PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ SẤY
Sấy có thể được chia ra hai loại : sấy tự nhiên và sấy bằng thiết bị (sấy nhân tạo).
Sấy tự nhiên : quá trình phơi vật liệu ngoài trời, không có sử dụng thiết bị. Các phương pháp sấy nhân tạo thực hiện trong các thiết bị sấy.
Có nhiều phương pháp sấy nhân tạo khác nhau. Căn cứ vào phương pháp cung cấp nhiệt có thể chia ra các loại : sấy đối lưu, sấy bức xạ, sấy tiếp xúc, sấy thăng hoa, sấy bằng điện trường dòng cao tần, sấy điện trở…
2.6.1 Phơi và sấy bằng năng lượng mặt trời
Sấy bằng cách phơi nắng (không có sử dụng thiết bị sấy) được sử dụng rộng rãi nhất trong chế biến nông sản.
Trong các phương pháp phức tạp hơn (sấy bằng năng lượng mặt trời), năng lượng mặt trời được thu nhận để làm nóng không khí. Sau đó không khí nóng được sử dụng để sấy.
Thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời có thể phân ra các loại sau :
+ thiết bị sấy trực tiếp có tuần hoàn khí tự nhiên (gồm thiết bị thu năng lượng kết hợp với buồng sấy).
+ thiết bị sấy trực tiếp có bộ phận thu năng lượng riêng biệt.
+ thiết bị sấy gián tiếp có dẫn nhiệt cưỡng bức (thiết bị thu năng lượng và buồng sấy riêng biệt).
2.6.1.1 Ưu điểm
– công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư và vận hành thấp.
– không đòi hỏi cung cấp năng lượng lớn và nhân công lành nghề
– có thể sấy lượng lớn vụ mùa với chi phí thấp.
2.6.1.2 Nhược điểm
– kiểm soát điều kiện sấy rất kém
– tốc độ sấy chậm hơn so với với sấy bằng thiết bị, do đó chất lượng sản phẩm cũng kém và dao động hơn.
– quá trình sấy phụ thuộc vào thời tiết và thời gian trong ngày.
– đòi hỏi nhiều nhân công.
2.6.1.3 Thiết bị
Có nhiều kiểu thiết kế thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời khác nhau.
Những thiết bị nhỏ : thường có công suất nhỏ, tốc độ sấy và chất lượng cải tiến không đáng kể so với phương pháp sấy phơi (có đảm bảo vệ sinh), do đó ít được sử dụng.
Những thiết bị lớn hơn, có sử dụng quạt chạy bằng năng lượng mặt trời với công suất 200-400 kg mẻ đang được sử dụng nhiều ở các nước vùng Địa trung hải để sản xuất trái cây sấy xuất khẩu cho thị trường châu Âu.
Năng lượng mặt trời còn có thể được dùng làm nóng trước không khí ở các thiết bị sấy vận hành bằng nhiên liệu để tiết kiệm một phần năng lượng.
2.6.2 Sấy đối lưu
2.6.2.1 Nguyên lý hoạt động
Không khí nóng hoặc khói lò được dùng làm tác nhân sấy có nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ phù hợp, chuyển động chảy trùm lên vật sấy làm cho ẩm trong vật sấy bay hơi rồi đi theo tác nhân sấy.
Không khí có thể chuyển động cùng chiều, ngược chiều hoặc cắt ngang dòng chuyển động của sản phẩm. Bảng 2.1 so sánh các phương pháp chuyển động khác nhau của tác nhân sấy.
Sấy đối lưu có thể thực hiện theo mẻ (gián đoạn) hay liên tục. Trên hình vẽ dưới là sơ đồ nguyên lý sấy đối lưu bằng không khí nóng
Sản phẩm sấy có thể lấy ra khỏi buồng sấy theo mẻ hoặc liên tục tương ứng với nạp vào. Caloriphe 2 đốt nóng không khí có thể là loại caloriphe điện, caloriphe hơi nước v.v…
Kết cấu thực của hệ thống rất đa dạng, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : chế độ làm việc, dạng vật sấy, áp suất làm việc, cách nung nóng không khí, chuyển động của tác nhân sấy, sơ đồ làm việc, cấu trúc buồng sấy…
Đối với quá trình sấy chi phí năng lượng là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế sản xuất, vì vậy khi thiết kế, cần chú ý đến các biện pháp làm giảm sự thất thoát nhiệt, tiết kiệm năng lượng. Ví dụ :
– cách nhiệt buồng sấy và hệ thống ống dẫn.
– tuần hoàn khí thải qua buồng sấy
– sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt từ không khí thoát ra để đung nóng không khí hoặc nguyên liệu vào.
– sử dụng nhiệt trực tiếp từ lửa đốt khí tự nhiên và từ các lò đốt có cơ cấu làm giảm nồng độ khí oxit nitơ.
