô tả khu vực ở gốc cuống lá và điểm nối với gốc Thịt (phloem) của cà rốt kéo dài từ mép ngoài về phía trung tâm và có thể có độ dày và kết cấu khác nhau Lõi (xylem) là phần trong cùng của củ cà rốt và được mô tả tương tự như phloem Rễ chính kết thúc ở gốc và một cái vòi mỏng hơn kéo dài xuống dưới

1 Neck (phần cổ) 5.Secondary root (rể con)

2 Collar (lông cổ) 6 Core (lõi)

3 Shoulder (vai) 7 Base (phần đầu)

4 Flesh (phần thịt) 8 Taproot (rể cái) Việc tiêu thụ cà rốt và các sản phẩm của nó đang tăng đều đặn do được công nhận là

một nguồn chất chống oxy hóa tự nhiên quan trọng có hoạt tính chống ung thư (Dreosti

1993; Speizer et al 1999) Ngoài ra cà rốt được sử dụng thường xuyên trong món salad

và chế biến các món cà ri ở Ấn Độ, chúng có thể được thương mại hóa chuyển đổi thành

các sản phẩm chế biến giàu dinh dưỡng như nước trái cây, cô đặc, bột khô, đóng hộp, bảo

quản, kẹo, dưa chua, và gazrailla Phần sơ của cà rốt chứa khoảng 50% β-carotene – tiền

chất của vitamin A có thể được sử dụng một cách có lợi cho việc bổ sung các sản phẩm

như bánh, bánh mì, bánh quy và chuẩn bị một số loại sản phẩm chức năng

Hình 4: Phần cà rốt theo chiều dọc

Phần ăn được của cà rốt chứa khoảng 10% carbohydrate có carbohydrate hòa tan từ 6,6 đến 7,7 g / 100 g và protein từ 0,8 đến 1,1 g / 100 g trong 4 giống cà rốt (Howard et

al 1962) Chất xơ thô trong củ carrot bao gồm lần lượt là 71,7%, 13,0% và 15,2% cellulose, hemiallulose và lignin, tương ứng (Kochar và Sharma 1992) Theo báo cáo của Robertson et al (1979), hàm lượng cellulose trong 4 giống cà rốt thay đổi từ 35% đến 48% Hàm lượng nitrat và nitrite trung bình trong cà rốt tươi lần lượt là 40 và 0,41 mg/100 g (Bose và Som 1986; Miedzobrodzka et al 1992)

Hương vị của cà rốt chủ yếu là do sự hiện diện của axit glutamic và hoạt động đệm của các axit amin tự do Một lượng acid succinic, acid α ketoglutaric, acid lactic và acid glycolic cũng đã được báo cáo (Kalra et al 1987) Acid caffeic là acid phenolic chiếm ưu thế trong carrot Thiamin, riboflavin, niacin, axit folic và vitamin C có mặt với lượng đáng kể trong carrot (Howard et al 1962; Bose và Som 1986) Hàm lượng anthocyanin trong củ có thể thay đổi từ lượng vi lượng trong giống hồng đến 1.750 mg/kg trong carrot đen (Mazza và Minizte 1993) Các anthocyanin chính đã được xác định là cyanidin 3- (2 xylosylgalactosid), cyanidin 3 xylosylglucosylga actoside và cyanidin 3 ferulylxyloglucosyl galactoside (Hartern 1976)

Hình 6: Củ cà rốt

Bảng 1: Thành phần hóa học của carrot đƣợc báo cáo bởi Sharma et al (2012), USDA

Bảng 2: Thành phần hóa học của carrot được báo cáo bởi Holland et al (1991)

1.4.2 Phytonutrients

Phytonutrients là những hợp chất tự nhiên có sẵn trong các loài thực vật, thành phần thực vật, chủ yếu là các chất chuyển hóa thứ cấp có đặc tính tăng cường sức khỏe Tầm quan trọng của các thành phần chống oxy hóa trong việc duy trì sức khỏe và bảo vệ khỏi bệnh tim mạch vành và ung thư đang làm tăng sự quan tâm đáng kể của các nhà khoa học, nhà sản xuất thực phẩm và người tiêu dùng khi xu hướng của tương lai đang chuyển động đối với thực phẩm chức năng có ảnh hưởng sức khỏe (Velioglu et al 1998; Kahkonen và cộng sự 1999; Robards et al 1999) Nghiên cứu in vitro chỉ ra chất phytonutrients như carotenoids và phenolics có thể đóng một vai trò quan trọng, ngoài ra vitamin trong việc bảo vệ các hệ thống sinh học khỏi tác động của stress oxy hóa (Kalt 2005)

