i) Giới thiệu chung
Cô đặc bằng n h iệt là quá trình sử dụng n h iệt độ cao làm bay hơi một phần nước trong mẫu khảo sá t nhằm mục đích làm tăng nồng độ chất khô trong mẫu. Trong công nghệ sản xuất sữa bột, sữa cô đặc, sữa chua, ... người ta cần cô đặc sữa nguyên liệu đến nồng độ chất khô cần thiết. Cùng với kỹ th u ật membrane, cô đặc bằng n h iệt là một kỹ th u ật truyền thống thường được sử dụng cho mục đích trên.
Nhìn chung, năng lượng sử dụng trong quá trình cô đặc bằng nhiệt thường cao hơn khi ta so sánh với các kỹ thuật cô đặc khác. Tuy nhiên, hàm lượng chất khô trong mẫu qua cô đặc nhiệt có thể đạt được giá trị rấ t cao mà các kỹ thuật cô đặc khác không thể đạt được. Chính vì vậy mà kỹ thuật cô đặc bằng nhiệt vẫn được sử dụng
132 PHẨN 2 khá phổ biến trong công nghiệp chế biến sữa và các công nghiệp thực phẩm khác (sản xuất đường saccharose, nước trái cây cô đặc, ...).
2i) Cơ 8Ở khoa học của quá trình cô đặc bằng n hiệt
Trong quá trình GÔ đặc bằng nhiệt, người ta sử dụng hơi để gia nhiệt sữa và nâng nhiệt độ của sữa lên đến điểm sôi. Khi đó, nước từ trạng th ái lỏng sẽ chuyển qua trạng thái hơi và thoát vào môi trường xung quanh. Cùng với nước, các chất khí và cấu tử dễ bay hơi có trong sữa cũng sẽ bị m ất đi. Tốc độ bốc hơi sẽ bị ảnh hưởng bởi tốc độ truyền nhiệt trong sữa và tốc độ truyền khối của các bọt hơi. Quá trình bốc hơi có thể được mô tả theo sơ đồ sau:
Tác nhân cô đặc (hơi nước) ms o eb 1 m, X, Sữ a nguyên liệu 0, Sản phẩm (sữa cô đặc)
mf - lưu lượng sữ a nguyên liệu đi vào thiết bị bốc hơi, (kặsy, Xf - hàm lượng chất khô trong sữ a nguyên liệu, (%, m/m)\ 01 - nhiệt độ ban đầu củ a sữ a nguyên liệu, (°C); ms - lưu lượng hơi sử dụng đ ể gia nhiệt sữ a, (kg/s); 03 - nhiệt độ hơi, (°C); mp - lưu lượng sữ a cô đặc thoát ra khỏi thiết bị bốc hơi, (kg/sy, Xp - hàm lượng chất khô trong sữa cô đặc, (%, m/m)-, m„ - lưu lượng hơi thứ thoát ra khỏi thiết bị, (kg/s)\ 0b - nhiệt độ sôi của sữ a, (°C)
H ìn h 2.47 Căn bằng chất trong quá trình cô đặc bằng nhiệt
Sử dụng các phương trình cân bằng nhiệt và cân bằng vật chất, ta có thể tính toán được mức độ cô đặc sản phẩm, giá trị năng lượng sử dụng và thời gian cần thiết cho quá trình bốc hơi.
Khối lượng của sữa nguyên liệu đi vào thiết bị bốc hơi bằng tổng khối lượng sữa cô đặc và hơi thứ. Ta có:
mf = m p + mv (2.8)
Nếu xét cho cấu tử nước, ta có:
= mpOi - x p) + mv (2.9)
Nếu xét thẹo hàm lượng chất khô, ta có:
CÁC QUÁ TRÌNH c ơ BẦN TRONG CỒNG NGHỆ CHẾ BIẾN SỮA ' 1 3 3 Giả sử tổn th ất nhiệt trong quá trình bốc hơi là không đáng kể. Ta có:
Nhiệt do hơi _ Nhiệt làm tăng nhiệt độ Nhiêt làm thoát
cung cấp sữa nguyên liệu hơi thứ
/nsxs = mf cpịQb -Qf ) + mvXv (2.11) trong đó: xs - ẩn nhiệt hơi ngưng tụ, (J/kg)
xv - ẩn nhiệt bốc hơi của nước (ẩn nhiệt của hơi thứ), (J/kg) Cp - nhiệt dung riêng của sữa nguyên liệu, (J/kg°C).