– sấy thành nhiều giai đoạn (ví dụ : kết hợp sấy tầng sôi với sấy thùng hoặc sấy phun kết hợp với sấy tầng sôi).
– cô đặc trước nguyên liệu lỏng đến nồng độ chất rắn cao nhất có thể
– kiểm soát tự động độ ẩm không khí bằng máy tính.
Các tiêu chuẩn để chọn lựa thiết bị sấy được mô tả trong bảng 2.2.
2.6.2.2 Thiết bị sấy đối lưu
Thùng sấy (bin dryer)
Cấu tạo : là một thùng chứa hình trụ hoặc hình hộp có đáy dạng lưới. Không khí nóng thổi lên từ phía đáy của nguyên liệu với vận tốc tương đối thấp (ví dụ : 0,5 m/s).
Ứng dụng : – do có sức chứa lớn, giá thành và chi phí hoạt động thấp chúng được sử dụng chủ yếu để sấy kết thúc sau khi sản phẩm được sấy trước bằng các thiết bị sấy khác.
Chúng có thể được dùng để cân bằng ẩm sản phẩm sau khi sấy.
Yêu cầu đối với nguyên liệu : do thiết bị sấy có thể cao vài mét, yêu cầu nguyên liệu phải đủ độ cứng cơ học để chống lại sức ép, duy trì khoảng trống giữa các hạt, giúp không khí nóng có thể xuyên qua được.
Buồng sấy :
Cấu tạo : gồm có một buồng cách nhiệt với các khay lưới hoặc đột lỗ, mỗi khay chứa một lớp mỏng nguyên liệu (dày 2-6cm). Không khí nóng thổi vào với tốc độ 0,5-5 m/s qua hệ thống ống dẫn và van đổi hướng để cung cấp không khí đồng nhất qua các khay.
Các thiết bị đun nóng phụ trợ có thể được đặt thêm ở phía trên hoặc dọc bên các khay để tăng tốc độ sấy.
Ứng dụng : – dùng trong sản xuất nhỏ (1-20 tấn/ngày) hoặc trong thử nghiệm. Chúng có giá thành, chi phí bảo dưỡng thấp và có thể sử dụng linh hoạt để sấy các loại nguyên liệu khác nhau. Tuy nhiên, điều kiện sấy tương đối khó kiểm soát và chất lượng sản phẩm dao động do sự phân phối nhiệt đến nguyên liệu không đồng đều.
Lò sấy
Đây là những toà nhà 2 tầng trong đó sàn nhà có giát gỗ mỏng được đặt phía trên lò đốt. Không khí nóng và sản phẩm cháy từ lò đốt xuyên qua lớp nguyên liệu có độ dày đến 20 cm. Chúng được sử dụng theo truyền thống để sấy táo ở Mỹ hoặc hoa hớp-lông ở châu Âu, tuy nhiên việc kiểm soát điều kiện sấy rất khó khăn và thời gian sấy tương đối lâu. Do yêu cầu phải đảo sản phẩm thường xuyên, việc chất nguyên liệu và tháo dỡ sản phẩm được thực hiện bằng thủ công nên chi phí nhân công cao. Tuy vậy, chúng có ưu điểm là sức chứa lớn, dễ xây dựng và bảo dưỡng với chi phí thấp.
Hầm sấy
Cấu tạo : các khay chứa nguyên liệu được chất lên các xe goòng, được lập trình để chuyển động qua hầm cách nhiệt có tác nhân sấy chuyển động theo một hoặc nhiều hướng khác nhau như mô tả trong bảng 2.1. Sản phẩm sau khi ra khỏi hầm có thể được sấy kết thúc trong các thùng sấy. Một hầm sấy tiêu biểu dài 20 m có 12-15 xe goòng với tổng sức chứa 5000 kg nguyên liệu.
Ứng dụng : do khả năng sấy lượng lớn nguyên liệu trong một thời gian tương đối ngắn, chúngđược sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, phương pháp này hiện đã bị thay thế bằng phương pháp sấy băng chuyền và sấy tầng sôi
do hiệu suất năng lượng của sấy hầm thấp hơn, chi phí lao động cao hơn và chất lượng sản phẩm
không tốt bằng hai phương pháp nêu sau.
Sấy băng chuyền
Cấu tạo : là thiết bị làm việc liên tục, có thể dài đến 20m, rộng 3m. Nguyên liệu được đặt trên một băng chuyền lưới có đáy sâu 5-15 cm. Dòng khí lúc đầu có hướng từ dưới lên qua đáy của nguyên liệu và ở các giai đoạn sau đó được hướng xuống dưới để sản phẩm khỏi bị thổi ra khỏi băng chuyền. Ở các thiết bị sấy 2 hoặc 3 giai đoạn nguyên liệu sau khi được sấy một phần sẽ được xáo trộn và chất đống lại vào các băng chuyền kế tiếp sâu hơn (đến 15-25 cm hoặc 250-900 cm ở các máy sấy 3 giai đoạn), nhờ đó cải tiến được tính đồng nhất của quá trình sấy và tiết kiệm được không gian. Sản phẩm thường được sấy đến độ ẩm 10-15 % và sau đó được sấy kết thúc ở thùng sấy. Thiết bị sấy có thể có các khu vực sấy độc lập với nhau được kiểm soát bằng máy tính và hệ thống tự động nạp nguyên liệu và tháo sản phẩm để giảm chi phí nhân công
Ứng dụng : – do điều kiện sấy được kiểm soát tốt và năng suất cao nên thường được dùng để sấy sản phẩm ở quy mô lớn (ví dụ : đến 5,5 tấn/h).
