Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản - Bài 4: Sấy khay

Nội dung text: Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản - Bài 4: Sấy khay

1. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 22 Bài 4 SẤY KHAY 4.1 Mục đích thí nghiệm Nghiên cứu quá trình sấy rau quả, từ đó xác định đường cong sấy, tốc độ sấy cũng như mối quan hệ giữa các thông số trong quá trình sấy. Ngoài ra còn khảo sát ảnh hưởng của các quá trình xử lý rau quả đến quá trình sấy và cảm quan của sản phẩm sấy. 4.2 Cơ sở lý thuyết 4.2.1 Khái niệm Sấy là quá trình làm bốc hơi nước từ vật liệu vào môi trường (thường là không khí) bằng cách cấp nhiệt cho nước trong vật liệu ẩm bay hơi. 4.2.2 Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy Đường cong sấy: là đường biểu diễn sự giảm ẩm của vật liệu sấy theo thời gian. Đường cong sấy là đường biểu diễn mối quan hệ giữa ẩm độ (căn bản khô - ký hiệu là X) theo thời gian t. X X0 X1 Xc t1 t2 t3 t Hình 4.1: Đường cong sấy Trong đó: X = Xt - Xe là ẩm độ tự do Xt là ẩm độ vật liệu tại thời điểm t Xe là ẩm độ cân bằng của vật liệu ứng với chế độ sấy X0 là ẩm độ ban đầu của vật liệu X1 là ẩm độ vật liệu ứng với bắt đầu quá trình sấy đẳng tốc Xc là ẩm độ vật liệu ứng với cuối quá trình sấy đẳng tốc Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
2. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 23 Đường cong tốc độ sấy: là đường biểu diễn tốc độ sấy hay là lượng hơi nước thoát ra khỏi vật liệu ứng với một đơn vị diện tích bề mặt vật liệu sấy trong một đơn vị thời gian. Ký hiệu là R. R 4 Rc 2 6 1 5 3 0 Xc X1 X0 X Hình 4.2: Đường cong tốc độ sấy Ghi chú: 1 & 2: vật liệu xốp mao dẫn có bề mặt bốc hơi lớn (giấy, da, ) 3: vật liệu xốp - mao dẫn có bề mặt bốc hơi nhỏ (gốm, ) 4, 5 & 6: vật liệu xốp - mao dẫn - thể keo (bắp, bánh mì, ) Đường cong tốc độ sấy có thể vẽ bằng hai phương pháp: 'X ƒ Phương pháp 1: Xem gần đúng độ dốc bằng (hình 4.3) 't Xác định độ giảm ẩm 'X theo thời gian 't. Từ đó tính tốc độ sấy và vẽ tốc độ sấy R theo ẩm độ X. L 'X Tốc độ sấy R  s (4.1) A 't 'X 2 Với R: tốc độ sấy (kg H20/m h) Ls: khối lượng vật liệu khô (kg) 't A: diện tích bề mặt vật liệu tiếp xúc khí sấy (m2)HHình 4.3 ƒ Phương pháp 2: (hình 4.4) 'X1 'X 1  'X 2 'X2 'X Bình quân độ dốc 2 't 't 't Hình 4.4 Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
3. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 24 4.2.3 Xác định thời gian sấy ở các giai đoạn và thời gian sấy đến độ ẩm cần thiết Quá trình sấy đến độ ẩm không đổi thường trải qua lần lượt 3 giai đoạn sau: Giai đoạn hâm nóng: trong giai đoạn này, ẩm bay hơi không nhiều do đó hàm ẩm của vật liệu thay đổi rất chậm và chỉ xảy ra trong thời gian ngắn. Giai đoạn sấy đẳng tốc: trong giai đoạn này ẩm trong vật liệu còn nhiều nên có thể xem ẩm bốc hơi từ mặt thoáng và hàm ẩm của vật liệu thay đổi tuyến tính theo thời gian hay tốc độ sấy không đổi nên được gọi là giai đoạn sấy đẳng tốc. Xác định thời gian sấy đẳng tốc: - Bằng thực nghiệm: xác định trên đồ thị đường cong tốc độ sấy theo thời gian. - Dùng công thức tính: t X 2 L 1 dX R t dt s c ³³A R (4.2) t1 X 2 Rc Vì tốc độ sấy không đổi nên thời gian sấy để giảm ẩm từ X1 đến X2 bất kì là (hình 4.5): Ls R Rc const Ÿ t1 (X 1  X 2 ) ARc 0 X2 X1 Xc X2 X1Xb X Khi X1 = Xb và X2 = Xc ta có tổng thời gian sấy đẳng tốc là tc. Hình 4.5 Giai đoạn sấy giảm tốc: trong giai đoạn này tốc độ sấy ngày càng giảm đến khi vật liệu đạt đến độ ẩm cân bằng thì tốc độ sấy bằng 0, quá trình sấy kết thúc. Tốc độ sấy trong giai đoạn này thay đổi theo các qui luật khác nhau tùy thuộc tính chất và cấu trúc vật liệu sấy. Xác định thời gian sấy trong giai đoạn sấy giảm tốc: t2 L X1 dX t dt s e ³³A R (4.3) t1 X 2 Khi X1 = Xc ta có tổng thời gian sấy giảm tốc là te (hình 4.5). 1 Vẽ theo X, từ đó tính diện tích Se bên dưới đường cong R 2 2 X R (kg/m h) 1/R Se (m ) Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
4. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 25 Ls Ÿ t S . So sánh với thời gian sấy giảm tốc xác định trên đường cong tốc độ sấy. e A e 4.3 Cấu tạo máy sấy 4.3.1 Cấu tạo (6) Xem hình 4.6 (1) (4) (2) (3) (5) Hình 4.6: Máy sấy khay: Động cơ (1); Quạt gió (2); Bộ điều khiển nhiệt độ (3); Caloriphe (4); Buồng sấy (5); Khay sấy (6) 4.3.2 Nguyên tắc hoạt động Cấp điện cho động cơ hoạt động làm quay quạt gió hút không khí từ môi trường ngoài vào caloriphe để cấp nhiệt cho không khí. Không khí đi qua các bề mặt truyền nhiệt của caloriphe thì nóng lên đạt nhiệt độ cài đặt cho máy sấy và không khí sấy được ổn định ở nhiệt độ cài đặt nhờ bộ ổn nhiệt. Dòng không khí nóng sau đó đi vào buồng sấy có chứa vật liệu ẩm trên nhiều khay sấy sắp thành chồng cách nhau khoảng cách không đổi. Khi dòng không khí nóng tiếp xúc với bề mặt vật liệu sấy thì hơi ẩm lập tức bốc lên đi vào trong dòng khí và được dòng khí vận chuyển ra ngoài máy sấy đi vào môi trường. Quạt gió lại hút dòng khí mới từ môi trường vào máy sấy và quá trình cứ thế tiếp diễn theo chu trình trên. 4.3.3 Thao tác sử dụng Bật công tắc điện của máy sấy cho động cơ hoạt động làm quay quạt gió và làm nóng caloriphe. Thiết lập nhiệt độ cho quá trình sấy. Cho máy sấy hoạt động một thời gian cho ổn định nhiệt độ sấy mới cho vật liệu sấy vào. Khi quá trình sấy kết thúc thì ngắt điện cho máy ngừng hoạt động, mở cửa buồng sấy để làm nguội khay sấy. Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
5. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 26 4.4 Phương pháp thí nghiệm 4.4.1 Vật liệu sấy Cà rốt tươi cắt lát. 4.4.2 Dụng cụ & hóa chất Nhiệt kế (bầu khô, bầu ướt) Rổ đựng vật liệu Nhiệt kế rượu Rổ làm ráo Cân 2 số lẻ Chậu ngâm Bình hút ẩm Cây nhúng (chần) Đồng hồ đo vận tốc gió Lưới đựng vật liệu sấy Máy đo màu Natri metabisunfit ( Na2S2O5 ) Dao, thớt, thước đo Axit ascorbic ( vitamin C ) 4.4.3 Cách tiến hành thí nghiệm Mỗi nhóm tiến hành sấy cà rốt đã cắt lát mỏng khoảng 2mm trong máy sấy khay. Sấy cà rốt trong trường hợp không xử lý và đã qua xử lý (nhiệt, hóa chất ). Nhiệt độ tác nhân sấy (không khí nóng) là 600C. Cà rốt không qua xử lý là cà rốt rửa sạch, làm ráo, gọt vỏ rồi cắt theo chiều ngang thành lát mỏng hình tròn dày 2mm. Sấy cà rốt cắt lát đến độ ẩm không đổi và xác định biến thiên độ ẩm của lát cắt theo thời gian. Từ đó suy ra tốc độ sấy của cà rốt cắt lát và thời gian sấy đến độ ẩm cần thiết. Cà rốt có qua xử lý nhiệt hay hóa chất cũng trải qua các giai đoạn chuẩn bị như cà rốt không qua xử lý nhưng cuối giai