Trong quá trình cô đặc màng mỏng, tốc .độ truyền nhiệt Q(J/s) được xác định qua phương trình:
Q = U.A(QS -Qị,) (2.12)
trong đó: ỉ / - tổng hệ số truyền nhiệt, (W/m2K)
A - diện tích bề mặt truyền nhiệt, (/ra2).
3i) Các yếu tố ảnh hưởng đến quả trình cô đặc bằng nhiệt a) Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt
Sự chênh lệch nhiệt độ giữ a hơi g ia nhiệt và nhiệt độ sôi của sữa
Theo lý thuyết, nếu độ chênh lệch giữa nhiệt độ hơi và nhiệt độ sôi của sữa càng cao thì tốc độ truyền nhiệt sẽ càng lớn. Có hai phương pháp để làm tăng mức chênh lệch nhiệt độ trên.
Cách thứ nhất là tăng nhiệt độ và áp lực hơi gia nhiệt. Túy nhiên,
một số cấu tử trong sữa sẽ bị biến đổi do tác động của nhiệt độ cao.
Cách thứ hai là giảm nhiệt độ sôi của sữa bằng phương pháp cô
đặc trong môi trường chân không.
Kỹ thuật này được đưa ra lần đầu tiên vào năm 1913 với bằng phát minh của E. G. Howard ở Anh Quốc và hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất thực phẩm. Người ta có thể giảm nhiệt độ sôi của các mẫu cần cô dặc xuống 40°c.
Hình 2.48 trình bày mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất hơi của nước tinh khiết. Ở áp suất khí quyển, nhiệt độ bay hơi của nước tinh khiết là 100°c. Khi tạo ra môi trường với độ chân không càng sâu thì nhiệt độ bay hơi của nước sẽ càng giảm xuống.
134 PHẨN 2
Áp suất h d (Pa) Áp suất hơi (bar)
Nhiột độ (°C)
H ìn h 2.48 S ự thay đổi giá trị áp suất hơi của nước tinh khiết theo nhiệt độ
Các nhà khoa học cho rằng sự chênh lệch giữa nhiệt độ của hơi gia nhiệt và nhiệt độ sôi của sữa không được quá thấp vì khi đó người ta phải tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt trong thiết bị cô đặc. Điều này sẽ làm tăng tổn th ấ t nhiệt trong quá trình vận hành do hiện tượng bức xạ nhiệt, đồng thời làm tăng chi phí mua thiết bị và chi phí vệ sinh th iết bị sau mỗi mẻ sản xuất.
Một điểm cần lưu ý là trong quá trình cô đặc, nồng độ chất khô trong sữa sẽ tăng dần theo thời gian. Hiện tượng này sẽ làm tăng dần nhiệt độ sôi của sữả. Nếu muốn giảm nhiệt độ sôi của sữa, ta cần phải tạo ra độ chân không sâu hơn.
Hiện tượng cặn bám trên bề m ặt trao đổi nhiệt
Trong quá trình bốc hơi, một số cấu tử trong sữa có thể bị bám dính trên các bề m ặt truyền nhiệt của thiết bị. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, một eố phân tử protein bị biến tính; các hợp chất bị bám dính nói trên sẽ tương tác với nhau hoặc bị phân giải. Kết quả là chúng tạo nên một lớp cháy khét trên các bề m ặt truyền nhiệt, từ đó làm giảm tốc độ truyền nhiệt của quá trình. Có một số giải pháp kỹ thuật thường được sử dụng để hạn chế hiện tượng nằy. Ví dụ như trong thiết bị cô đặc bảng mỏng, người ta tăng tốc độ dòng chảy của sữa trên các bề m ặt truyền nhiệt để giảm hĩện tượng bám cặn.
CÁC QUÁ TRÌNH c ơ BẦN TRONG CỒNG NGHỆ CHẾ BIẾN SỮA 135
Hiện tượng màng biên
Lớp sữa tiếp xúc trực tiếp với bề m ặt truyền n h iệt - lớp màng biên - trong th iế t bị bốc hơi thường tạo ra một trở lực lớn cho quá trình truyền nhiệt. Độ dày của lớp màng biên này có th ể được giảm xuống bằng cách tạo ra các dòng đô'i lưu hoặc sự chảy rốì trong th iế t bị.
Độ nhởt của nguyên liệu
Độ nhớt cao sẽ làm giảm chỉ số Reynolds và tốc độ tuần hoàn của nguyên liệu trong thiết bị, do đó hệ số truyền nhiệt giảm. Đối với những nguyên liệu có độ nhớt cao, người ta thường sử dụng th iết bị cô đặc dạng màng rơi để hạn chế nhược <Jiểm trên.
Trong quá trình cô đặc sữa, độ nhớt của sữa cũng sẽ tăng dần theo thời gian.
b) Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế cửa quả trình
cô đặc
Hiện tượng tạo bọt
Dưới tác dụng của nhiệt độ cao và do sự xuất hiện ọác bong bóng hơi, một sô' cấu tử trong sữa như protein có khả năng tạo bọt. Lớp bọt trên bề m ặt khối sữa trong thiết bị cô đặc sẽ làm giảm tốc độ thoát hơi thứ ra khỏi sản phẩm.
Hiện tượng tổn th ất chất khô do bị lôi cuốn bởi hơỉ thứ
Hơi thứ khi thoát ra khỏi thiết bị cô đặc có th ể lôi cuốn theo một số cấu tử ỗ trạng thái sương mù. Hiện tượng này xảy ra khi ta gia nhiệt làm cho sự sôi của sữa diễn ra quá mãnh liệt. Thông thường, các th iết bị cô đặc có không gian hoặc bộ phận tách sương mù nhằm hạn chế sự tổn th ấ t chất khô do hơi thứ lôi cuốn theo.
Chi p h í năng lượng cho quá trình cô đặc
Để làm bay hơi 1 kg nước ở 100°c, người ta cần sử dụng năng lượng trung bình là 2257kJ. Như vậy, sự tiêu tốn năng lượng trong quá trình cô đặc bằng nhiệt là rấ t lớn. Để tiết kiệm năng lượng cho quá trình, ngứời ta có thể sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau, dặc biệt là kỹ thuật cô đặc nhiều cấp. Ví dụ như trong trường hợp cô đặc 3 cấp, năng lượng để làm bay hơi 1 kg nước chỉ xấp xỉ 800 kJ.
136 PHẨN 2
Trong kỹ thuật cô đặc nhiều cấp, nhiều thiết bị cô đặc được kết nối liên tiếp nhau. Hơi thứ từ thiết bị cô đặc đầu tiên sẽ .được sử dụng làm tác nhân gia nhiệt cho thiết bị tiếp theo. Tuy nhiên, do nhiệt độ của tác nhân gia nhiệt luôn phải cao hơn nhiệt độ sôi của sữa nên giá trị áp lực chân không được duy trì trong mỗi th iết bị của hệ thống phải giảm dần từ thiết bị đầu tiên đến thiết bị cuối cùng.
4i) Thiết bị cô đặc bằng nhiệt
Các th iết bị cô đặc bốc hơi trong sản xuất thực phẩm rấ t đa dạng. Trong công nghiệp chế biến sữa, người ta sử dụng hai nhóm th iết bị: bốc hdi tuần hoàn và bốc hơi màng rơi.
a) Thiết bị cô đặc bốc hơi tuần hoàn
Thiết bị này được sử dụng trong trường hợp cần làm bay hơi một lượng nhỏ nước trong sữa. Sữa tươi thường có hàm lượng chất khô 10,5+11,0%. Trong sản xuất sữa chua yaourt, hàm lượng chất khô trong sữa trước khi lên men phải dao động trong khoảng 13+16%. Do yêu cầu mức độ cô đặc không cao, ta có thể sử dụng thiết bị bốc hơi tuần hoàn để cô đặc sữa.