Carrot là một nguồn đáng kể của phytonutrients bao gồm phenolics (Babic et al 1993), polyacetylen (Hansen et al 2003; Kidmose et al 2004) và carotenoids (Block 1994) Cà rốt rất giàu carotene, acid ascorbic và tocopherol và được phân loại là thực phẩm giàu vitamin (Hashimoto và Nagayama 2004) Mức độ đa dạng của các hợp chất khác nhau tồn tại trong cà rốt, nên nó được coi là một loại thực phẩm chức năng với các đặc tính tăng cường sức khỏe đáng kể (Hager và Howard 2006)

Carbohydrate (%)

Đường tổng (%)

Chất

xơ thô (%)

Ca mg/100g

Fe mg/100g

P mg/100g

thuộc vào hoạt động của pro-vitamin A mà được cho là do đặc tính chống oxy hóa của carotenoids, thông qua việc vô hiệu hóa các gốc tự do và làm bất hoạt oxy nguyên tử (Krinsky 1989; Palozza và Krinsky 1992) Nhìn chung, carotenoid trong thực phẩm được phân loại thành caroten và xanthophyl, tạo ra màu đỏ hoặc vàng hấp dẫn, góp phần vào chất lượng thực phẩm Cấu trúc của carotenoid có thể là mạch vòng hoặc chứa một vòng

5 hoặc 6 các nguyên tử cacbon ở một hoặc cả hai đầu của phân tử (Carle và Schiber 2001)

Carotenoids là các vi chất dinh dưỡng quan trọng đối với sức khỏe con người (Castermiller và West 1998) Tổng hàm lượng carotenoids trong phần ăn được của cà rốt dao động từ 6.000 đến 54.800g/100g (Simon và Wolff 1987) Chức năng sinh lý chính của carotenoids là tiền chất của vitamin A (Nocolle et al 2003)

Hình 7: Cấu trúc của β-carotene

Hình 8: Các chức năng tăng cường sức khỏe của carotenoids

Carotene (Hình 7) tạo ra hai phân tử retinol trong hệ thống của con người Carotenoids (Hình 8) có liên quan đến việc tăng cường hệ thống miễn dịch và giảm nguy

cơ mắc các bệnh thoái hóa như ung thư, bệnh tim mạch, thoái hóa về tuổi và hình thành đục thủy tinh thể (Mathews Roth 1985; Bendich và Olson 1989; Bendich 1990; Krinsky 1990; Byers và Perry 1992; Bendich 1994; Krinsky 1994; Faulks và Southon 2001) Carotenoids đã được xác định là một chất ức chế tiềm năng của bệnh Alzheimer (Zaman

et al 1992)

Sự hiện diện của nồng độ cao chất chống oxy hóa carotenoids đặc biệt là β-carotene chiếm phần lớn các đặc tính sinh học và dược liệu của carrot Carrot đã được báo cáo là

có đặc tính lợi tiểu, có hiệu quả trong việc loại bỏ acid uric (Anon 1952)

Trong các hệ thống sinh học, β-carotene có chức năng như một chất bẫy gốc tự do và chất khử oxy nguyên tử, có đặc tính chống vi trùng, chống oxy hóa, bảo vệ tế bào và miễn dịch (Deshpande et al 1995)

Ăn carrot cũng có thể tăng cường hệ thống miễn dịch, bảo vệ chống đột quỵ, huyết

áp cao, loãng xương, viêm khớp đục thủy tinh thể, bệnh tim, hen phế quản và nhiễm trùng đường tiết niệu (Beom et al 1998; Sun et al 2001; Seo và Yu 2003) D’Odorico et

al (2000) đã chỉ ra rằng sự hiện diện của α- và β-carotene trong máu có tác dụng bảo vệ chống xơ vữa động mạch Nocolle et al (2003) đã chứng minh rằng chế độ ăn nhiều carotene có liên quan đến việc giảm nguy cơ bệnh tim

