CÁC YẾU TỐ CÔNG NGHỆ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH SẤY THĂNG HOA

Phương thức truyền nhiệt trong quá trình thăng hoa của nước đá kết tinh bên trong sản phẩm

Môi trường sấy thăng hoa sản phẩm luôn có áp suất nhỏ hơn 4,58mmHg, nhiệt độ sản phẩm nhỏ hơn nhiệt độ kết tinh của ẩm bên trong sản phẩm, tức là dưới 0,0098^oC (có nghĩa dưới điểm ba thể O(0,0098^oC; 4,58mmHg)). Như vậy, môi trường sấy gần như chân không tuyệt đối, quá trình truyền nhiệt tách ẩm chỉ xảy ra theo hai phương thức bức xạ và dẫn truyền, còn đối lưu xem như bằng không.

- Bức xạ từ nguồn cấp, thường là giá truyền nhiệt ở kệ trên đến sản phẩm lạnh đông đặt trên giá truyền nhiệt ở kệ dưới để thực hiện quá trình thăng hoa

- Dẫn truyền từ các giá truyền nhiệt mà sản phẩm đặt lên trên cùng một kệ đến sản phẩm lạnh đông để thực hiện quá trình thăng hoa.

Lưu ý: quá trình thăng hóa là quá trình chuyển pha từ thể rắn trực tiếp sang thể hơi, đối với nước đá đông đặc từ nước nguyên chất thì nhiệt độ thăng hoa nước đá là không đổi tại một áp suất xác định; còn với nước đá đông đặc từ dung dịch như ẩm bên trong vật liệu thì nhiệt độ thăng hoa của nước đá có thay đổi cũng tại một áp suất xác định, sự thay đổi này phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch. Tuy nhiên, với ẩm dung dịch trong sản phẩm có thay đổi nhưng độ biến thiên nhiệt độ theo thời gian là không đáng kể (∂T/∂t =0) và xem như không thay đổi, chấp nhận giả thiết này & cho phép sai số.

Áp suất môi trường sấy thăng hoa

Qua phân tích "Giản đồ pha của nước" ở mục "Cơ sở khoa học sấy thăng hoa" cho thấy, áp suất môi trường sấy thăng hoa, nó ảnh hưởng đến chi phí năng lượng của quá trình sấy thăng hoa, ứng với mỗi giá trị áp suất môi trường sấy thăng hoa là P_th (mmHg) thì sẽ có một giá trị nhiệt độ thăng hoa xác định T_th (⁰C), có thể xem bảng "Quan hệ nhiệt độ & áp suất thăng hoa" ở mục "Cơ sở khoa học sấy thăng hoa". Vì thế, cần chọn áp suất môi trường sấy thăng hoa phù hợp với nhiệt độ của ẩm kết tinh trong sản phẩm khi tiến hành sấy thăng hoa, nhiệt độ này chính là nhiệt lạnh đông thích hợp của sản phẩm sú ở giai đoạn 1 là T_Fopt. Nếu chọn áp suất môi trường sấy thăng hoa (P_th, tương ứng với nhiệt độ T_th) không phù hợp với nhiệt độ lạnh đông thích hợp của sản phẩm (có nghĩa T_th > T_Fopt) thì nhiệt cấp vào chưa thể làm ẩm kết tinh thăng hoa ngay, mà chúng trải qua một giai đoạn nâng nhiệt, để nâng nhiệt độ của sản phẩm từ T_Fopt đạt đến T_th, khi đó ẩm kết tinh trong sản phẩm mới bắt đầu thăng hoa. Như vậy, sẽ tốn một lượng nhiệt và thời gian đốt nóng, dẫn đến làm chi phí năng lượng tăng. Ngoài ra, khi nâng nhiệt độ sản phẩm từ T_Fopt đến T_th sẽ làm cho một phần ẩm kết tinh trong sản phẩm bị tan chảy, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sau khi sấy. Ngược lại, nếu chọn áp suất môi trường sấy thăng hoa (P_th) thích hợp (có nghĩa T_th ≤ T_Fopt) thì khi tiến hành sấy thăng hoa không cần cấp nhiệt ẩm kết tinh trong tôm sú sẽ thăng hoa ngay, đồng thời ẩm kết tinh của sản phẩm không bị tan chảy, lúc đó nhiệt cấp vào sẽ làm tăng động lực của quá trình tách ẩm, rút ngắn thời gian sấy thăng hoa và đảm bảo được chất lượng sản phẩm sau khi sấy. 

Nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa

Nhiệt cấp vào làm tăng nhiệt độ môi trường sấy (T_∞) và nhiệt độ của giá truyền nhiệt (T_shef), tạo động lực cho quá trình sấy, cho quá trình thăng hoa là do sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ môi trường sấy, giá truyền nhiệt với nhiệt độ sản phẩm lạnh đông sấy thăng hoa, làm cho quá trình sấy thăng hoa nhanh hơn, rút ngắn thời gian sấy, tiết kiệm năng lượng.

- Nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa cũng như giá truyền nhiệt chỉ dao động trong khoảng -45^oC đến 35^oC, nhiệt độ sản phẩm (Tsp) phải nhỏ hơn hoặc bằng (dưới) nhiệt độ kết tinh (T_kt) của ẩm bên trong sản phẩm (T_sp ≤ T_kt).

- Nếu cấp nhiệt không đúng, nhiệt độ môi trường sấy tăng, trên 35^oC (T_∞ > 35^oC) khi đó nhiệt độ sản phẩm tăng, khi nhiệt độ sản phẩm vượt qua nhiệt độ kết tinh nước đóng băng (T_sp > T_kt) sẽ tan chảy nó sẽ phá vỡ hệ thăng hoa (quá trình thăng hoa sụp đỗ), lúc này là sấy chân không nhiệt độ thấp chứ không phải sấy thăng hoa. Vì thế, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, như: tính hoàn nguyên & các đặc tính lưu biến của sản phẩm.

Vì vậy, đối với từng loại sản phẩm có một quy trình cấp nhiệt khác nhau, điều này cần phải có những nghiên cứu thực sự thì mới tạo ra sản phẩm có chất lượng tốt.

Kích thước hình học sản phẩm

Quá trình cấp nhiệt & tách ẩm trong sấy thăng hoa không tuân theo quy luật khuếch tán ngoại & khuếch tán nội, nó thăng hóa nước đá từ bề ngoài sản phẩm vào bên trong, vì vậy nó phụ thuộc vào áp suất lỗ mao quản mà nước kết tinh thành nước đá, nếu lỗ mao quản cạn hay bề dày sản phẩm mỏng thì khả năng thăng hoa dễ dàng, ẩm tách ra nhanh hơn, thời gian sấy rút ngắn. Nếu lỗ mao quan sâu hay bề dày sản phẩm dày thì khả năng thăng hoa khó hơn, ẩm tách ra chậm hơn, thời gian sấy kéo dài. Do quá trình thăng hoa thường chỉ sấy sản phẩm cùng một kích cỡ nên yếu tố này trong nghiên cứu ít quan tâm, chỉ quan tâm khi cũng một loại sản phẩm nhưng có nhiều kích cỡ khác nhau.

Thời gian của quá trình sấy thăng hoa

Thời gian của quá trình sấy thăng hoa là một trong những yếu tố công nghệ quyết định đến độ ẩm, chất lượng và chi phí năng lượng của sản phẩm sấy thăng hoa. Khi thời gian sấy thăng hoa ngắn thì độ ẩm sản phẩm sau khi sấy không đạt yêu cầu, không đáp ứng được khả năng bảo quản. Khi thời gian sấy thăng hoa kéo dài, sẽ làm chi phí năng lượng tăng. Nếu thời gian sấy thăng hoa ngắn, thời gian sấy chân không kéo dài thì chất lượng sản phẩm sau khi sấy giảm.

