Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng sấy thăng hoa bảo quản tôm bạc

Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- PHẠM VĂN HƯNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SẤY THĂNG HOA BẢO QUẢN TÔM BẠC Chuyên ngành: Công nghệ Hóa học. LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH. Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRỊNH VĂN DŨNG Ký tên NCS.ThS.NGUYỄN TẤN DŨNG Ký tên Cán bộ chấm nhận xét 1: Cán bộ chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ : TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ……ngày ……tháng ……năm 2008 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp. HCM, ngày 30 tháng11 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM VĂN HƯNG Ngày, tháng, năm sinh: Chuyên ngành: Phái: Nam 27/03/1981 Nơi sinh: Phú Yên Công nghệ hóa học MSHV: 00506084 I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SẤY THĂNG HOA ĐỂ BẢO QUẢN THỦY HẢI SẢN CÓ GIÁ TRỊ KINH TẾ( ÁP DỤNG CHO TÔM BẠC) II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng quan tài liệu - Xác định các thông số nhiệt vật lý của tôm bạc và mô hình toán quá trình truyền nhiệt tách ẩm trong sấy thăng hoa. - Khảo sát chế độ công nghệ sấy thăng hoa - Kết luận III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong Quyết định giao đề tài): 21/01/2008 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2008 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS.Trịnh Văn Dũng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký) CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH TS. Trịnh Văn Dũng Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua. Ngày .... tháng ..... năm ........ TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH 1 Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1. GIỚI THIỆU NGÀNH THỦY HẢI SẢN VIỆT NAM 1.1.1. Vai trò của ngành thủy sản Việt Nam Nước ta có đường bờ biển trải dài hơn 3260 km từ Bắc đến Nam và diện tích biển gấp ba lần diện tích đất liền nên nguồn nguyên liệu thủy hải sản của nước ta rất đa dạng và phong phú. Do đó, từ sau những năm 1950, Đảng và Nhà nước Việt Nam đánh giá mà ngành thủy hải sản có thể mang lại cho nền kinh tế quốc dân, đã bắt đầu quan tâm phát triển lĩnh vực thủy hải sản như một ngành kinh tế kỹ thuật có vai trò quan trọng như là ngành kinh tế mũi nhọn của Quốc gia. Từ cuối thập kỷ 80 đến năm 2000, ngành thuỷ sản đã có những bước tiến không ngừng. Các chỉ tiêu chủ yếu đề ra trong Chiến lược Phát triển Kinh tế - Xã hội ngành thuỷ sản thời kỳ 1991 - 2000 đã được hoàn thành vượt mức( xem bảng 1.1) Bảng 1.1: Chỉ tiêu và kết quả thực hiện của ngành thủy sản thời kỳ 1991-2000 [11] Chỉ tiêu Đơn vị Kế hoạch Thực hiện tấn 1.600.000 2.174.784 sản - 1.000.000 1.454.784 - Sản lượng nuôi trồng - 600.000 720.000 Triệu USD 900 - 1.000 1.478,6 nghìn người 3.000 3.400 Tổng sản lượng thuỷ sản Trong đó: - Sản lượng khai thác thủy thuỷ sản Kim ngạch xuất khẩu thuỷ sản Thu hút lao động thuỷ sản Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 2 1.1.2. GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỦY HẢI SẢN[2,17] Công nghệ chế biến và bảo quản sau thu hoạch của thủy hải sản có vai trò rất quan trọng để có thể đáp ứng chất lượng ngày càng cao, đặc biệt những sản phẩm chất lượng cao xuất khẩu đến các nước tiên tiến với những tiêu chuẩn vệ sinh và an toàn thực phẩm. Hiện nay, công nghệ bảo quản thủy hải sản ở nước ta thì người ta thường sử dụng các phương pháp khác nhau như sau:  Phương pháp ướp lạnh sơ bộ: Phương pháp ướp lạnh sơ bộ có thể sử dụng kho lạnh, nước biển lạnh hoặc nước đá để bảo quản. Với phương pháp ướp lạnh bằng nước đá là phương pháp đơn giản nhất với hiệu quả làm lạnh phụ thuộc vào lượng nước đá cho vào, hình dạng và kích thước của nước đá. Với bảo quản bằng nước đá ở nhiệt độ (0÷2)0C có thể giữ tươi 3-5 ngày. Để tăng khả năng làm lạnh của nước đá có thể dùng hỗn hợp nước đá và muối ăn để bảo quản. Tùy theo tỷ lệ pha trộn giữa nước đá và muối ăn mà ta có các nhiệt độ hạ thấp khác nhau như ở bảng 1.2 Bảng 1.2. Quan hệ giữa sự hạ nhiệt độ với tỷ lệ giữa muối ăn và nước đá Lượng nước đá(%) Lượng muối ăn (%)(NaCl tinh khiết) Nhiệt độ đạt được ( 0C) 100 0 0 95 5 -2.8 90 10 -6.6 85 15 -11.6 80 20 -16.6 75 25 -21.1 Phương pháp ướp muối là phương pháp bảo quản sản phẩm đơn giản, dễ dàng, rẻ tiền, nhanh chóng giải quyết kịp thời một khối lượng lớn nguyên liệu. Nhưng có nhược điểm là nếu để đạt được mục đích bảo quản lâu dài thì phải sử dụng Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 3 lượng muối lớn làm cho sản phẩm có vị mặn, làm ảnh hưởng tới chất lượng và giá trị cảm quan của sản phẩm.  