 Phenolics

Mặc dù, các hợp chất phenolic không có bất kỳ chức năng dinh dưỡng nào được biết đến, song chúng có thể quan trọng đối với sức khỏe con người vì khả năng chống oxy hóa của chúng (Hollman et al 1996) Phenolics là thành phần thực vật phổ biến có nguồn gốc chủ yếu từ phenylalanine thông qua quá trình chuyển hóa phenylpropanoid (Dixon và Paiva 1995)

Phenolics trong cà rốt có mặt khắp rễ nhưng tập trung cao ở mô periderm (Mercier et

al 1994) Hai nhóm chính của phenolics là acid hydroxycinnamic và acid para- hydroxybenzoic (Babic et al 1993) Ngoài ra, các chất chống oxy hóa trong carrot chứa chủ yếu là acid hydroxycinnamic và các dẫn xuất Trong số đó, acid chlorogen là một

acid hydroxycinnamic chính, chiếm 42,2% 61,8% tổng số hợp chất phenolic được phát hiện trong các mô của các củ carrot khác nhau Hàm lượng phenolic trong các mô khác nhau giảm theo thứ tự sau đây vỏ > mô sống > mạch gỗ Mặc dù, vỏ cà rốt chỉ chiếm 11% trọng lượng carrot tươi, nhưng nó có thể cung cấp 54,1% tổng lượng phenolics, trong khi mô phloem (mô sống) cung cấp 39,5% và mô xylem (mạch gỗ) chỉ cung cấp 6,4%

 Chất xơ

Chất xơ là một carbohydrate phức tạp khó tiêu được tìm thấy trong các thành phần cấu trúc của thực vật Chúng không thể được hấp thụ bởi cơ thể, do đó không có giá trị năng lượng Tuy nhiên, lợi ích sức khỏe của chế độ ăn giàu chất xơ là vô cùng lớn bao gồm ngăn ngừa táo bón, điều chỉnh lượng đường trong máu, giảm nguy cơ mắc bệnh tim, giảm mức độ cao và phòng ngừa một số dạng nhất định đối với ung thư

Xơ được phân loại thành không hòa tan và hòa tan tùy thuộc vào độ hòa tan của chúng Các sợi không hòa tan bao gồm chủ yếu là các thành phần của thành tế bào như cellulose, hemi-cellulose và lignin và các chất xơ hòa tan là các polysacarit không xenlulo như pectin, gums và chất nhầy (Yoon et al 2005) Nawirska và Kwasniewska (2005) đã báo cáo thành phần của các thành phần chất xơ trong carrot tươi trên cơ sở trọng lượng khô là pectin (7,41%), hemi-cellulose (9,14%), cellulose (80,94%) và lignin (2,48%) Carrot có nhiều chất xơ và những chất xơ này đóng vai trò quan trọng đối với sức khỏe con người

1.5 Công nghệ về sấy phun bột cà rốt

Cà rốt Phân loại Rửa sạch Nghiền, chà

Hình 9: Sơ đồ khối quy trình sản xuất bột cà rốt bằng phương pháp sấy phun

Biến đổi: Nguyên liệu tươi đầu vào sẽ đồng nhất về kích thước màu sắc và độ chín Loại bỏ các củ cà rốt hư hỏng, không đạt chất lượng

Phương pháp: sử dụng băng tải con lăn, thủ công, lao động lựa chọn

1.5.2.2 Công đoạn rửa

Mục đích: loại bỏ các tạp chất cơ học, bụi, đất, cát, giảm các vi sinh vật bám ngoài

vỏ, lộ ra những chỗ hư hỏng trên nguyên liệu

Biến đổi: nguyên liệu sác đất, cát, bụi bẩn, và loại bỏ các vi sinh vật trên vỏ, lộ ra những thành phần hư hỏng trên bề mặt quả