1- bổn c h ử a s ữ a nguyên liệu; 2- bơm nguyên liệu; 3- n găn gia nhiệt sơ bộ cho sữ a/ ngưng tg hơi thứ; 4- n găn gia nhiệt sữ a đ ến nhiệt độ sôi; 5- ngăn làm nguội/ ngưng tg hơi thứ; 6- buổng ch â n không; 7- bơm hổi lưu sữ a; 8- bơm ch ân không
Hình 2.49 Hệ thống các thiết bị sử dụng trong kỹ thuật bốc hơi tuần hoàn
Theo sơ đồ, sữa từ bồn (1) sẽ được bơm (2) đưa vào ngăn (3) và (4) trong th iết bị gia nhiệt dạng bảng mỏng. Sữa được đun nóng lên
Sữa "*• nguyên li
CÁC QUÁ TRINH c ơ BẢN TRONG CỒNG NGHỆ CHẾ BIẾN SỮA 137
90°c rồi đi vào buồng chân không (6) theo phương tiếp tuyến với thiết
bị. Buồng chân không (6) c ó cấu tạo tương tự như thiết bị bài khí đã
được trình bày trong mục 2.2.1. Khi đó, một phần nước sẽ được bốc hơi thoát ra ngoài để đi vào ngăn ngưng tụ (3) và (5) của th iết bị trao đổi nhiệt dạng bảng mỏng. Không khí và các cấu tử không ngưng tụ trong hơi thứ sẽ được thải bỏ ra ngoài nhờ bơm chân không (8).
Sữa cô đặc sẽ thoát ra khỏi buồng chân không,(6) theo ống tháo sản phẩm ỗ dưới đáy thiết bị Một phần sản phẩm sẽ được bơm ly tâm (7) cho hồi lưu trở lại ngăn gia nhiệt (4) để hiệu chỉnh nhiệt độ rồi quay lại buồng chân không (6). Lượng sản phẩm cần hồi luu dược tính toán theo mức độ cô đặc sữa nguyên liệu cần đật.
b) Thiết bị cô đặc bốc hơi dạng màng rơi
1 - buồng gia nhiệt sơ bộ sữ a nhờ hơi ngưng tụ 2- buồng gia nhiệt sữ a đến nhiệt độ sôi
3- buồng tách hơi thứ và sữ a cô đ ặc
Hình 2.50 Hệ thống bốc hơi một cắp dạng màng rơi
Thiết bị cô đặc bốc hơi dạng màng rơi được sử dụng rấ t phổ biến trong công nghiệp chế biến sữa. Theo nguyên lý chung, sữa được gia nhiệt sơ bộ rồi đí vào trong thiết bị (2) (H.2.50) từ phía trên và sẽ chảy xuống tạo một lớp màng mỏng bao lấy bề m ặt truyền nhiệt. Bề
138 PHẨN 2
m ặt truyền nhiệt là thân các ống hình trụ đứng được đặt trong thiết bị bốc hơi hoặc là những tấm bảng mỏng được đặt sát lại với nhau. Để tiế t kiệm năng lượng, hơi gia nhiệt từ buồng (2) sẽ đi vào buồng (1) ngưng tụ để gia nhiệt sơ bộ cho sữa. Sữa được đun sôi trong buồng (2) sẽ đi vào buồng (3) tách hơi thứ. Sữa cô đặc thoát ra ngoài theo
cửa đáy th iết bị (3). .
Thiết bị cô đặc bốc hơi dạng hình trụ
1- đầu phân phối sữa nguyên liệu 2- tấm phân phối
3- hơi gia nhiệt
4- các Ống đổng trục tạo màng rơi 5- bộ phận tạo dòng chảy màng theo
thân các ống hlnh trụ 6- hơi thứ
7- các Ống gia nhiệt
H ìn h 2.51 Cấu tạo phần trên của thiết bị bốc hơi dạng ổng
Thiết bị có dạng hình trụ đứng. Bên trong thiết bị, phía trên là đầu phun (1) và các bộ phận phân phối (2), (4) và (5) để tạo nên những dòng sữa chảy màng. Sữa qua các bộ phân phối sẽ đi vào trong các Ống gia nhiệt (7) rồi chảy xuống dạng màng rơi, bao quanh thân trong các ống. Bên ngoài ống là tác nhân gia nhiệt (3) được đưa vào thiết bị để đun nóng sữa. Một phần nước trong sữa sẽ được bốc hơi trong ống (7) và chúng có chức năng ép đẩy dòng sữa luôn áp sát thành ống và tạo nên dòng chảy dạng màng rơi trong ống.
Thiết bị cô đặc bốc hơi dạng bảng mồng
Thiết bị cô đặc bốc hơi dạng bảng mỏng có cấu tạo tương tự như thiết bị trao đổi nhiệt bảng mỏng. Thiết bị gồm các tấm bảng
được
ghép sát vào nhau tạo nên những bề m ặt truyền nhiệt, ú n g với mỗi tấm bảng, một bên là tác nhân gia nhiệt (hơi), còn một bên là sữaCÁC QUÁ TRÌNH c ơ BẢN TRONG CỒNG NGHỆ CHẾ BIẾN SỮA 139
nguyên liệu. Hình 2.52 cho ta một ví dụ về cách bố trí dòng chảy của hơi và sữa. Phần hơi sau quá trình gia nhiệt sẽ được ngưng tụ rồi thoát ra ngoài. Hỗn hợp sữa cô đặc và hơi thứ thoát ra khỏi thiết bị sẽ đi váo bộ phận tách hơi thứ.