Phương pháp bảo quản làm lạnh đông: Phương pháp làm lạnh đông khi hạ nhiệt độ của nguyên liệu dưới -80C. Với phương pháp bảo quản lạnh đông thì một lượng nước ở trong nguyên liệu sẽ bị đông kết lại, làm ngừng đến mức tối đa hoặc đình chỉ hoàn toàn hoạt động của men nội tại và vi sinh vật gây thối rữa. Đây là phương pháp bảo quản giữ tươi nguyên liệu tốt nhất nhưng chỉ thích hợp cho nhu cầu bảo quản sản phẩm trong thời gian ngắn vì đây là phương pháp tiêu tốn chi phí năng lượng sử dụng để bảo quản. Mặt khác, bảo quản sản phẩm bằng phương pháp làm lạnh đông thì chất lượng sản phẩm cũng có sự biến đổi như protit bị đông đặc biến tính; chất béo bị thủy phân hoặc bị oxy hóa, đặc biệt là các biến đổi về vật lý và cấu trúc của nguyên liệu  Phương pháp bảo quản bằng phương pháp sấy: Phương pháp sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu được tiến hành bằng các thế truyền vận ẩm ( nhiệt độ, áp suất, nồng độ). Chính vì việc tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy nên phương pháp sấy dùng với mục đích: -Làm giảm trọng lượng, giảm công chuyên chở, giảm chi phí vận chuyển. -Tăng độ bền sản phẩm, tăng giá trị cảm quan. -Tăng khả năng bảo quản vì thời tiết nước ta nóng và độ ẩm cao ( do các sản phẩm sinh học, thực phẩm, dược…là môi trường giàu chất dinh dưỡng tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển dẫn đến hư sản phẩm.) Với phương pháp sấy thông thường tiến hành ở nhiệt độ cao mặc dù không tốn chi phí năng lượng như bảo quản lạnh nhưng không phù hợp với những sản phẩm có giá trị cao như dễ bị biến đổi thành phần dinh dưỡng; protien sẽ bị biến tính không hoàn nguyên; vitamin bị phá hủy; các hoạt chất sinh học và enzyme bị mất hoạt tính; màu sắc và có thể một số loại axit amine không thay thế bị phá hủy, gluxit bị hồ hóa hoặc bị thủy phân, lipid bị oxy hóa và mùi vị thay đổi, sản phẩm không tạo được độ xốp, khả năng hút nước và giữ nước trở lại kém. Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 4 Do đó, công nghệ sấy thăng hoa ra đời và ứng dụng để bảo quản những sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao và khắc phục những nhược điểm đã nêu trên của các phương pháp bảo quản nguyên vật liệu. Công nghệ sấy thăng hoa là công nghệ kết hợp cả quá trình làm lạnh đông và sấy chân không ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp (dưới điểm 3 thể của nước: t ≤ 0,00980C; P ≤ 4,58mmHg) 1.2. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN Khi nghiên cứu và ứng dụng sấy thăng hoa vào bảo quản thủy hải sản nói chung hay tôm bạc nói riêng trước hết cần giải quyết những vấn đề sau: -Xác định các thông số tính chất nhiệt vật lý của tôm bạc bởi vì các đại lượng này chưa được xác định vì đây là thông số liên quan đến các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình sấy thăng hoa như bài toán truyền nhiệt trong toàn bộ các giai đoạn trong quá trình sấy thăng hoa. - Xác định tỷ lệ nước đóng băng của vật liệu ẩm làm lạnh đông vật liệu ẩm. Việc xác định này nhằm xác định nhiệt độ cấp đông thích hợp trong giai đoạn lạnh đông- giai đoạn 1 của quy trình công nghệ sấy thăng hoa. -Xây dựng mô hình tính toán quá trình truyền nhiệt và tách ẩm trong điều kiện sấy thăng hoa để biết được quy luật truyền nhiệt-tách ẩm của vật liệu sấy và làm cơ sở xác định quy trình sấy thăng hoa, cũng như đánh giá giữa kết quả sự biến thiên độ ẩm theo mô hình lý thuyết và mô hình thực. -Xây dựng quy trình công nghệ sấy thăng hoa phục vụ bảo quản tôm bạc. Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 5 Chương 2: CÔNG NGHỆ SẤY THĂNG HOA 2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SẤY THĂNG HOA(STH)[1,2,15,20]  Lịch sử phát triển công nghệ sấy thăng hoa trên thế giới Hiện tượng thăng hoa được phát hiện từ rất sớm bởi một số người Tây Tạng – Trung Quốc, khi họ leo lên những ngọn núi cao có băng tuyết phủ đầy quanh năm thì thấy hiện tượng tảng băng đang bốc hơi thành những làn khói nước trắng. Tuy nhiên người cổ xưa ở Peru mới là người ứng dụng quá trình cơ bản của sấy thăng hoa trong bảo quản thực phẩm khi họ đã sấy thịt lạnh ngoài trời ở áp suất khí quyển thấp của những nơi rất cao so với mặt nước biển tại đất nước của họ. Sự tách nước này diễn ra dưới chân không và sản phẩm được hóa đá lạnh. Tuy nhiên trong suốt khoảng thời gian dài chưa có cơ sở lý thuyết khoa học thăng hoa nào ra đời. Mãi cho đến năm 1761 ÷ 1764 giáo sư Black trong những lần thí nghiệm nhiệt – lạnh đã tìm ra lý thuyết về nhiệt ẩn hoá hơi của chất lỏng và rắn, nhiệt ẩn nóng chảy của chất rắn. Dựa vào lý thuyết này con người biết làm lạnh bằng cách cho chất lỏng bay hơi hoặc cho chất rắn hoá hơi (gọi là thăng hoa), quá trình bay hơi là quá trình thu nhiệt và vật bị bay hơi sẽ bị mất nhiệt lạnh (hay giảm nhiệt độ xuống). Với sự phát triển không ngừng của khoa học như hai nhà khoa học Clouet và Monge lần đầu tiên hoá lỏng SO2 vào năm 1780. Năm 1781 Cavallo bắt đầu nghiên cứu hiện tượng bay hơi và thăng hoa một cách có hệ thống đã đánh dấu và bắt đầu hình thành nên cơ sở lý thuyết khoa học đóng băng – thăng hoa. Đặc biệt, vào những năm đầu thế kỹ thứ 19 các ngành kỹ thuật phát triển một cách mạnh mẽ tạo tiền đề cho ngành công nghệ sấy thăng hoa như năm 1810 một nhà khoa học Leslie (Pháp) đã thiết kế, chế tạo thành công máy nén hấp thụ với cặp môi chất lạnh H2O/H2SO4 và sau đó kỹ sư tài ba Carrier (Pháp) với hàng loạt bằng phát minh về máy lạnh hấp thụ chu kỳ liên tục với các cặp môi chất lạnh khác nhau. Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 6 Trong những năm đầu thế kỷ 20 ngành công nghệ nhiệt lạnh và kỹ thuật chân không phát triển mạnh mẽ và hoàn thiện cũng giúp cho kỹ thuật thăng hoa phát triển có thể giới thiệu những phát minh như nhà khoa học Leiblanc đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật lạnh bằng chế tạo thành công máy lạnh ejector hơi nước vào năm 1910. Năm 1930 một số nhà khoa học Mỹ đã phát hiện ra tính chất nhiệt động của các loại môi chất lạnh hữu cơ Freon rất tốt. Năm 1921, kỹ sư mỏ của Nga G.I.Lappa Starsinexki đã phát minh ra cách làm khô sản phẩm bằng cách hạ thấp nhiệt độ sản phẩm xuống làm nước trong sản phẩm đóng băng, sau đó tạo độ chân không cho môi trường chứa sản phẩm để cho nước bay hơi hay thăng hoa từ thể rắn sang thể hơi. Tuy nhiên, mãi đến năm 1951 mới có hội thảo về đông lạnh và sấy ở Luân Đôn và vào năm 1956 các nhà khoa học Nga mở cuộc hội nghị về sấy thăng hoa toàn Liên bang Xô Viết (hiện nay là Liên bang Nga) ở Moskva. Đặc biệt, trong giai đoạn những năm 1950 ÷1960, các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo thành công hệ thống máy sấy thăng hoa hoàn chỉnh, sau đó là Nga, Pháp, Anh, Đức… cũng chế tạo thành công hệ thống sấy thăng hoa này với nhiều dạng khác nhau. Đặc biệt, vào năm 1980 các nhà cơ khí chế tạo của Đức đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống máy sấy thăng hoa công nghiệp hiện đại bậc nhất thế giới với hệ điều khiển thông minh và nó được trưng bày tại Hội chợ triển lãm thương mại quốc tế ở Paris (Pháp)  Ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa: Chính vì vậy theo tác giả Wilhem Oetjen [15] thì lý thuyết về sấy thăng hoa chỉ được người đầu tiên trên thế giới viết là Atmann vào năm 1890 theo sách về sấy thăng hoa xuất bản năm 1954 bởi K.H.Neumann và sấy thăng hoa được các người Đức như Sawyer, Lloyd và Kitchen đã ứng dụng sấy thăng hoa thành công cho virus sợi vàng vào năm 1929. Trong chiến tranh thế giới lần thứ 2, người ta dùng sấy thăng hoa để bảo quản huyết tương, vaxin và penicillin. Nhờ sự ra đời cuốn sách “Sấy thăng hoa” của tác giả E.W.Flosdorf vào năm 1949 mà việc ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa trong các lĩnh vực như bảo quản thực phẩm, dược phẩm, sản phẩm y học và công nghiệp. Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 7  Những sản phẩm mà các nước trên thế giới đã dùng sấy thăng hoa để bảo quản và đã từng nghiên cứu như sau:.  Sấy thăng hoa đã ứng dụng trong việc bảo quản vào thực phẩm ngày càng nhiều ở các quốc gia phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Pháp, Đức, Nga…Sấy thăng hoa được xem như phương pháp thuận lợi nhất và thành công nhất để bảo quản các sản phẩm sau: -Sản phẩm cần tách nước hay nâng cao nồng độ hoạt chất hay sản phẩm nhạy cảm với nhiệt như hoa quả, rau sống, nấm, hành, thảo dược, ngũ cốc, carrot, cây đậu Hà Lan. -Công nghệ sấy thăng hoa đã ứng dụng vào chế biến thức ăn cho các nhà du hành vũ trụ, sản xuất súp ăn liền, sản xuất phomat kem, ngành công nghiệp bánh và ngũ cốc ăn điểm tâm. -Sản phẩm thực phẩm cao cấp giàu chất dinh dưỡng và vitamin như tôm, thịt và các thủy hải sản.  Sấy thăng hoa là cho bảo quản vi khuẩn, nấm men, các sản phẩm sinh học, sản phẩm dược phẩm như protein, penicillin… Ngoài ra, sấy thăng hoa còn dùng trong bảo quản sách đã bị thấm ướt, đồ vật trong viện bảo tàng.  Lịch sử phát triển và ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa tại Việt Nam Ở Việt Nam, khi người Mỹ vào Việt Nam họ đã ứng dụng công nghệ này vào Việt Nam với mục đích là phục vụ cho chiến tranh, tuy nhiên sau ngày đất nước thống nhất công nghệ này vẫn không được nghiên cứu và phát triển, chúng chỉ được ứng dụng trong một số trung tâm, viện nghiên cứu phục vụ cho nghiên cứu khoa học trong các lĩnh vực công nghệ sinh học, y dược, phân tích… Gần đây, công nghệ sấy thăng hoa này đã được vài nhà khoa học Việt Nam quan tâm nghiên cứu và phát triển. Bởi vì hướng ứng dụng của công nghệ này không chỉ trong các ngành công nghệ sinh học, y dược, phân tích…mà đặc biệt là ngành công nghệ chế biến thực phẩm. Hiện tại ở Việt Nam chỉ có một nhà máy sấy chân Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 8 không Win -Food ứng dụng trong công nghệ chế biến rau quả do Nhật Bản đầu tư tại khu Công Nghiệp Tân thuận thành phố Hồ Chí Minh 2.2. NGUYÊN LÝ SẤY THĂNG HOA 2.2.1. Những khái niệm sấy thăng hoa Định nghĩa: sấy thăng hoa là quá trình tách nước ra khỏi vật liệu sấy nhờ sự chuyển pha trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi không thông qua trang thái lỏng ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất thấp, cụ thể là thấp hơn nhiệt độ và áp suất trạng thái ba thể (0,00890C; 4,58mmHg) Nhờ sấy thăng hoa tiến hành ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp nên các phân tử nước chuyển sang trạng thái hơi từ trạng thái rắn đã được đông lạnh bắt đầu từ bề mặt và sau đó vùng thăng hoa được chuyển dần vào trong. Do đó, việc ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa được các nước trên thế giới cho những sản phẩm có giá trị kinh tế. Vì công nghệ sấy thăng hoa thường đi kèm với các công nghệ đi theo nó như kỹ thuật chân không, kỹ thuật lạnh, điều khiển tự động nên đây là công nghệ phức tạp với thời gian sấy kéo dài, chi phí năng lượng tiêu thụ và giá thành sản phẩm cao. 2.2.2.Trạng thái vật chất trong giản đồ P-t [1,15] Với sấy thăng hoa, ẩm trong vật liệu sấy (VLS) ở trạng thái lỏng được làm lạnh đông để chuyển qua trạng thái rắn (nước đá), sau đó tạo điều kiện để cho nước đá thăng hoa chuyển thành trạng thái hơi bay ra khỏi VLS làm khô VLS. Để hiểu rõ hơn về quá trình chuyển đổi pha của ẩm của VLS trong quá trình sấy thăng hoa như trên đồ thị P – t (áp suất hơi bão hoà – nhiệt độ) –hình 2.1 Với : -Điểm O gọi là điểm ba thể, ở đó tồn tại ở ba thể: thể rắn, thể lỏng và thể hơi. Nhiệt độ và áp suất của trạng thái điểm ba thể O tương ứng bằng: t = 0,00980C và P = 4,58 mmHg. Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 9 -Đường OA là ranh giới giữa pha rắn và pha lỏng P(mmHg) A N M -Đường OB là ranh giới giữa pha Lỏng rắn và pha hơi -Đường OK là ranh giới giữa pha lỏng và pha Rắn 4,58 hơi Quá trình biến đổi ẩm của VLS trong quá trình sấy thăng hoa như hình 2.1 gồm 3 giai đoạn sau: K O P B Khí Q 0,0098 t(0C) Hình 2.1 Biểu diễn trạng thái biến đổi ẩm  Qúa trình làm lạnh đông trong điều kiện đẳng áp MN: ban đầu ẩm ở trong VLS tồn tại ở trạng thái M, thực hiện quá trình lạnh đông VLS để chuyển toàn bộ ẩm ở trong VLS thành dạng nước đá (ở thể rắn) trạng thái N.  Qúa trình tạo môi trường chân không đẳng nhiệt NP: ẩm trong VLS tại điểm N được tạo ra trong môi trường chân không đẳng nhiệt có nhiệt độ, áp suất tại điểm P với nhiệt độ và áp suất nhỏ hơn điểm ba thể O.  Qúa trình thăng hoa đẳng áp PQ: ẩm trong VLS ở môi trường chân không tại điểm P sau khi ngừng cấp lạnh cho VLS được thăng hoa đẳng áp đến điểm P nhờ các dòng nhiệt bên ngoài môi trường xâm nhập vào và dòng nhiệt cấp làm cho nhiệt độ môi trường sấy VLS tăng dần Do đó, động lực của quá trình thăng hoa là do chênh lệch áp suất riêng phần hơi nước trên bề mặt VLS với môi trường chân không quá lớn và do sự chênh lệch nhiệt độ giữa VLS với môi trường chân không quá lớn, nhiệt độ của VLS rất thấp còn nhiệt độ của môi trường chân không là do các dòng nhiệt từ môi trường bên ngoài xâm nhập qua vách buồng sấy thăng hoa và nguồn nhiệt cấp làm nhiệt độ môi trường sấy tăng. Quá trình sấy kết thúc khi nhiệt độ VLS đạt tới nhiệt độ môi trường sấy buồng thăng hoa. Tuy nhiên, tùy vào tính chất của VLS, tầm quan trọng của VLS về một mục đích nào đó, mà có thể cấp nhiệt hay không cấp nhiệt thêm vào trong quá trình thăng hoa để rút ngắn thời gian sấy. Thông thường khi sấy những loại vắcxin nhiệt độ Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 10 những loại vắcxin này bằng 00C (chính xác hơn 0,00980C) thì mới cấp thêm nhiệt cho quá trình sấy, giai đoạn cấp nhiệt này chính là quá trình sấy chân không. Trong sấy thăng hoa thì áp suất và nhiệt độ có quan hệ với nhau như sau: áp suất càng thấp thì nhiệt độ thăng hoa càng bé. Do đó, khi cấp nhiệt cho VLS ở áp suất càng thấp thì độ chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nhiệt, nhiệt độ môi trường sấy và nhiệt độ VLS càng tăng. Đứng về mặt truyền nhiệt thì đây là ưu điểm của quá trình sấy thăng hoa so với sấy chân không bình thường. Bảng 2.1 cho chúng ta thấy quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đá. Bảng 2.1.Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đá. Nhiệt độ (0C) 0,0098 -1,7 -5,1 -9,8 -17,50 Ap suất (mmHg) 4,58 4 3 2 1 Nhiệt độ (0C) -24,4 -39,30 -45,4 -57,60 -66,70 Ap suất (mmHg) 0,5 0,1 0,05 0,01 0,001 2.2.3. Các giai đoạn cơ bản trong công nghệ sấy thăng hoa[7,15] Khi phân thể phân tích quá trình công nghệ này ra làm ba giai đoạn như sau: Giai đoạn 1: là giai đoạn cấp đông sản phẩm (hay lạnh đông sản phẩm) để chuyển toàn bộ ẩm trong Ap suất buồng sấy thăng hoa, mmHg việc công nghệ sấy Nhiệt độ, 0C tích quá trình làm thăng hoa thì có Lạnh đông 1h45 Thăng hoa 5h30 t0C P 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 I Sấy nhiệt 3h45 II III 3 1 1 2 4 4 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 760 mmHg 3 5 4 3 2 1 6 1h45 Thời gian 6h15 10  (h) Hình 2.2. Đồ thị làm việc của buồng sấy thăng hoa [15] sử dụng nguồn nhiệt Bức xạ, nhiệt độ cấp đông (-35 ÷ -30)0C 1 -nhiệt độ tấm gia nhiệt; 2 -nhiệt độ môi trường giữa các tấm gia nhiệt; 3 -nhiệt độ thực phẩm sấy; 4 -nhiệt độ môi trường ở lối ra buồng thăng hoa; 5 - độ ẩm của thực phẩm sấy( theo nguyên lý); 6 - áp suất trong buồng sấy thăng hoa. Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 11 VLS từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Mô tả quá trình làm việc Giai đoạn 1: giai đoạn này VLS được làm lạnh đông từ nhiệt độ môi trường khoảng từ (20 ÷ 25)0C xuống đến nhiệt độ từ (-35 ÷ -30)0C, ở nhiệt độ này hầu như nước trong VLS đóng băng gần như hoàn toàn, cần chú ý ứng mỗi loại VLS khác nhau sẽ có nhiệt độ lạnh đông khác nhau, nhưng phải đảm bảo cho sự đông kết của nước bên trong nó phải đạt (85÷92)%, có những loại VLS nhiệt độ cuối cùng của giai đoạn lạnh đông chỉ ở khoảng từ (-22 ÷ -20)0C mà thôi. Đường 3 biểu diễn nhiệt độ của VLS, đồng thời trong giai đoạn này áp suất trong buồng sấy cũng như buồng lạnh đông sản phẩm hầu như không thay đổi bằng áp suất khí quyển, được biểu diễn bằng đường 6 trên thực tế nó có xê dịch một chút xem như không đáng kể bởi vì quá trình làm lạnh nhiệt độ không khí giảm dẫn đến áp suất giảm (thể tích buồng sấy thăng hoa không thay đổi và kín), ở giai đoạn này lượng ẩm thoát ra rất ít chủ yếu là sự bay hơi và thăng hoa nước trên bề mặt sản phẩm, sự thoát ẩm này là do sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí không gian sấy và lớp không khí sát bề mặt VLS, ngoài ra do sự chênh lệch nhiệt độ VLS lạnh đông với nhiệt độ môi trường lạnh đông đây cũng là nguyên nhân làm bay hơi ẩm để có xu hướng đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt. Tuy nhiên, nếu giai đoạn này vừa cấp lạnh – đông vừa hút chân không cho buồng sấy thăng hoa do sự chênh lệch áp suất riêng phần hơi nước ở VLS và môi trường sấy lớn, nhiệt độ VLS và nhiệt độ môi trường sấy lớn hơn dẫn đến lượng ẩm thoát ra nhiều hơn khoảng từ (10 ÷15)%. Giai đoạn 2-giai đoạn thăng hoa: ẩm trong VLS từ trạng thái rắn thăng hoa sang trạng thái hơi không thông qua trạng thái lỏng. Mô tả quá trình làm việc của giai đoạn 2: sau khi VLS đạt tới nhiệt độ cấp đông, ngừng cấp lạnh cho VLS và kết thúc giai đoạn cấp đông, lúc này bơm hút chân không bắt đầu làm việc áp suất buồng sấy hạ rất nhanh tạo môi trường sấy là môi trường chân không, có áp suất biến thiên hầu như không đổi Pm = (0,1 ÷1)mmHg, xem đường 6. Do sự chênh lệch áp suất riêng phần hơi nước ở VLS Pn và áp suất hơi Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 12 nước trong môi trường sấy Pnm quá lớn, đồng thời dòng nhiệt bức xạ từ các tấm kim loại phát ra để đốt nóng làm cho sự chênh lệch nhiệt độ quá lớn giữa môi trường sấy và VLS khá lớn, kết quả giai đoạn này nước trong VLS đông lạnh bắt đầu thăng hoa mãnh liệt. Độ ẩm giảm rất nhanh và gần như tuyến tính, xem đường biểu diễn 5. Như vậy giai đoạn thăng hoa có thể xem là giai đoạn có tốc độ sấy không đổi, phần lượng nhiệt bức xạ mà VLS nhận được trong giai đoạn này dùng để biến thành nhiệt ẩn thăng hoa. Do đó, nhiệt độ VLS hầu như không thay đổi, xem đường 3, thực tế thì nhiệt độ VLS có tăng nhưng tốc độ rất chậm. Ở thời gian cuối của giai đoạn này nhiệt độ VLS sấy tăng dần từ (-30 ÷ -25) 0C đến 00C (chính xác 0,00980C), tại đây kết thúc giai đoạn thăng hoa. Trong giai đoạn thăng hoa nhiệt độ môi trường ở lối ra buồng thăng hoa hầu như không thay đổi, xem đường 4 trên hình 2.2 biểu diễn nhiệt độ môi trường ở lối ra buồng thăng hoa. Dẫn đến nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ – đóng băng hầu như cũng không thay đổi trong suốt quá trình thăng hoa. Nhiệt độ tấm gia nhiệt và nhiệt độ môi trường giữa các tấm gia nhiệt hầu như không thay đổi trong suốt quá trình thăng hoa và sấy nhiệt lần lượt là đường 1 và 2 trên hình 2.2. Trong công nghệ sấy thăng hoa này nhiệt độ tấm gia nhiệt phải duy trì trong khoảng từ (38 ÷ 45)0C có như vậy nhiệt độ môi trường giữa các tấm gia nhiệt (hay môi trường sấy) dao động trong khoảng từ (30 ÷ 40)0C là thích hợp. Tóm lại trong giai đoạn sấy thăng hoa vì thực hiện ở trong môi trường áp suất thấp nên trong giai đoạn này nước tự do trong vật liệu sấy có nhiệt độ gần như bằng 00C, tức là tương đương với nhiệt độ của điểm ba thể. Lượng nước kết tinh trong VLS sẽ bay hơi hết hay còn lại nhiều hay ít trong giai đoạn thăng hoa (tức là phần ẩm còn lại trong vật liệu sấy) trong giai đoạn cấp đông phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ cấp đông.Chính vì vậy thông số nhiệt độ cấp đông cần khảo sát và nghiên cứu. Giai đoạn 3: sấy chân không làm bay hơi lượng ẩm còn lại:  Mô tả quá trình làm việc: giai đoạn này xảy ra ở nhiệt độ thấp( nhỏ hơn nhiệt độ môi trường) nhằm tách ẩm còn lại là lượng ẩm liên kết khó tách. Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 13 Cuối quá trình thăng hoa, nhiệt độ VLS đạt tới 00C, áp suất môi trường sấy chân không vẫn không thay đổi dao động trong khoảng từ (0,1 ÷1) mmHg, nhưng áp suất riêng phần của ẩm còn lại trong VLS lớn hơn 4,58mmHg (áp suất của điểm 3 của nước), vì vậy trạng thái của ẩm trong vật VLS trở về trạng thái lỏng. Do áp suất không gian sấy là áp suất chân không (0,1÷1) mmHg và nó được duy trì bởi bơm chân không và VLS vẫn tiếp tục gia nhiệt bằng bức xạ nhiệt nên ẩm không ngừng biến đổi pha từ dạng lỏng sang dạng hơi khuếch tán hoặc bay hơi vào môi trường sấy trước khi đi về thiết bị ngưng tụ – đóng băng. Như vậy giai đoạn làm bay hơi lượng ẩm còn lại chính là giai đoạn sấy chân không bình thường. Động lực cho quá trình bay hơi – khuếch tán vẫn là sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước và nhiệt độ giữa vật liệu sấy và môi