BÀI TẬP LỚN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN TRÀ – CÀ PHÊ CACAO PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG SẢN XUẤT CÀ PHÊ HÒA TAN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


BÀI TẬP LỚN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN TRÀ – CÀ PHÊ - CACAO

PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
TRONG SẢN XUẤT CÀ PHÊ HỊA TAN

NHĨM SVTH: ĐÀO DUY ĐẠT

1811846

LÊ TRỊNH HOÀNG DƯƠNG

1811811

PHAN THỊ QUỲNH LOAN

1811034

LÊ NGỌC DIỄM QUỲNH

1811188

LỚP:

HC18TP

GVHD:

TS. LẠI QUỐC ĐẠT

TP HỒ CHÍ MINH, 04/2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


BÀI TẬP LỚN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN TRÀ – CÀ PHÊ - CACAO

PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
TRONG SẢN XUẤT CÀ PHÊ HỊA TAN

NHĨM SVTH:

ĐÀO DUY ĐẠT

1811846

LÊ TRỊNH HOÀNG DƯƠNG

1811811

PHAN THỊ QUỲNH LOAN

1811034

LÊ NGỌC DIỄM QUỲNH

1811188

LỚP:

HC18TP

GVHD:

TS. LẠI QUỐC ĐẠT

TP HỒ CHÍ MINH, 04/2021


NỘI DUNG BÁO CÁO
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................................ 4
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................... 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÀ PHÊ HỊA TAN ...... 6
1.1

QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT CÀ PHÊ HÒA TAN .......................... 6

1.2

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG TRONG QUY TRÌNH ............. 7

1.3

TỔNG QUAN VỀ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ............................... 8

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ............................ 9
2.1

RANG .................................................................................................................... 9

2.1.1 Mục đích, yêu cầu ............................................................................................ 9
2.1.2 Yếu tố ảnh hưởng ........................................................................................... 11
2.1.3 Phương pháp rang .......................................................................................... 12
2.1.4 Phân tích hiệu quả năng lượng ....................................................................... 20
2.1.5 Giải pháp đề xuất ........................................................................................... 23
2.2

TRÍCH LY ........................................................................................................... 27

2.2.1 Mục đích, u cầu .......................................................................................... 27
2.2.2 Yếu tố ảnh hưởng ........................................................................................... 27
2.2.3 Phương pháp trích ly ...................................................................................... 29
2.2.4 Phân tích hiệu quả năng lượng:...................................................................... 31
2.3

CƠ ĐẶC .............................................................................................................. 33

2.3.1 Mục đích yêu cầu ........................................................................................... 33
2.3.2 Yếu tố ảnh hưởng ........................................................................................... 33
2.3.3 Phương pháp cô đặc ....................................................................................... 34
2.3.4 Phân tích hiệu quả năng lượng ....................................................................... 40
2.4

SẤY ..................................................................................................................... 42

2.4.1 Mục đích yêu cầu ........................................................................................... 42
2.4.2 Yếu tố ảnh hưởng ........................................................................................... 42
2.4.3 Phương pháp sấy ............................................................................................ 43


2.4.4 Phân tích hiệu quả năng lượng ....................................................................... 46
2.4.5 Giải pháp đề xuất ........................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 52


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Quy trình cơng nghệ sản xuất cà phê hịa tan ...................................................... 6
Hình 1.2 Lượng khí thiên nhiên dùng cho các quá trình trong sản xuất cà phê hịa tan ..... 7
Hình 1.3 Mức tiêu thụ năng lượng từ các loại nhiên liệu trong các ngành sản xuất thực
phẩm tại Hoa kỳ năm 2002. ................................................................................................. 9
Hình 2.1 Thiết bị rang trống quay nằm ngang .................................................................. 12
Hình 2.2 Thiết bị rang trống quay nằm ngang liên tục ..................................................... 14
Hình 2.3 Thiết bị rang trống đứng cố định có cánh khuấy ............................................... 15
Hình 2.4 Thiết bị rang chảo quay gián đoạn ..................................................................... 16
Hình 2.5 Thiết bị rang tầng sơi ......................................................................................... 17
Hình 2.6 Sơ đồ q trình rang có và hồi lưu xử lí khí thải ............................................... 19
Hình 2.7 Afterburners được dùng để xử lí khí thải ........................................................... 19
Hình 2.8 Dịng nhiệt của khí thải trong thiết bị rang qua các giai đoạn rang ................... 21
Hình 2.9 Quá trình rang hiện đại với thiết bị gia nhiệt sơ bộ hạt đầu vào ........................ 24
Hình 2.10 Đồ thị năng lượng tiết kiệm được khi gia nhiệt sơ bộ hạt cà phê ................... 24
Hình 2.11 Thiết bị tank trích ly......................................................................................... 29
Hình 2.12 Thiết bị trích ly Hildebrandt ............................................................................ 30
Hình 2.13 Sơ đồ cân bằng vật chất cho q trình trích ly cà phê ..................................... 31
Hình 2.14 Hệ thống cơ đặc 1 nồi ...................................................................................... 34

Hình 2.15 Sơ đồ hệ thống cơ đặc nhiều nồi xi chiều .................................................... 35
Hình 2.16 Mơ tả hoạt động thẩm thấu ngược. .................................................................. 36
Hình 2.17 Mơ tả hoạt động thẩm thấu xi ...................................................................... 37
Hình 2.18 Ước lượng chi phí để đầu tư và vận hành hệ thống thẩm thấu xi. ............... 38
Hình 2.19 Tiêu thụ năng lượng và chi phí cho 2 phương pháp cơ đặc ............................. 39
Hình 2.20 Chi phí đầu tư đến thời điểm 5 năm (dự đốn) của 2 phương pháp. .............. 40
Hình 2.21 Sơ đồ hệ thống thiết bị sấy phun ...................................................................... 44
Hình 2.22 Lượng khí thiên nhiên trên sản phẩm trong q trình sấy phun (m3/kg) ......... 44
Hình 2.23 Giản đồ pha của nước ...................................................................................... 45
Hình 2.24 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa .......................................................................... 46
Hình 2.25 Hệ thống thu hồi nhiệt trong thiết bị sấy ......................................................... 49
Hình 2.26 Sơ đồ hoạt động của máy bơm nhiệt................................................................ 50
Hình 2.27 Mối liên hệ giữa COP, SMER và MER ........................................................... 50


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Nhiệt lượng cần cho các quá trình để sản xuất cà phê hịa tan ............................ 7
Bảng 2.1 Sự biến đổi màu sắc của cà phê theo nhiệt độ rang ........................................... 11
Bảng 2.2 Đánh giá thiết bị rang trống quay nằm ngang.................................................... 13
Bảng 2.3 Đánh giá thiết bị rang chảo quay gián đoạn ...................................................... 17
Bảng 2.4 Đánh giá thiết bị rang tầng sôi ........................................................................... 18
Bảng 2.5 QSR và QTOT cho các chế độ rang và đốt sau (afterburning) khác nhau ............. 22
Bảng 2.6 Một số giải pháp giúp tiết kiệm năng lượng với quá trình rang cà phê ............. 23
Bảng 2.7 Hiệu quả năng lượng của việc tái sử dụng nhiệt thải......................................... 25
Bảng 2.8 Đánh giá phương pháp trích ly gián đoạn.......................................................... 29
Bảng 2.9 Đánh giá phương pháp trích ly liên tục ............................................................. 30
Bảng 2.10 Năng lượng tiêu thụ trong sản xuất cà phê hòa tan từ cà phê nhân ................. 32
Bảng 2.11 Lượng nhiệt thất thoát và khả năng thu hồi trong q trình trích ly ................ 33
Bảng 2.12 Đánh giá phương pháp cô đặc 1 nồi ................................................................ 34

Bảng 2.13 Đánh giá phương pháp cô đặc nhiều nồi ......................................................... 35
Bảng 2.14 Đánh giá phương pháp cô đặc kết tinh ............................................................ 36
Bảng 2.15 Đánh giá phương pháp thẩm thấu ngược ......................................................... 37
Bảng 2.16 Đánh giá phương pháp thẩu thấu xuôi ............................................................. 38
Bảng 2.17 So sánh hiệu quả của FO và cô đặc bốc hơi (dạng màng mỏng) ..................... 39
Bảng 2.18 Đánh giá phương pháp sấy phun ..................................................................... 44
Bảng 2.19 Đánh giá phương pháp sấy thăng hoa .............................................................. 46
Bảng 2.20 Các phương án tiết kiệm năng lượng tiềm năng trong công nghiệp ở Anh ..... 48


Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hịa tan
CHƯƠNG 1:

1.1

GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÀ PHÊ HỊA TAN

QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT CÀ PHÊ HỊA TAN

Hình 1.1 Quy trình cơng nghệ sản xuất cà phê hịa tan

SVTH: Nhóm 05

Trang 6


GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan
1.2

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG TRONG QUY TRÌNH
Cà phê hịa tan là một trong những loại thực phẩm tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong quy

trình sản xuất. Ước tính năng lượng để sản xuất cà phê hịa tan theo cơng nghệ sấy phun là 12,930
kcal/kg. Nguồn năng lượng dưới dạng nhiệt chiếm đến khoảng 95% và còn lại là điện năng. Tổn
thất nhiệt lượng trong các quá trình vận hành là 55% so với lượng đã sử dụng. Các quá trình thu
hồi nhiệt và kỹ thuật cách nhiệt có thể được sử dụng để giữ lại khoảng 70% lượng nhiệt mất mát.
[1]
Bảng 1.1 Nhiệt lượng cần cho các q trình để sản xuất cà phê hịa tan
Q trình

Nhiệt năng (MJ/kg cà phê hịa tan)

Rang

3.73

Trích ly

8.50

Cơ đặc

7.45

Sấy phun

21.10

Hình 1.2 Lượng khí thiên nhiên dùng cho các q trình trong sản xuất cà phê hịa tan
Đối với q trình rang, thiết bị rang liên tục tiêu thụ khoảng 0,5 MJ/kg cà phê nhân trong khi
thiết bị rang theo mẻ sử dụng đến 1,84 MJ/kg. Các dữ liệu vào năm 2013 đã báo cáo tổng năng
lượng để sản xuất cà phê là 23,24 MJ/kg. Sản xuất cà phê sử dụng một lượng nhiệt năng lớn hơn

SVTH: Nhóm 05

Trang 7


Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hịa tan

GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

rất nhiều so với điện năng. Nhiệt lượng cần cho các cơng đoạn trong sản xuất cà phê hịa tan được
trình bày trong bảng …. Có thể nhận thấy lượng năng lượng cần tiêu thụ lớn như vậy đến chủ yếu
từ quá trình sấy phun. Sấy thăng hoa cũng có thể được sử dụng để thay thế cho sấy phun, đem lại
hương vị tự nhiên hơn nhưng năng lượng sử dụng thậm chí có thể cịn cao hơn sấy phun. Năng
lượng để làm lạnh đơng ước tính khoảng 0.42 MJ/kg và 31 MJ/kg để sấy. [1]
1.3

TỔNG QUAN VỀ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
Các quá trình chế biến thực phẩm sử dụng một lượng lao động đáng kể, máy móc và năng

lượng để chuyển đổi ngun liệu thơ ăn được thành các sản phẩm thực phẩm có giá trị cao hơn. Do
giá năng lượng ngày càng tăng và nỗ lực giảm phát thải khí nhà kính, việc nâng cao hiệu quả sử
dụng năng lượng, thay thế các quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng bằng các q trình có mức độ
sử dụng năng lượng hiệu quả hơn và tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo trong ngành công

nghiệp thực phẩm đang trở nên ngày càng quan trọng (Wang 2008). Cải thiện hiệu quả sử dụng
năng lượng trong ngành công nghiệp thực phẩm cần được xem xét để không chỉ mang lại lợi ích
kinh tế mà cịn mang lại lợi ích bảo vệ mơi trường, bền vững xã hội, an ninh cung cấp năng lượng
và khả năng cạnh tranh của ngành công nghiệp.
Fischer và cộng sự (2007) báo cáo rằng khoảng 57% năng lượng đầu vào sơ cấp cho toàn
ngành bị mất trước khi đạt được các hoạt động xử lý dự định. Ước tính từ một số nghiên cứu chỉ
ra rằng, trung bình, tiết kiệm 20 đến 30% năng lượng có thể đạt được mà khơng cần đầu tư vốn,
chỉ sử dụng các thay đổi về thủ tục và hành vi (Fischer et al. 2007). Mức tiêu thụ năng lượng cơng
nghiệp có thể giảm hơn nữa một cách hiệu quả về mặt chi phí từ 10 đến 20% thơng qua các chương
trình quản lý năng lượng có cấu trúc tốt kết hợp các công nghệ tiết kiệm năng lượng, thực hành
vận hành và thực hành quản lý (Fischer và cộng sự 2007). Các giải pháp tương lai nhằm cải thiện
hiệu quả sử dụng năng lượng phải khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế. Cải thiện hiệu quả năng lượng
trong các cơ sở chế biến thực phẩm đòi hỏi phải đánh giá nhiều biện pháp triển vọng để tăng năng
lượng hiệu quả sử dụng của các tiện ích như hơi nước, khí nén và điện.
Các nguồn năng lượng chính được sử dụng trong ngành sản xuất thực phẩm bao gồm dầu
mỏ, khí đốt tự nhiên, than đá, năng lượng tái tạo và điện. Hình 1 cho mức tiêu thụ về các loại nhiên
liệu trong ngành chế biến thực phẩm của Hoa Kỳ năm 2002 (US EPA 2007). Khí đốt tự nhiên và
điện là hai nguồn chính các nguồn năng lượng được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm
của Hoa Kỳ, chiếm 52 và 21% tổng năng lượng tiêu thụ trong 2002, theo thứ tự. [2]

