Phương pháp sấy thăng hoa ( Sấy đông khô chân không)

Phương pháp sấy thăng hoa từ lâu đã được ứng dụng, phổ biến nhất là trong các ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm. Ngoài ra có nhiều lĩnh vực khác cũng ứng dụng công nghệ này, như : bao gồm sự điều chế mẫu cảm ứng nhiệt, sự nghiên cứu tiêu bản thực vật, sự ổn định các vật liệu sống như nuôi cấy vi khuẩn, lưu trữ lâu dài các mẫu HPLC, bảo quản tiêu bản động vật cho việc trưng bày tại bảo tàng, phục hồi sách và các vật liệu khác bị hư hại bởi nước, sự cô đặc và thu hồi của các sản phẩm phản ứng.

Thiết bị chuyên dụng là yêu cầu cần thiết để tạo ra các điều kiện thuận lợi cho quá trình sấy thăng hoa. Thiết bị này hiện có sẵn và có thể ứng dụng với hầu hết các vật liệu sấy từ quy mô phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp.

Đông khô là quá trình tách nước hoặc dung môi khác từ sản phẩm đông lạnh bằng quá trình thăng hoa. Sự thăng hoa xảy ra khi một chất lỏng đông lạnh ở thể rắn chuyển trực tiếp sang thể hơi mà bỏ qua pha lỏng. Ngược lại, trong quá trình sấy truyền thống ở nhiệt độ phòng từ pha lỏng thường làm thay đổi chất lượng của sản phẩm sấy, và phương pháp này chỉ có thể áp dụng được với một số vật liệu sấy dễ dàng. Tuy nhiên, trong sấy thăng hoa, vật liệu sấy không đi qua giai đoạn thể lỏng, và do đó sản phẩm sau sấy ổn định, dễ sử dụng và có tính mỹ quan cao.

Những ưu điểm của sấy thăng hoa là rõ ràng. Các sản phẩm được sấy lạnh đông đúng cách không cần phải giữ đông lạnh và có thể bảo quản được ở điều kiện nhiệt độ phòng. Do chi phí cho các thiết bị sấy thăng hoa rất lớn, nên giá sản phẩm sẽ đắt so với phương pháp sấy nhiệt thông thường. Tuy nhiên, sẽ thu được những khoản tiết kiệm khi bảo quản sản phẩm được sấy thăng hoa so với chi phí để bảo quản một sản phẩm sấy truyền thống khác không lưu giữ được ở điều kiện nhiệt độ phòng, vì vậy loại bỏ được chi phí cho quá trình bảo quản đông lạnh sản phẩm, khoản chi phí này nhiều hơn so với khoản đầu tư cho thiết bị sấy thăng hoa.


Nguyên lý hoạt động của phương pháp sấy thăng hoa

Quá trình sấy thăng hoa bao gồm ba giai đoạn: giai đoạn làm lạnh; giai đoạn sấy sơ cấp và giai đoạn sấy thứ cấp.

Giai đoạn 1 – Giai đoạn Tiền đông (prefreezing): Trong giai đoạn này,vật liệu sấy được chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí, vật liệu đông khô trước tiên phải được làm lạnh đến nhiệt độ thích hợp. Phương pháp đông lạnh và nhiệt độ cuối của sản phẩm lạnh đông có thể ảnh hưởng đến khả năng đông khô thành công của vật liệu sấy.

Sản phẩm được làm lạnh nhanh dẫn đến sự hình thành các tinh thể băng nhỏ, hữu ích cho việc bảo toàn cấu trúc của sản phẩm đã được quan sát hiển vi, nhưng lại khó hơn để thực hiện đông khô hơn. Quá trình làm lạnh chậm tạo ra các tinh thể băng lớn hơn và hạn chế ít nhất các lớp băng trong sản phẩm trong suốt quá trình sấy.

Có hai cách làm lạnh đông sản phẩm, phụ thuộc vào cấu trúc của sản phẩm sấy. Phần lớn các sản phẩm được sấy thăng hoa có thành phần chủ yếu là nước, dung môi và chất hòa tan. Hầu hết các mẫu được đông khô là những hệ eutectic – là hỗn hợp của các hợp chất đóng băng ở nhiệt độ thấp hơn so với nước bao quanh. Khi chất huyền phù ngậm nước được đông lạnh, nồng độ chất tan trong mẫu nền bị thay đổi. Tới khi, nước bị tách khỏi chất tan do bị đông thành băng, tạo ra các vùng có nồng độ chất tan lớn hơn. Những vùng này có nhiệt độ đông lạnh thấp hơn so với nước. Mặc dù một sản phẩm nhìn có vẻ bị đã bị đông lạnh khi các băng tinh thể xuất hiện, nhưng thực tế nó vẫn chưa bị đóng băng hoàn toàn cho đến khi tất cả các chất tan trong hỗn hợp bị đóng băng. Hỗn hợp các chất tan có nồng độ khác nhau trong dung môi tạo thành hệ eutectic của hỗn hợp huyền phù. Chỉ khi tất cả hỗn hợp eutectic bị đóng băng thì hỗn hợp huyền phù mới bị đóng băng thực sự. Đó được gọi là nhiệt độ eutectic.

Yếu tố quan trọng trong sấy thăng hoa là làm lạnh đông sản phẩm đến dưới nhiệt độ eutectic trước khi bắt đầu quá trình sấy. Những vùng nhỏ không đóng băng còn lại trong sản phẩm giãn ra và phá vỡ cấu trúc của sản phẩm đông khô.

Loại sản phẩm lạnh đông thứ hai là một thể huyền phù dưới dạng thủy tinh thể trong suốt quá trình lạnh đông. Thay cho việc hình thành các hệ eutectic,khi nhiệt độ hạ thấp, độ nhớt của hỗn hợp huyền phù tăng lên. Cuối cùng sản phẩm được lạnh đông tại điểm chuyển tiếp thủy tinh thể hình thành nên thủy tinh thể rắn. Kiểu sản phẩm này cực kỳ khó làm lạnh đông.

Giai đoạn 2 – Giai đoạn sấy chủ yếu (gia đoạn sấy thăng hoa): Một số yếu tố có thể gây ảnh hưởng tới khả năng đông khô một hỗn hợp huyền phù đóng băng.

Sau giai đoạn lạnh đông sản phẩm, cần thiết lập các điều kiện để tách loại băng nước khỏi sản phẩm bằng cách thăng hoa, kết quả thu được là sản phẩm khô cấu trúc được bảo toàn. Cần điều khiển chính xác 2 thông số nhiệt độ và áp suất. Tỷ lệ thăng hoa băng nước từ sản phẩm lạnh đông dựa trên sự khác biệt về áp suất hơi của sản phẩm so với áp suất hơi của bình ngưng tụ băng nước. Các phân tử di chuyển từ mẫu có áp suất cao đến vùng có áp suất thấp hơn. Vì áp suất hơi có liên quan đến nhiệt độ, nên nhiệt độ của sản phẩm phải cao hơn nhiệt độ của bẫy lạnh (hay còn gọi là bình ngưng tụ băng nước). Cần lưu ý: nhiệt độ mà tại đó một sản phẩm bị lạnh đông được cân bằng giữa nhiệt độ để duy trì tính toàn vẹn của sản phẩm lạnh đông và nhiệt độ để duy trì tối đa áp suất hơi của sản phẩm. Sự cân bằng này là yếu tố then chốt để tối ưu hóa quá trình sấy.

Một số sản phẩm ví dụ như dung dịch nước đường mía có thể trải qua những thay đổi về cấu trúc trong suốt quá trình sấy đưa đến kết quả là có một hiện tượng phá vỡ cấu trúc. Mặc dù sản phẩm bị đóng băng dưới nhiệt độ eutectic, sự ấm lên trong quá trình sấy thăng hoa có thể gây ảnh hưởng đến cấu trúc của sản phẩm lạnh đông tại nơi tiếp giáp của bề mặt sấy. Điều này dẫn đến sự phá hủy cấu trúc của sản phẩm. Để tránh sự phá hủy cấu trúc này, nhiệt độ của sản phẩm phải được duy trì dưới nhiệt độ phá vỡ cấu trúc tới hạn trong suốt giai đoạn thăng hoa. Nhiệt độ phá vỡ cấu trúc của đường mía là -32oC.