trường sấy. Giai đoạn bay hơi ẩm còn lại trong VLS kết thúc khi nhiệt độ giữa các tấm gia nhiệt bức xạ, môi trường không gian sấy và thực phẩm sấy bằng nhau và có thể thấy đó là đường 1, 2 và 3 giao nhau tại một điểm như hình 2.2. Tại điểm này sẽ xảy ra sự cân bằng nhiệt và cân bằng ẩm, lượng ẩm trong VLS không thể bay hơi được nữa và gần cuối giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại trong VLS hầu như không đổi, đường độ ẩm VLS gần như nằm ngang và thể hiện như đường 5 trên hình 1.2. Quá trình dịch chuyển ẩm trong sấy thăng hoa khác với quá trình dịch chuyển ẩm trong các hệ thống sấy khác làm việc ở áp suất khí quyển (P = 760mmHg = 1at). Khi thăng hoa, các phân tử nước không va chạm nhau bởi vì môi trường chân không không tồn tại trường lực đàn hồi của không khí, các phân tử nước tương tác với nhau bởi lực đẩy ra xa nên không thể va chạm. Điều này được chứng minh trong thuyết chuyển động các hạt vật chất trong môi trường chân không của Plank R, nhờ đó mà sấy thăng hoa có một ưu điểm rất lớn là bảo toàn được chất lượng sinh học của sản phẩm sấy 2.3. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ THIẾT BỊ SẤY THĂNG HOA[15,17]: Thông thường một hệ thống sấy thăng hoa nhất thiết phải có các thiết bị cơ bản sau đây: Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 14  Buồng sấy thăng hoa, đôi lúc nó được gọi là bình thăng hoa, nếu hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông thì buồng sấy thăng hoa cũng chính là buồng lạnh đông vật liệu sấy.  Thiết bị ngưng tụ – đóng băng, hay được gọi là thiết bị hoá đá.  Hệ bơm chân không. Ngoài các thiết bị cơ bản trên, hệ thống sấy thăng hoa phải có một hệ thống lạnh cấp lạnh cho thiết bị ngưng tụ – đóng băng và một hệ thống lạnh làm lạnh đông vật liệu sấy (nếu hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông vật liệu sấy), tuỳ theo thiết kế chế tạo mà đôi lúc hai hệ thống này chỉ là một. Chính vì vậy hệ thống sấy thăng hoa là một hệ thống sấy rất phức tạp và rất khó thiết kế, chế tạo. 1: Buồng sấy thăng hoa; 2: Các tấm gia nhiệt ;3: Sản phẩm kết đông đựng trong giá; 4: Thiết bị đóng băng hơi nước; 5: Bộ phận trao đổi nhiệt của thiết bị đóng băng hơi nước 6: Dàn lạnh; 7: Bơm chân không. Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị STH Qúa trình hoạt động của hệ thống sấy thăng hoa có thể tóm tắt như sau: Sau khi vật liệu sấy được cấp đông trực tiếp trong buồng thăng hoa 1 và đạt được nhiệt độ yêu cầu thì ta bắt đầu tiến hành quá trình thăng hoa lượng ẩm bị hóa rắn trong vật liệu. Khi đó, bơm chân không 7 hoạt động để tạo chân không trong buồng thăng hoa 1. Sau khi áp suất trong buồng 1 đạt được độ chân không mong muốn thì các tấm gia nhiệt 2 đặt trong buồng 1 sẽ truyền nhiệt cho vật liệu để làm thăng hoa lượng ẩm bị hóa rắn trong quá trình cấp đông vật liệu. Áp suất trong buồng sấy thăng hoa 1 khi tiến hành quá trình sấy là tổng áp suất giữa lượng không khí còn lại trong buồng 1 và lượng hơi nước bay hơi từ vật liệu. Khi áp suất càng thấp thì thể tích riêng phần của hơi nước càng lớn. Do đó, trong quá trình thăng hoa nếu không tiến hành hút hơi nước kịp thời thì sẽ làm cho áp suất trong buồng 1 tăng Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 15 lên, làm thay đổi trạng thái chân không của buồng 1. Do đó, dòng hỗn hợp không khí – hơi nước từ buồng 1 đi ra, trước khi đi qua bơm chân không 7 và được thải ra ngoài môi trường thì sẽ đi qua thiết bị đóng băng hơi nước 4. Tại đây, nhiệt độ hỗn hợp không khí – hơi nước được làm lạnh nhờ dàn lạnh 6. Do đó, hơi nước sẽ đóng băng và tách ra khỏi dòng hỗn hợp khí. Nhờ vậy mà trạng thái chân không trong buồng sấy 1 luôn ổn định và tránh được hiện tượng hơi nước ngưng tụ ở bơm chân không gây va đập thủy lực làm hư bơm. Sau khi giai đoạn thăng hoa tiến hành xong thì ta sẽ thực hiện quá trình sấy chân không để tiếp tục làm bốc hơi lượng ẩm còn lại trong vật liệu. Trong giai đoạn này, bơm chân không 7 và thiết bị đóng băng hơi nước 4 vẫn hoạt động. Còn các tấm gia nhiệt 2 thì bắt đầu tăng lượng nhiệt bức xạ truyền cho vật liệu. Nhờ vậy lượng ẩm còn lại trong vật liệu sẽ bay hơi cho đến khi quá trình sấy kết thúc. 2.4.THIẾT BỊ SẤY THĂNG HOA 