1- Ống phân phối sả n phẩm với đẩu phun; 2- buồng tách hơi thứ và sả n phẩm
H ìn h 2.52 Sơ đồ hoạt động thiết bị bốc hơi dạng bảng mỏng H ệ th ố n g bốc hơi n h iề u cấp
Thực tế hiện nay, hệ thông cô đặc bốc hơi có thể lên đến 7 cấp. Sô' cấp càng nhiều thì hiệu quả của việc tiết kiệm năng lượng sẽ càng lớn. Hệ cùng chiều (H.2.53a), tức hướng chuyển động của dòng nguyên liệu và dòng tác nhân gia nhiệt cùng chiều nhau được sử dụng phổ biến nhất.
140 PHẨN 2 nguyên liệu a) I p " 1 p Hơi Sữa Hơi thứ
her
Sữa cô đặc Hơi Sữa nguyên liệu _ L c) Hơi thứH
Sữa cô đặcH ìn h 2.53 Phân loại hệ thống cô đặc bốc hơi nhiều cấp theo hướng dòng nguyên liệu và tác nhân gia nhiệt
a) Hệ cùng chiều; b) Hệ ngược chiều; c) Hệ song song; d.) Hệ hỗn hợp
Trong công nghiệp chế biến sữa, để tiế t kiệm năng lượng, người ta sử dụng máy nén nhiệt (thermocompressor) để trộn một phần hơi
CÁC QUÁ TRÌNH c ơ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN SỮA 141 thứ thoát ra từ cấp cuối cùng với hơi nhiên liệu áp suất cao (xấp xỉ 10
bar) để làm tăng động năng. Hỗn hợp hơi thứ và hơi nhiên liệu sẽ
được nén đến áp suất cao. Hơi thoát ra từ máy nén nhiệt có thể sử dụng làm tác nhân gia nhiệt cho thiết bị bốc hofi cấp đầu tiên trong hệ thống cô đặc.
Ngoài việc sử dụng máy nén nhiệt, các nhà sản xuất có thể sử dụng hệ thông cơ nén hơi (mechanical vapour compression system) để tiết kiệm năng lượng trong quá trình cô đặc sữa. Khi đó, toàn bộ hơi thứ thoát ra từ th iết bị cô đặc sẽ được thu hồi và nén đến giá trị áp suất cao trong máy nén cơ, sau đó được sử dụng tiếp như là nguồn hơi nhiên liệu tại nhà máy. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là tiết kiệm chi phí cho phần nước lạnh để ngưng tụ hơi thứ. Tuy nhiên, giá thành của hệ thống cơ nén hơi đắt hơn nhiều so với máy nén nhiệt.
Hiện nay, thiết bị cô đặc tại các nhà máy sữa thường hoạt động theo phương pháp liên tục. Sau 20 giờ vận hành, các nhà sản xuất cần dừng quá trình cô đặc lại để vệ sinh thiết bị nhằm mục đích hạn chế sự nhiễm vi sinh vặt vào sản phậm và cải thiện tốc độ truyền nhiệt do tách bỏ lớp cặn bám trên bề m ặt trao đổi nhiệt.
100 •
c= 11 14 20 23 28 34 45
H ìn h 2.54 Hệ thống cô đặc bốc hơi 7 cấp có sử dụng máy nén nhiệt A: lượng hơi hoặc hơi thứ (kg); B: nhiệt độ sôi của sữa (°C); C: Nồng
142 PHẨN 2
H ình 2.54 giới thiệu m ột hệ thống cô đặc bốc hơi 7 Gấp được sử
dụng trong công nghiệp chế biến sữa. Người ta dùng máy nén nhiệt để tiế t kiệm năng lượng trong quá trình cô đặc sữa. Các thông số công nghệ cũng được trình bày trên hình 2.54. Từ 1625 kg sữa nguyên liệu với hàm lượng chất khô là 9%, người ta sẽ thu nhận được 325 kg sữa cô đặc với hàm lượng chất khô là 45%.
2.2.3 QUÁ TRÌNH SẤY PHUN
ỉ) Cơ sở k h o a học củ a quá tr ìn h sấy p h u n
Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu dưới tác dụng của nhiệt. Trong quá trình sấy, nước được tách ra khỏi vật liệu nhờ
sự khuếch tán do:' I
- Chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt và bên trong vật liệu.
- Chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề m ặt vật liệu và môi trường xụng quanh.
Quá trình sấy phun có một số điểm khác biệt hơn so với các quá trình sấy khác. Mẫu nguyên liệu đưa vào sấy phun có dạng lỏng, còn sản phẩm thu được sau khi sấy có dạng bột. Thực chất, mẫu nguyên liệu khi vào thiết bị sấy sẽ được phân tán thành những hạt nhỏ li ti trong buồng sấy. Chúng được tiếp xúc với tác nhân sấy. Kết quả là hơi nước được bốc đí nhanh chóng. Các h ạ t sản phạrn được tách ra khỏi tác nhân sấy nhờ một hệ thống thu hồi riêng.
Quá trình sấy phun có những ưu điểm sau:
- Thời gian tiếp xúc giữa các h ạt lỏng và tác nhân sấy trong thiết bị rấ t ngắn, do đó nhiệt độ của mẫu nguyên liệu đem sấy không bị tăng quá cao. Nhờ đó, sự tổn th ất các hợp chất dinh dưỡng mẫn cảm với nhiệt độ có trong mẫu là không đậng kể.
- Sản phẩm sấy phun thu được là những hạt có hình dạng và kích thước tương đối đồng nhất. Tỷ lệ khối lượng giữa các cấu tử không bay hơi trong h ạt sản phẩm tương tự như trong mẫu lỏng ban đầu.
- Thiết bị sấy phun trong thưc tế sản xuất thường có năng suất cao và làm việc theo nguyên tắc liên tục. Điều này góp phần làm hiện dại hóa các quy trình sản xuất công nghiệp.
Tuy nhiên, quá trình sấy phun cũng có một số nhược điểm:
- Không th ể sử dụng cho những mẫu nguyên liệu có độ nhớt quá cao hoặc sản phẩm thu được yêu cầu có tỷ trọng cao.
CÁC QUÁ TRÌNH c ơ BẢN TRONG CỒNG NGHỆ CHẾ BIẾN SỮA 143 - Mỗi thiết bị sấy phun thường được th iết kế để sản xuất một số sản phẩm với những tính chất và chỉ tiêu đặc thù riêng. Ví dụ như th iết bị chuyên dùng để sản xuất dạng bột mịn (kích thước h ạt nhỏ) không thể sử dụng để sản xuất sản phẩm dạng bột thô (kích thước h ạ t lớn).
- Vốn đầu tư thiết bị sấy phun khá lớn khi ta so sánh với các thiết bị sấy liên tục khác.
Quá trình sấy phun bao gồm ba giai đoạn cơ bản sau:
- Giai đoạn phân tán dòng nhập liệu thành những h ạ t sương nhỏ li ti (giai đoạn phun sương - atomization).
- Giai đoạn trộn mẫu cần sấy và không khí nóng, khi đó sẽ xảy
ra quá trình bốc hơi nước trong mẫu.
- Giai đoạn thu hồi sản phẩm sau khi sấy từ dòng khí thoát.
2i) T h iế t bị sấy p h u n
Hệ thống sấy phun gồm có các bộ phận chính là buồng sấy, cơ cấu phun, caloriphe dể cấp nhiệt cho tác nhân sấy, hệ thống quạt hút và hệ thống thu hồi sản phẩm.
1 - buồng sấy; 2-caloriphe; 3- thiết bị chứa nguyên liệu cần sấy; 3a- thiết bị lọc nguyôn liộu 4- bơm nhập liệu;' 5- cơ cấu phun mẫu; 6- cyclon thu hồi sả n phẩm từ khf thoát
7- cyclon vận chuyển sả n phẩm; 8- hệ thống quạt hút và m àng lọc
144 PHẨN 2
a) Cơ cấu phun
Cơ cấu phun có chức năng đưa nguyên liệu (dạng lỏng) vào buồng sây dưới dạng h ạ t mịn (sương mù). Quá trìn h tạo sương mù sẽ quyết định kích thước các giọt lỏng và sự phân bô" của chúng trong buồng sấy, do đó sẽ ảnh hưdng đến giá trị bề m ặ t truyền n h iệt và tốc độ sấy. Đây là quá trìn h quan trọng n h ấ t trong kỹ th u ật sấy phun.
Hiện hay có ba dạng cơ cấu phun sương: đầu phun áp lực {pressure
nozzle), đầu phun ly tâm (centrifugal/rotary atomizer) và đầu phun khí
động (pneumatic nozzle).
Cơ c ấ u p h u n á p lực còn đựợc gọi là cơ cấu phun một dòng {single fluid nozzle).
Nguyên tắc hoạt động: Mẫu
nguyên liệu sẽ được nén vào đầu phuii bằng một bơm cao áp. Áp lực có thể lên đến 5-Ỉ-7MPa. Tiếp theo, mẫu sẽ thoát ra khỏi một lỗ phun có dạng hình nón với đường kính 0,4*4mm. Góc phun có thể dao động từ 40-5-140°.
Ưu điểm đáng chú ý nhất của đầu phun áp lực là chi phí năng lượng thấp. Tuy nhiên, đầu phun áp lực dễ bị tắc nghẽn và không thể sử dụng cho các mẫu dạng huyền phù với pha phân tán chiếm tỉ lệ cao. Theo Mujumdar A. s (1995), năng suất thiết kế các đầu phun áp lực thường không cao (không lớn hơn 100lítlgiờ\ do đó
để tăng năng suất hoạt động của thiết H ìn h 2.56 Cơ cấu
bị sấy phun, người ta thường bố trí hệ phun mọt dong
CÁC QUÁ TRÌNH c ơ BẢN TRONG CỒNG NGHÊ CHẾ BIẾN SỮA 145
H ìn h 2.57 Buồng sấy với nhiều đầu phun áp lực Cơ c ấ u p h u n ly tâ m
a) b)
H ìn h 2.58 Cơ cấu phun ly tâm
a) Rãnh thoát hình tròn; b) Rãnh thoát hình chữ nhật c) Rãnh thoát hình oval
Nguyên lý hoạt động: đầu phun ly tâm có cấu tạo dạng dĩa.
Mẫu nguyên liệu sẽ được bơm vào tâm của đĩa. Người ta sử dụng khí nén đe làm quay đĩa. Do tác động quay của đĩa và sự thoát ra của khí nén, mẫu nguyên liệu sẽ di chuyển về phía thành đĩa, va đập vào các rãn h trên dĩa và được phân tá n thành các h ạ t sương nhỏ li ti. Góc phun ra là 180° nên các h ạt lỏng sẽ chuyển động ngang đập vào th àn h buồng sấy. Khi đó, chúng bị thay đổi phương đột ngột và tạo nên một hỗn hợp sương bụi xoáy rối di chuyển xuống phía đáy buồng sấy.
146 PHẨN 2
Thông thường, tốc độ quay của đĩa dao động trong khoảng 10.000*30.000 vòng/phút.
Đĩa quay được thiết kế với nhiều rãnh nhỏ xung quanh. Các rãn h này có hình dạng và kích thước khác nhau phụ thuộc vào tính chất của sản phẩm và năng suất hoạt động của thiết bị. Thông thường, các rãnh có hình tròn, chữ nhật hoặc oval.
■>, Ưu điểm chính của cơ cấu phun ly tâm là có th ể tạo ra được các h ạ t sản phẩm với độ đồng nhất cao. Mặt khác, đầu phun ly tâm ít bị tắc nghẽn khi mẫu sấy có dạng huyền phù mịn. Chúng cũng có thể sử dụng cho những mẫu có độ nhớt cao. Năng suất hoạt động của đầu phun ly tâm có th ể lên đến 200 tấn/giờ. Tuy nhiên, do góc phuri là 180°, các buồng sấy thường được thiết kế với đừờng kính khá lớn.
Theo Walstra và cộng sự (1999) thì các hạt lỏng được tạo ra từ cơ cấu phun, ly tâm phải chuyển động theo phương nằm ngang trong thiết bị sấy phun với quãng đường có chiều dài không thấp hơn 104 lần so với đường kính của chúng. Ngoài ra, cần lưu ý là các h ạt sữa bột thu được từ quá trình sấy phun sử dụng cơ cấu phun ly tâm thựờng chứa rất nhiều bọt khí khi so sánh với các loại cơ cấu phun khác.
Cơ c ấ u p h u n bằng, k h í động, còn được gọi là cơ cấu phun haỉ
dòng (two fluid nozzle).
Nguyên lý hoạt động: Mẫu
nguyên liệu được bơm vào đầu phun theo ống trung tâm. Tác nhân sấy sẽ theo Ống ở phần biên đầu phun đi vào buồng sấy. Hỗn hợp sẽ được phân tán dưới dạng sừơng mủ trong buồng sấy. Trong trường hợp này, góc phun dao động từ 20*60° phụ thuộc vào cấu tạo của đầu phun.
Ưu điểm của cơ cấu phun bằng khí động là có thể sử dụng cho các mẫu dạng huyền phù hoặc mẫu có độ nhớt cao. Năng suất hoạt động của đầu phun bằng khí động có th ể lên đến lOOO&ể nguyên liệu/giờ. Tuy nhiên, đầu phun khí động tiêu tốn nhiều năng lượng.
Hình 2.59 Cơ cấu phun
CÁC QUÁ TRÌNH c ơ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ CHÊ'BIẾN SỮA 147 Theo Mujumdar A.
s (1995), để phun 1 kg nguyên liệu trung bình cần
0,5rti3 khí nén. Dạng đầu phun này ít được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm.B ả n g 2.9 So sánh tiêu hao năng lượng của ba cơ cấu phun
Cti cấu phun
Nãng lượng tiêu hao chp quá trinh phun sưđng vđl công suất:
250 (kg/h) 500 (kg/h) 1000 (kglh) 2000 (kglh)
Áp lực (3 -5M Pẩ) 0,4 1,6 2,5 4,0 Khi động (áp lực khí 0,3/WPa, lưu
lượng theo trọng khối 0,5*O firr?!kg)
10,0 20,0 40,0 80,0
Ly tâm 8,0 15,0 25,0 30,0
b) B u ồ n g 8ốy
Buồng sấy là nơi H(m)
hòa trộn mẫu sấy (dạng 10*
sương mù) và tác nhân sấy (không khí nóng). Buồng sấy phun có thể
có nhiều hình dạng khác 1 0 1 nhau nhưng phổ biến
nhất là buồng sấy hình trụ đứng, đáy côn. Kích thước buồng sấy (chiều
cao, đường kính. ) được 10
th iết k ế phụ thuộc vào kích thước các h ạt lỏng và quỹ đạo chuyển động
của chúng, tức phụ thuộc 1 0 -1
vào loại cơ câu phun 10'2 101 10°
sương sử dụng. . d(mm)
Kích thước buồng Hình 2.60 Mối quan hệ giữ a chiều cao của
ấ K • “Ă ° ì/ị ” ' buông sây (H), đường kính hạt sản phẩm (d) và sự
s y p ai u n e cac chênh lệch nhiệt độ giữa tác nhân sấy và sấn phẩm (t)
h ạt lỏng được tạo ra từ
quá trình phun sương phải được sấy khô trước khi chúng va chạm vào thành bên trong của buồng sấy. Nếu các h ạt sản phẩm có độ ẩm cạo bị va chạm vào thành buồng sấy thì chúng dễ bám dính lên thành buồng, từ dó làm tăng độ tổn th ất sản phẩm trong quá trình sấy
148 PHẨN 2
phun. Mối quan hệ giữa chiều cao của buồng sấy, đường kính h ạt sản phẩm và sự chênh lệch nhiệt dộ giữa tác nhân sấy và sản phẩm dược trìn h bày trong hình 2.60.
Dựa vào hướng chuyển động của dồng nguyên liệu và tác nhân sấy trong buồng sấy, ta có ba trường hợp sau đây:
Dòng nguyên liệu và tác nhân sấy chuyển động cùng chiều (co- current contact): Đầu phun nguyên liệu và cửa vào cho tác nhân sấy cùng
được bố trí trên đỉnh buồng sấy. Dòng nguyên liệu qua cơ cấu phun tạo sương mù cùng hòa trộn với tác nhân sấy và di chuyển xuống phía đáy buồng sấy. Cả ba loại cơ cấu phun (ly tâm, áp lực và khí động) đều có thể áp dụng trong trường hợp này. Nhiệt độ bột sản phẩm thu được sẽ thấp hơn nhiệt độ tác nhân sấy tại cửa vào buồng sấy. Trường hợp' này rất