Kỹ thuật thực phẩm 2 - Chương 5: Kỹ thuật sấy

1KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2 Chương 5: Kỹ thuật sấy ThS. Trần Văn Hùng Email: Hungtp1k50@gmail.com I. MỤC ĐÍCH - CÁC BIẾN ĐỔI VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG 2I.1 Mục đích, yêu cầu • Bốc hơi nước bằng nhiệt độ dựa vào chênh lệch áp suất hơi riêng phần ở bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh • Mục đích – Chuẩn bị: chuyên chở, tẩm – Khai thác: tăng hàm lượng chất khô – Chế biến: tăng độ giòn – Bảo quản: giảm họat tính của nước I.2 Vật liệu và quá trình biến đổi  Động vật, thực vật, ẩm ( có 3 lọai ẩm: Ẩm tự do, Liên kết vật lý, liên kết hóa học)  Biến đổi – Vật lý( Co thể tích thay đổi khối lượng riêng…) – Hóa lý( Khuyếch tán ẩm..) – Hóa học( Tốc độ phản ứng tăng hoặc giảm..) – Sinh hóa( Họat động của Enzym tăng hgoặc giảm..) – Sinh học( Cấu tạo tế bào, VSV…) – Cảm quan( Màu sắc, mùi, vị, trạng thái..) 3I.3 Năng lượng sử dụng - Hơi nước bão hòa - Khói lò - Điện - ‘Chất tải nhiệt’ I.4 Phạm vi áp dụng - Sản xuất đường - Sản xuất chè - Sản sữa bột - Sản xuất cà phê hòa tan - Chế biến bảo quản Rau, Quả… - ………. 4Sö õa náïóehn lieäï Chïakn hoùa Ñoàná hoùa Saáó Xö û lóù Bao áoùi Thanh tìïøná Coâ ñaëc Sö õa boät náïóehn kem Bao bì Qui trình sản xuất sữa bột Sản xuất bột cam 5Trà Nghiền Trích ly Lọc Cô đặc Nước Bã Bã Phối chế Sấy phun Làm ẩm Sấy tầng sôi Phối trộn Đóng gói Trà hòa tan Xö û lóù íô boä EÙp,taùch baõ Gia vohi íô boä Gia nhieät laàn I Xohná CO2 laàn 1 Loïc laàn 1 Gia nhieät laàn II Xohná CO2 laàn 2 Loïc laàn 2 Xohná SO2 laàn 1 Coh ñaëc Xohná SO2 laàn 2 Loïc kiekm tìa Coh ñaëc Ló tahm Hoài dïná Boài tinh Naáï ñö ôøná B Ló tahm Boài tinh Saáó Nö ôùc thakm thaáï Sö õa vohi than hoaït tính Mía Coh ñaëc Ló tahm Boài tinh Maät A Khí SO2 Nö ôùc Khí CO2 Sö õa vohi Khí CO2 Gia vohi Cacbonat hoùa Loïc Tìao ñoki ion Boác hôi Naáï ñö ôøná R1 Tìôï tinh chahn khohná Ló tahm R1 Naáï ñö ôøná R2 Tìôï tinh chahn khohná Ló tahm R2 Naáï ñö ôøná R3 Tìôï tinh chahn khohná Ló tahm R3 Saáó Chö ùa vaøo cóclon Ñoùná bao Saûn phakm Ñö ôøná B Ñö ôøná C chö a íaáó Maät ìó Naáï ñö ôøná A Maät B Baõ Sản xuất đường mía 6SẤY RAU QUẢ SẤY HẢI SẢN 7II. VẬT ẨM II.1 Phân loại vật liệu ẩm - Vật liệu keo - Vật liệu xốp mao dẫn - Vật liệu keo xốp mao dẫn 8 9II.2 Liên kết ẩm trong vật liệu ẩm - Liên kết hóa học - Liên kết hóa lý + Liên kết hấp thụ + Liên kết thẩm thấu - Liên kết cơ lý + Liên kết cấu trúc + Liên kết mao dẫn + Liên kết dính ướt 10  Liên kết hóa học - Liên kết hóa học giữa ẩm và vật khô rất bền vững trong đó các phần tử nước đã trở thành một bộ phận trong thành phần hóa học của phân tử vật ẩm. - Ẩm liên kết hóa học chỉ được tách ra ở nhiệt độ rất cao. - Sau khi tách ẩm liên kết hóa học tính chất hóa lý của vật thay đổi.  