CHƯƠNG 1: LÍ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ SẤY PHUN
1.2 Các nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy phun
1.2.1 Hướng nghiên cứu ứng dụng
Cà chua là một loại thực phẩm giàu dinh dưỡng, đã có nhiều nghiên cứu khác nhau về công nghệ sấy bột cà chua, trong đó có hai nghiên cứu tiêu biểu của M.Goula và G.Adamopoulos [10] và nhóm tác giả F.Banat, R.Jumah, Asheh và Hammad [12].
- M.Goula và G.Adamopoulos [10] – đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của độ cô đặc cà chua nghiền đến tính chất của bột cà chua sau khi sấy và hiệu suất của thiết bị trên một hệ thống sấy phun tiêu chuẩn và một hệ thống sấy phun cải tiến có trang bị bộ khử ẩm không khí sấy. Kết quả hai ông thu được là:
+ Trên cả hai hệ thống sấy, khi tăng độ cô đặc của nguyên liệu, chỉ có cỡ hạt của bột sản phẩm tăng lên trong khi các thông số khác như hiệu suất nhiệt, hiệu suất bay hơi, tổn thất ở xyclon, hàm lượng ẩm và khối lượng riêng của bột lại giảm đi.
+ Ở hệ thống sấy phun tiêu chuẩn, khi tăng độ cô đặc của nguyên liệu sẽ làm chậm quá trình hình thành lớp vỏ hạt và kết quả là bám dính nhiều hơn, khả năng thu hồi sản phẩm thấp hơn.
+ Trong khi đó ở hệ thống sấy phun cải tiến, do tác nhân sấy được hút ẩm nên độ cô đặc của nguyên liệu càng cao thì lớp bề mặt hạt rắn hình thành càng nhanh, khả năng bám dính giảm đi và hiệu suất thu hồi sản phẩm cao hơn.
Trong khi đó nhóm tác giả F.Banat, R.Jumah, Asheh và Hammad [12]
nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành như: nhiệt độ nguyên liệu, tốc độ cấp liệu, hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu, nhiệt độ và lưu lượng không khí cấp lên tính chất vật lí của bột cà chua, các ông đã chỉ ra rằng:
+ Khi nhiệt độ nguyên liệu tăng từ 250C đến 550C thì cỡ hạt sản phẩm tăng lên và khối lượng riêng giảm đi trong khi đó nó ảnh hưởng không đáng kể lên hàm lượng rắn và độ hòa tan của sản phẩm.
16
+ Tăng hàm lượng rắn trong nguyên liệu từ 4,67% đến 13,36% thì hàm lượng rắn trong sản phẩm, khối lượng riêng và cỡ hạt tăng lên, trong khi đó độ hòa tan của sản phẩm lại giảm đi.
+ Tăng tốc độ cấp liệu từ 8 ml/ phút đến 20 ml/ phút thì khối lượng riêng và cỡ hạt của sản phẩm tăng lên còn hàm lượng rắn trong sản phẩm và độ hòa tan lại giảm.
+ Lưu lượng không khí tăng trong khoảng từ 632cm s3/ đến 792cm s3/ thì có ảnh hưởng không đáng kể đến tính chất của sản phẩm.
+ Nhiệt độ không khí vào tăng từ 1300C đến 1600C thì khối lượng riêng của sản phẩm giảm trong khi hàm lượng rắn, độ hòa tan và cỡ hạt của sản phẩm lại tăng lên.
+ Việc chống bám dính trong sấy phun hiện nay đang được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Đây là một vấn đề quan trọng, ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm, khả năng thu hồi sản phẩm từ đó ảnh hưởng tới hiệu suất của hệ thống sấy. Bám dính thường xảy ra với những thực phẩm giàu đường (thành phần chủ yếu là fructose, glucose, sucrose,…). Đã có nhiều đề xuất trong việc chống bám dính như làm mát thành buồng sấy, kĩ thuật sấy ba giai đoạn, hoặc sử dụng chất phụ gia…trong đó thì sử dụng chất phụ gia được ứng dụng nhiều hơn cả vì tính kinh tế và hiệu quả.