– Ứng dụng trong phương pháp sấy thảm bọt : nguyên liệu dạng lỏng được chuyển thành dạng bọt bền bằng cách cho thêm tác nhân tạo bọt và được hoà khí nitơ hoặc không khí.
Nguyên liệu dạng bọt được trải lên băng chuyền có lỗ đến độ dày 2-3 mm và được sấy nhanh trong 2 giai đoạn bằng dòng khí thổi cùng chiều và sau đó ngược chiều. Sấy thảm bọt nhanh khoảng gấp 3 lần so với sấy chất lỏng có độ dày tương tự. Lớp thảm xốp mỏng của sản phẩm sấy sau đó được nghiền thành bột dễ chảy, có tính hồi nguyên rất tốt. Quá trình sấy nhanh và nhiệt độ sản phẩm thấp giúp cho chất lượng của sản phẩm tốt, nhưng khi sản xuất với năng suất cao đòi hỏi diện tích bề mặt lớn, chi phí do đó cũng cao.
Máy sấy thùng quay (rotary dryer)
Cấu tạo : một thùng chứa kim loại hình trụ hơi nghiêng (khoảng 5o) quay tròn quanh trục được gắn với các cánh hướng ở bên trong để nguyên liệu đổ xuống xuyên qua dòng khí chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều qua máy sấy. Diện tích bề mặt của nguyên liệu được phơi bày tối đa trong không khí nên tốc độ sấy cao và chất lượng sản phẩm sấy đồng đều.
Ứng dụng : – đặc biệt thích hợp cho các loại nguyên liệu có khuynh hướng bị rối hoặc dính vào nhau
trong băng chuyền hoặc khay sấy.
Tuy nhiên, do sự hư hại do va đập, cọ xát trong máy, chúng chỉ hạn chế sử dụng cho tương đối ít loại sản phẩm (ví dụ : sấy hạt đậu, hạt cacao …).
Sấy tầng sôi (fluidized bed dryer)
Cấu tạo : máy sấy tầng sôi gồm một thiết bị phân phối không khí đồng đều quanh phần đáy của nguyên liệu; một buồng thông gió vào để tạo ra một vùng khí đồng nhất, ngăn ngừa tốc độ cao cục bộ; và một vùng thoát khí ở phía trên tầng sôi để những phần tử bị gió cuốn lên thoát ra. Không khí thoát ra từ tầng sôi thường được thổi vào các xiclon để tách những phần tử mịn, sau đó chúng được đưa trở lại vào sản phẩm hoặc được làm kết cục. Phía trên của hệ thống phân phối khí, các khay lưới có chứa lớp nguyên liệu dạng hạt có bề dày đến 15 cm. Không khí nóng thổi xuyên qua lớp nguyên liệu làm chúng lơ lững và rung động mạnh, phơi bày tối đa diện tích bề mặt nguyên liệu (hình vẽ ). Những máy sấy kiểu này gọn và kiểm soát tốt điều kiện sấy và tốc độ sấy cao.
Ứng dụng : Các thiết bị sấy tầng sô làm việc theo mẻ được sử dụng trong sản xuất nhỏ, trong đó, sản phẩm được xáo trộn mạnh nên độ ẩm của sản phẩm đồng nhất.
Thiết bị sấy liên tục có các khay rung để chuyển sản phẩm từ khay này sang khay kế tiếp dưới tác dụng của trọng trường. Độ ẩm của sản phẩm sấy dao động trong phạm vi rộng hơn và thường được kết hợp với thùng sấy Các áp dụng chính bao gồm sấy các loại nguyên liệu dạng hạt nhỏ có khả năng sôi mà không bị hư hại cơ học quá mức như men khô, dừa khô, thóc lúa gia vị, cà phê hoà tan, đường, trà… Ngoài ra, còn có nhiều kiểu thiết kế khác của phương pháp sấy tầng sôi như
– máy sấy Torbed, trong đó lớp nguyên liệu sôi xung quanh một buồng sấy “hình chân cột” do không khí nóng thổi trực tiếp từ buồng đốt lên (hình vẽ ). Máy sấy có tốc độ truyền khối và truyền nhiệt rất cao, thời gian sấy rút ngắn một cách đáng kể. Thiết bị có bộ vi xử lý kiểm soát quá trình sấy và chúng có thể được sử dụng để nướng, rang nguyên liệu dạng hạt.
