TỔNG QUÁT

Sấy thăng hoa là phương pháp loại bỏ nước đá hoặc các dung môi đông lạnh khác khỏi vật phẩm thông qua quá trình thăng hoa và loại bỏ các phân tử nước liên kết thông qua quá trình giải hấp phụ.

Việc khống chế nhiệt độ sản phẩm trong quá trình sấy thăng hoa để tránh sản phẩm thay đổi về hình dạng và đặc tính của nó. Đây là phương pháp tuyệt vời để bảo quản nhiều loại sản phẩm có hoạt chất nhạy cảm với nhiệt như protein, vi sinh vật, ứng dụng sấy các dược liệu quý, nông sản giá trị cao …

NGUYÊN LÝ

Quá trình thăng hoa là khi một chất rắn (băng) chuyển trực tiếp thành hơi mà không qua giai đoạn lỏng. Hiểu khái niệm về quá trình thăng hoa là nền tảng cơ bản quan trọng để có được kiến thức về sấy thăng hoa.

Hình ảnh giản đồ pha của nước cho thấy áp suất thấp là cần thiết để diễn ra quá trình thăng hoa, quá trình thăng hoa dựa trên sự thay đổi pha và nhiệt lượng phải được thêm vào sản phẩm để quá trình xảy ra.

Nguyên lý trong sấy thăng hoa có thể được mô tả như sau:

1. CẤP ĐÔNG – Nước tự do trong sản phẩm được đông lạnh hoàn toàn, thường được đựng trong lọ, khuôn hoặc khay.
2. HÚT CHÂN KHÔNG – Sản phẩm sau đó đặt dưới chân không sâu, thấp hơn giao điểm ba pha của nước.
3. SẤY KHÔ – Nhiệt lượng được cấp thêm vào sản phẩm loại bỏ nước liên kết tới khi đạt được độ ẩm yêu cầu.

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SẤY THĂNG HOA:

Các bước cần thiết để thăng hoa một sản phẩm theo quy trình có thể được tóm tắt như sau:

• Tiền xử lý nguyên liệu.
• Đưa sản phẩm vào khay.
• Cấp Đông (Xử lý nhiệt) ở áp suất khí quyển
• Sấy sơ cấp (Thăng hoa) trong chân không
• Sấy thứ cấp (Giải hấp phụ) trong chân không
• Đưa sản phẩm khô ra khỏi máy sấy thăng hoa.

Ngoài việc giúp bảo quản sản phẩm, việc sấy thăng hoa thành công làm tăng khả năng hoàn nguyên với mức hiệu quả có thể chấp nhận được.

Cấu trúc sản phẩm và đặc tính của sản phẩm sấy khô rất quan trọng cho nhiều ứng dụng

CÔNG THỨC SẤY THĂNG HOA

Quá trình thăng hoa trong máy sấy thăng hoa yêu cầu thiết kế một chu trình làm việc phù hợp với sản phẩm. Có nhiều bước liên quan đến quá trình thăng hoa và gia nhiệt sản phẩm như nhiệt độ tới hạn, cài đặt áp suất và thời gian gia nhiệt từng bước dựa trên đặc điểm riêng của sản phẩm, khối lượng sản phẩm và vật chứa được sử dụng nên không có công thức “an toàn” phù hợp với mọi sản phẩm.

CẤP ĐÔNG

Điều cực kỳ quan trọng là toàn bộ nước tự do trong sản phẩm phải được cấp đông hoàn toàn trước khi hút chân không và bắt đầu quá trình sấy khô. Sản phẩm chưa cấp đông hoàn toàn có thể gây ra hiện tượng nở, hay khiến sản phẩm sau cùng teo, tóp … ảnh hưởng tới cấu trúc và chất lượng sản phẩm sau khi sấy.

Nhiệt độ kết tinh – Nhiệt độ nóng chảy

Xác định nhiệt độ tới hạn (sụp đổ) của sản phẩm là một bước quan trọng trong việc thiết lập và tối ưu hóa quy trình sấy thăng hoa. Nhiệt độ tới hạn dưới xác định nhiệt độ âm tối đa mà sản phẩm có thể chịu được trong quá trình cấp đông và sấy sơ cấp để không bị biến tính. Phân tích nhiệt và Phân tích Điện trở Điện môi là một trong những phương pháp phổ biến được sử dụng để xác định nhiệt độ tới hạn của sản phẩm.

Nếu không biết nhiệt độ tới hạn trên của sản phẩm, cần phải có phương pháp thử để xác định nhiệt độ sấy ban đầu. Ban đầu có thể sử dụng một chu trình bảo toàn chậm với nhiệt độ và áp suất thấp. Nhiệt độ & áp suất sau đó có thể được tăng lên trong các chu kỳ tiếp theo cho đến khi nhìn thấy bằng chứng về sự sụp đổ (quắt, teo) hoặc tan chảy – chỉ ra rằng sản phẩm quá nóng.