Phương pháp: sử dụng thiết bị máy rửa ngâm, xối, bàn chải,…quá trình thông thường có ngâm và rửa xối Đầu tiên, ngâm nguyên liệu để bề mặt ướt, thời gian ngâm tùy thuộc vào mức độ bám bẩn trên nguyên liệu, từ vài phút đến vài chục phút Qúa trình rửa xối, sẽ dùng tác động của dòng chảy để kéo tách các chất bẩn còn lại trên nguyên liệu sau khi ngâm, áp suất tia nước khoảng từ 2-3 atm Nước sử dụng là nước sạch, lạnh

củ bị ép mạnh vào mặt rây có đục lỗ nhỏ Phần qua lưới rây là dịch puree còn lại thải ra là

bã chà chứa các chất xơ

1.5.2.4 Lọc

Mục đích: tách các phần bã có kích thước lớn ra khỏi dịch củ, làm trong dung dịch

củ, tránh ảnh hưởng xấu đến quá trình sấy sau này

Phương pháp: thiết bị lọc khung bản Dịch lọc chảy từ bản qua hệ thống đường ống

và lấy ra ngoài Bã được giữ trên bề mặt vách ngăn lọc và được chứa trong khung Khi bã trong khung đầy thì dừng quá trình lọc để tiến hành rửa và tháo bã Áp lực học: 2-3atm (được tạo ra bởi bơm nhập liệu)

1.2.5.5 Công đoạn phối chế

Mục đích: trộn thêm các chất độn, hay chất mang vào dịch quá để làm tăng hàm lượng chất khô, giảm chi phí cô đặc, vừa tạo nên cấu trúc dạng bột mịn cho sản phẩm, tăng hiệu suất thu hồi ở quá trình sấy

Biến đổi: hàm lượng chất khô và độ nhớt dung dịch tăng lên, màu sắc và mùi vị của dịch củ thay đổi không đáng kể

Phương pháp: sử dụng bồn chứa khuấy trộn có cánh khuấy, trộn maltodextrin vào dịch củ đã pha loãng (tỉ lệ dịch củ, nước ), để tạo ra hàm lượng chất khô tương ứng cho dung dịch trước khi sấy, yêu cầu độ khô dịch củ sau khi phối trộn là 25%

1.2.5.6 Công đoạn cô đặc chân không

Mục đích: nâng cao độ khô của sản phẩm, để thực hiện quá trình sấy phun lúc sau Ngoài ra, cô đặc còn giúp thanh trùng dịch củ, tránh sự hư hỏng sản phẩm và làm tăng thời gian bảo quản sản phẩm

Biến đổi:

- Vật lý: thể tích giảm, khối lượng giảm, khối lượng riêng tăng

- Hóa lý: hiện tượng chuyển pha lỏng sang pha hơi của ẩm trong quá trình sấy Một

số chất thơm bay hơi theo ẩm và bị phân hủy do nhiệt độ gây tổn thất chất thơm Ngược lại, một số hương thơm được phát huy hay tạo thành trong quá trình sấy do phản ứng maillard, caramen…

- Hóa học: phản ứng hóa học tăng do nhiệt độ vật liệu tăng như: phân hủy vitamin, phản ứng oxy hóa, phản ứng maillard giữa đường khử và acid amin tạo màu cho sản phẩm Protein, tinh bột, đường bị biến đổi

- Sinh học: ức chế một phần vi sinh vật trên bề mặt vật liệu, kéo dài thời gian bảo quản

Phương pháp: sử dụng thiết bị cô đặc chân không, nồng độ chất khô sau khi cô đặc

là 550Bx

1.2.5.7 Sấy phun

Mục đích: cung cấp nhiệt làm bốc hơi nhanh nước trong dịch sau phối trộn, tạo sản phẩm dạng bột với độ ẩm thấp để bảo quản được lâu hơn Sấy phun còn là quá trình chế biến, nâng cao hàm lượng chất dinh dưỡng trong sản phẩm, giảm thể tích bao bì, khối lượng vận chuyển

Biến đổi

- Vật lý: thể tích giảm, khối lượng giảm, khối lượng riêng tăng

- Hóa lý: hiện tượng chuyển pha từ lỏng sang hơi của ẩm trong quá trình sấy Một

số chất thơm bay hơi theo ẩm và bị phân hủy do nhiệt độ gây tổn thất chất thơm Ngược lại, một só hương thơm được phát huy hay được tạo thành trong quá trình sấy do phản ứng maillard, caramen… làm giảm giá trị cảm quan