– máy sấy spin-flash, trong đó buồng sấy được gắn với rotor ở đáy. Không khí nóng được thổi vào theo phương tiếp tuyến vào buồng sấy và dưới tác động của rôto không khí chuyển động xoáy lên trên. Các mẫu nguyên liệu, như là thịt cua nhão, bánh cô ca hoặc kẹo gôm, khi vào buồng sấy sẽ bị bột đã sấy khô dính vào. Những cục này rơi xuống đáy ở đó chúng bị sôi do không khí thổi và bị quay bởi rô to. Khi khô, những cục này vỡ ra thành bột và được mang lên trên thành buồng sấy và lấy ra qua các lỗ phân loại có kích cỡ thay đổi được.
– máy sấy tầng sôi ly tâm
Máy sấy khí động
Nguyên lý hoạt động : bột ẩm hoặc nguyên liệu dạng hạt, thông thường độ ẩm dưới 40 % và kích thước hạt trong phạm vi 10-500 µm, được nạp vào hệ thống ống dẫn bằng kim loại và bị thổi lơ lững trong không khí nóng. Ở các máy sấy thẳng đứng, dòng khí được điều chỉnh sao cho các hạt nhẹ và nhỏ hơn, tức là sẽ khô nhanh hơn, được đưa đến thiết bị tách xiclon trước, còn những hạt ẩm và nặng hơn phải lưu lại trong ống sấy ở trạng thái lơ lững lâu hơn để đạt đến độ ẩm yêu cầu. Đối với những sản phẩm đòi hỏi thời gian lưu lâu, hệ thống ống sấy có dạng vòng (máy sấy khí động dạng vòng) và nguyên liệu được quay vòng cho đến khi chúng đủ khô. Những máy sấy dạng vòng có nhiệt độ sấy cao, thời gian sấy ngắn được sử dụng để làm nở tinh bột trong khoai tây, cà rốt, tạo ra cấu trúc xốp và rắn giúp cải tiến được tốc độ sấy cho các phương pháp sấy thông thường khác ở giai đoạn sấy sau đó và giúp quá trình hồi nguyên nhanh. Quá trình sấy kéo dài 2-10 giây, vì thế chúng thích hợp cho các sản phẩm mất ẩm nhanh trên bề mặt. Quá trình làm lạnh do bay hơi của hạt ngăn ngừa sự hư hại vì nhiệt, giúp sản phẩm có chất lượng cao.
Ứng dụng : máy sấy khí động có vốn và chi phí bảo dưỡng tương đối thấp, tốc độ sấy cao và điều kiện sấy được kiểm soát chặt chẽ. Chúng thích hợp với các nguyên liệu nhạy cảm với nhiệt. Năng suất đầu ra của sản phẩm khoảng từ 10kg/h đến 25 tấn/h. Chúng thường được dùng sau khi sấy phun để tạo ra những sản phẩm có độ ẩm thấp hơn so với bình thường (ví dụ : sữa đặc biệt, bột trứng, khoai tây dạng cục).
Máy sấy phun
Một hệ phân tán mịn của nguyên liệu đã được cô đặc trước (40-60 % ẩm) được phun để hình thành những giọt mịn, rơi vào trong dòng khí nóng cùng chiều hoặc ngược chiều ở nhiệt độ 150-300 oC trong một buồng sấy lớn.
Các kiểu vòi phun sau được sử dụng :
– Vòi phun ly tâm : chất lỏng được nạp vào giữa tâm của chén hoặc đĩa quay có vận tốc ngoại vi 90-200 ms-1. Các giọt lỏng đường kính 50-60 µm được bắn xuống từ mép rìa tạo thành lớp giọt lỏng đều.
– Vòi phun áp suất : chất lỏng bị cưỡng bức dưới áp suất cao (700-2000 kPa) qua một kẽ hỡ nhỏ tạo nên những giọt lỏng có kích thước 180-250 (m.
– Vòi phun khí động : không khí được sử dụng để phun dung dịch. Trước hết không khí qua ống phun tăng tốc độ rồi thổi ra miệng phun, chất lỏng được đưa đến miệng vòi bằng bơm. Không khí có tốc độ cao sẽ thổi dung dịch văng ra thành hạt nhỏ. Vòi phun lỗ dễ bị nghẹt bởi các hạt nguyên liệu và nguyên liệu cũng mài mòn dần dần các khe lỗ làm rộng lỗ ra do đó tăng kích thước trung bình của các giọt lỏng. Quá trình sấy xảy ra nhanh (1-10 giây) do diện tích bề mặt của những giọt lỏng rất lớn. Tốc độ nạp liệu được kiểm soát sao cho nhiệt độ không khí ra 90-100 oC, tương ứng với nhiệt độ bầu ướt (và nhiệt độ sản phẩm) 40-50 oC để sản phẩm ít bị hư hại. Bột khô thu được ở đáy thiết bị sấy và được lấy đi bằng vít tải Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau về vòi phun, buồng sấy, hệ thống đốt nóng không khí và hệ thống thu hồi bột, xuất phát từ yêu cầu của rất nhiều loại nguyên liệu sấy phun khác nhau (ví dụ : sữa, trứng, cà phê, ca cao, chè, khoai tây, hổn hợp kem đá, bột yaourt, pho mát, tác nhân làm trắng cà phê, nước ép trái cây, gia vị đóng gói và tinh bột ngô, lúa mì).
Các thiết bị sấy phun cũng có thể được gắn với thiết bị sấy tầng sôi để sấy kết thúc sản phẩm thu được từ buồng sấy. Thiết bị sấy phun khác nhau về kích cỡ từ các thiết kế ở mức độ thí nghiệm để sấy những sản phẩm khối lượng nhỏ, giá trị cao như enzym, gia vị cho đến các thiết kế để sản xuất quy mô lớn dùng trong thương mại với năng suất đến 10.000 kg sữa sấy/giờ.
Ưu điểm lớn là quá trình sấy nhanh, sản xuất liên tục ở quy mô lớn, chi phí nhân công thấp, vận hành và bảo dưỡng tương đối đơn giản. Hạn chế chính là chi phí đầu tư
cao, yêu cầu độ ẩm ban đầu cao để bảo đảm nguyên liệu có thể bơm đến thiết bị tạo giọt lỏng. Điều này dẫn đến chi phí năng lượng cao hơn (để tách ẩm) và thất thoát các chất dễ bay hơi cao hơn. Thiết bị sấy băng chuyền và sấy tầng sôi đang bắt đầu thay chổ sấy phun do chúng gọn hơn và có hiệu qủa sử dụng năng lượng tốt hơn.
2.6.3 Máy sấy tiếp xúc (contact dryer)
– nhiệt được cung cấp bằng dẫn nhiệt
– ưu điểm chính so với sấy đối lưu :
+ không cần thiết phải đun nóng lượng lớn không khí trước khi sấy do đó hiệu quả nhiệt cao hơn.
+ quá trình sấy có thể thực hiện không cần sự có mặt của oxy nên các thành phần dễ bị oxy hoá của nguyên liệu được bảo vệ.
Nhu cầu nhiệt riêng thông thường là 2000-3000 kJ/kg nước bay hơi so với 4000-10.000 kJ/kg nước bay hơi của máy sấy đối lưu. Tuy nhiên, thực phẩm có độ dẫn nhiệt thấp, trở thành khô hơn nên khó dẫn nhiệt hơn trong quá trình sấy, vì vậy cần phải sấy lớp mỏng để nhiệt dẫn nhanh, tránh gây hư hại cho sản phẩm.
Sấy tang trống (sấy trục lăn) (roller dryer)
Các trục rỗng bằng thép quay chậm được đun nóng bên trong bằng hơi nước áp suất cao đến 120-170 oC. Một lớp mỏng nguyên liệu được trải đều lên bề mặt bên ngoài bằng phương pháp nhúng, phun, trải hoặc bằng các trục lăn nạp liệu phụ. Trước khi trục lăn hoàn thành 1 vòng quay (khoảng 20 giây đến 3 phút) sản phẩm sấy được cào ra bằng lưỡi dao tiếp xúc đều với mặt trục theo chiều dài của nó. Thiết bị sấy có thể có 1 trục, 2 trục hoặc trục kép. Thiết bị đơn trục được sử dụng rộng rãi, vì chúng linh động, tỷ lệ diện tích bề mặt trục sử dụng để sấy lớn, dễ dàng tiếp cận để bảo dưỡng và không có nguy cơ bị hư hại do kim loại rơi vào giữa hai trục.
Thiết bị sấy trục có tốc độ sấy cao, hiệu quả năng lượng cao, chúng thích hợp với nguyên liệu dạng sệt có kích thước các cấu tử lớn quá mức để có thể sấy phun được. Sấy trục lăn dùng trong sản xuất khoai tây dạng mãnh (flake), ngũ cốc nấu sẵn, mật đường, xúp bột, pu rê trái cây và sữa tách kem (whey). Tuy nhiên, do giá thành trục lăn cao và thành phần nguyên liệu nhạy cảm nhiệt dễ bị hư hại, nên trong sản xuất lớn chúng đã bị thay thế bằng phương pháp sấy phun.
Sấy bằng quả cầu nóng
Buồng sấy được gắn với vít tải quay chậm có chứa các quả cầu bằng sứ, được làm nóng bằng không khí nóng, thổi vào buồng sấy. Nguyên liệu dạng viên, cục được sấy chủ yếu do sự dẫn nhiệt do sự tiếp xúc với những quả cầu nóng và được dịch chuyển qua buồng sấy bằng vít tải, để thoát ra ở đáy. Thời gian sấy được kiểm soát bằng tốc độ vít tải và nhiệt độ của những quả cầu nóng.