2.4.1. Buồng thăng hoa[2,22] Tùy theo từng hệ thống sấy thăng hoa mà có hệ thống sấy thăng hoa cấp đông riêng sản phẩm, hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông sản phẩm, hệ thống sấy thăng hoa liên tục và cũng tùy vào yêu cầu thiết kế- chế tạo mà cấu tạo của buồng sấy thăng hoa có (7) (8) những cấu tạo khác nhau. Cấu tạo của buồng sấy thăng hoa phải (4) đạt những tiêu chuẩn kỹ thuật sau:  Buồng thăng hoa phải kín tuyệt đối khi hút chân không. (6) sấy là lớn nhất và cường độ bay hơi là lớn nhất. (10) (9) (11)  Không gian đặt vật liệu sấy phải có mật độ sản phẩm (5) (5) Hình 2.4.Cấu tạo buồng thăng hoa của hệ thống thăng hoa cấp đông riêng, dạng mặt cắt A-A . 1-Buồng thăng hoa; 2-Van chặn; 3-Xyfon; 4-Đường nối với bơm chân không; 5-Tấm gia nhiệt; 6-Khay chứa thực phẩm sấy; 7-Ap chân không kế; 8-Bộ điều chỉnh nhiệt; 9-Bơm nước; 10-Bể nước nóng; 11-Động cơ điện của bơm Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng 16  Khả năng truyền nhiệt trong quá trình sấy thăng hoa và sấy nhiệt trong môi trường chân không là lớn nhất.  Sử dụng phương pháp truyền nhiệt phải hiệu quả nhất để rút ngắn thời gian sấy thăng hoa và sấy nhiệt. 2.4.1.1. Cấu tạo của buồng thăng hoa của hệ thống thăng hoa cấp đông riêng[22]. Đây là buồng thăng hoa có cấu tạo đơn giản nhất,bởi vì trong buồng thăng hoa chỉ có hệ thống thiết bị gia nhiệt, đường nối với bơm chân không và các sensor nhiệt độ, hệ thống không gian chứa đựng vật liệu sấy. Thông thường buồng thăng hoa được cấu tạo bởi hai dạng cơ bản, dạng hình trụ và dạng hình hộp lập phương. Đối với dạng hình trụ thì khả năng chịu lực của nó tốt hơn, cường độ bay hơi của nó tốt hơn so với hình hộp lập phương, nhưng mật độ không gian chứa vật liệu sấy tăng, gia công thiết bị dễ hơn so với hình trụ. Vì giữa hai dạng vẫn còn tồn tại những ưu nhược điểm cho nên, hai dạng này vẫn được ứng dụng. Hình 2.4 cho thấy, ở buồng thăng hoa này vật liệu sấy nhờ hệ thống cấp đông riêng ở bên ngoài, sau đó mới đưa vào buồng thăng hoa thực hiện quá trình sấy, hệ thống gia nhiệt ở đây là nước nóng, nước được gia nhiệt ở bể (10) bằng nhiệt trở nhờ bộ điều chỉnh nhiệt độ (8) để (2) khống chế và điều khiển nhiệt độ buồng sấy. Sau đó, nhờ bơm (11) bơm vào hệ (6) (1) thống đường ống trao đổi nhiệt đặt ở phía (5) dưới tấm gia nhiệt, phía trên thường đặt vật liệu sấy, đối với phương pháp gia (3) nhiệt như vậy sẽ làm cho trường nhiệt độ (4) tương đối ổn định hơn so với gia nhiệt trực tiếp bằng nhiệt trở, hơn nữa nó an toàn hơn khi vận hành hệ thống sấy thăng hoa, nhiệt độ gia nhiệt trong buồng sấy Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng Hình 2.5. Cấu tạo buồng thăng hoa của hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông. 17 luôn được kiểm soát thông qua nhiệt độ ở bể nước nóng. 2.4.1.2. Cấu tạo buồng thăng hoa của hệ thống thăng hoa tự lạnh đông Với hình 2.5.Buồng thăng hoa của hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông gồm các thiết bị sau: 1-Van xả chân không. 2-Đường nối với bơm chân không. 3-Đường nối môi chất lạnh sau khi tiết liệu cấp vào dàn lạnh( thiết bị bay hơi) 4- Đường môi chất lạnh được máy nén hút về. 5-Cửa buồng thăng hoa. 6-Các đường cho các chất tải lạnh gia Hình 2.6.Cấu tạo buồng thăng hoa của hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông, dạng mặt cắt A-A nhiệt vào và ra khỏi buồng sấy thăng hoa Cấu tạo buồng thăng hoa loại này rất phức tạp, bởi vì buồng thăng hoa cũng chính là buồng lạnh đông, phía dưới các tấm gia nhiệt đặt song song nhau trong không gian sấy phải bố trí các đường ống trao đổi nhiệt của dàn lạnh (thiết bị bay hơi) của hệ thống lạnh cấp đông thực phẩm sấy và đồng thời phải bố trí các đường ống dẫn chất gia nhiệt để gia nhiệt trong quá trình sấy. (4) (6) (5) (7) (2) (3) (1) Hình 2.7 Cấu tạo buồng thăng hoa của hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông dạng hình hộp lập phương 1-Tấm trao đổi nhiệt trong giai đoạn cấp đông cũng như giai đoạn gia nhiệt; 2- Khay chứa thực phẩm sấy; 3-Đường cấp môi chất vào; 4-Đường môi chất lạnh máy nén hút về; 5-Đường ống trao đổi nhiệt; 6-Các điện trở gia nhiệt; 7-Chốt cửa của buồng thăng hoa. Luận văn Thạc Sỹ - Phạm Văn Hưng