- Nhóm tác giả: J.A.Grabowski, C.R.Daubert và V.D.Truong [13] đã tiến hành nghiên cứu với nguyên liệu sấy là khoai lang, có sử dụng chất phụ gia là Maltodextrin với các tỉ lệ khác nhau, từ đó đưa ra kết luận là việc xử lí trước sấy và nhiệt độ có tác động rất lớn đến bột khoai lang, khi thay đổi các biến độc lập sẽ cho phép thay đổi các tính chất của bột.
- R.Bhandari, Tony Howes và Vinh Truong [14] đã ứng dụng và phát triển mô hình toán học của Negiz cho quá trình sấy phun cùng chiều vòi phun đĩa quay để xác định nhiệt độ hóa dẻo khi sấy phun các nguyên liệu hỗi hợp maltrodetrin và sucrose. Mô hình được sử dụng để tối thiểu hóa tính kết dính bằng việc lựa chọn các
17
biến đầu vào làm giảm độ chênh nhiệt độ giữa hạt và nhiệt độ hóa dẻo của nó tại đầu ra của thiết bị sấy. Các tác giả đã thành công khi sử dụng mô hình toán để tìm ra chế độ sấy tối ưu cho các thực phẩm giàu đường.
- Markus Reinhold, Christian Horst, Ulrich Homann [19] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và lí thuyết trên thiết bị sấy phun với việc xảy ra đồng thời các phản ứng hóa học. Theo đó các phản ứng bay hơi diễn ra ngay cả ở nhiệt độ thấp từ - 400C đến 3000C, ở nhiệt độ 1000 – 35000C xảy ra phản ứng phân tán điện tử trái dấu. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng biến đổi lớn nhất chỉ xảy ra cho các phản ứng đó là những phản ứng diễn ra nhanh hơn bước sấy liên tục, mặt khác mức độ biến đổi còn phụ thuộc vào quĩ đạo của hạt xuyên qua pha khí và sự phân bố kích cỡ hạt ban đầu. Đối với các phản ứng diễn ra trong máy sấy phun với mũi phun khí động thời gian vào khoảng 10-3 đến 10-2 s.
2. Các nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam công nghệ sấy phun tuy chưa phổ biến nhưng cũng đã được ứng dụng trong một số lĩnh vực đặc biệt trong nông nghiệp, dược phẩm. Là đất nước nhiệt đới, sản phẩm nông nghiệp vẫn chiếm tỉ trọng lớn nên các sản phẩm từ nông nghiệp cũng rất phong phú.
- Nguyễn Đức Quang [6] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và lí thuyết ảnh hưởng của các thông số vận hành và lưu lượng không khí vào, áp suất khí nén và nhiệt độ vào của tác nhân sấy đến hệ số trao đổi nhiệt thể tích trong buồng sấy của thiết bị sấy phun, đồng thời nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sấy nhằm xác định chế độ sấy cho hiệu quả trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong buồng sấy là lớn nhất.
Các thí nghiệm tiến hành trên mô hình máy sấy phun IC40D với nguyên liệu sấy là sữa bò tươi Ba Vì.