Phương pháp Ủ

Một số sản phẩm kết tinh vô định hình (chẳng hạn như mannitol hoặc glycine) tạo thành một khối tinh thể rắn rất bền (kết tinh không hoàn toàn) khi lần đầu tiên đông lạnh. Những sản phẩm này có thể xử lý bằng phương pháp ủ. Trong quá trình ủ, nhiệt độ sản phẩm được điều chỉnh tùy biến theo chu kỳ (ví dụ: từ -30℃ đến -15℃ trong vài giờ rồi quay lại -30℃) để thu được nhiều hơn tinh thể kết tinh hoàn toàn. Phương pháp ủ giúp tạo khối kết tinh lớn hơn và giúp quá trình sấy khô ngắn hơn.

Dung môi hữu cơ

Việc sản phẩm sấy là dung môi hữu cơ đòi hỏi phải chú ý nhiều hơn trong quá trình thăng hoa. Cần nhiệt độ thấp hơn để đóng băng và ngưng tụ dung môi vì chúng có thể vượt qua thiết bị ngưng tụ và gây hư hỏng cho bơm chân không. Với từng sản phẩm mà thiết kế hệ thống làm lạnh cung cấp nhiệt độ thiết bị ngưng tụ để đóng băng dung môi hữu cơ.

SẤY SƠ CẤP (THĂNG HOA)

Quy trình sấy khô của sấy thăng hoa gồm hai quá trình Sấy sơ cấp và Sấy khô thứ cấp. Phần lớn nước được loại bỏ khỏi sản phẩm trong quá trình thăng hoa nhờ sự thăng hoa của tất cả các tinh thể băng tự do trong bước sấy sơ cấp.

Sấy sơ cấp (thăng hoa) là một quá trình được tiến hành ở nhiệt độ dưới nhiệt độ sụp đổ tới hạn của sản phẩm. Sự thăng hoa cần năng lượng nhiệt để thúc đẩy quá trình thay đổi pha từ chất rắn sang chất khí.

Trong máy sấy thăng hoa dạng kệ, phần lớn nhiệt được truyền vào sản phẩm thông qua dẫn nhiệt nên cần tối ưu hóa bề mặt tiếp xúc của sản phẩm (khay) với kệ. Ảnh hưởng của bức xạ cũng cần được xem xét cho mục đích kiểm soát quy trình và tính đồng nhất của sản phẩm. Trong môi trường chân không thì đối lưu gần như không xảy ra.

Nhiệt bức xạ từ buồng chứa sản phẩm sẽ làm cho sản phẩm trên phần ngoài của kệ khô nhanh hơn so với ở giữa kệ (được gọi là “hiệu ứng cạnh” trong quá trình thăng hoa).

Bởi vì sự tiếp xúc với kệ thường không nhất quán, nên sự truyền nhiệt đối lưu có thể giúp thúc đẩy quá trình sấy khô sản phẩm đồng đều hơn.

Kết thúc quá trình sấy sơ cấp khi tất cả các tinh thể băng đá tự do đã thăng hoa, sản phẩm thường nằm trong khoảng 10-15% do sự hiện diện của các phân tử nước “hấp thụ” được liên kết trong sản phẩm.

Áp suất và nhiệt độ trong quá trình sấy sơ cấp

Như đã đề cập trước đó, mỗi sản phẩm đông lạnh có một nhiệt độ tới hạn duy nhất. Cần giữ nhiệt độ sản phẩm an toàn dưới nhiệt độ tới hạn này trong quá trình sấy sơ cấp để tránh bị tóp, xẹp

Khi nhiệt độ mục tiêu của sản phẩm được xác định (thường thấp hơn vài độ so với nhiệt độ tới hạn), hai biến cần kiểm soát là nhiệt độ kệ và độ chân không của hệ thống. Trong quá trình sấy sơ cấp, áp suất hệ thống và nhiệt độ kệ được cài đặt và kiểm soát để giữ nhiệt độ sản phẩm thích hợp.

Nhiệt độ của sản phẩm được theo dõi bằng cách sử dụng cảm biến nhiệt và sau đó nhiệt độ của kệ tăng dần đến khi sản phẩm đạt đến nhiệt độ mục tiêu. Khi đạt được nhiệt độ mục tiêu của sản phẩm, nhiệt độ kệ được giữ không đổi để cân bằng quá trình sấy sơ cấp.

Hướng dẫn chung là chọn áp suất hệ thống bằng 20% đến 30% áp suất hơi của nước đá ở nhiệt độ sản phẩm mục tiêu. Khi độ chân không thấp hơn áp suất hơi của băng ở nhiệt độ sản phẩm hiện tại, quá trình thăng hoa có thể diễn ra. Thông thường, độ chân không để thăng hoa nằm trong khoảng từ 13.3 – 100 Pa với 25 – 80 Pa là phạm vi phổ biến nhất.

Với các thông số nhiệt độ và áp suất được thiết lập, quá trình sấy sơ cấp diễn ra trong một khoảng thời gian đủ để tất cả các tinh thể băng thăng hoa.

