Phun sấy là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Phun sấy (tiếng Anh: spray drying) là một quá trình kỹ thuật công nghệ được ứng dụng rộng rãi để chuyển đổi liên tục nguyên liệu đầu vào từ trạng thái lỏng, huyền phù hoặc nhũ tương sang trạng thái bột khô thông qua quá trình nguyên tử hóa dung dịch vào một môi trường khí sấy có nhiệt độ cao. Trong kỹ thuật hóa học, công nghệ thực phẩm và công nghệ dược phẩm, phun sấy là phương pháp sấy nhanh vượt trội cho phép xử lý hiệu quả các vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ, nhờ vào cơ chế bay hơi cưỡng bức cực nhanh làm giảm thiểu thời gian phơi nhiệt của các hoạt chất sinh học quý giá.

Nguyên lý nhiệt động lực học và cân bằng năng lượng

Nguyên lý cốt lõi của công nghệ phun sấy dựa trên việc gia tăng đột biến diện tích bề mặt tiếp xúc giữa pha lỏng và pha khí thông qua cơ cấu nguyên tử hóa dung dịch thành hàng triệu giọt lỏng có kích thước siêu nhỏ. Khi các giọt sương mịn này tiếp xúc trực tiếp với luồng khí nóng bên trong buồng sấy, hiện tượng truyền nhiệt đối lưu từ không khí sang bề mặt giọt và truyền khối ẩm từ tâm giọt ra môi trường bên ngoài diễn ra gần như tức thời.

Nhiệt lượng cung cấp từ luồng khí nóng được tiêu hao chủ yếu vào quá trình nâng nhiệt độ của giọt lỏng đến nhiệt độ bầu ướt và cung cấp ẩn nhiệt hóa hơi cần thiết để chuyển nước hoặc dung môi hữu cơ thành hơi. Quá trình cân bằng năng lượng truyền nhiệt truyền khối cho một giọt lỏng đơn lẻ có thể được biểu diễn qua phương trình nhiệt động học cơ bản sau:

$q = m \cdot C_p \cdot \Delta T + m_{water} \cdot L_v$

Trong đó, $q$ là năng lượng truyền cho giọt lỏng từ dòng khí nóng, $m$ là tổng khối lượng của vật liệu giọt sương, $C_p$ là nhiệt dung riêng trung bình của dung dịch nhập liệu, $\Delta T$ là độ chênh lệch nhiệt độ giữa dòng khí và bề mặt giọt, $m_{water}$ là khối lượng nước hoặc dung môi bị hóa hơi, và $L_v$ là ẩn nhiệt bay hơi của dung môi tại áp suất làm việc trong buồng sấy.

Nhờ quá trình hóa hơi mãnh liệt hấp thụ nhiệt lượng rất lớn, nhiệt độ thực tế của hạt vật liệu luôn duy trì ở mức xấp xỉ nhiệt độ bầu ướt của luồng khí trong suốt giai đoạn sấy đẳng tốc, thấp hơn rất nhiều so với nhiệt độ không khí đầu vào của buồng sấy. Đặc tính tự làm mát tự nhiên này là chìa khóa then chốt giúp các protein, enzyme, vitamin và các hợp chất chống oxy hóa không bị phân hủy hay biến tính nhiệt trong quá trình sấy.

Khung lý thuyết kỹ thuật hạt dược phẩm

Không chỉ đơn thuần là một thao tác làm khô để bảo quản, công nghệ phun sấy hiện đại đã phát triển thành một bộ môn kỹ thuật hạt chính xác cao nhằm kiểm soát hình thái, kích thước và cấu trúc vi mô của hạt bột. Nghiên cứu của Vehring công bố năm 2007 trên Pharmaceutical Research xây dựng khung lý thuyết kỹ thuật hạt dược phẩm thông qua công nghệ phun sấy. Tác giả đã thiết lập các mô hình toán học dựa trên các đại lượng không thứ nguyên, làm sáng tỏ mối quan hệ giữa tốc độ co rút bề mặt của giọt lỏng và tốc độ khuếch tán của các chất tan vào tâm giọt trong quá trình bay hơi.