đoạn chuẩn bị có tiến hành xử lý nhiệt (như chần) hay xử lý hóa chất như ngâm trong dung dịch natri metabisunfit hay trong dung dịch axit ascorbic. Sau đây là hướng dẫn những cách xử lý cà rốt cắt lát: 1) Chần: là nhúng ngập cà rốt cắt lát vào trong nước nóng ở 900C trong khoảng thời gian 30 giây. Xong vớt ra rổ để ráo 5-10 phút. 2) Ngâm trong dung dịch natri metabisunfit: ngâm cà rốt cắt lát vào dung dịch Na2S2O5 0,5% trong 3 phút rồi vớt ra rổ để ráo 5-10 phút. 3) Ngâm trong dung dịch axit ascorbic: ngâm cà rốt cắt lát vào dung dịch vitamin C 1% trong 15 phút rồi vớt ra rổ để ráo 5-10 phút. Cà rốt sau khi để ráo được xếp lên lưới đưa vào khay sấy để xác định độ ẩm của lát cắt và tốc độ sấy theo thời gian. Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
6. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 27 ¾ Các bước chuẩn bị sấy: - Lấy mẫu xác định ẩm độ ban đầu bằng tủ sấy ( 750C / 24h ) - Cân mẫu trước khi cho vào tủ sấy. - Đo đường kính các lát cắt của mẫu cho vào máy sấy để xác định bề mặt bốc hơi. - Lập bảng theo dõi sự giảm khối lượng mẫu trong máy sấy theo thời gian. ¾ Giai đoạn sấy: - Bật công tắc cho máy sấy hoạt động một thời gian cho nhiệt độ khí sấy đạt ổn định 600C. - Đo nhiệt độ bầu khô và bầu ướt của không khí môi trường. - Đo nhiệt độ khí sấy vừa ra khỏi máy sấy. - Cho mẫu vào và theo dõi sự giảm khối lượng mẫu trong máy sấy theo thời gian ('t = 10 phút) cho đến khi khối lượng mẫu thay đổi không đáng kể ('m < 0.01g). Ta gọi mẫu không xử lý là mẫu đối chứng. Đối với mẫu đối chứng hay mẫu có xử lý nhớ sau khi làm ráo hay trước khi đưa vào máy sấy phải lấy 1 phần mẫu để sấy đến khối lượng không đổi để xác định độ ẩm ban đầu trước khi tiến hành quá trình sấy, phần còn lại dùng làm thí nghiệm sấy. Tiến hành làm thí nghiệm với hai nghiệm thức: A (không xử lý) và B (có xử lý) với độ lặp lại 2 lần (A1, A2 và B1, B2 ). ¾ Cách sắp xếp mẫu trong máy sấy: v’ - Chọn những lát cà rốt có đường kính gần bằng nhau và xếp trên lưới thành hàng, thành dãy như hình vẽ (hình 4.7). Lk - Mỗi nhóm đo vận tốc khí sấy tại các vị trí có dấu chéo trong khu vực sấy của mình như hình vẽ 4.8. Đó cũng chính là v vận tốc vào (v) và ra (v’) khỏi lưới sấy như hình vẽ 4.7. H ình 4.7 - Xếp lưới chứa mẫu của mỗi nhóm vào khay sấy theo thứ tự như hình vẽ: Khay 1: 1A1 1A2 2A1 2A2 x x x x xx 1B1 1B2 2B1 2B2 Khay 3: 3A1 3A2 4A1 4A2 x x x x xx 3B1 3B2 4B1 4B2 Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
7. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 28 Hình 4.8: Vị trí lưới sấy trên các khay * Ghi chú: Để so sánh màu sắc sản phẩm ta tiến hành đo màu bằng máy đo màu Minolta của Nhật. Sản phẩm sau khi sấy được cho vào bao nylon chống hút ẩm và dán lại. Khi tiến hành đo màu sản phẩm ta dàn đều sản phẩm ra hết các góc cạnh của bao nylon và lấy mẫu ở vị trí 4 góc và tâm bao đem đi đo màu. Ta đo các giá trị L, a, b của viền mẫu (không đo ở tâm) và đo ở 2 vị trí đối diện của viền. Sau đó lấy giá trị trung bình của L, a, b của sản phẩm ở từng lưới và so sánh mẫu đối chứng với mẫu có xử lý (có cùng màu sắc cơ bản không, về độ sáng ). 4.5 Báo cáo kết quả và xử lý số liệu thí nghiệm: 4.5.1 Xác định các thông số của môi trường Nhiệt độ môi trường: T0, T0w => H0, RH0, E0 Nhiệt độ khí sấy vào khay sấy: T1 => T1w, H1, RH1, E1 Nhiệt độ khí sấy ra khỏi máy sấy: T2 => H2, RH2, E2 Vẽ chu kỳ sấy trên giản đồ trắc ẩm: Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
8. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 29 2 01 T0wT 1wT0 T2 T1 Hình 4.9 : Chu kì sấy trên giản đồ trắc ẩm 0: trạng thái khí môi trường 1: trạng thái khí sấy 2: trạng thái khí ra khỏi máy sấy 4.5.2 Tốc độ khí sấy Vẽ vị trí lưới, khay và vị trí đo vận tốc. Khay số: ? , bên trái hay bên phải khay ? (vị trí lưới sấy trên khay) ?A1 ?A2 x x x ?B1 ?B2 Các giá trị vận tốc vào & ra khỏi lưới sấy tại 3 vị trí đánh dấu trên khay theo thứ tự từ trái qua phải: v, v’, v” ? Tính tốc độ sấy giai đoạn đẳng tốc Rc bằng 2 phương pháp: ¾ Bằng thực nghiệm: Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
9. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 30 L 'X L dX R s  s const c A 't A dt ¾ Tính theo hệ số truyền nhiệt đối lưu: h(T  Tw ) Rc (4.4) Ow 2 Với Rc: tốc độ sấy (kgH20/m s) h: hệ số truyền nhiệt đối lưu (W/m20C) 0 T: nhiệt độ không khí sấy ( C) (=T1) 0 Tw: nhiệt độ bầu ướt của không khí sấy ( C) Ow: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở nhiệt độ bình quân của không khí sấy Tb = (T+Tw)/2 (J/kg) (tra bảng các thông số vật lý của nước và hơi nước) Hệ số truyền nhiệt đối lưu tính theo 2 cách: k.Nu * Tính theo chuẩn số Nusselt như sau: h S Với k: hệ số dẫn nhiệt của không khí tại nhiệt độ bình quân của không khí sấy Tb (W/m0C) (tra bảng phụ lục 3.5, tài liệu [1] ). S: đặc tính hình học của vật (m) S = D cho vật hình cầu đường kính D hoặc xylanh đường kính D. S = L cho vật dạng tấm dài L. Chuẩn số Nusselt phụ thuộc hình dạng vật và phương thổi của dòng khí sấy: Nu = f (Re,Pr) (4.5) Đối với vật dạng tấm dài L, khí sấy thổi song song bề mặt vật liệu ẩm thì: Nu 0,664Re0,5 Pr1/ 3 khi Re 0,7 (4.6) Nu 0,0366Re0,8 Pr1/ 3 khi Re > 3.105 và Pr > 0,7 (4.7) U Lv Trong đó Re P 3 U : khối lượng riêng khí sấy ở nhiệt độ Tb (kg/m ) (phụ lục 3.5, tài liệu [1] ) Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
10. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 31 2 P : độ nhớt khí sấy tại nhiệt độ Tb (Pa.s hay N.s/m ) (phụ lục 3.5, tài liệu [1] ) v : vận tốc trung bình của khí sấy (m/s) Pr = Q / a : chuẩn số Prandlt tra ở phụ lục 3.5 ở nhiệt độ Tb Ghi chú: Tính Rc theo đặc tính hình học của vật S = D (bình quân đường kính lát) và so sánh với thực nghiệm. Tính Re theo v (trung bình vận tốc vào và ra khỏi lưới). Nu½ Re½ ° h ½ Tóm lại: Tb , U, P, v Ÿ ¾ Ÿ k ¾ Ÿ ¾ Ÿ Rc Pr ¿ ° Ow ¿ D ¿ 20 2 D (m) v (m/s) Re Nu h (W/m C) Rc (kg/m h) ( Chú ý đơn vị của Rc ) với D = 6(Di.ni)/ 6ni * Tính theo công thức thực nghiệm: Trong thực tế, vật liệu sấy thường không có hình dạng nhất định nên người ta thường dùng các công thức thực nghiệm để tính hệ số truyền nhiệt đối lưu khi nhiệt độ sấy trong khỏang 45 y 1500C. Đối với dòng khí vận tốc v = 0,61 y 7,6 m/s thổi song song với bề mặt vật liệu thì h = 0,0204.G0,8, trong đó G = 3600Uv (kg không khí/m2h) . Tóm lại: Tb , U, v Ÿ G Ÿ h, Rc 3 2 20 2 U (kg/m ) v (m/s) G (kg /m h) h (W/m C) Rc (kg/m h) ( Chú ý đơn vị của Rc ) 4.5.3 Bảng số liệu Bảng số liệu thu được từ thí nghiệm: * Cà rốt không xử lý: ¾ Nghiệm thức A1: Ký hiệu khối lượng: Lưới lớn (Lu), lưới nhỏ (Ln), mẫu trước khi sấy (L’0), mẫu sau khi sấy (L’1) Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
11. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 32 Lu(?) (kg) Ln(?) (kg) Ln + L’0 (kg) Ln + L’1 (kg) Dấu (?): ghi số thứ tự của lưới (lưới số mấy) t (min) t (h) Lu+L (kg) D (m) S (m2) n (lát) A (m2) 0 10 20 Với L: khối lượng vật liệu (ướt) , D: đường kính lát cắt, S: diện tích một bề mặt lát cắt, A: diện tích bề mặt bốc hơi của tất cả lát cắt có cùng đường kính, M: độ ẩm căn bản ướt, X: độ ẩm căn bản khô. ¾ Nghiệm thức A2: trình bày giống nghiệm thức trên * Cà rốt có xử lý (xử lý bằng gì ? ) ¾ Nghiệm thức B1: trình bày giống các nghiệm thức trên ¾ Nghiệm thức B2: trình bày giống các nghiệm thức trên 4.5.4 Xử lý số liệu Đối với mỗi nghiệm thức: t (h) L (kg) 'L (kg) M (%) X = Xt - Xe 'X R 'X1 'X2 'Xtb Rtb 0 L0 M0 X0 - Xe Tính X0: ẩm độ ban đầu của vật liệu (Ln  L'0 )  (Ln  L'1 ) M 0 M 0 Ÿ X 0 (Ln  L'0 )  Ln 1 M 0 Tính Ls: khối lượng chất khô của vật liệu Ls L0 (1 M 0 ) Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
12. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 33 Tính Xe: ẩm độ liên kết của vật liệu (tại thời điểm cân bằng của quá trình sấy trong máy sấy) (tính theo phương trình hút ẩm đẳng nhiệt hay xác định tại thời điểm khối lượng không đổi) Le  Ls M e M e Ÿ X e X Le 1 M e 'X 1 X 1  X 2 X1 ' X 2  X 3 'X 2 X 2  X 2 (t2  t1 ) X’2 t3  t2 X2 'X  'X 'X 1 2 X3 tb 2 L 'X R s . A 't t1 t2 t3 t 4.5.5 Đồ thị ¾ Xác định đường đặc tính sấy (đường cong sấy) và đường cong tốc độ sấy. ¾ Tính thời gian để giảm độ ẩm vật liệu sấy từ X1 xuống X2 trong các giai đoạn sấy đẳng tốc và giảm tốc: dựa vào đồ thị và tính toán - Tính thời gian để sấy vật liệu từ độ ẩm 85% xuống 80% (căn bản ướt). - Tính thời gian để sấy vật liệu từ độ ẩm 45% xuống 40% (căn bản ướt). - Tính thời gian để sấy vật liệu từ độ ẩm 5,5 xuống 5 (căn bản khô). - Tính thời gian để sấy vật liệu từ độ ẩm 1,5 xuống 1 (căn bản khô). * Cách xác định thời gian sấy giai đoạn giảm tốc: X i  X i1 1 Vẽ Ri theo X , sau đó vẽ đồ thị theo X . 2 R 4.5.6 Đo màu Mẫu không xử lý: Thông số đo Giá trị trung bình L a b Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
13. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 34 Mẫu có xử lý: Thông số đo Giá trị trung bình L a b 4.6 Thảo luận: Nhận xét đồ thị. Bàn luận kết quả thí nghiệm (phân tích, so sánh với lý thuyết, giải thích nguyên nhân gây sự khác biệt so với lý thuyết, rút ra nhận xét, quy luật ). So sánh Rc giữa lý thuyết và thực nghiệm, giữa các phương pháp xử lý. Từ màu sắc và kết quả độ ẩm, tốc độ sấy thu được ta tiến hành so sánh cà rốt cắt lát không qua xử lý với cà rốt cắt lát có qua xử lý và cho biết quá trình xử lý nhiệt hay hóa chất có ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm sấy (cảm quan, độ ẩm ) không? - Cảm quan màu sắc, hình dạng (độ co, giảm đường kính), mùi sản phẩm sấy. - So sánh ẩm độ tại cùng thời điểm. 4.7 Yêu cầu viết bài báo cáo: Bài báo cáo trình bày theo các mục sau: + Tóm tắt lý thuyết + Phương pháp tiến hành thí nghiệm + Báo cáo kết quả & xử lý số liệu thí nghiệm + Thảo luận Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL