BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY PHUN BỘT CÀ PHÊ HÒA TA.
TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU, THIẾT BỊ VÀ CÁC QUÁ TRÌNH SẤY LIÊN QUAN
Nguồn gốc của cà phê
Cà phê là một thức uống phổ biến có màu đen và chứa caffein, được sản xuất từ hạt cà phê rang từ cây cà phê Lịch sử của cà phê bắt đầu từ thế kỷ 9 tại vùng cao nguyên Ethiopia, sau đó lan rộng ra Ai Cập và Yemen Đến thế kỷ 15, cà phê đã có mặt tại Armenia, Ba Tư, Thổ Nhĩ Kỳ và Bắc Châu Phi Từ thế giới Hồi giáo, cà phê đã đến Ý và sau đó là toàn bộ Châu Âu, Indonesia và Mỹ Hiện nay, cà phê được coi là một trong những thức uống thông dụng nhất trên toàn cầu.
Cà phê hiện nay được trồng ở hơn 50 quốc gia trên toàn thế giới, trong đó có nhiều nước nổi tiếng về xuất khẩu cà phê Hạt cà phê được chiết xuất từ các loài cây thuộc họ Rubiaceae, với ba dòng cây cà phê chính được trồng phổ biến.
Coffea arabica (Cà phê Arabica) – cà phê chè, cà phê Blue Mountain
Coffea canephora (Cà phê Robusta) – cà phê vối
Coffea excelsa (Cà phê Liberia) – Cà phê mít
Với nhiều loại khác nhau, chất lượng hay đẳng cấp của cà phê khác nhau tùy theo từng loại cây, từng loại hạt và nơi trồng khác nhau.
Cấu tạo của quả cà phê
Qủa cà phê đưa vào chế biến gồm có: lớp vỏ quả, lớp nhớt (vỏ nhớt), lớp vỏ trấu (lớp vỏ thóc), lớp vỏ lụa và nhân.
Lớp vỏ quả: là lớp vỏ ngoài, mềm, ngoài bì có màu đỏ, vỏ của cà phê chè mềm hơn cà phê vối và cà phê mít.
Dưới lớp vỏ mỏng của cà phê chè là lớp vỏ thịt trung bì mềm, chứa nhiều chất ngọt và dễ xay xát Ngược lại, vỏ cà phê mít có cấu trúc cứng và dày hơn.
Hạt cà phê sau khi loại bỏ chất nhờn và phơi khô được gọi là cà phê thúc, với lớp vỏ cứng bên ngoài là vỏ trấu, chứa nhiều chất xơ Vỏ trấu của cà phê chè mỏng và dễ dập hơn so với cà phê vối và cà phê mít.
Xác cà phê có một lớp vỏ mỏng gọi là vỏ lụa, với màu sắc và đặc tính khác nhau tùy thuộc vào loại cà phê Vỏ lụa của cà phê chè thường có màu trắng bạc, rất mỏng và dễ bong ra trong quá trình chế biến Ngược lại, vỏ cà phê vối có màu nâu nhạt, trong khi vỏ lụa của cà phê mít có màu vàng nhạt và bám sát vào nhân cà phê.
Nhân cà phê bao gồm lớp tế bào cứng bên ngoài và các tế bào mềm bên trong, chứa dầu và chất dinh dưỡng Mỗi quả cà phê thường có từ một đến ba nhân, với hai nhân là phổ biến nhất Ngoài nhân, quả cà phê còn có lớp vỏ lụa mỏng, phôi và nhũ, trong đó nhũ chứa toàn bộ chất dinh dưỡng và phôi chứa rễ và mầm Nhân cà phê chiếm khoảng 30% khối lượng của quả.
Bảng 1.1 Tỷ lệ giữa các thành phần cấu tạo của quả cà phê, tính theo % quả tươi
Thành phần Cà phê chè (%) Cà phê vối (%)
Thành phần hóa học của nhân
Thành phần hóa học trong nhân cà phê biến đổi phụ thuộc vào chủng loại, độ chín, điều kiện canh tác, phương pháp chế biến và bảo quản
Trong nhân cà phê đã sấy khô, hàm lượng nước còn lại khoảng 10-12% ở dạng liên kết Nếu hàm lượng nước cao hơn mức này, nấm mốc sẽ phát triển, gây hỏng hạt cà phê Ngoài ra, nước dư thừa làm tăng thể tích bảo quản, gây khó khăn trong quá trình rang, tiêu tốn nhiều nhiên liệu và làm mất hương vị cà phê Sau khi rang, hàm lượng nước trong cà phê chỉ còn 2,7%.
Cà phê chứa khoảng 3-5% chất khoáng, chủ yếu là kali, nitơ, magie, photpho và clo, cùng với một số nguyên tố như sắt, đồng, iod và lưu huỳnh Những khoáng chất này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hương vị của cà phê Chất lượng cà phê thường cao hơn khi hàm lượng chất khoáng thấp và ngược lại.
Chiếm khoảng ẵ tổng số chất khụ, phần lớn không tham gia vào thành phần nước uống mà chỉ cung cấp màu sắc và vị caramel Đường trong cà phê được hình thành qua quá trình thủy phân dưới tác động của acid hữu cơ và enzyme Hàm lượng saccharose trong cà phê phụ thuộc vào độ chín của quả; quả chín hơn sẽ chứa nhiều saccharose hơn Hạt cà phê cũng chứa nhiều polysaccharide, nhưng phần lớn sẽ bị loại bỏ trong quá trình trích ly.
Hàm lượng protein trong cà phê tuy không cao nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành hương vị Các acid amine như cysteine, alanine, phenylalanine, histidine, leucine và lysine có mặt trong cà phê chủ yếu ở dạng liên kết Khi cà phê được gia nhiệt, các mạch polypeptide bị phân cắt, giải phóng acid amine để tham gia vào các phản ứng Maillard và caramel, tạo nên hương vị đặc trưng Đặc biệt, các acid amine chứa lưu huỳnh như cysteine, methionine và proline góp phần tạo hương vị đặc trưng cho cà phê rang và giúp giảm tốc độ oxi hóa, giữ mùi vị khi bảo quản Trong quá trình chế biến, chỉ một phần protein được phân giải thành acid amine, trong khi phần lớn chuyển thành hợp chất không tan.
Hạt cà phê chứa 10-13% lipid, chủ yếu là dầu và sáp, trong đó sáp chiếm 7-8% và dầu chiếm 90% Trong quá trình chế biến, lipid bị biến đổi, nhưng một phần acid béo phản ứng dưới nhiệt độ cao tạo hương thơm cho sản phẩm Khi pha cà phê, chỉ một lượng nhỏ lipid hòa tan vào nước, trong khi phần lớn vẫn giữ lại trên bã.
Trong cà phê có các alcaloid như caffeine, trigonelline, coline Trong đó quan trọng và được nghiên cứu nhiều hơn cả là caffeine và trigonelline.
Caffeine có mặt trong các loại đồ uống như cà phê và trà, chiếm từ 1-3% tùy thuộc vào chủng loại và điều kiện canh tác Mặc dù hàm lượng caffeine trong trà thấp hơn, nhưng nó lại kích thích hệ thần kinh lâu hơn do sự thải trừ chậm của caffeine trong cà phê, nơi tốc độ lưu thông máu không tăng Khi pha cà phê trong nước, caffeine được giải phóng hoàn toàn ở trạng thái tự do, không tạo ra các chất kết tủa hoặc các hợp chất không hoạt tính của alcaloid.
Trigonelline (acid metyl betanicotic C7H7NO2) là một alcaloid không có hoạt tính sinh lý, ít tan trong rượu etylic, không tan trong chloroform và ete, nhưng tan nhiều trong nước nóng với nhiệt độ nóng chảy là 218°C Tính chất đáng chú ý của trigonelline là khi chịu tác dụng của nhiệt độ cao, nó sẽ bị thủy phân thành acid nicotic (tiền vitamin PP) Nhiều nghiên cứu cho thấy trong cà phê không có acid nicotic, nhưng nó được hình thành trong quá trình gia nhiệt, trong đó sự nhiệt phân trigonelline đóng vai trò quan trọng.
Cà phê chứa hàm lượng chất thơm nhỏ, được hình thành và tích lũy trong hạt dưới ảnh hưởng của đất đai, khí hậu và chủng loại cà phê Quá trình chế biến, đặc biệt là rang, cũng góp phần quan trọng vào sự hình thành các chất thơm này, bao gồm acid, aldehyde, ketone, rượu, phenol và este Trong quá trình rang, các chất thơm ban đầu có mùi hắc nhưng sau đó chuyển thành mùi thơm dễ chịu Tuy nhiên, các chất thơm này rất dễ bay hơi và biến đổi, dẫn đến mất mùi thơm của cà phê, vì vậy cần bảo quản trong bao bì kín và tiêu thụ nhanh chóng.
Bảng 1.2 Thành phần hóa học của cà phê nhân
Thành phần hóa học Đơn vị g/100g Thành phần hóa học Đơn vị mg/100g
Acid chlorogenic 2-8 Rb, Cu, F Vết
Tính chất vật lý của cà phê nhân
Cà phê nhân được bóc ra từ cà phê thúc, có hình dáng bầu dục, có chiều dài khoảng 1cm, chiều rộng khoảng 0,5cm.
Nhiệt dung riêng: C = 0,37 (kcal/kg.k) = 1,5466 kJ/kg.k Độ ẩm ban đầu khoảng 20% đến 40% Độ ẩm cuối để bảo quản phải nhỏ hơn 13%
Khái quát về cà phê hòa tan
Cà phê là thức uống phổ biến nhất toàn cầu, nổi bật với nhiều lợi ích cho sức khỏe nhờ chứa chất chống ôxy hóa, giúp cải thiện sự tỉnh táo và chức năng nhận thức Đặc biệt, khi không có sữa và đường, cà phê còn rất ít calo.
Ngày nay, cà phê được thưởng thức theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào sở thích cá nhân Mặc dù nhiều người yêu thích cà phê xay, nhưng trong nhịp sống bận rộn hiện đại, cà phê hòa tan trở thành lựa chọn lý tưởng nhờ tính tiện lợi và nhanh chóng, chỉ cần thêm nước nóng là có thể thưởng thức ngay Thêm vào đó, cà phê hòa tan thường có mức độ caffeine thấp hơn, được xem là lựa chọn lành mạnh hơn so với cà phê xay.
Cà phê hòa tan là một loại đồ uống tiện lợi, được sản xuất từ bột cà phê đã được nêm nếm theo khẩu vị Quy trình chế biến bao gồm các bước rang, xay và sấy khô, mang đến hương vị thơm ngon và dễ dàng pha chế.
Cà phê hòa tan là loại cà phê tiện lợi, chỉ cần hòa tan với nước sôi và khuấy đều là có thể sử dụng ngay Loại cà phê này có thời gian bảo quản lâu và không cần nhiều thiết bị pha chế Đặc biệt, cà phê hòa tan còn hỗ trợ giảm béo hiệu quả Xuất hiện trên thị trường từ những năm 1950, cà phê hòa tan đã nhanh chóng trở thành một trong những loại cà phê phổ biến nhất, được tiêu thụ bởi hàng triệu người trên toàn thế giới Từ năm 2000, thị trường cà phê hòa tan không chỉ mở rộng trong nước mà còn có tỷ trọng xuất khẩu cao trong tổng sản lượng cà phê Các thương hiệu lớn như Vinacafe, NesCafe, Trung Nguyên và MacCoffee hiện đang dẫn đầu thị trường.
Cà phê hòa tan là một loại thức uống được chế biến từ cà phê, sau khi sấy khô thành bột và kết hợp với các thành phần khác như đường, bột kem, hương liệu và phụ gia để tạo ra hương vị hoàn chỉnh Trước đây, cà phê hòa tan chủ yếu chỉ bao gồm cà phê, bột kem và đường, nhưng hiện nay có nhiều lựa chọn phong phú hơn như cà phê đen hòa tan, cà phê sữa đá hòa tan, cappuccino hòa tan và espresso hòa tan Để đáp ứng nhu cầu của những người không thích vị đắng của cà phê, thị trường đã cho ra đời các sản phẩm cà phê hòa tan có bổ sung sữa, bột ca cao và hương liệu, giúp hương vị trở nên thơm ngon và ít đắng hơn.