Nguyên nhân là do cơ chế tách ẩm ở giai đoạn sấy thăng hoa từ pha rắn sang pha hơi ở nhiệt độ thấp (dưới T_kt) khác với cơ chế tách ẩm ở giai đoạn sấy chân không từ pha lỏng sang pha hơi ở nhiệt độ cao (trên T_kt), nên ảnh hưởng đến khả năng hoàn nguyên của sản phẩm, làm thay đổi chất lượng và chi phí năng lượng của sản phẩm sấy thăng hoa.

Nhận xét:  Việc xác định các yếu tố công nghệ như: nhiệt độ và áp suất môi trường sấy thăng hoa, thời gian sấy thăng hoa và mối quan hệ giữa chúng với chi phí năng lượng, độ ẩm và chất lượng của sản phẩm là cần thiết, có vai trò quan trọng trong nghiên cứu tìm kiếm chế độ công nghệ thích hợp của quá trình sấy thăng hoa cho từng loại sản phẩm. Để khi quá trình sấy được tiến hành chúng tạo ra sản phẩm có chất lượng, độ ẩm đạt yêu cầu với chi phí năng lượng đạt tới mức thấp nhất, đồng thời thỏa mãn tất cả các điều kiện ràng buộc về mặt kinh tế, kỹ thuật mà công nghệ sấy thăng hoa đã đặt ra.

Một số công trình nghiên cứu đã công bố trong nước và quốc tế

Nguyen Tan Dzung., (2017). Study dynamics of the freeze drying process of royal Jelly in Viet Nam, Carpathian Journal of Food Science and Technology 2017, 9(3), 35-46

Nguyễn Tấn Dũng, Quá trình và Thiết bị trong CNHH&TP, Kỹ thuật và Công nghệ sấy thăng hoa, NXB ĐHQG Tp.HCM, 2016. https://sachweb.com/sach-truong-dai-hoc-su-pham-ky-thuat-tphcm-64/sach-qua-trinh-va-thiet-bi-cong-nghe-hoa-hoc-va-thuc-pham-ky-thuat-va-cong-nghe-say-thang-hoa-sach-chuyen-khao-e2210/

Nguyen Tan Dzung., (2016). Study of determining the technological mode in the freeze drying process of royal jelly in Viet Nam, Carpathian Journal of Food Science and Technology 2016, 8(2), 38-46. http://chimie-biologifiles/6.%20Nguyen%20Tan%20Dzung%20revised.pdf 

Nguyen Tan Dzung et,(2015). Study Technological Factors Effect on the Loss of Protein, Carbohydrate and Lipid inside Royal Jelly in the Freeze Drying Process.  Current Research Journal of Biological Sciences, 7(2): 22-30. http://www.maxwellsci.com/jp/abstract.php?jid=CRJBS&no=514&abs=02. http://maxwellsci.com/print/crjbs/v7-22-30.pdf

Nguyen Tan Dzung., (2014). Building the Method and the Mathematical Model to Determine the Rate of Freezing Water inside Royal Jelly in the Freezing Process.  Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 7(2): 403-412. Indexed In: ISI Thomson. http://maxwellsci.com/print/rjaset/v7-403-412.pdf

Nguyen Tan Dzung, (2012), Optimization The Freeze Drying Process of Penaeus Monodon to Determine The Technological Mode, International Journal of Chemical Engineering and Application, 3, No.3, June 2012, p.187-194. http://www.ijcea.org/content.htm; http://www.ijcea.org/vol3no3.htm; http://www.ijcea.org/abstract/184-A665.htm ; http://www.ijcea.org/papers/184-A665.pdf

Nguyen Tan Dzung et al., (2011). Application of Multi-Objective Optimization to Determine the Freeze Drying Mode of Penaeus Monodon, Journal of Chemical Engineering and Process Technology, USA, 2:107. DOI 10.4172/2157-7048.1000107. http://www.omicsonline.org/2157-7048/2157-7048-2-107.digital/fscommand/2157-7048-2-107.pdf

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2010). Xây dựng mô hình toán truyền nhiệt lạnh đông, xác định tỉ lệ nước đóng băng và nhiệt độ lạnh đông tối ưu của VLA dạng hình trụ hữu hạn, ở giai đoạn 1 trong sấy thăng hoa, Tạp chí phát triển khoa học và công nghệ ĐHQG Tp.HCM, Vol.13, No.K5,  83-98, http://www.vnulib.edu.vn:8000/dspace/bitstream/123456789/3952/3/8.TAN%20DUNG-VAN%20DUNG-DUC%20BA.pdf

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2010). Tối ưu hóa đa mục tiêu với chuẩn tối ưu tổ hợp S ứng dụng xác lập chế độ công nghệ sấy thăng hoa cho thủy sản nhóm giáp xác: đại diện là tôm sú, Tạp chí phát triển khoa học và công nghệ ĐHQG Tp.HCM, Vol. 13, No.K3,. ww.vnulib.edu.vn:8000/dspace/handle/123456789/3622

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2010). Tối ưu hóa đa mục tiêu với chuẩn tối ưu tổ hợp R ứng dụng xác lập chế độ công nghệ sấy thăng hoa tôm bạc, Tạp chí phát triển khoa học và công nghệ ĐHQG Tp.HCM, Vol.13, No.K2,  www.vjol.info/index.php/JSTD/article/viewFile/2938/2887 

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2010). Xây dựng và giải mô hình toán truyền nhiệt tách ẩm trong điều kiện sấy thăng hoa bằng phương pháp phần tử hữu hạn, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Vol.48, No.6A, 23-35.

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2009). Building a mathematical model to determine the relationship between heat emission coefficient and pressure of the freeze drying environment of solid materials, Proceedings of the 11^th Conference on Science and Technology, VNU-HCMC, 21–23/10/2009. 

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2009). Nghiên cứu thiết lập mô hình toán truyền nhiệt tách ẩm trong điều kiện sấy thăng hoa, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ ĐHQG Tp.HCM, 08/2009, Vol.12. vjol.info/index.php/JSTD/article/viewFile/2536/2396 

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2008). Nghiên cứu khảo sát các tính chất nhiệt vật lý thủy sản nhóm giáp xác (tôm sú, tôm bạc và tôm thể) ảnh hưởng đến quá trình cấp nhiệt tách ẩm trong sấy thăng hoa, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy Sản, No.2. 

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2008). Nghiên cứu xác định tỷ lệ nước đông băng bên trong thực phẩm (mô hình dạng phẳng vô hạn) theo nhiệt độ lạnh đông, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ ĐHQG Tp.HCM, 09/2008, Vol.11. http://www.vjol.info.vn/index.php/JSTD/article/view/1858 

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, (2008). Nghiên cứu xác định tỷ lệ nước đông băng và nhiệt độ lạnh đông thích hợp (mô hình dạng trụ vô hạn) của vật liệu ẩm ở giai đoạn 1 trong sấy thăng hoa, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ ĐHQG Tp.HCM, 12/2008, Vol.11, vjol.info/index.php/JSTD/article/viewFile/2536/2396 

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống sấy thăng hoa năng suất nhỏ có giai đoạn cấp đông ngay trong buồng thăng hoa, Tạp chí Khoa học giáo dục kỹ thuật, số 10(4) 2008. 

Nguyễn Tấn Dũng & Cộng sự, Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống máy sấy thăng hoa năng suất nhỏ phục vụ cho việc sản xuất, chế biến các sản phẩm cao cấp, Tạp chí Khoa học giáo dục kỹ thuật, số 1(3) 2007. 

Mọi chi tiết xin liên hệ:
PGS.TS. Nguyễn Tấn Dũng, khoa CNHH&TP, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TpHCM. Số 1, Võ Văn Ngân, Thủ Đức, TpHCM.
Email: tandzung072@yahoo.com.vn
ĐT: 0918801670  

Bài viết tác giả: Nguyễn Tấn Dũng