- Hóa học: tốc độ phản ứng hóa học tăng lên do nhiệt độ vật liệu tăng như: phân hủy vitamin, phản ứng oxy hóa, phản ứng maillard giữa đường khử và acid amin tạo màu cho sản phẩm Protein, tinh bột, đường bị biến đổi

- Sinh học: ức chế một phần vi sinh vật trên bề mặt vật liệu, kéo dài thời gian bảo quản

- Cảm quan: nguyên liệu chuyển từ dạng lỏng sang dạng cấu trúc bột mịn, màu sắc mùi vị thay đổi

Phương pháp: Sử dụng hệ thống sấy phun

Nguyên liệu từ thùng chứa (3) được bơm số (4) bơm vào buồng sấy (1), khi vào buồng sấy được phân bố mấu thành hạt nhỏ li ti (dạng mù) nhờ cơ cấu phun Không khí nóng thổi qua calorifer (2) đưa vào buồng sấy Không khí nóng và nguyên liệu ở dạng mù tiếp xúc với nhau trong vài giây tại cơ cấu phun mẫu (5) đặt trong buồng sấy nước từ nguyên liệu bốc hơi sau đó thoát ra ngoài, sản phẩm khô được thu gom tại đáy cyclon (6), được làm nguội và thu hồi Một phần bụi mịn theo không khí qua cyclone (7), sau đó qua

bộ lọc vải (8) nhằm thu hồi lại các hạt bụi mịn còn sót lại và thải ra ngoài

1 Buồng sấy 5 Cơ cấu phun mẫu

2 Caloriphe 6 Cyclon thu hồi sản phẩm từ khí thoát ra

3 Thùng chứa nguyên liệu cần sấy 7 Cyclon vận chuyển sản phẩm

4 Bơm nguyên liệu 8 Hệ thống quạt hút và màng lọc

1.2.5.8 Đóng gói bảo quản

Bột cà rốt sau khi sấy phun sẽ được đưa qua hệ thống rây rồi vào thiết bị đóng gói Thông thướng người ta sử dụng bao bì bằng kim loại hoặc bao bì giấy Do đó nhóm chúng tôi quyết định sử dụng bao bì bằng kim loại

- Phải có bao bì ngoài, màng co hay màng carton để đóng hang vận chuyển xa

- Không ảnh hưởng bởi sốc nhiệt nên có thể gia nhiệt làm lạnh nhanh trong mức có thể

Hình 10: Sơ đồ hệ thống sấy phun

- Chống ánh sáng thường cũng như tia cực tím tác động vào thực phẩm

- Bao bì kim loại có tính chất chịu nhiệt độ cao và khả năng truyền nhiệt cao, do đó thực phẩm các loại có thể đóng hộp thanh trùng hoặc tuyệt trùng với chế độ thích hợp đảm bảo an toàn vệ sinh

- Bao bì kim loại có bề mặt tráng thiết tạo ánh sáng bóng có thể được in và tráng lớp vecni đẻ bảo vệ lớp in không bị trầy xước

- Quy trình sản xuất hộp và đóng hộp được tự động hóa hoàn toàn, gia công bao bì với cường độ cao, độ chính xác cao

- Nhẹ thuận lợi cho vận chuyển

- Hầu hết nguyên liệu lá kim loại (nhôm, sắt, thép) phải là nhập ngoại

 Nhược điểm:

- Độ bền hóa học kém hay bị rỉ và bị ăn mòn

- Không thể nhìn được sản phẩm bên trong

- Nặng và đắt hơn bao bì có thể thay thế nó là plastic

- Các loại lon chịu áp lực (nhôm, sắt) đựng bia, nước ngọt có gas

- Các loại hộp đựng bánh, kẹo, sữa khô, chè khô, hạt, bột khô, đóng hộp thịt, cá, rau quả

- Làm bao bì ngoài cho các sản phẩm rượu chai

- Làm nắp đậy cho chai, lọ thuỷ tinh (nắp chai bia, nắp đồ hộp)

- Người ta thường sản xuất bao bì kim loại ở dạng hộp hình trụ hoặc hình hộp chữ nhật

