1. Mục Tiêu

Sau khi hoàn thành chương này, người học có thể:

• Trình bày được nguyên lý truyền nhiệt và truyền chất độc đáo trong môi trường nhiệt độ thấp hoặc áp suất thấp của công nghệ sấy lạnh.

• Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, và phạm vi ứng dụng của các hệ thống sấy lạnh tiêu biểu: Sấy Bơm nhiệt, Sấy Chân không, và Sấy Thăng hoa.

2. Nội Dung Chương

2.1. Khái niệm và Phân loại

Sấy Lạnh (Cold Drying) là quá trình loại bỏ ẩm ra khỏi vật liệu ở dải nhiệt độ thấp (thường từ $10^\circ\text{C}$ đến $50^\circ\text{C}$) hoặc ở điều kiện áp suất rất thấp.

• Mục đích chính: Bảo toàn các đặc tính vật lý (màu sắc, hình dạng), hóa học (dinh dưỡng, hoạt chất) và cảm quan (mùi, vị) của vật liệu, đặc biệt là các vật liệu nhạy cảm nhiệt (thực phẩm, dược liệu, enzyme).

Phân loại:

1. Sấy Lạnh bằng Không khí (Heat Pump Drying): Sử dụng hệ thống bơm nhiệt để tạo ra không khí có nhiệt độ thấp và độ ẩm tương đối cực thấp (độ ẩm tuyệt đối thấp).

2. Sấy Lạnh bằng Áp suất thấp (Vacuum/Freeze Drying): Sấy trong môi trường chân không, dựa trên nguyên lý giảm nhiệt độ sôi hoặc thăng hoa của nước.

Quá trình Truyền nhiệt và Truyền chất trong Sấy Lạnh

Do nhiệt độ thấp, động lực truyền nhiệt (chênh lệch nhiệt độ $\Delta t$) không cao. Do đó, phải tạo ra động lực truyền chất (chênh lệch hàm ẩm $\Delta d$ hoặc chênh lệch áp suất hơi $\Delta P_v$) lớn để đảm bảo tốc độ sấy:

• Trong Sấy Bơm nhiệt: Tác nhân sấy có độ ẩm tuyệt đối ($d$) rất thấp (thường thấp hơn $10 \text{ g/kg}$) để tạo động lực truyền ẩm lớn.

• Trong Sấy Chân không/Thăng hoa: Áp suất môi trường cực kỳ thấp giúp nước bay hơi mạnh mẽ (sôi ở nhiệt độ thấp) hoặc chuyển thẳng từ đá sang hơi (thăng hoa).

2.2. Hệ thống Sấy Lạnh Sử dụng Bơm Nhiệt (Heat Pump Dryer - HPD)

• Cấu tạo: Là một hệ thống kín bao gồm: Buồng sấy, Quạt, và một Chu trình lạnh (Bơm nhiệt) với:

  • Dàn Bay hơi (Evaporator - Lạnh): Lắp sau buồng sấy, có chức năng làm lạnh và khử ẩm không khí.

  • Dàn Ngưng tụ (Condenser - Nóng): Lắp trước buồng sấy, có chức năng gia nhiệt không khí đã được làm khô.


Getty Images

• Nguyên lý làm việc:

  1. Không khí nóng và khô (sau dàn ngưng) đi vào buồng sấy, lấy ẩm từ vật liệu ($\uparrow d, \downarrow t$).

  2. Không khí ẩm đi qua Dàn Bay hơi: Bị làm lạnh dưới nhiệt độ đọng sương, hơi nước ngưng tụ thành lỏng và bị loại bỏ ($\downarrow d$).

  3. Không khí khô lạnh đi qua Dàn Ngưng tụ: Nhận lại nhiệt từ quá trình ngưng tụ của môi chất lạnh (thu hồi nhiệt ẩn), được gia nhiệt nhẹ đến nhiệt độ sấy ($\uparrow t$).

  4. Chu trình lặp lại.

• Ưu điểm: Hiệu suất năng lượng cao (thường $\text{COP} > 2$), bảo toàn chất lượng sản phẩm tốt.

2.3. Hệ thống Sấy Chân không (Vacuum Dryers)

• Cấu tạo: Buồng sấy kín chịu áp lực, máy bơm chân không, và các tấm gia nhiệt (dùng nước nóng hoặc hơi).

• Nguyên lý làm việc:

  1. Vật liệu được đặt vào buồng.

  2. Máy bơm hút không khí ra ngoài, giảm áp suất buồng sấy xuống mức thấp (ví dụ: $0.05 \text{ bar}$).

  3. Ở áp suất thấp, điểm sôi của nước giảm xuống nhiệt độ thấp (ví dụ: $33^\circ\text{C}$). Nước trong vật liệu sôi và bay hơi nhanh chóng ngay cả khi nhiệt độ vật liệu thấp.

  4. Nhiệt được cung cấp liên tục qua các tấm gia nhiệt (dẫn nhiệt) để bù vào nhiệt ẩn hóa hơi.

• Ứng dụng: Vật liệu nhạy cảm nhiệt độ cao và có độ ẩm thấp (dược phẩm, hóa chất).

2.4. Hệ thống Sấy Thăng hoa (Freeze Dryers - Lyophilization)

• Khái niệm: Là một dạng sấy chân không đặc biệt, dựa trên nguyên lý thăng hoa (Sublimation) - chuyển trực tiếp từ thể rắn (băng) sang thể khí (hơi) mà không qua thể lỏng.

• Cấu tạo: Buồng sấy chân không, máy bơm chân không (áp suất cực thấp, ví dụ: $0.001 \text{ bar}$), thiết bị làm lạnh vật liệu và Dàn Ngưng tụ Hơi nước (Condenser).


Shutterstock

• Nguyên lý làm việc:

  1. Đông lạnh: Vật liệu được cấp đông hoàn toàn (dưới $-20^\circ\text{C}$).

  2. Sơ cấp (Thăng hoa): Thiết lập chân không cực cao và gia nhiệt nhẹ. Băng thăng hoa thành hơi nước, hơi nước được hút ra và ngưng tụ lại thành băng trên Dàn Ngưng tụ Hơi nước.

  3. Thứ cấp (Khử ẩm): Tăng nhiệt độ và giảm áp suất thêm để loại bỏ ẩm liên kết.

• Ưu điểm: Bảo toàn cấu trúc vật liệu tuyệt đối (không bị co rút), giữ nguyên màu sắc, hương vị, độ xốp, dễ hoàn nguyên (hòa tan lại).

• Ứng dụng: Dược phẩm, vắc-xin, vi sinh vật, thực phẩm cao cấp (cà phê, trái cây sấy giòn).