Nguyễn Tiến Quang [7] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành đến hiệu quả trao đổi nhiệt – trao đổi chất với nguyên liệu sấy là chanh dây. Tác giả đã tiến hành 28 chế độ thí nghiệm trên hỗn hợp dung dịch sấy gồm dịch chanh dây và 15% hàm lượng Maltodetrin hòa trộn đã khắc phục hiện tượng
18
bám dính và kết dính của dung dịch sấy có chứa hàm lượng đường cao khi thực hiện bằng sấy phun. Tác giả đã xây dựng phương trình hồi qui thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt thể tích và đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng chất khô, lưu lượng không khí vào, nhiệt độ không khí vào, áp suất không khí vào đến hệ số trao đổi nhiệt thể tích với giới hạn nghiên cứu là: hàm lượng chất khô: 9 – 10%; lưu lượng không khí vào buồng sấy: 16,8 – 25,2 kg/h; áp suất khí nén: 2 – 3 bar; nhiệt độ không khí vào t = 160 – 180 0C. Kết quả đã đưa ra kết luận:
- Hệ số trao đổi nhiệt thể tích tính cho chanh dây nhỏ hơn rất nhiều so với hệ số trao đổi nhiệt thể tích của sữa;
- Với mô hình máy sấy phun IC40D và nguyên liệu sấy là dịch chanh dây thì chế độ sấy tối ưu xác định được là: hàm lượng chất khô: 9%; lưu lượng không khí: 21,44 kg/h; áp suất khí nén: 3 bar; nhiệt độ không khí cấp: 160 0C; hệ số trao đổi nhiệt thể tích đạt giá trị cực đại: 476,7 W/m3.K.
Võ Xuân Minh, Nguyễn Trần Linh, Nguyễn Thị Minh Nguyệt [4] đã nghiên cứu chế tạo thử vi nang Metronidazol bằng phương pháp sấy phun. Cụ thể tiến hành như sau: hòa tan ethylcellulose trong ethanol tuyệt đối. Thêm hỗn hợp metronidazol và aerosil đã được nghiền mịn, phân tán đều để tạo thành hỗn hợp. Đem hỗn hợp này sấy phun bằng máy sấy phun SD – 05 với nhiệt độ không khí vào là 800C, nhiệt độ không khí ra là 610C, đường kính vòi phun là 1 mm, tốc độ bơm dịch là 350 ml/
giờ, tốc độ thổi khí là 62 m3/ giờ. Sản phẩm thu được có phần trăm metronidazol vi nang hóa cao nhưng giải phóng hoạt chất chậm.
Trương Vĩnh [2] đã nghiên cứu sản xuất bột me bằng phương pháp sấy phun.
Sau khi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của chất phụ gia malrodextrin, ảnh hưởng của nhiệt độ sấy, tốc độ khi sấy và nồng độ nước me lên quá trình sấy và tính chất của bột sản phẩm, tác giả đã đưa ra kết luận: bột me có thể sản xuất bằng phương pháp sấy phun khi cho thêm phụ gia maltodextrin ít nhất là 20%. Nhiệt độ là thông số ảnh hưởng lớn nhất đến độ ẩm của bột sản phẩm. Trong khoảng nhiệt độ 140 – 1600C
19
chất lượng bột không thay đổi so với me tươi. Hiệu suất cao nhất đạt được ở nhiệt độ 1500C, vận tốc khí là 0,31 m/s và nồng độ nước me là 7%.
Tôn Nữ Minh Nguyệt và Đào Văn Hiệp [5] đã nghiên cứu sản xuất bột chanh dây trên máy sấy phun Mobile Minror – NIRO của Đan Mạch. Tác giả đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất khô dịch quả trước khi sấy, nhiệt độ không khí vào, áp lực khí nén và tốc độ bơm nhập liệu đến quá trình sấy và đi đến kết luận: để đạt hiệu suất thu hồi cao nhất 75 – 80% thì hàm lượng chất dịch quả là 8%, nhiệt độ không khí vào là 1650C, áp lực khí nén là 4,25bar và tốc độ bơm nhập liệu là 22,5 ml/ phút. Độ ẩm sản phẩm ra thấp hơn 8% và bột sau khi sấy được phối trộn với đường saccarose xay mịn với tỉ lệ đường bột là 7/4. Tuy nhiên vấn đền tồn tại là độ hòa tan của sản phẩm bột chanh dây chưa tốt lắm. Nguyên nhân mà tác giả đưa ra là do dịch quả chứa nhiều pectin và hạt bột do đầu phun sương sử dụng trong nghiên cứu tạo thành khá mịn. Tác giả cũng đưa ra đề xuất khắc phục là thay đổi kiểu đầu phun sương khác hoặc phải khảo
sát quá trình tạo hạt sau khi sấy.