Công trình của Vehring năm 2007 chỉ ra rằng việc điều chỉnh tỷ lệ bay hơi và nồng độ chất mang cho phép các kỹ sư dược phẩm chủ động thiết kế các cấu trúc hạt rỗng xốp, hạt hình cầu mịn đặc ruột hoặc hạt có bề mặt nhăn nhúm với tỷ trọng khối cực thấp. Những hạt bột có đặc tính khí động học tối ưu này là thành phần cốt lõi trong các hệ thống thuốc hít phân liều dùng điều trị các bệnh lý hô hấp mạn tính, giúp dược chất dễ dàng lắng đọng sâu vào các phế nang phổi.

Ứng dụng vi bao trong công nghệ thực phẩm

Trong lĩnh vực chế biến thực phẩm, phun sấy là công nghệ dẫn đầu trong việc vi bao các thành phần hoạt tính sinh học dễ bay hơi hoặc dễ bị oxy hóa bởi ánh sáng và độ ẩm môi trường. Nghiên cứu của Gharsallaoui và cộng sự năm 2007 trên Food Research International tổng quan toàn diện về ứng dụng kỹ thuật phun sấy trong vi bao các thành phần hoạt chất thực phẩm. Các tác giả đã tổng kết các loại chất mang bảo vệ phổ biến nhất bao gồm tinh bột biến tính, maltodextrin, gôm arabic và các protein đậu nành hoặc whey protein.

Theo Gharsallaoui và cộng sự năm 2007, cơ chế vi bao bằng phun sấy tạo ra một ma trận bảo vệ dạng thủy tinh rắn bao bọc kín các giọt dầu hương liệu hoặc hoạt chất sinh học bên trong. Ma trận này hoạt động như một rào cản vật lý ngăn chặn sự khuếch tán của khí oxy từ môi trường xung quanh, từ đó kéo dài thời hạn bảo quản của sản phẩm thực phẩm chức năng lên gấp nhiều lần so với dạng chiết xuất thô ban đầu.

Hiện tượng bám dính và chuyển dịch thủy tinh trong phun sấy thực phẩm

Một trong những thách thức kỹ thuật lớn nhất khi vận hành hệ thống phun sấy công nghiệp là hiện tượng bám dính của bột lên thành buồng sấy và sự tắc nghẽn hệ thống xyclon thu hồi, đặc biệt là khi sấy các nguyên liệu có hàm lượng đường và axit hữu cơ cao như nước ép trái cây hay mật ong. Nghiên cứu của Bhandari và cộng sự năm 1997 trên Drying Technology phân tích các hiện tượng bám dính thành buồng sấy và vai trò của nhiệt độ chuyển dịch thủy tinh trong phun sấy thực phẩm giàu đường.

Bhandari và cộng sự năm 1997 đã chứng minh rằng hiện tượng bột bị dẻo dính xuất hiện khi nhiệt độ bề mặt của hạt vượt quá nhiệt độ chuyển dịch thủy tinh của chính nó. Các loại đường đơn và đường đôi trọng lượng phân tử thấp như glucose, fructose và sucrose có nhiệt độ chuyển dịch thủy tinh rất thấp, khiến bột sau sấy dễ dàng chuyển từ trạng thái thủy tinh cứng giòn sang trạng thái dẻo quánh dạng cao su, gây bám dính dày đặc vào thành thiết bị. Để khắc phục hiện tượng này, giải pháp kỹ thuật bắt buộc là phối trộn thêm các chất trợ sấy có khối lượng phân tử cao như maltodextrin nhằm nâng cao nhiệt độ chuyển dịch thủy tinh của hỗn hợp, hoặc làm lạnh vỏ buồng sấy bằng không khí khô đã tách ẩm.

Cấu tạo hệ thống và các giai đoạn vận hành thiết bị

Một hệ sinh thái thiết bị phun sấy hoàn chỉnh bao gồm các phân hệ chức năng phối hợp nhịp nhàng theo chu trình liên tục:

Phân hệ chuẩn bị và cấp liệu: Bao gồm các bồn khuấy trộn gia nhiệt, thiết bị đồng hóa áp lực cao và bơm định lượng nhu động chuyên dụng để đưa dịch lỏng vào buồng sấy với lưu lượng ổn định tuyệt đối.

Cơ cấu nguyên tử hóa: Tùy thuộc vào yêu cầu kích thước hạt và độ nhớt của dịch liệu, hệ thống có thể sử dụng đĩa phun ly tâm quay ở tốc độ cực cao, vòi phun áp lực đơn dòng hoặc vòi phun khí nén hai dòng chất lưu nhằm tạo ra chùm sương hạt mịn đồng đều.

Buồng sấy và hệ thống phân phối khí nóng: Buồng sấy hình trụ đáy côn là không gian chính diễn ra quá trình tiếp xúc pha giữa các giọt lỏng và dòng khí nóng. Bộ phân phối gió ở đỉnh buồng được thiết kế tối ưu hóa khí động học để tạo luồng khí xoáy đồng trục, ngăn ngừa sự tiếp xúc sớm của giọt ướt với thành buồng.

Hệ thống tách và thu hồi sản phẩm: Hỗn hợp khí thải và bụi bột sau khi ra khỏi đáy buồng sấy được dẫn qua hệ thống xyclon hiệu suất cao để tách bột bằng lực ly tâm. Đối với các loại bột siêu mịn, hệ thống được bổ sung thêm bộ lọc túi vải hoặc tháp rửa ướt nhằm thu hồi triệt để sản phẩm và bảo vệ môi trường.

Kiểm soát các thông số công nghệ trọng yếu

Chất lượng bột thành phẩm trong quá trình phun sấy phụ thuộc chặt chẽ vào việc điều khiển các thông số công nghệ đầu vào và đầu ra:

Nhiệt độ khí đầu vào: Nhiệt độ khí cấp quyết định tốc độ cấp nhiệt và động lực hóa hơi của dung môi. Nhiệt độ quá cao có thể gây hiện tượng đóng vỏ bề mặt sớm dẫn tới nứt vỡ hạt hoặc cháy khét vật liệu nhạy nhiệt.

Nhiệt độ khí đầu ra: Nhiệt độ khí thoát phản ánh độ ẩm cân bằng cuối cùng của bột thành phẩm. Đây là thông số kiểm soát sống còn để bảo đảm hoạt độ nước của bột đạt mức an toàn, ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật và chống hiện tượng vón cục trong bảo quản.

Tốc độ cấp dịch và áp suất nguyên tử hóa: Sự điều chỉnh tương hỗ giữa lưu lượng bơm và năng lượng nguyên tử hóa quyết định trực tiếp đến đường kính giọt lỏng ban đầu, từ đó định hình kích thước hạt bột khô và độ tan của sản phẩm trong nước.

Xu hướng công nghệ và phát triển tương lai

Trong bối cảnh sản xuất hiện đại, công nghệ phun sấy đang tiến hóa mạnh mẽ với sự kết hợp của các hệ thống sấy tầng sôi thứ cấp nhằm hoàn thiện quá trình làm nguội và tạo hạt cốm xốp hòa tan nhanh. Bên cạnh đó, việc áp dụng phun sấy chu trình kín sử dụng khí trơ nitơ cho phép sấy an toàn các dung môi hữu cơ dễ cháy nổ và bảo vệ tuyệt đối các hoạt chất siêu nhạy cảm với khí oxy.

Đồng thời, sự tích hợp các cảm biến quang học hiện đại và các thuật toán trí tuệ nhân tạo vào hệ thống điều khiển tự động đang giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng nhiệt, giảm thiểu lượng khí thải carbon và bảo đảm độ đồng nhất tối đa giữa các lô sản xuất quy mô công nghiệp lớn.