Máy sấy băng chuyền chân không và kệ sấy chân không (vacuum band dryer, vacuum shelf dryer)
Nguyên liệu dưới dạng sệt được trải hoặc phun lên 1 băng chuyền thép chạy qua 2 trục lăn rỗng trong 1 buồng chân không có áp suất 1-70 mmHg. Lúc đầu nguyên liệu được sấy bằng trục lăn được làm nóng bằng hơi nước và sau đó bằng ống xoắn trao đổi nhiệt có hơi nước làm nóng hoặc các thiết bị cấp nhiệt bức xạ đặt ở phía trên các băng chuyền. Sản phẩm sấy được làm nguội bằng trục lăn thứ 2 có nước lạnh ở trong và được tách ra bằng lưỡi dao. Kệ sấy chân không gồm các kệ đặt trong 1 buồng chân không với áp súât 1-70 mmHg. Nguyên liệu được đặt thành 1 lớp mỏng trên các khay thép phẳng được làm cẩn thận để đảm bảo sự tiếp xúc tốt với các kệ. Hơi nước hoặc nước nóng chạy qua các kệ để cấp nhiệt cho quá trình sấy.
Quá trình sấy nhanh và sự hư hại do nhiệt đến sản phẩm được hạn chế giúp cho 2 phương pháp này thích hợp với các nguyên liệu nhạy cảm với nhiệt. Tuy nhiên, cần cẩn thận để tránh sản phẩm khỏi bị cháy trên các khay trong các kệ sấy chân không và sự co ngót làm giảm sự tiếp xúc giữa nguyên liệu với bề mặt nóng ở cả 2 thiết bị. Chúng có giá thành cao, chi phí vận hành cao và năng suất thấp, được dùng chủ yếu để sản xuất các sản phẩm sấy phồng (puff dried).
Sấy nổ phồng (explosion puff drying)
Bao gồm sấy sơ bộ nguyên liệu đến độ ẩm trung bình, sau đó đóng kín nó trong buồng áp suất. Nhiệt độ và áp suất trong buồng tăng lên đến mức nào đó thì được “giải phóng” tức thì. Do áp suất giảm nhanh, sản phẩm nở ra, tạo một cấu trúc xốp mịn. Điều này giúp cho quá trình sấy kết thúc sau đó và quá trình hồi nguyên của sản phẩm xảy ra nhanh hơn. Giá trị dinh dưỡng và cảm quan cũng được lưu giữ tốt. Phương pháp này lúc đầu chỉ được áp dụng đối với loại sản phẩm ngũ cốc nổ phồng dùng cho điểm tâm, nhưng dến nay chúng được áp dụng cho một loạt sản phẩm rau và trái cây sấy.
2.6.4 Sấy thăng hoa
Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm ra khỏi vật sấy bằng sự thăng hoa của nước. Quá trình thăng hoa là quá trình chuyển trực tiếp từ thể rắn sang thể hơi. Ở điều kiện bình thường, ẩm trong thực phẩm ở dạng lỏng, nên để thăng hoa chúng cần được chuyển sang thể rắn bằng phương pháp lạnh đông. Chính vì vậy nên còn gọi là phương pháp Sấy lạnh đông (Freeze Drying hay Lyophillisation). Quá trình sấy thăng hoa bao gồm hai giai đoạn : làm lạnh đông và tiếp theo sấy khô bằng chân không thấp. Cả hai hệ thống đều hoạt động rất tốn kém và khi thiết bị sấy thăng hoa hoạt động theo mẻ, chi phí vận hành càng tăng cao. Hiện nay đã có các thiết bị làm việc liên tục, nhưng chi phí đầu tư rất cao. Vì vậy phương pháp sấy thăng hoa chỉ hạn chế sử dụng đối với các sản phẩm đắt tiền, những sản phẩm mà không thể sấy được bằng các phương pháp khác. Bên cạnh đó không phải bất kỳ nguyên liệu nào cũng có thể sấy bằng phương pháp lạnh đông. Đối với những nguyên liệu có cấu trúc dễ bị hư hại trong quá trình lạnh đông thì sản phẩm sấy thăng hoa khi hồi nguyên sẽ có kết cấu tồi.Sấy thăng hoa, nhất là phương pháp sấy nhanh (AFD : accelerated freeze drying) được áp dụng rộng rãi ở Mỹ để sấy các loại nguyên liệu đắt tiền như thịt gia súc, gia cầm …
Ngoài ra nó còn được sử dụng để sấy các sản phẩm khác như : cà phê, gia vị, trong dược phẩm v.v…
2.6.4.1 Các giai đoạn của sấy thăng hoa
Giai đoạn làm lạnh đông
Giai đoạn đầu tiên của quá trình sấy thăng hoa là làm lạnh đông sản phẩm. Quá trình làm lạnh đông bằng thực hiện bằng hai cách. Cách thứ nhất trong thiết bị làm lạnh đông thông thường hoặc nitơ lỏng để làm lạnh đông sản phẩm bên ngoài buồng sấy thăng hoa. Cách thứ hai là vật sấy tự lạnh đông ngay trong buồng sấy thăng hoa khi buồng sấy được hút chân không. Sản phẩm cần được làm lạnh đông rất nhanh để hình thành các tinh thể băng nhỏ ít gây hư hại đến cấu trúc tế bào của sản phẩm. Đối với sản phẩm dạng lỏng, phương làm làm lạnh đông chậm được sử dụng để băng tạo thành từng lớp, các lớp này tạo nên các kênh giúp cho hơi nước dịch chuyển dễ dàng.