- Kích thước của hộp tùy thuộc vào từng loại sản phẩm và tùy thuộc vào thói quen sản xuất của từng quốc gia Tuy nhiên ngày nay do công nghiệp thực phẩm phát triển mãnh mẽ và sự giao du quốc tế ngày càng mở rộng nên người ta dần dần tiến tới sự thống

nhất kích thước mang tính tiêu chuẩn hóa để có thể sử dụng những máy đóng hộp hiện đại, các loại vật liệu đã được sản xuất sẵn và phù hợp với những phương tiện vận tải

Yêu cầu chung về bao bì: hạn chế sự tiếp xúc của ánh sáng, không khí và độ ẩm từ môi trường xung quanh đến bột cà rốt

Đóng gói trong điều kiện chân không hoặc thổi hỗn hợp 90% nitơ, 10% hydro vào hộp trước khi ghép nắp nhằm kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm

Bột cà rốt có khả năng hút ẩm cao do đó khi bảo quản trong bao bì kín, bột cà rốt sẽ hút nước đến độ ẩm cân bằng, tạo thành các cục vón làm giảm độ hòa tan của bột

1.6 Thiết bị sấy phun

 Nguyên tắc

- Giai đoạn 1: chuyển nguyên liệu cần sấy thành dạng sương mù (các hạt lỏng phân tán trong môi trường khí) nhờ cơ cấu phun sương trong thiết bị sấy phun Hiện nay có 3 dạng cơ cấu phun sương: Đầu phun ly tâm, đầu phun một dòng và đầu phun hai dòng Kích thước của các giọt lỏng sau giai đoạn phun sương dao động trong khoảng 10–200

- Giai đoạn 2: Hòa trộn sương mù với dòng tác nhân sấy trong buồng sấy Đây chính là giai đoạn tách ẩm ra khỏi nguyên liệu Do nguyên liệu được phun sương nên diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các giọt lỏng và tác nhân sấy là rất lớn Nhờ đó ẩm trong nguyên liệu được bay hơi nhanh chóng Sản phẩm được tạo thành ở dạng bột mịn Thời gian tách ẩm diễn ra trong khoảng từ vài giây đến hai chục giây

- Giai đoạn 3: Tách sản phẩm ra khỏi dòng tác nhân sấy Người ta có thể sử dụng hệ thống cyclone, túi lọc hoặc phương pháp kết tủa tĩnh điện, phổ biến nhất là sử dụng cyclone Hiệu suất thu hồi sản phẩm trong thiết bị sấy phun dao động trong khoảng

80 – 90% (Lê Văn Việt Mẫn, 2011)

1.6.1 Tổng quan thiết bị

Tất cả các thiết bị sấy phun đều bao gồm:

1.6.1.1 Cơ cấu phun (vòi phun)

Có chức năng đưa nguyên liệu (dạng lỏng) vào buồng sấy dưới dạng hạt mịn (sương mù) Quá trình tạo sương sẽ quyết định kích thước các giọt lỏng và sự phân bố của chúng

trong buồng sấy, do đó sẽ ảnh hưởng đến giá trị bề mặt truyền nhiệt và tốc độ sấy Cơ cấu phun có các dạng như: cơ cấu phun áp lực, cơ cấu phun bằng khí động, cơ cấu đầu phun

ly tâm

 Vòi phun áp lực đơn/đa dòng

Dịch thể huyền phù được bơm nén đến áp suất thích hợp khoảng 200-600 psi (Hoàng Văn Chước, 2004) đi vào vòi phun Đầu vòi phun có một chi tiết dạng ba cánh có thể tự do quay quanh một trục và nhờ đó dịch thể bị đánh tơi thành từng giọt nhỏ có đường kính từ 1-150 m

 Ưu điểm:

- Làm việc không ồn

- Tiêu hao điện năng ít (4 – 10 KWh/ 1 tấn dung dịch)

- Năng suất cao (đến 4500 kg/h)

 Nhược điểm:

- Không dùng được cho dung dịch quá nhớt (độ nhớt cao) hoặc có chứa các hạt cứng

- Rất nhạy bén với tạp chất vì vậy đường kính lỗ phun không nhỏ hơn 1 mm

- Không điều chỉnh được công suất vòi

Hình 11: Cơ cấu vòi phun áp lực và mặt cắt đứng của vòi phun áp lực