Liên kết hóa lý - Liên kết hấp thụ: trong vật ẩm có những hạt keo. Hạt keo có năng lượng bề mặt tự do lớn. Khi tiếp xúc với không khí ẩm hay trực tiếp với nước, ẩm sẽ xâm nhập vào vật theo các bề mặt tự do này tạo thành liên kết hấp thụ giữa nước và bề mặt. - Liên kết thẩm thấu: là sự liên kết hóa lý giữa nước với vật rắn khi có chênh lệch nồng độ các chất hòa tan ở trong và ngoài tế bào, tức là có sự chênh lệch áp suất hơi nước. 11  Liên kết cơ lý Đây là dạng liên kết giữa nước và vật liệu được tạo thành do sức căng bề mặt của nước trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật ẩm. II. 3 Độ chứa ẩm Độ chứa ẩm là tỷ số giữa lượng chứa ẩm trong vật liệu với khối lượng khô tuyệt đối. Độ chứa ẩm ký hiệu là u )khô vât am/kg (kg G G u k n 12 II.4 Nồng độ ẩm Là khối lượng ẩm chứa trong 1m3 vật thể. Nồng độ ẩm ký hiệu là N. )/( 3mkg V G N n II.5 Độ ẩm toàn phần Là tỷ số giữa lượng chứa ẩm trong vật với khối lượng vật ẩm, ký hiệu là:  %100%100 x GG G x G G kn nn   13 III. TÁC NHÂN SẤY A. KHÔNG KHÍ ẨM 14 III.1. Độ ẩm tương đối ‘Độ ẩm tương đối của không khí ẩm là tỉ số giữa lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm với lượng hơi nước lớn nhất có thể chứa trong không khí ẩm đó ở cùng nhiệt độ. Độ ẩm tương đối đo bằng %, ký hiệu là ’ %100. maxhG G  III.2 Độ ẩm tuyệt đối ‘Độ ẩm tuyệt đối là thuật ngữ được dùng để mô tả lượng hơi nước tồn tại trong một thể tích hỗn hợp dạng khí nhất định. Các đơn vị phổ biến nhất dùng để tính độ ẩm tuyệt đối là gam trên mét khối (g/m³).’ )(g/m 1000. 3 V Gh 15 III.3 Độ ẩm cực đại Chúng ta đã biết là áp suất hơi nước ở nhiệt độ đã cho không thể lớn hơn áp suất của hơi bão hoà ở nhiệt độ ấy. Nếu hơi nước lẫn với không khí thì áp suất riêng phần* của hơi nước không thể lớn hơn áp suất của hơi bão hoà ở cùng nhiệt độ. Độ cực đại (A) ở nhiệt độ đã cho chính là đại lượng đo bằng khối lượng (tính bằng gam) của hơi nước bão hoà chứa trong 1m3 hơi nước có khối lượng 30,3 g . Vậy ở nhiệt độ 300C độ ẩm cực đại của không khí là 30,3 g . Ví dụ Vào một ngày nào đó nhiệt độ là 300C, trong 1m3 khí quyển có chứa 20,6 g nước. Vậy: - Độ ẩm tuyệt đối của kk là: 20,6g nước - Độ ẩm cực đại: 30,3 g - Độ ẩm tương đối: 20,6/30,3 = 68% 16 III.4 Điểm sương Nếu không khí ẩm bị lạnh đi, đến một nhiệt độ nào đó, hơi nước trong không khí trở thành bão hoà. Nếu lạnh xuống dưới nhiệt độ ấy thì hơi nước đọng lại thành sương. Nhiệt độ mà tại đó hơi nước trong không khí trở thành bão hoà gọi