1.5.1 Cà phê hòa tan 3 trong 1
Cà phê hòa tan 3 trong 1 được chế biến từ cà phê hòa tan, đường mía và kem sữa thực vật, mang lại sự tiện lợi cao cho người tiêu dùng Sản phẩm này đang ngày càng phổ biến tại các thị trường cà phê mới nổi ở châu Á, đặc biệt là ở Đông Nam Á, Trung Á, Nga và Đông Âu.
3 trong 1 rất dễ pha, và tiết kiệm thời gian.
Nó gồm các nguyên liệu chính là cà phê hòa tan nguyên chất trộn với đường mía và kem sữa thực vật ở các tỉ lệ khác nhau.
Cà phê hòa tan nguyên chất:
Loại cà phê: hòa tan sấy phun; hoặc sấy cốm; hoặc sấy lạnh.
Thành phần (blending): 100% Robusta hoặc 100% Arabica hoặc phối trộn giữa Arabica và Robusta.
Tỉ lệ: thông thường từ 8% tới 20% của hỗn hợp cà phê 3in1; phổ biến nhất là 11%; 12% và 13%.
Đường mía (sugar cane): đường mía tỉ lệ 40% tới 45% tùy theo khẩu vị.
Kem sữa thực vật (non-dairy creamer):
Loại non-dairy creamer: Hàm lượng chất béo có thể từ 25% tới 36%; protein từ 1% tới 3%.
Tỉ lệ phối trộn: thường từ 40% tới 45% tùy theo khẩu vị.
Vì là loại cà phê hòa tan uống liền, giúp người uống tỉnh táo tức thì nên cà phê 3 trong
Cà phê hòa tan 3in1 chủ yếu được sử dụng tại công sở, nhà ở, khách sạn và khu nghỉ dưỡng Nhờ vào việc chuẩn bị nhanh chóng, sản phẩm này thường được lựa chọn cho các hội thảo, hội nghị cũng như trong các căn-tin và cửa hàng thức ăn nhanh.
1.5.2 Cà phê sữa hòa tan Pháp Daily Chef
Cà phê sữa hòa tan Pháp Daily Chef với hương vanilla quyến rũ đã chinh phục trái tim của nhiều tín đồ cà phê trên toàn thế giới Sản phẩm được chế biến từ bột cà phê Arabica nguyên chất, dầu thực vật, sữa tách kem và hương vanilla tự nhiên, mang đến hương vị đậm đà và thơm ngon gấp đôi so với các loại cà phê hòa tan thông thường Với sự kết hợp hoàn hảo giữa hạt cà phê nguyên chất và sữa bột không chất béo, cùng các thành phần tự nhiên và nhân tạo, cà phê sữa hòa tan Daily Chef không chỉ thơm ngon mà còn cung cấp nhiều chất dinh dưỡng phong phú.
Cà phê sữa hòa tan là nguồn cung cấp năng lượng phong phú cho cơ thể, bao gồm các thành phần như chất béo, carbohydrate, đường, protein và sodium, đặc biệt không chứa cholesterol.
Đa dạng sản phẩm cà phê hòa tan phụ thuộc vào công nghệ chế biến, do tính dễ hư hỏng của cà phê dưới tác động của vi sinh vật và môi trường Các nhà khoa học đã nghiên cứu và ứng dụng thành công nhiều công nghệ sấy mới như sấy thăng hoa, sấy phun, sấy tầng sôi và sấy khí động Những công nghệ này giúp tách nước khỏi dung dịch cà phê, chuyển đổi từ dạng lỏng sang dạng bột mà không làm thay đổi tính chất của cà phê Sự phát triển của công nghệ sấy không chỉ kéo dài thời gian bảo quản mà còn tăng cường sự phong phú của sản phẩm, thu hút sự quan tâm của người tiêu dùng.
Quá trình sấy
Trong ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm, quá trình tách nước khỏi vật liệu, hay còn gọi là làm khô, đóng vai trò quan trọng Tùy thuộc vào tính chất và độ ẩm của từng loại vật liệu, có thể áp dụng các phương pháp khác nhau để thực hiện việc này.