Giai đoạn thăng hoa
Giai đoạn kế tiếp là tách nước trong suốt quá trình sấy tiếp theo để làm khô sản phẩm. Nếu áp suất hơi nước được giữ dưới 4,58 mmHg (610,5 Pa) và nước ở dạng băng khi sản phẩm được cung cấp nhiệt, thì băng rắn sẽ thăng hoa trực tiếp thành hơ mà không bị tan chảy (hình vẽ : đồ thị 3 pha của nước). Hơi nước tiếp tục được tách ra khỏi sản phẩm bằng cách giữ cho áp suất trong buồng sấy thăng hoa thấp hơn áp suất hơi nước trên bề mặt của băng, đồng thời tách hơi nước bằng máy bơm chân không và ngưng tụ nó bằng các ống xoắn ruột gà lạnh, các bản dẹ lạnh hoặc bằng hoá chất. Khi quá trình sấy tiếp diễn, bề mặt thăng hoa di chuyển vào bên trong sản phẩm đông lạnh, làm sản phẩm được sấy khô. Nhiệt lượng cần thiết để dịch chuyển bề mặt thăng hoa (ẩn nhiệt thăng hoa) được truyền đến sản phẩm do sự dẫn nhiệt hoặc do vi sóng cung cấp. Hơi nước di chuyển ra khỏi sản phẩm qua các kênh được hình thành do băng thăng hoa và được lấy đi. Như vậy, nếu không tính quá trình mất ẩm trong phương pháp để vật ẩm tự lạnh đông trong buồng sấy khi hút chân không thì sản phẩm được sấy trong hai giai đoạn : trước tiên do quá trình thăng hoa xuống khoảng 15 % độ ẩm và sau đó do bay hơi của phần nước không đóng băng đến 2% độ ẩm bằng quá trình nhả ẩm đẳng nhiệt. Quá trình nhả ẩm đẳng nhiệt (desorption) đạt được bằng cách nâng nhiệt độ máy sấy lên gần nhiệ độ môi trường xung quanh trong khi vẫn giữ áp suất thấp giống như quá trình sấy ở các thiết bị sấy chân không thông thường
Đường cong sấy
Hình vẽ 2.21 là đường cong sấy và đường cong nhiệt độ của vật sấy trong quá trình sấy thăng hoa trong đó vật sấy tự lạnh đông trong buồng sấy. Khi hút chân không, áp suất trong buồng sấy giảm xuống, ẩm tự do bay hơi mạnh làm giảm nhanh nhiệt độ của nó xuống đến nhiệt độ đóng băng tB của ẩm (đường A-B). Quá trình đóng băng của ẩm có toả nhiệt nên nhiệt đọ của vật sấy tăng lên một chút (B-C). Quá trình thăng hoa ẩm diễn ra khác với quá trình sấy thứ nhất (tốc độ không đổi) trong sấy đối lưu là nhiệt độ tăng lên một ít theo thời gian sấy (đoạn C D dốc lên). Điều đó được giải thích là ở lớp sâu bên trong vật sấy còn có ẩm đang đóng băng.
Giai đoạn sấy tiếp theo là giai đoạn bay hơi ẩm liên kết, nhiệt độ của vật sấy tăng nhanh. Trong một số sản phẩm (ví dụ nước ép trái cây, dịch chiết cà phê cô đặc), sự hình thành nên trạng thái thuỷ tinh trong quá trình đóng băng gây ra nhiều khó khăn cho việc di chuyển hơi nước. Vì vậy, chất lỏng cần được đóng băng ở dạng bọt (phương pháp sấy thăng hoa bọt : vacuum puff freeze drying), hoặc là nước ép trái cây để sấy cùng với phần thịt (cái). Cả hai phương pháp đều tạo nên các kênh nhờ đó hơi nước có thể thoát đi được. Ở phương pháp thứ ba, nước trái cây sau khi đóng băng được nghiền thành cục, nhờ đó sấy nhanh hơn và cho phép kiểm soát kích cỡ của hạt bột tốt hơn.
Tốc độ sấy phụ thuộc phần lớn vào tính cản trở nhiệt của sản phẩm và ở mức độ thấp hơn vào độ cản trở dòng hơi (dịch chuyển khối) ra khỏi bề mặt thăng hoa.