là điểm sương. Ví dụ: Xét không khí ở 300C có độ ẩm tuyệt đối là 20,6 g/m3. Xem trong bảng đặc tính hơi nước bão hoà ta thấy rằng đó là khối lượng riêng của hơi nước tại 230C. Vậy nếu ta làm không khí lạnh đến 230C thì hơi nước trong không khí trở thành bão hoà. Tiếp tục làm lạnh nữa thì hơi nước ngưng tụ thành nước. Điểm sương của không khí mà ta đang xét là 230C. 17 III.5 Độ chứa ẩm của không khí ẩm ‘Độ chứa ẩm của không khí ẩm là khối lượng hơi nước chứa trong 1 kg không khí khô’ )khô /(1000. kgKKg G G d k h III.6 Entanpi 18 III.7 Đồ thị I-D III.8 Các quá trình biến đổi cơ bản của không khí ẩm - Quá trình nung nóng và làm lạnh - Quá trình bay hơi nước vào không khí - Quá trình hỗn hợp của hai dòng khí ẩm 19 1. Quá trình nung nóng và làm lạnh 2 1 3 4 2. Quá trình bay hơi nước vào không khí ẩm 1 2 t1 t2 I1=I2=const d2d1 Quá trình sấy lý thuyết 20 1 2 t1 t2 I1 d2d1 Quá trình sấy thực 2’’ ∆ I2 3. Quá trình hỗn hợp hai dòng không khí ẩm B A C I1 I2 Ihh 21 B. KHÓI LÒ 1. Nguyên lý hệ thống sấy lò 22 Ưu điểm - Có thể điều chỉnh nhiệt độ môi chất sấy trong khoảng rộng - Cấu trúc hệ thống đơn giản, dễ chế tạo - Đầu tư vốn ít vì không phải dùng calorife - Giảm tiêu hao năng lượng, do giảm trở lực hệ thống - Nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị Nhược điểm - Gây bụi bẩn cho thiết bị và sản phẩm - Có thể gây ra các phản ứng hóa học không mong muốn - Gây hỏa hoạn Qúa trình hỗn hợp giữa khói và không khí B0-nhiên liệu có độ ẩm w=0 B-nhiên liệu có độ ẩm w B1- nhiên liệu có độ ẩm w1 > w C1 C C0 B1 B B0 A dA =100% 23 Sấy một tầng sử dụng khói lò ) /( 1000 âmkgkg dd l Mc K   (kg/s) .WlL KK  (kW)q.W Q âm) (kJ/kg )(   AMK IIlq d C’ C M A B I = const d0 dM dC I =100% Sấy bằng khói có hồi lưu Khí nóng hồi lưu EMCA Buồng đốt Quạt Buồng sấy Không khí Khí thoát 24 dB t0 t1 d E C M A B tM d0 dC dE I t2 =100% dM 1 . 2 2    n ddn d CEM 1 . 2 2    n IIn I CEM 1 . 1 1    n ddn d BAC 1 . 1 1    n IIn I BAC Tiêu hao riêng hỗn hợp khói + không khí là ) /( 1000 âmkgkg dd l CE C   ) /(. âmkgkg AB AC ll CB  Khối lượng khói cần sản xuất tại buồng đốt Khối lượng không khí cần đưa vào buồng hòa trộn BAC CA lll âmkgkg AB BC ll   ) /(. Tiêu hao nhiệt đối với quá trình sấy q = lC(IC-IA) (kJ/kg ẩm) Q = q.W (kW) 25 IV. QUAN HỆ GIỮA VẬT LIỆU VÀ KK ẨM XUNG QUANH IV.1 Độ ẩm cân bằng - Độ ẩm cân bằng là độ ẩm của vật khi ở trạng thái cân bằng với môi trường xung quanh vật đó. - Trong kỹ thuật sấy, độ ẩm cân bằng dùng để xác định giới hạn quá trình sấy và dùng để xác định độ ẩm bảo quản của mỗi loại vật liệu trong những điều kiện môi trường khác nhau. 26 IV.2 Độ ẩm tới hạn Độ ẩm cân bằng của vật ẩm trong môi trường không khí có độ ẩm tương đối = 100% gọi là độ ẩm tới hạn. Hấp thụ Thải ẩm wcb wcbmax wA 40% 27 V. CƠ SỞ KỸ THUẬT SẤY V.1 Phương pháp sấy • Sấy tự nhiên • Sấy nhân tạo – Sấy tiếp xúc – Sấy trực tiếp – Sấy bức xạ – Sấy bằng dòng điện cao tần – Sấy thăng hoa – Sấy ngược chiều – Sấy xuôi chiều – Sấy chéo dòng – Sấy tầng sôi… 28 V.2 Cân bằng vật chất của máy sấy Trong đó Phương trình cân bằng 29 V.3 Sấy lý thuyết Giả thiết đối với máy sấy lý thuyết: - Nhiệt cho quá trình sấy là do bộ phận đun nóng cung cấp - Trong máy sấy không có bộ đun nóng bổ sung: Qbs = 0 - Bỏ qua tổn thất nhiệt: Qtt = 0 - Hàm nhiệt của SP sấy và TB sấy không đổi: IGv = IGr - Nhiệt liên kết của nước không đáng kể = 0 Lượng kk khô tuyệt đối qua máy sấy: 12 21 .. xx W L xLWxL    Vậy có: âm) (kg/kg d 1000 l âm) (kg/kg 13 d hay   30 1 21 2 2 21 1 2 2 1 1 12 100 . 100 . 100 100 . 100 100 . W WW GW W WW GW W G W GG GGW k            Cân bằng vật liệu Trong đó: G1, G2- lượng vật liệu đưa vào sấy (kg/h) W-lượng nước bốc hơi trong quá trình sấy (kg/h) W1, W2- độ ẩm của sản phẩm (%) V.5 SỬ DỤNG BIỂU ĐỒ I-D (I-X) TRONG TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY 31 1. Tính toán cho máy sấy một cấp Đoạn 1-2: tiêu tốn nhiệt q tính theo phương trình q=di/dx, giá trị có thể đọc trược tiếp từ đồ thị theo đường song song với đường 1-2. Nhu cầu nhiệt: chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối của quá trình Để không khí sấy tiếp nhận một lượng ẩm cao hơn (X3- X1) cần phải đun nóng nhiệt lên cao hơn (t’2>t2). Tiêu hao nhiệt: Q = L (I2-I1) (KW) Tiêu hao không khí: L = 1000.W/(d3 – d1) (kg) 32 2. Máy sấy nhiều cấp 33 3. Máy sấy tuần hoàn (3) 34 Tiêu hao ở calorifer là: Q = L(I3-I2) (KW) q = l (I3-I2) (KJ/kg ẩm) Lưu lượng không khí thổi vào buồng sấy: L = l.W = 1000.W/(d4-d2) (kg/s) l = 1000/(d4-d2) (kg/kg ẩm) V.6 Máy sấy thực tế 35 0 1 2’ 2 I d 0 1 2’ 2 I d A B V.7 Chuyển động ẩm trong vật sấy - Chuyển động ẩm từ bên trong vật ẩm lên bề mặt - Ẩm bay hơi ở bề mặt - Chuyển dời ẩm ở dạng hơi từ bề mặt vật ẩm vào không khí khô quanh vật ẩm 36 V.8 Vận tốc sấy Nếu vận tốc sấy khô đổi, có thể xác định được thời gian sấy: Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sấy 37 VI. PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ SẤY VI.1 SẤY ĐỐI LƯU 38 1. Nguyên lý hoạt động - TNS hòa trộn với vật ẩm. Ẩm từ vật ẩm tách ra và theo TNS đi ra khỏi buồng sấy. - TNS có thể chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều hoặc cắt dòng. - Calorife có thể gia nhiệt băng than hoặc điện. - Đối lưu có thể thực hiện gián đoạn hoặc liên tục. So sánh các hình thức chuyển động của TNS 39 Vấn đề chi phí năng lượng? 2. Thiết bị sấy - Hầm sấy - Máy sấy tầng sôi - Máy sấy phun - Máy sấy thùng quay - Tủ sấy - Máy sấy khí động 40 2.1 Sấy hầm - Sấy hầm cùng chiều - Sấy hầm ngược chiều 41 2.2 Máy sấy tầng sôi 42 2.3 Máy sấy phun - Nguyên liệu phải được cô đặc trước (40-60% ẩm) - Nhiệt độ buồng sấy lớn (150 – 3000C) - Các hình thức phun: + Phun ly tâm (v = 90 – 200 m/s) + Phun khí động + Phun cao áp (700 – 200 kpa) 43 44 45 46 2.4 Máy sấy thùng quay 47 48 2.5 Tủ sấy - Tủ sấy thường - Tủ sấy chân không 49 2.6 Máy sấy khí động - Sấy bột ẩm hay nguyên liệu dạng hạt có độ ẩm dưới 40% - Kích thước hạt 10 – 500 µm 50 VI.2 SẤY THĂNG HOA - Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm ra khỏi vật ẩm bằng sự thăng hoa của nước. - Quá trình thăng hoa là quá trình chuyển từ thể rắn sang thể hơi. - Quá trình sấy + Lạnh đông vật sấy + Sấy chân không 1. Các giai đoạn sấy F G 51 2. Sơ đồ hệ thống sấy VII. LỰA CHỌN MÁY SẤY 52 1. Cơ sở để lựa chọn - Tính chất vật liệu - Năng suất sản phẩm - Tính chất của sản phẩm sau khi sấy - Khắc phục bụi và hơi nước - Làm vệ sinh máy sấy - Diện tích hoạt động của máy sấy - Nhu cầu về năng lượng - Giá thành sản phẩm  Tính chất vật liệu a. Hình dạng và kích thước - Nguyên liệu giàu tinh bột, lớp sấy dày do đó thời gian sấy chậm: phòng sấy, hầm sấy, tháp sấy… - Nguyên liệu rời, nhỏ, lớp sấy mỏng: máy sấy phun, máy sấy khí động… b. Tính chất ẩm - Để bốc ẩm tự do: máy sấy tuần hoàn - Để tách ẩm: dùng máy sấy có nhiệt độ cao - Cần quan tâm đến độ ẩm cuối của sản phẩm c. Tính nhạy cảm với nhiệt 53 2. Phương pháp lựa chọn - Thử nghiệm chế tạo thiết bị để có chế độ sấy tối ưu nhất: kích thước, nhiệt độ sấy, và cấu tạo của các chi tiết đặc biệt của máy. - Tiến hành đánh giá về năng suất, nhu cầu nhiệt và giá cả - Thiết kế hoàn chỉnh và sản xuất VIII. THIẾT KẾ MÁY SẤY 54 VIII.1 YÊU CẦU TÍNH TOÁN Khi tính toán cần biết hoặc chọn các số liệu sau:  Về thiết bị - năng suất TNS - phương thức truyền nhiệt - phương thức tuần hoàn TNS (đối lưu, hay cưỡng bức)  Về sản phẩm sấy - độ ẩm đầu cuối - nhiệt độ cao nhất cho phép - kích thước hạt - thành phần nhạy với nhiệt  Về chế độ sấy - thông số của kk trời - thông số cuả TNS - vận tốc tác nhân sấy - thời gian sấy - nhiệt độ vào và ra của TNS - nhiệt độ gia nhiệt cực đại cho phép 55 VIII.2 NỘI DUNG TÍNH TOÁN 56 57 58 VIII.3 MỘT SỐ CÔNG THỨC CƠ BẢN TRONG TÍNH TOÁN 59 60 Tính toán calorifer - Nhiệt lượng calorifer cần cung cấp cho TNS Q = L(I1-I0) - Bề mặt truyền nhiệt của calorifer ctb o ctb tk IIL tk Q F  .. ).( .. 1      Trong đó: - k: hệ số truyền nhiệt của calorifer - I1,I0: entanpy của TNS - ∆ttb: độ chênh lệch nhiệt giữa khí và hơi - c: hiệu suất của calorifer 61 Thể tích máy sấy thùng quay )( . . 31 m G V v    Trong đó: G1- khối lượng VLS vào thùng sấy v- mật độ khối hạt -thời gian sấy Hoặc Trong đó Q- lượng nhiệt TNS truyền cho VLS(kJ/m3.K) v- hệ số trao đổi nhiệt thể tích (kJ/m 3.K) ∆t- chệnh lệch nhiệt độ trung bình giữa TNS và VLS )( . .2,1 3m t Q V v    62 Ví dụ-thiết kế máy sấy phun sữa bột IX. ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH SẤY ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM 63 Các biến đổi chủ yếu trong quá trình sấy: - Biến đổi lý học: sứt mẽ, vỡ… - Biến đổi hóa lý: trạng thái tính chất của các keo trong VLS thay đổi - Thay đổi hóa sinh: do sự oxi hóa chất béo, caramen… - Những thay đổi do VSV Tất cả những biến đổi đó ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Chất lượng sản phẩm: - Cấu trúc - Mùi vị - Màu sắc - Giá trị dinh dưỡng - Sự hồi nguyên sản phẩm 64 1. Cấu trúc Nguyên nhân - Sự hồ hóa tinh bột - Sự kết tinh của xenluloza - Sự hình thành sức căng bề mặt do sự khác biệt về độ ẩm ở các vị trí khác nhau trong sản phẩm. Kết quả Sự hình thành các vết nứt, gãy, các tế bào bị nén ép và thay đổi hình dạng vĩnh viễn, làm cho bề mặt ngoài sản bị co ngót và nhăn nheo. 2. Mùi vị - Nhiệt làm bay các thành phần bay hơi giảm mùi vị - Mức độ bay hơi phụ thuộc vào t0C,  của sản phẩm, áp suất và độ hòa tan của các chất bay hơi trong hơi nước. - Những sản có giá trị kinh tế cao nhờ mùi vị cần được sấy ở nhiệt độ thấp. - Những sản phẩm có cấu trúc xốp, tạo điều kiện cho oxy dễ dàng tiếp xúc với sản phẩm, gây ra phản ứng oxy hóa các chất tan và chất béo làm thay đổi chất lượng sản phẩm. 65 3. Màu sắc Nguyên nhân - Sự thay đổi đặc trưng của bề mặt sản phẩm gây ra sự thay đổi phản xạ ánh sáng và màu sắc - Nhiệt và sự oxi hóa trong quá trình sấy làm thay đổi hóa học đối với carotenoit và clorophyl, cũng như hoạt động của enzim polyphenoloxidaza gây ra sẩm màu trong quá trình bảo quản rau quả. - Các phản ứng Maillard 4. Giá trị dinh dưỡng - Tổn thất các loại Vitamin - Biến tính protein 66 5. Sự hoàn nguyên của sản phẩm - Sản phẩm sau khi sấy không trở lại trạng thái ban đầu, do tế bào mất áp suất thẩm thấu, tính thẩm thấu của màng tế bào bị thay đổi, các chất tan di chuyển, polysacarit kết tinh, protein bị đông tụ, tất cả góp phần vào thay đổi cấu trúc, làm thất thoát các chất dễ bay hơi và đây đều là quá trình không thuận nghịch. - Trong quá trình sấy làm giảm khả năng hydrat hóa của tinh bột và tính đàn hồi của tế bào, làm biến tính protein, giảm khả năng giữ nước của chúng.