Phương pháp cơ học (sử dụng máy ép, lọc, ly tâm…)
Phương pháp hóa lý (dùng clorous calci, acid sulfuric để hút nước)
Phương pháp nhiệt (dùng nhiệt để bốc hơi nước trong vật liệu)
Sấy là quá trình loại bỏ nước khỏi vật liệu thông qua nhiệt, sử dụng các phương pháp như dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc năng lượng điện trường tần số cao Mục tiêu của quá trình này là giảm khối lượng vật liệu, tăng độ bền và cải thiện khả năng bảo quản.
Trong quá trình sấy, nước bay hơi ở nhiệt độ khác nhau do sự chênh lệch độ ẩm và áp suất hơi giữa bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh Sấy là một quá trình không ổn định, với độ ẩm của vật liệu thay đổi theo không gian và thời gian Nghiên cứu quá trình sấy bao gồm hai khía cạnh: tĩnh lực học và động lực học Ở khía cạnh tĩnh lực học, mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu và tác nhân sấy được xác định thông qua phương trình cân bằng vật chất - năng lượng, giúp xác định thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy và nhiệt cần thiết.
Trong động lực học, việc nghiên cứu mối quan hệ giữa sự biến thiên độ ẩm của vật liệu với thời gian và các thông số quy trình là rất quan trọng Các yếu tố như tính chất, cấu trúc của vật liệu, kích thước và điều kiện thủy động lực học của tác nhân sấy sẽ ảnh hưởng đến quá trình này Từ những phân tích trên, chúng ta có thể xác định chế độ sấy, tốc độ sấy và thời gian sấy phù hợp để đạt hiệu quả tối ưu.
1.6.2 Động lực quá trình sấy
Quá trình sấy là phương pháp loại bỏ ẩm, chủ yếu là nước và hơi nước, khỏi vật liệu sấy để thải ra môi trường Ẩm trong vật liệu sẽ nhận năng lượng, sau đó tách ra và di chuyển từ bên trong vật liệu ra bề mặt, cuối cùng thoát vào không khí xung quanh.
Động lực của quá trình dịch chuyển ẩm từ bên trong vật ra bề mặt tỷ lệ thuận với hiệu số giữa áp suất hơi nước trong lòng vật và áp suất hơi nước trên bề mặt.
Khi áp suất hơi nước trong không gian xung quanh vật ph nhỏ hơn pbm, ẩm sẽ tiếp tục di chuyển từ bề mặt vật vào môi trường xung quanh với động lực L2.
L2 cũng tỷ lệ thuận với độ chênh lệnh (pbm – ph)
Quá trình sấy được xác định bởi hai động lực dịch chuyển ẩm: L1, liên quan đến sự di chuyển ẩm trong lòng vật, và L2, liên quan đến sự di chuyển ẩm từ bề mặt vật ra môi trường Động lực tổng thể L của quá trình sấy tỷ lệ thuận với độ chênh lệch giữa áp suất hơi bão hòa (pv) và áp suất hơi xung quanh (ph).
Khi vật liệu được đốt nóng, áp suất hơi nước trong vật (pv) tăng lên, dẫn đến sự gia tăng độ chênh lệch giữa pv và áp suất hơi nước trong môi trường xung quanh (ph), từ đó tăng cường quá trình sấy Điều này là nguyên lý hoạt động của các thiết bị sấy bức xạ và sấy bằng dòng điện cao tầng, trong đó không khí chỉ có nhiệm vụ mang ẩm thải ra ngoài Ngược lại, trong thiết bị sấy đối lưu, môi trường xung quanh cũng được đốt nóng, đồng thời làm tăng pv và giảm ph, nhờ đó quá trình sấy diễn ra hiệu quả hơn Để nước trong vật liệu có thể bay hơi vào môi trường, áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường (ph) phải nhỏ hơn áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu (pbm).
Khi vật liệu lớn lên, lượng ẩm tách ra ngày càng nhiều Theo thời gian sấy, sự gia tăng hơi nước trong môi trường làm pH tăng lên và độ ẩm của vật liệu giảm, dẫn đến việc giảm PBM Khi đạt đến thời điểm cân bằng, quá trình bay hơi ngừng lại và độ ẩm của vật liệu lúc này được gọi là độ ẩm cân bằng, đồng thời nhiệt độ của vật liệu sẽ bằng với nhiệt độ của tác nhân sấy.
Nếu vật liệu sấy không được đốt nóng và áp suất hơi nước trong môi trường xung quanh không thay đổi, cần giảm áp suất hơi nước ph để duy trì quá trình sấy Điều này tạo ra động lực cho quá trình sấy với sự chênh lệch pv - ph Đây là nguyên tắc cơ bản cho các phương pháp sấy như sấy đẳng nhiệt, sấy chân không và sấy thăng hoa.
1.6.3 Các giai đoạn của quá trình sấy Đường cong sấy là đường cong biểu diễn sự thay đổi của độ ẩm vật liệu theo thời gian sấy (r).
Dạng đường cong sấy chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm sự liên kết giữa độ ẩm và vật liệu, hình dạng, kích thước, đặc tính vật liệu, cũng như phương pháp và chế độ sấy Đường cong tốc độ sấy thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ sấy và độ ẩm của vật liệu, được xác định bằng cách đạo hàm đường cong sấy theo thời gian Ngoài ra, đường biểu diễn nhiệt độ của vật sấy cho thấy sự biến đổi nhiệt độ của vật liệu trong suốt quá trình sấy.
Hình 1.1 Đồ thị biểu diễn bản chất của quá trình sấy
Quá trình sấy vật liệu ướt đến độ ẩm cân bằng bao gồm hai giai đoạn chính: đầu tiên là giai đoạn đun nóng, trong đó nhiệt độ được tăng lên để tạo điều kiện cho độ ẩm bốc hơi Giai đoạn này diễn ra nhanh chóng và chỉ tốn một khoảng thời gian ngắn.
Trong giai đoạn đẳng tốc, tốc độ khuếch tán ẩm từ bên trong vật liệu ra bề mặt vượt quá tốc độ bốc hơi ẩm trên bề mặt, dẫn đến việc bề mặt vật liệu luôn trong trạng thái bão hòa ẩm Tốc độ sấy trong giai đoạn này chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, tốc độ gió và độ ẩm của không khí sấy.
Giai đoạn sấy giảm tốc là giai đoạn mà vật liệu đã tương đối khô, chỉ còn ẩm ướt ở bề mặt Trong giai đoạn này, bề mặt bốc hơi co hẹp lại và ẩm độ đi sâu vào lòng vật liệu, dẫn đến tốc độ khuếch tán ẩm giảm dần Tốc độ sấy cũng giảm theo và chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán ẩm cùng các yếu tố bên trong vật liệu Nhiệt độ của các tác nhân sấy cần phải thấp hơn nhiệt độ cho phép của vật liệu để đảm bảo hiệu quả sấy.
Là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật liệu sấy.
Sấy phun
Phương pháp sấy phun là một trong những kỹ thuật hiếm hoi cho phép sấy các loại vật liệu ở dạng dung dịch huyền phù, như sữa trứng, dung dịch đậu nành, gelatin và albumin Trong quá trình này, dung dịch lỏng được phun thành dạng sương vào phòng sấy, giúp quá trình sấy diễn ra nhanh chóng mà không làm tăng nhiệt độ vật liệu lên quá giới hạn cho phép, cho phép sử dụng tác nhân sấy ở nhiệt độ cao Ưu điểm nổi bật của sấy phun là sản phẩm thu được có dạng bột mịn và đồng đều, đồng thời chi phí điều hành thấp và năng suất cao, phù hợp cho các vật liệu không chịu nhiệt độ cao.
Thiết bị sấy phun có nhược điểm là tiêu tốn nhiều năng lượng và có cấu trúc phức tạp, đặc biệt là ở cơ cấu phun sương và hệ thống thu hồi sản phẩm.
Ngoài ra còn có các dạng thiết bị sấy đối lưu khác như tháp sấy, sấy tầng sôi, sấy vít tải.
Mỗi loại vật liệu sấy đều cần phương pháp và chế độ sấy riêng biệt, do đó, việc lựa chọn chế độ và phương pháp sấy tối ưu dựa trên đặc điểm và chất lượng sản phẩm là rất quan trọng Tiếp theo, tùy vào năng suất và hiệu quả kinh tế, cần thiết kế và chế tạo hệ thống sấy phù hợp Hệ thống và thiết bị sấy phun là giải pháp lý tưởng cho việc chế biến cà phê hòa tan.
Quá trình sấy phun chuyển đổi dòng nhập liệu lỏng thành sản phẩm dạng bột thông qua việc phân tán thành những hạt nhỏ nhờ cơ cấu phun sương, thường là đĩa quay hoặc vòi áp lực Những hạt lỏng này ngay lập tức tiếp xúc với dòng khí nóng, giúp hơi nước bay hơi nhanh chóng trong khi vẫn duy trì nhiệt độ thấp của vật liệu Nhờ đó, quá trình sấy khô diễn ra mà không làm thay đổi đáng kể tính chất sản phẩm, và thời gian sấy khô nhanh hơn nhiều so với các phương pháp sấy khác.
Sấy phun gồm 3 quá trình cơ bản sau:
Trong giai đoạn 1 của quá trình sấy, nguyên liệu được chuyển đổi thành dạng sương mù, với các hạt lỏng phân tán trong không khí thông qua cơ cấu phun sương trong thiết bị sấy Hiện nay, có ba loại cơ cấu phun sương phổ biến, bao gồm đầu phun ly tâm, đầu phun 1 dòng và đầu phun 2 dòng Kích thước các giọt nhỏ sau khi phun sương thường dao động từ 10 đến 20 μm.
Giai đoạn 2 trong quá trình sấy là hòa trộn sương mù với dòng tác nhân sấy trong buồng sấy, nhằm tách ẩm ra khỏi nguyên liệu Khi nguyên liệu được phun sương, diện tích tiếp xúc giữa các giọt lỏng và tác nhân sấy tăng lên đáng kể, giúp ẩm trong nguyên liệu bay hơi nhanh chóng Thời gian tách ẩm diễn ra chỉ từ vài giây đến hai chục giây.
Trong giai đoạn 3, sản phẩm được tách ra khỏi dòng tác nhân sấy bằng các phương pháp như cyclon, túi lọc hoặc kết tủa trong trường tĩnh điện, trong đó cyclon là phương pháp phổ biến nhất Hiệu suất thu hồi sản phẩm từ thiết bị sấy phun đạt từ 90% đến 98%.
1.7.1.1 Cấu tạo hệ thống sấy phun
Hệ thống sấy phun có cấu tạo đặc thù với bơm cao áp nén dịch thể và thiết kế tạo sương trong buồng sấy Bơm trong hệ thống này có khả năng nén dịch thể đến áp suất từ 30 - 200 at, giúp đưa chất lỏng vào vòi phun Vòi phun không chỉ đảm nhận vai trò đưa vật liệu sấy vào buồng mà còn tạo ra sương mù cần thiết cho quá trình sấy.
Hệ thống sấy phun bao gồm các thành phần chính như buồng sấy phun, bộ phận nạp liệu với các vòi hoặc cơ cấu phun, hệ thống quạt và calorifer để cung cấp nhiệt cho tác nhân sấy, cùng với bộ phận thu hồi sản phẩm đã sấy.
Cơ cấu và phương pháp phun sương
Cơ cấu phun không chỉ đưa vật liệu vào buồng sấy mà còn tạo ra sương mù, với giai đoạn tạo sương mù đóng vai trò quan trọng trong quá trình sấy phun Nguyên liệu được phun thành những hạt nhỏ vào dòng tác nhân trong buồng sấy, giúp tăng cường sự tiếp xúc giữa hai pha, nâng cao cường độ sấy và rút ngắn thời gian sấy, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm.
Có nhiều phương pháp và cơ cấu phun sương khác nhau nhưng thường gặp nhất là 3 loại cơ cấu sau:
Cơ cấu phun sương dạng đĩa quay hoạt động theo nguyên lí ly tâm.
Cơ cấu phun sương dạng vòi hoạt động nhờ áp lực khí nén (vòi phun cơ khí)
Cơ cấu phun sương dạng vời hoạt động theo nguyên tắc khí động.
Cơ cấu phun sương có nhiệm vụ phun dung dịch thành các hạt phân tán đồng đều, đảm bảo năng suất cao, độ bền lâu và dễ thay thế với chi phí hợp lý Loại cơ cấu này không chỉ ảnh hưởng đến năng lượng cần thiết cho quá trình sấy mà còn quyết định sự phân bố kích thước, mức độ phân tán, quỹ đạo và tốc độ của hạt sương, cũng như tốc độ sấy và kích thước hạt sản phẩm sau khi sấy.
Vòi phun cơ khí (áp lực) có hình dạng đặc trưng và hoạt động bằng cách bơm dịch thể huyền phù đến áp suất thích hợp Đầu vòi phun được thiết kế với chi tiết ba cánh có khả năng quay tự do, giúp dịch thể được đánh tơi thành các giọt nhỏ có đường kính từ 1-150 micromet Loại vòi phun này thường được sử dụng để phun các dung dịch keo và dung dịch có độ nhớt lớn, nhưng không thích hợp cho việc phun huyền phù hay kem Đường kính hạt lỏng sau khi phun dao động từ 20-100 micromet, và độ phân tán của hạt phụ thuộc vào tính chất vật lý của dung dịch và khí tác nhân sấy.
Hình 1.2 Kết cấu vòi phun cơ khí
1 Vòng đệm 2 Thân vòi phun 3 Ecu điều khiển 4 Tiết diện vòi phun
Nguyên tắc hoạt động của vòi phun cơ khí là dòng lỏng được nén đến áp suất 5 - 7MPa và đi vào vòi phun với tốc độ lớn, với đường kính lỗ vòi phun từ 0,4 đến 4mm Cuối vòi phun có chi tiết dạng 3 cánh quay tự do quanh trục, tạo ra tốc độ xoáy ly tâm, giúp phân tán dòng xoáy thành các hạt nhỏ kích thước từ 20 đến 100 μm Ưu điểm của hệ thống này là hoạt động êm ái, tiêu tốn điện năng không lớn, khoảng 4 - 10 kW/tấn dịch thể, và có năng suất cao, đạt tới 4500Kg/h.
Nhược điểm: Không dùng được cho những dịch thể chứa hạt cứng.
Vòi phun khí động có thiết kế đặc biệt, cho phép nén không khí hoặc tác nhân sấy đến áp suất từ 1,5 đến 5 at Qua ống tăng tốc giảm áp, nó hút dịch thể từ hai bên, tạo ra hỗn hợp dịch thể và tác nhân sấy Hỗn hợp này va chạm với đĩa quay, biến thành sương mù và vào buồng sấy Tại đây, vật liệu sấy được chuyển hóa thành các hạt dung dịch nhỏ, trong khi tác nhân sấy thực hiện trao đổi nhiệt ẩm Phần lớn vật liệu sấy sẽ rơi xuống đáy buồng sấy dưới dạng bột, trong khi phần còn lại sẽ theo tác nhân sấy vào cyclon để được thu hồi.
Hình 1.3 Kết cấu vòi phun khí động
Nguyên tắc hoạt động của vòi phun khí động là khi dòng dung dịch phun ra gặp không khí hoặc hơi quá nhiệt có mật độ lớn, hỗn hợp này sẽ va chạm vào đĩa quay hình nón, tạo ra lực ma sát khiến dung dịch phân tán thành các hạt sương mù có đường kính từ 6 đến 7 μm Vòi phun này được chia thành hai loại: loại áp suất khí thấp (Ps ≤ 0,001 MPa) và loại áp suất khí cao (Ps = 0,15÷0,7 MPa) Ưu điểm nổi bật của vòi phun khí động là khả năng làm việc với hầu hết các loại dịch thể.
Nhược điểm: Tiêu tốn năng lượng tương đối, khoảng 50 – 60 kW/tấn dịch thể.
