CÁC YẾU TỐ CÔNG NGHỆ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH SẤY THĂNG HOA

Phương thức truyền nhiệt trong quá trình thăng hoa của nước đá kết tinh bên trong sản phẩm

Môi trường sấy thăng hoa sản phẩm luôn có áp suất nhỏ hơn 4,58mmHg, nhiệt độ sản phẩm nhỏ hơn nhiệt độ kết tinh của ẩm bên trong sản phẩm, tức là dưới 0,0098oC (có nghĩa dưới điểm ba thể O(0,0098oC; 4,58mmHg)). Như vậy, môi trường sấy gần như chân không tuyệt đối, quá trình truyền nhiệt tách ẩm chỉ xảy ra theo hai phương thức bức xạ và dẫn truyền, còn đối lưu xem như bằng không.

- Bức xạ từ nguồn cấp, thường là giá truyền nhiệt ở kệ trên đến sản phẩm lạnh đông đặt trên giá truyền nhiệt ở kệ dưới để thực hiện quá trình thăng hoa

- Dẫn truyền từ các giá truyền nhiệt mà sản phẩm đặt lên trên cùng một kệ đến sản phẩm lạnh đông để thực hiện quá trình thăng hoa.

Lưu ý: quá trình thăng hóa là quá trình chuyển pha từ thể rắn trực tiếp sang thể hơi, đối với nước đá đông đặc từ nước nguyên chất thì nhiệt độ thăng hoa nước đá là không đổi tại một áp suất xác định; còn với nước đá đông đặc từ dung dịch như ẩm bên trong vật liệu thì nhiệt độ thăng hoa của nước đá có thay đổi cũng tại một áp suất xác định, sự thay đổi này phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch. Tuy nhiên, với ẩm dung dịch trong sản phẩm có thay đổi nhưng độ biến thiên nhiệt độ theo thời gian là không đáng kể (∂T/∂t =0) và xem như không thay đổi, chấp nhận giả thiết này & cho phép sai số.

QUÁ TRÌNH LẠNH ĐÔNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM SẤY THĂNG HOA

CÔNG NGHỆ LẠNH ĐÔNG

Quá trình lạnh đông sản phẩm là quá trình làm giảm nhiệt độ sản phẩm dưới nhiệt độ kết tinh (tkt) của ẩm trong sản phẩm, làm cho nước trong sản phẩm kết tinh (đông đá), hay nước từ pha lỏng chuyển sang pha rắn. Nhiệt độ kết tinh của nước nguyên chất là Tkt = 0oC, còn nước trong sản phẩm dưới Tkt ( < Tkt = 0oC), thường từ Tkt = -0,5oC đến -2,5oC từ thuộc vào loại sản phẩm, là do chúng không phải nguyên chất mà ở dạng dung dịch (trong dịch bào), ở dạng liên kết với cấu trúc hữu cơ của sản phẩm ở các dạng cơ, hóa, lý.

Quá trình này nhiệt độ bề mặt giảm xuống trước, nhiệt độ tâm giảm xuống sau, lý do là do bề mặt sản phẩm tiếp xúc trực tiếp với môi trường có nhiệt độ thấp, đó là nhiệt độ môi trường lạnh đông.

Đối với, công nghệ lạnh đông dùng để bảo quản yêu cầu ẩm trong sản phẩm kết tinh trên 86%, khi đó làm mất môi trường sống của vi sinh vật, đồng thời ẩm trong vi sinh vật cũng bị kết tinh, giãn nở thế tích dẫn đến làm rách màng tế bào, phá vỡ cấu trúc vi sinh vật, làm vi sinh vật bị giết chết. Vì thế, sản phẩm lạnh đông sẽ kéo dài được thời gian bảo quản.

Khác với lạnh đông để bảo quản, lạnh đông (giai đoạn 1) dùng để sấy thăng hoa, yêu cầu lượng toàn bộ ẩm trong sản phẩm phải được kết tinh hoàn toàn (ω(TFopt) = 1 hay 100%), tại nhiệt độ lạnh đông của sản phẩm để ẩm kết tinh hoàn toàn được gọi là nhiệt độ lạnh đông thích hợp (TFopt). Nếu lượng ẩm kết tinh ít (dưới 100%), dẫn đến thời gian sấy thăng hoa bị rút ngắn, thời gian sấy chân không nhiệt độ thấp sẽ kéo dài và tiêu tốn nhiều năng lượng, đồng thời làm cho sản phẩm bị co rút và nứt nẻ bề mặt, không tạo được độ xốp, sản phẩm bị biến tính và khó hoàn nguyên trở lại, chất lượng sản phẩm giảm. Như vậy, dễ dàng thấy rằng, quá trình lạnh đông sản phẩm dùng để sấy thăng hoa là giai đoạn rất quan trọng nó quyết định đến chất lượng và chi phí năng lượng của sản phẩm sau lạnh đông và sau khi sấy thăng hoa.