Như có thể thấy trong bảng trên, nhiệt độ và áp suất có mối quan hệ trực tiếp, nhiệt độ của băng càng thấp thì áp suất hơi bão hòa trên nó càng thấp.

Bởi vì hầu hết các máy sấy thăng hoa thương mại không thể đạt độ chân không dưới 4Pa, ở nhiệt độ sản phẩm rất lạnh (dưới -40ºC), không thể có điểm đặt áp suất hệ thống bằng 20% đến 30% áp suất hơi của nước đá. Quá trình thăng hoa diễn ra cực kỳ chậm ở những nhiệt độ sản phẩm lạnh này.

SẤY THỨ CẤP

Ngoài đá tự do đã được thăng hoa trong quá trình sấy sơ cấp, vẫn còn một lượng đáng kể các phân tử nước liên kết với sản phẩm. Đây là nước cần được loại bỏ (giải hấp phụ) trong quá trình sấy thứ cấp.

Quá trình sấy thứ cấp thực sự đã bắt đầu trong giai đoạn sơ cấp, khi ở nhiệt độ cao (thường trong khoảng 30ºC đến 60ºC), quá trình giải hấp phụ diễn ra nhanh hơn nhiều. Tốc độ sấy thứ cấp phụ thuộc vào nhiệt độ sản phẩm.

Các sản phẩm vô định hình có thể yêu cầu kiểm soát việc tăng nhiệt độ từ quá trình sấy sơ cấp sang sấy thứ cấp ở tốc độ chậm để tránh bị tóp xẹp.

Quá trình sấy thứ cấp tiếp tục cho đến khi sản phẩm có độ ẩm chấp nhận được để bảo quản lâu dài. Tùy thuộc vào ứng dụng, độ ẩm trong các sản phẩm khô hoàn toàn thường nằm trong khoảng từ 3% đến 5%.

TỐI ƯU HÓA CHU TRÌNH SẤY

Ngoài việc thiết kế một công thức sấy khô sản phẩm thành công, việc tối ưu hóa (rút ngắn) thời gian của chu trình cũng cực kỳ quan trọng, đặc biệt khi mở rộng quy mô sản xuất. Thời gian chu trình sấy có thể được giảm đáng kể bằng cách kiểm tra một số yếu tố:

Làm lạnh và ủ – tối đa hóa kích thước tinh thể và quá trình kết tinh để tăng tốc độ sấy.

Độ dày của sản phẩm – các phân tử hơi nước gặp phải lực cản khi chúng thoát ra khỏi phần khô của sản phẩm. Các mẫu mỏng hơn sẽ ít cản trở dòng hơi thoát hơn nên khô nhanh hơn.

Nhiệt độ Sụp đổ Tới hạn – đây là phần thông tin quan trọng nhất để tối ưu hóa chu trình. Khả năng chạy sấy sơ cấp ở nhiệt độ sản phẩm cao hơn giúp giảm đáng kể thời gian sấy bằng cách tạo ra chênh lệch áp suất lớn hơn giữa áp suất hơi trên băng trong sản phẩm và áp suất ở buồng ngưng. Mỗi lần tăng 1℃ nhiệt độ sản phẩm có thể giảm 13% thời gian sấy sơ cấp.

Tối ưu hóa chu trình bằng cách sử dụng thông tin nhiệt độ tới hạn yêu cầu một cách tiếp cận lặp đi lặp lại để thực hiện các phép đo nhiệt độ sản phẩm theo thời gian thực trong quá trình sấy và sau đó thực hiện các điều chỉnh tương ứng đối với các cài đặt nhiệt độ của kệ.

XEM XÉT MỞ RỘNG QUY TRÌNH SẢN XUẤT

Máy sấy thăng hoa cỡ nhỏ để thí điểm sản phẩm thường được sử dụng để phát triển quy trình tới quy mô sản xuất lớn hơn. Sự giống nhau về đặc điểm truyền nhiệt và tính đồng nhất của nhiệt độ kệ là rất quan trọng để đảm bảo rằng quy trình thăng hoa được phát triển trong phòng thí nghiệm có thể được chuyển thành công sang sản xuất.

BẢO QUẢN SẢN PHẨM SẤY

Các sản phẩm thăng hoa cực kỳ dễ hút ẩm lại nên chúng phải được đóng gói kín khí hoặc sử dụng bao bì có bơm nito sau khi sấy thăng hoa để tránh hoàn nguyên ẩm, tránh oxy và ánh sáng do tiếp xúc với không khí.

CHĂM SÓC VÀ BẢO DƯỠNG MÁY SẤY ĐÔNG LẠNH

Ngoài việc giã đông băng giàn ngưng và làm sạch hệ thống sau mỗi lần hoạt động, bảo dưỡng máy sấy thăng hoa định kỳ như thay dầu bơm chân không định kỳ và kiểm tra trực quan tất cả các vòng đệm điểm ốc …