CƠ SỞ KHOA HỌC SẤY THĂNG HOA

1. Các quá trình chuyển pha của nước

Phân tích quá trình chuyển pha của nước giữa lỏng – rắn – hơi được mô tả ở hình bên dưới "Giản đồ trạng thái 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 (xem hình dươi "Giản đồ trạng thái của nước"), 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.

CƠ SỞ KHOA HỌC SẤY THĂNG HOA


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 bên "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 <=
 P< 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. 

Theo Peng, 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 (bảng trên).

 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.

2. Bản chất của quá trình sấy

Là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy (hình trên "Giản đồ trạng thái của nước" diễn ra theo M – G) bằng nhiệt ở tại nhiệt độ và áp suất xác định, với các mục đích sau:

 +) Giảm trọng lượng của sản phẩm, giảm chi phí vận chuyển.

 +) Tăng độ bền cho sản phẩm, làm thay đổi giá trị cảm quan của sản phẩm.

 +) Tăng khả năng bảo quản.

Đối với các sản phẩm sinh học, thực phẩm, … là môi trường giàu dinh dưỡng, nhưng vì độ ẩm của sản phẩm nhỏ hơn 6% không đủ điều kiện để cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển làm hư các sản phẩm.

3. Quá trình tách ẩm bằng phương pháp sấy thăng hoa

Khác với phương pháp sấy thông thường, sấy thăng hoa (hình trên diễn ra theo M – N – R - Q) là một trong những phương pháp được tiến hành trên hệ thống thiết bị khá phức tạp, gồm hai giai đoạn chính theo sơ đồ quy trình công nghệ mô tả ở hình dươi "Quy trình công nghệ sấy thăng hoa"

Giai đoạn 1: 

 Là giai đoạn lạnh đông vật liệu sấy. Nguyên liệu sau khi chuẩn bị xong được tiến hành lạnh đông để ẩm trong vật liệu sấy kết tinh. Kết thúc giai đoạn này khi nhiệt độ vật liệu sấy đạt tới nhiệt độ lạnh đông thích hợp để ẩm trong vật liệu sấy kết tinh hoàn toàn trước sấy thăng hoa.

Giai đoạn 2:

Là sấy thăng hoa (STH) được tiến hành trong môi trường có nhiệt độ và áp suất thấp, dưới điểm ba thể O(0,00980C; 4,58mmHg) đối với nước đá, còn dưới điểm (Tkt; 4,58mmHg) đối với ẩm kết tinh trong vật liệu sấy. Để sản phẩm sau khi sấy có chất lượng tốt thì kết thúc giai đoạn này ẩm kết tinh đã thăng hoa hết, độ ẩm sản phẩm đạt yêu cầu và nhiệt độ sản phẩm vượt qua nhiệt độ kết tinh của ẩm trong sản phẩm (Tkt), khi đó ẩm còn lại trong sản phẩm rất ít, chủ yếu là ẩm liên kết và chỉ tồn tại ở pha lỏng. 

- Giai đoạn 3 (nếu có):

Là sấy chân không nhiệt độ thấp chỉ xảy ra khi kết thúc giai đoạn sấy thăng hoa mà độ ẩm sản phẩm vẫn chưa đạt yêu cầu, lúc này tiến hành giai đoạn sấy chân không nhiệt độ thấp làm bay hơi lượng ẩm còn lại của sản phẩm. Cho đến khi độ ẩm sản phẩm đạt tới độ ẩm yêu cầu (dưới 6%) thì quá trình sấy kết thúc, như vậy ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Sản phẩm sau khi sấy cho vào túi PE, ghép mí chân không kín rồi bảo quản ở nhiệt độ thường.

4. Đồ thị động học sấy thăng hoa tôm sú

 

Để xây dựng mô hình toán mô tả động học cho quá trình sấy thăng cũng như tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống sấy thăng hoa, mời các đọc giả tham khảo cuốn sách "Kỹ thuật và Công nghệ sấy thăng hoa, NXB ĐHQG Tp.HCM, 2016, của tác giả Nguyễn Tấn Dũng.

5. Hệ thống sấy thăng hoa

Mỗi hệ thống sấy thăng hoa gồm có 4 bộ phân chính sau:

 + Buồng sấy thăng hoa cũng là buồng cấp đông sản phẩm (nếu hệ thống tự cấp đông), nếu năng suất lớn thì phải có hệ thống lạnh đông sản phẩm riêng.

+ Hệ thống lạnh chạy cho buồng hóa đá & buồng cấp đông sản phẩm.

+ Hệ chân không kết nối với buồng hóa đá & buồng sấy.

+ Hệ thống do lường và điều khiển quá trình sấy thăng hoa

Để hệ thống sấy thăng hoa làm việc ổn định, đạt chất lượng tốt và thương mại được, đòi hỏi nhà chế tạo phải tính toán, thiết kế 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 trong hệ thống

 

Hình. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy thăng hoa DS-7.

Do hệ thống sấy thăng hoa luôn đòi hỏi nhiệt độ môi trường lạnh đông sản phẩm từ -50oC đến -40oC, nhiệt độ môi trường hóa đá -50oC đến -40oC (Tuy nhiên, dưới -50oC là càng tốt). Vì thế, hệ thống lạnh phải dùng hai cấp trở lên, còn một cấp với các môi chất lạnh hiện nay là không đảm bảo được các thông số kỹ thuật (trừ trường hợp có môi chất lạnh mới).

6. Một số công trình nghiên cứu đã công bố trong nước và quốc tế

Nguyen Tan Dzung., (2017). Study dynamics of the freeze drying process of royal Jelly in Viet Nam, Carpathian Journal of Food Science and Technology 2017, 9(3), 17-29. http://chimie-biologie.ubm.ro/carpathian_journal/Papers_9(3)/2.pdf

Nguyễn Tấn Dũng, Quá trình và Thiết bị trong CNHH&TP, Kỹ thuật và Công nghệ sấy thăng hoa, NXB ĐHQG Tp.HCM, 2016. https://sachweb.com/sach-truong-dai-hoc-su-pham-ky-thuat-tphcm-64/sach-qua-trinh-va-thiet-bi-cong-nghe-hoa-hoc-va-thuc-pham-ky-thuat-va-cong-nghe-say-thang-hoa-sach-chuyen-khao-e2210/

Nguyen Tan Dzung., (2016). Study of determining the technological mode in the freeze drying process of royal jelly in Viet Nam, Carpathian Journal of Food Science and Technology 2016, 8(2), 38-46. http://chimie-biologifiles/6.%20Nguyen%20Tan%20Dzung%20revised.pdf 

Nguyen Tan Dzung et,(2015). Study Technological Factors Effect on the Loss of Protein, Carbohydrate and Lipid inside Royal Jelly in the Freeze Drying Process.  Current Research Journal of Biological Sciences, 7(2): 22-30. http://www.maxwellsci.com/jp/abstract.php?jid=CRJBS&no=514&abs=02. http://maxwellsci.com/print/crjbs/v7-22-30.pdf

Nguyen Tan Dzung., (2014). Building the Method and the Mathematical Model to Determine the Rate of Freezing Water inside Royal Jelly in the Freezing Process.  Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 7(2): 403-412. Indexed In: ISI Thomson. http://maxwellsci.com/print/rjaset/v7-403-412.pdf

Nguyen Tan Dzung, (2012), Optimization The Freeze Drying Process of Penaeus Monodon to Determine The Technological Mode, International Journal of Chemical Engineering and Application, 3, No.3, June 2012, p.187-194. http://www.ijcea.org/content.htm; http://www.ijcea.org/vol3no3.htm; http://www.ijcea.org/abstract/184-A665.htm ; http://www.ijcea.org/papers/184-A665.pdf

Nguyen Tan Dzung et al., (2011). Application of Multi-Objective Optimization to Determine the Freeze Drying Mode of Penaeus Monodon, Journal of Chemical Engineering and Process Technology, USA, 2:107. DOI 10.4172/2157-7048.1000107. http://www.omicsonline.org/2157-7048/2157-7048-2-107.digital/fscommand/2157-7048-2-107.pdf

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2010). Xây dựng mô hình toán truyền nhiệt lạnh đông, xác định tỉ lệ nước đóng băng và nhiệt độ lạnh đông tối ưu của VLA dạng hình trụ hữu hạn, ở giai đoạn 1 trong sấy thăng hoa, Tạp chí phát triển khoa học và công nghệ ĐHQG Tp.HCM, Vol.13, No.K5,  83-98, http://www.vnulib.edu.vn:8000/dspace/bitstream/123456789/3952/3/8.TAN%20DUNG-VAN%20DUNG-DUC%20BA.pdf

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2010). Tối ưu hóa đa mục tiêu với chuẩn tối ưu tổ hợp S ứng dụng xác lập chế độ công nghệ sấy thăng hoa cho thủy sản nhóm giáp xác: đại diện là tôm sú, Tạp chí phát triển khoa học và công nghệ ĐHQG Tp.HCM, Vol. 13, No.K3,. ww.vnulib.edu.vn:8000/dspace/handle/123456789/3622

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2010). Tối ưu hóa đa mục tiêu với chuẩn tối ưu tổ hợp R ứng dụng xác lập chế độ công nghệ sấy thăng hoa tôm bạc, Tạp chí phát triển khoa học và công nghệ ĐHQG Tp.HCM, Vol.13, No.K2,  www.vjol.info/index.php/JSTD/article/viewFile/2938/2887 

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2010). Xây dựng và giải mô hình toán truyền nhiệt tách ẩm trong điều kiện sấy thăng hoa bằng phương pháp phần tử hữu hạn, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Vol.48, No.6A, 23-35.

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2009). Building a mathematical model to determine the relationship between heat emission coefficient and pressure of the freeze drying environment of solid materials, Proceedings of the 11th Conference on Science and Technology, VNU-HCMC, 21–23/10/2009. 

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2009). Nghiên cứu thiết lập mô hình toán truyền nhiệt tách ẩm trong điều kiện sấy thăng hoa, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ ĐHQG Tp.HCM, 08/2009, Vol.12. vjol.info/index.php/JSTD/article/viewFile/2536/2396 

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2008). Nghiên cứu khảo sát các tính chất nhiệt vật lý thủy sản nhóm giáp xác (tôm sú, tôm bạc và tôm thể) ảnh hưởng đến quá trình cấp nhiệt tách ẩm trong sấy thăng hoa, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy Sản, No.2. 

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2008). Nghiên cứu xác định tỷ lệ nước đông băng bên trong thực phẩm (mô hình dạng phẳng vô hạn) theo nhiệt độ lạnh đông, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ ĐHQG Tp.HCM, 09/2008, Vol.11. http://www.vjol.info.vn/index.php/JSTD/article/view/1858 

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2008). Nghiên cứu xác định tỷ lệ nước đông băng và nhiệt độ lạnh đông thích hợp (mô hình dạng trụ vô hạn) của vật liệu ẩm ở giai đoạn 1 trong sấy thăng hoa, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ ĐHQG Tp.HCM, 12/2008, Vol.11, vjol.info/index.php/JSTD/article/viewFile/2536/2396 

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống sấy thăng hoa năng suất nhỏ có giai đoạn cấp đông ngay trong buồng thăng hoa, Tạp chí Khoa học giáo dục kỹ thuật, số 10(4) 2008. 

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống máy sấy thăng hoa năng suất nhỏ phục vụ cho việc sản xuất, chế biến các sản phẩm cao cấp, Tạp chí Khoa học giáo dục kỹ thuật, số 1(3) 2007. 

 

Mọi chi tiết xin liên hệ:
PGS.TS. Nguyễn Tấn Dũng, khoa CNHH&TP, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TpHCM. Số 1, Võ Văn Ngân, Thủ Đức, TpHCM.
Email: tandzung072@yahoo.com.vn
ĐT: 0918801670
 

Bài viết tác giả: Nguyễn Tấn Dũng

 

HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA DS-9 (VERSION 4) 

Hệ thống sấy thăng hoa DS-9 (Version 4) nằm trong dự án chế tạo hệ thống sấy thăng hoa dùng để sản xuất hàng mẫu cho Công ty Cổ Phần Sản Xuất Thực Phẩm Xuất Khẩu, tỉnh Đắk Lắk.

Dự án bắt đầu 20.11.2017 kết thúc 20.02.2018, phiên bản này được tối ưu hóa về mặt năng lượng cho quá trình sấy trong điều kiện thăng hoa. Đặc biệt ứng dụng IoT trong quá trình điều khiển & kiểm soát quá trình & nó được gọi là phiên bản của IR 4.0