Về mặt lý thuyết khi nhiệt độ tâm sản phẩm đạt tới nhiệt độ kết tinh của ẩm trong sản phẩm là Tkt thì nước sẽ kết tinh hoàn toàn. Tuy nhiên, thực tế không phải là như vậy, vì nước trong sản phẩm không phải là nguyên chất mà ở dạng dung dịch, khi kết tinh nước sẽ tách ra làm nông độ dung dịch tăng dẫn đến nhiệt độ kết tinh giảm. Vì thế, khi nhiệt độ tâm của sản phẩm Tkt = (-10 đến -28)oC thì nước mới kết tinh hoàn toàn (tùy thuộc vào từng loại sản phẩm)

Bảng 1. Nhiệt độ kết tinh của một số vật liệu đã được nghiên cứu & công bố

Chú ý: Ở những vùng vật liệu khác nhau thì số liệu này cũng có thể bị thay đổi.

 

TẠI SAO PHẢI XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LẠNH ĐÔNG TỐI ƯU?

Xưa này cứ nghĩ thăng hoa là đưa sản phẩm vào cấp đông sau đó đưa sản phẩm vào môi trường chân không dưới điểm ba thể O(0,00980C; 4,58mmHg) để sấy thăng hoa là xong, cứ thấy người ta sấy thăng hoa là mình bắt chước sấy thăng hoa mà không biết lạnh đông tới nhiệt độ nào là đạt để sấy thăng hoa?

Nếu nhiệt độ lạnh đông của sản phẩm chưa đạt tới nhiệt độ lạnh đông thích hợp thì nước trong sản phẩm không kết tinh hết, khi sấy thăng hoa thì phần nước kết tinh sẽ được thăng hoa, phần nước chưa kết tinh phải sấy chân không nhiệt độ thấp, dẫn đến ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm & chi phí năng lượng.

Nếu nhiệt độ lạnh đông của sản phẩm đạt tới nhiệt độ âm sâu dưới nhiệt độ lạnh đông thích hợp thì nước trong sản phẩm sẽ kết tinh hết hoàn toàn, nhưng làm chi phí năng lượng cho quá trình lạnh đông tăng, dẫn đến giá thành sản phẩm tăng gây khó khăn cho quá trình thương mại.

Vì thế, việc xác định nhiệt độ lạnh đông sản phẩm thích hợp (tối ưu) để nước trong sản phẩm bắt đầu kết tinh hoàn toàn (ω(TFopt) = 1 hay 100%) là vô cùng quan trọng. Để khi tiến hành lạnh đông dừng hệ thống lạnh đúng lúc tiết kiệm được năng lượng, quyết định đến chất lượng sản phẩm sau khi sấy thăng hoa.

 

LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM

LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM

Một số khái niệm về các quá trình đun nóng, làm nguội, làm mát, làm lạnh & làm lạnh đông

 

Chú thích: -273,150C = 0K; Tkt = (-2,5 ÷ 0,5)0C là nhiệt độ kết tinh của ẩm trong vật liệu ẩm;  00C là nhiệt độ kết tinh của nước; Tđs (0C) là nhiệt độ đọng sương; T (0C) là nhiệt độ môi trường; 1000C là nhiệt độ sôi của nước (tất cả ở môi trường có áp suất 1at).

Vật thể hay thực phẩm đặt trong môi trường thường có nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường T.

Quá trình đun nóng (đốt nóng): là quá trình cung cấp nhiệt lượng vào để nhiệt độ vật thể lớn hơn so với ban đầu (thường nhiệt độ vật thể lớn hơn T)

Quá trình làm nguội: là quá trình lấy nhiệt lượng ra để nhiệt độ vật thể giảm nhỏ hơn so với ban đầu (thường nhiệt độ vật thể lớn hơn hoặc băng T nhưng nhỏ hơn nhiệt độ ban đầu)

Quá trình làm mát: nếu nhiệt độ vật thể giảm nhỏ hơn T nhưng lớn hơn Tđs.

Quá trình làm lạnh: nếu nhiệt độ vật thể nhỏ hơn Tđs nhưng lớn hơn 00C (Tkt), nước chưa kết tinh.

Quá trình làm lạnh đông: nếu nhiệt độ vật thể nhỏ hơn 00C (Tkt), nước kết tinh.

Điểm đóng băng

Điểm đóng băng là điểm tại đó nước trong thực phẩm bắt đầu sẽ chuyển pha từ thể lỏng sang thể rắn tại một áp suất xác định, tương ứng với nhiệt độ tại điểm đó gọi là nhiệt độ đóng băng hay nhiệt độ kết tinh.

Nước (nguyên chất) có điểm đóng băng tại 00C (P = 1at), nước trong thực phẩm không phải là nước nguyên chất mà chúng ở dạng dung dịch (chất hoà tan trong dịch tế bào) & ở dạng liên kết (cơ, hóa, lý,..) do vậy điểm đóng băng của chúng có nhiệt độ dưới 00C, điều này có thể giải thích theo định luật Raoult ΔTkt = -Kd.ΔC, với ΔTkt độ giảm nhiệt độ kết tinh, Kd hằng số nghiệm đông đặc, ΔC độ biến thiên nồng độ trong dung dịch. Điểm đóng băng của nước trong thực phẩm thường dao động Tkt = (-2,5 ÷ 0,5)0C, nó thay đổi tùy từng loại thực phẩm. Ví dụ cá biển có điểm đóng băng khoảng (-1,5 ÷ -1,0)0C, cá nước ngọt điểm đóng băng (-1,0 ÷ -0,5)0C, tôm biển (-2,5 ÷ -2,0)0C, các loại rau củ quả điểm đóng băng (-0,5 ÷ -1,0)0C.

 

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.

 

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