Sấy phun là gì? Các nghiên cứu, bài báo khoa học về Sấy phun

Sấy phun là gì?

Sấy phun (spray drying) là quá trình chuyển đổi nhanh một hỗn hợp lỏng (dung dịch, nhũ tương hoặc huyền phù) thành dạng bột khô bằng cách phun chất lỏng thành các hạt nhỏ vào dòng khí nóng. Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, hóa mỹ phẩm và vật liệu tiên tiến nhờ vào khả năng làm khô nhanh chóng, kiểm soát tốt kích thước hạt và bảo toàn hoạt tính sinh học. Sản phẩm sau sấy thường là dạng bột mịn, có độ ẩm thấp, đồng đều và dễ tan trở lại trong dung môi, đặc biệt là nước.

Sấy phun đặc biệt thích hợp cho các nguyên liệu nhạy nhiệt như enzyme, vitamin, probiotic, hương liệu hoặc các hợp chất dễ phân hủy ở nhiệt độ cao. Quá trình bay hơi xảy ra gần như tức thì do diện tích tiếp xúc lớn giữa các giọt lỏng rất nhỏ và dòng khí nóng, giúp bảo tồn cấu trúc phân tử cũng như tính chất vật lý và hóa học của sản phẩm.

Nguyên lý hoạt động và cấu trúc hệ thống

Một hệ thống sấy phun điển hình bao gồm các thành phần chính sau:

1. Hệ thống cấp liệu: Gồm bơm định lượng và bồn chứa, cung cấp nguyên liệu ở trạng thái đồng nhất đến đầu phun.
2. Đầu phun: Chuyển dòng chất lỏng thành sương mù, thường sử dụng áp lực, khí nén hoặc lực ly tâm.
3. Buồng sấy: Là nơi diễn ra quá trình tiếp xúc giữa sương mù và khí nóng, thường có dạng hình trụ hoặc hình nón đứng.
4. Hệ thống tạo dòng khí nóng: Sử dụng điện trở, hơi nước hoặc đốt nhiên liệu để đun nóng không khí hoặc khí trơ.
5. Thiết bị thu hồi sản phẩm: Thường là cyclone, bộ lọc túi hoặc buồng lắng tĩnh điện, giúp tách bột khỏi luồng khí thải.

Nguyên lý hoạt động có thể được mô tả bằng sơ đồ hóa học:

$\text{Chất lỏng} \xrightarrow{\text{phun}} \text{Giọt mịn} + \text{Khí nóng} \rightarrow \text{Bay hơi} \rightarrow \text{Bột rắn}$

Các dạng đầu phun và lựa chọn phù hợp

Đầu phun đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát kích thước hạt và hiệu suất sấy. Có ba loại chính:

• Đầu phun áp lực (nozzle-type): Dùng bơm cao áp để tạo giọt lỏng. Phù hợp với nguyên liệu có độ nhớt thấp đến trung bình.
• Đầu phun khí nén (pneumatic): Sử dụng dòng khí nén cắt dòng lỏng để tạo giọt mịn. Linh hoạt với nhiều loại nguyên liệu, kiểm soát tốt kích thước giọt.
• Đầu phun ly tâm (rotary disk): Dùng đĩa quay tốc độ cao để phân tán chất lỏng. Thường dùng trong quy mô công nghiệp lớn, xử lý nguyên liệu độ nhớt cao.

Các giai đoạn chính trong sấy phun

1. Phun sương: Nguyên liệu lỏng được biến thành sương mù (giọt đường kính 10–100 µm).
2. Bay hơi nhanh: Giọt tiếp xúc với dòng khí nóng, hơi nước thoát ra tức thì từ bề mặt.
3. Làm khô hạt: Pha rắn kết tinh hoặc khô dần từ ngoài vào trong, tạo cấu trúc rỗng.
4. Thu hồi và phân tách: Hạt khô rơi xuống đáy buồng sấy hoặc được thu lại bằng cyclone, lọc túi.

Thông số ảnh hưởng đến quá trình

Hiệu suất sấy và chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào:

• Nhiệt độ khí vào (inlet temperature): 140–220°C, quyết định tốc độ bay hơi ban đầu.
• Nhiệt độ khí ra (outlet temperature): 70–100°C, phản ánh độ khô cuối cùng của sản phẩm.
• Lưu lượng khí và vận tốc dòng: Điều chỉnh thời gian lưu và phân bố nhiệt.
• Kích thước giọt: Ảnh hưởng đến thời gian sấy và tính chất bột.
• Độ nhớt và nồng độ chất rắn của nguyên liệu: Tác động đến khả năng phun và độ bền hạt.

Ứng dụng trong các lĩnh vực

Thực phẩm và đồ uống

• Sữa bột trẻ em, bột kem không sữa, sữa chua dạng bột
• Cà phê hòa tan, nước trái cây cô đặc, nước dừa dạng bột
• Gia vị dạng bột, hương liệu, enzyme thực phẩm

Dược phẩm

• Bào chế thuốc dưới dạng vi hạt, vi nang, hệ mang thuốc (drug delivery systems)
• Sấy khô kháng sinh, hormone, protein sinh học
• Ổn định vaccine, probiotic, vitamin và khoáng chất

Hóa mỹ phẩm và công nghiệp vật liệu

• Sản xuất mỹ phẩm dạng bột: phấn, bột rửa mặt, chất nền mặt nạ
• Hương liệu, chất tạo màu, chất làm mềm da
• Chế tạo vật liệu gốm, chất xúc tác, bột kim loại, vật liệu nano

Xem ví dụ thực tế từ GEA Spray Dryers.

Ưu điểm nổi bật

• Sấy nhanh, giảm nguy cơ phân hủy nhiệt
• Dễ kiểm soát chất lượng sản phẩm (độ ẩm, kích thước, hòa tan)
• Phù hợp với sản xuất quy mô lớn, tự động hóa cao
• Giảm chi phí lưu kho và vận chuyển do sản phẩm khô nhẹ, ít thể tích

Hạn chế và thách thức

• Chi phí đầu tư hệ thống và bảo trì cao
• Không phù hợp với nguyên liệu có độ nhớt quá cao hoặc có tinh thể lớn
• Hiệu suất thu hồi thấp nếu không tối ưu thiết kế cyclone
• Có thể làm mất một phần hương vị hoặc hoạt tính sinh học nếu nhiệt độ không phù hợp

So sánh với các công nghệ sấy khác

Tiêu chí	Sấy phun	Sấy đông khô	Sấy tầng sôi	Sấy chân không
Tốc độ sấy	Rất nhanh	Chậm	Trung bình	Trung bình
Chi phí thiết bị	Cao	Rất cao	Trung bình	Khá cao
Bảo toàn hoạt chất	Tốt	Rất tốt	Trung bình	Khá
Quy mô sản xuất	Lớn	Nhỏ đến trung bình	Linh hoạt	Trung bình

Tương lai và phát triển

Cùng với sự phát triển của công nghệ nano và công nghệ sinh học, sấy phun đang được tích hợp thêm nhiều tính năng hiện đại như sấy trong khí trơ, sấy có kiểm soát vi sinh, hoặc tích hợp với công nghệ nano-encapsulation để tạo ra các hệ phân phối dược chất tối ưu. Việc thiết kế đầu phun siêu mịn và hệ thống thu hồi hiệu suất cao cũng đang được nghiên cứu nhằm giảm tổn thất và nâng cao độ chính xác.

Tài liệu và nguồn tham khảo

• GEA – Spray Dryers
• ScienceDirect – Spray Drying Overview
• PharmaTutor – Spray Drying Technique
• ACS – Thermodynamic Study of Spray Drying
• Drying Technology Journal – Research on Spray Drying