Không quan trọng hệ thống sấy thăng hoa được sử dụng là loại gì, các điều kiện phải được tạo ra để thúc đẩy các phân tử nước ra khỏi sản phẩm một cách tự do. Do vậy, một máy bơm chân không thường được sử dụng để thúc đẩy quá trình đó, có tác dụng làm giảm áp suất của môi trường xung quanh sản phẩm (tới Điểm C). Một bộ phận cần thiết khác là hệ thống ngưng tụ, là một bẫy lạnh để ngưng tụ hơi nước tách ra từ sản phẩm lạnh đông. Bẫy lạnh làm ngưng kết tất cả các hơi ngưng tụ, bao gồm các phân tử nước, và bơm chân không loại bỏ tất cả các khí không ngưng tụ.

Hệ thống bình ngưng tụ hoạt động như một ống tụ băng để thu ẩm tách ra từ sản phẩm lạnh đông

Lưu ý: áp suất hơi của sản phẩm thúc đẩy quá trình thăng hoa của các phân tử hơi nước từ bề mặt sản phẩm đông lạnh đi đến bình ngưng. Các phân tử nước có ái lực tự nhiên di chuyển đến bình ngưng vì áp suất hơi nước thấp hơn áp suất của sản phẩm. Do đó, nhiệt độ ngưng tụ (Điểm D) phải thấp hơn nhiều so với nhiệt độ của sản phẩm. Theo số liệu đã được thống kê trong Bảng 1, khi tăng nhiệt độ sản phẩm sẽ ảnh hưởng nhiều hơn đến sự chênh lệch áp suất hơi so với việc hạ thấp nhiệt độ bình ngưng.


Yếu tố quan trọng thứ ba trong hệ thống sấy thăng hoa là năng lượng. Năng lượng được cung cấp dưới dạng nhiệt. Năng lượng cần để thăng hoa một gam nước từ thể đông lạnh sang thể khí gấp 10 lần năng lượng cần để đóng băng một gam nước. Do đó, khi tất cả các điều kiện khác đã phù hợp, nhiệt lượng phải được cấp đủ cho sản phẩm để thúc đẩy quá trình loại bỏ hơi nước ra khỏi sản phẩm lạnh đông. Nhiệt lượng cần phải được kiểm soát một cách cẩn thận, bởi vì nhiệt thoát nhiều hơn so với quá trình làm lạnh bay hơi trong hệ thống có thể làm tăng nhiệt sản phẩm đến mức vượt quá nhiệt độ phá vỡ cấu trúc hoặc nhiệt độ eutectic của sản phẩm.

Nhiệt có thể được cung cấp bằng nhiều cách. Một phương pháp là cấp nhiệt trực tiếp thông qua một kệ dẫn nhiệt, được áp dụng khi dùng trong sấy khay. Phương pháp khác là sử dụng nhiệt môi trường xung quanh như trong phương pháp sấy với manifold (giá chia mẫu).

Giai đoạn 3 – Giai đoạn sấy thứ cấp (Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại): Sau khi kết thúc giai đoạn 2, và tất cả băng đã thăng hoa, tuy nhiên vẫn còn ẩm liên kết tồn tại bên trong vật sấy. Sản phẩm nhìn có vẻ khô, nhưng thực tế ẩm còn lại tương đối cao khoảng 7-8%. Giai đoạn sấy thứ cấp này tại nhiệt độ cao hơn là quá trình cần thiết để bốc hơi ẩm liên kết còn lại đạt hiệu suất tối đa nhất. Quá trình này được gọi là sự giải hấp đẳng nhiệt vì ẩm liên kết sẽ được bay hơi khỏi sản phẩm.

Giai đoạn 3 này thường được duy trì tại nhiệt độ sản phẩm cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh nhưng phải phù hợp với độ nhạy nhiệt của sản phẩm. Tất cả các điều kiện khác, như áp suất và nhiệt độ bình ngưng vẫn giữ nguyên. Bởi vì đây là quá trình giải hấp, nên áp suất chân không càng thấp càng tốt (không có áp suất cao) và nhiệt độ bình ngưng lạnh đến mức có thể đạt được. Giai đoạn 3 này thường được thực hiện trong khoảng bằng từ 1/3 đến ½ so với thời gian thăng hoa ở giai đoạn 2.