2.6.4.2 Tốc độ truyền nhiệt
Có ba phương pháp truyền nhiệt đến bề mặt thăng hoa.
Nhiệt truyền xuyên qua các lớp đóng băng. Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào độ dày và độ dẫn nhiệt của lớp băng. Khi quá trình sấy xảy ra, chiều dày của lớp băng giảm xuống và tốc độ truyền nhiệt tăng lên.
Nhiệt độ bề mặt của thiết bị cấp nhiệt được giới hạn để tránh làm tan băng.
Nhiệt truyền qua lớp khô.
Tốc độ truyền nhiệt đến bề mặt thăng hoa phụ thuộc vào chiều dày và diện tích bề mặt của sản phẩm, độ dẫn nhiệt của lớp khô và chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt của sản phẩm và bề mặt băng. Khi áp suất buồng sấy không đổi, nhiệt độ của bề mặt băng duy trì không đổi. Lớp khô của sản phẩm có độ dẫn nhiệt rất thấp (tương tự như vật liệu cách nhiệt) và vì thế gây ra sự cản trở lớn với dòng nhiệt. Khi quá trình sấy tiếp diễn, lớp này trở nên dày hơn và sự cản trở nhiệt tăng lên. Làm giảm kích thước nguyên liệu và tăng chênh lệch nhiệt độ sẽ làm tăng tốc độ truyền nhiệt. Tuy nhiên, ở sấy thăng hoa, nhiệt độ bề mặt bị giới hạn đến 40-65 oC để tránh sự biến tính protein và các thay đổi hoá học khác, có thể làm giảm chất lượng của sản phẩm.
Truyền nhiệt bằng vi sóng.
Nhiệt được tạo ra trên bề mặt băng và tốc độ truyền nhiệt không bị ảnh hưởng bởi độ dẫn nhiệt của băng và chất khô hay độ dày của lớp khô. Tuy nhiên, nhiệt vi sóng khó kiểm soát và có nguy cơ bị tình trạng qúa nóng cục bộ dẫn đến sự tan chảy băng.
2.6.4.3 Tốc độ truyền khối
Khi nhiệt truyền tới bề mặt thăng hoa, nhiệt độ và áp suất hơi nước của băng được tăng lên. Hơi nước di chuyển xuyên qua chất khô đến vùng có áp suất hơi thấp trong buồng sấy. Ở áp suất 67 Pa, 1g băng hình thành 2 m3 hơi và do đó, máy sấy thăng hoa cần phải lấy đi hàng trăm mét khối hơi trong 1 giây qua các lổ hổng của chất khô. Các yếu tố kiểm soát chênh lệch áp suất hơi nước là :
– áp suất trong buồng sấy
– nhiệt độ của thiết bị ngưng tụ hơi, cả hai cần để thấp đến mức chi phí cho phép.
– nhiệt độ của băng ở bề mặt thăng hoa, cần càng cao càng tốt nhưng không để tan chảy.
Trong thực tế để đảm bảo tính kinh tế, áp suất buồng sấy thấp nhất vào khoảng 13 Pa và nhiệt độ thiết bị ngưng tụ thấp nhất là khoảng -35 oC. Về lý thuyết, nhiệt độ của băng cần nâng lên mức chỉ vừa dưới điểm đóng băng.
Tuy nhiên, ở trên một nhiệt độ tới hạn nhất định, gọi là nhiệt độ sụp đổ (collapse temperature), cấu trúc sản phẩm sẽ bị phá huỹ ngay lập tức. Trong thực tế, vì thế tồn tại nhiệt đô băng tối đa, nhiệt độ ngưng tụ tối thiểu và áp suất buồng sấy tối thiểu và những thông số này kiểm soát tốc độ chuyển khối.
Trong quá trình sấy, độ ẩm hạ xuống từ mức ban đầu rất cao trong vùng lạnh đông đến mức thấp hơn ở lớp khô, phụ thuộc vào áp suất hơi nước trong buồng sấy. Khi nhiệt chuyển qua lớp khô, quan hệ giữa áp suất trong buồng sấy và áp suất trên bề mặt băng là :
2.6.4.4 Thiết bị sấy thăng hoa
Các máy sấy thăng hoa bao gồm một buồng chân không có chứa các khay đựng sản phẩm và thiết bị đun nóng để cấp ẩn nhiệt thăng hoa. Các ống xoắn ruột gà lạnh hoặc các bản dẹt lạnh được sử dụng để ngưng tụ hơi nước trực tiếp thành băng. Chúng được gắn với thiết bị tự động làm tan băng để giữ cho bề mặt của các dây xoắn ruột gà được trống tối đa cho việc ngưng tụ hơi nước. Điều này là cần thiết bởi vì phần lớn năng lượng đầu vào được dùng làm lạnh đông ở các thiết bị ngưng tụ và vì thế tính kinh tế của sấy thăng hoa được xác định bởi hiệu suất của thiết bị ngưng tụ :