SVTH: Nhóm 05

Trang 8


Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hịa tan

GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

Hình 1.3 Mức tiêu thụ năng lượng từ các loại nhiên liệu trong các ngành sản xuất thực

phẩm tại Hoa kỳ năm 2002.

CHƯƠNG 2:

2.1

PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG

RANG
2.1.1

Mục đích, u cầu

Rang là q trình gia nhiệt cho cà phê nhân để tạo nên những biến đổi sâu sắc trong hạt,
hình thành nên những tính chất đặc trưng cho cà phê về màu sắc, mùi và vị thông qua sự biến đổi
về màu sắc, cấu trúc và thành phần hóa học của hạt. Q trình rang cà phê nhằm thực hiện hai mục
đích cơng nghệ sau:
Chế biến: trong quy trình cơng nghệ sản xuất cà phê rang xay hay sản xuất cà phê hòa tan
từ cà phê nhân, rang là công đoạn quan trọng nhất và mang tính chất quyết định đến chất lượng của
cà phê thành phẩm. Trong quá trình rang cà phê, dưới tác động của nhiệt độ, các phản ứng hóa học
sẽ diễn ra một cách mạnh mẽ và tạo ra các hợp chất hóa học giúp hình thành hương vị, màu sắc
đặc trưng của cà phê thành phẩm. Có thể nó theo một cách đơn giản là cà phê chỉ bộc lộ phẩm chất
tốt nhất của mình sau khi rang, dậy mùi hương, thêm vị ngọt, chua và độ đậm đà, trong khi hạt cà
phê sống chỉ có mùi vị của cỏ khơ hay thảo dược.

SVTH: Nhóm 05

Trang 9

Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hịa tan

GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

Chuẩn bị: quá trình rang tạo ra các biến đổi tính chất cơ lý của hạt cà phê, làm cho quá trình
nghiền cà phê tiếp theo được diễn ra dễ dàng hơn. Thơng thường thì sau q trình rang, hạt cà phê
có độ bền cơ học giảm và độ giịn tăng lên. Khi đó dưới tác dụng của lực cơ học trong quá trình
nghiền, hạt cà phê dễ dàng bị vỡ ra và giảm kích thước thành dạng bột mịn. [3]
Hiện nay có nhiều yêu cầu khác nhau về cà phê rang, vì vậy có nhiều loại cà phê rang khác
nhau như sau:
-

Cà phê rang nhạt (light roast):

Loại này cịn gọi là cà phê rang quế vì sản phẩm có màu nâu vàng giống màu phía trong của
vỏ bóc ra từ cây quế. Hạt có bề mặt rất khơ và màu nâu nhẹ giống màu sôcôla sữa hoặc đậm hơn,
lúc pha cho mùi vị chua dịu (với loại cà phê chè Arabica). Khi rang đạt màu như vậy thì hạt mất 3
đến 5% khối lượng khô. Trong loại cà phê rang này, hầu hết các hợp chất tạo ra mùi vị thơm ngon
chưa có mặt đầy đủ và ở hàm lượng thấp. Mùi vị cà phê chưa thật đậm đà, nhưng nếu có mùi vị lạ
thì chúng chưa bị mất đi và rất dễ nhận thấy khi nếm, vì vậy loại cà phê rang này thường sử dụng
cho thử nằm đánh giá chất lượng các mẫu cà phê.
- Cà phê rang vừa (medium roast):
Loại này còn gọi là loại rang kiểu Mỹ vì nó phổ biến ở đất nước này. Sản phẩm có màu nâu
vừa. Bề mặt hạt vẫn khơ, chưa có dầu tiết ra bề mặt hạt. Khi pha cho mùi vị đậm đà cộng với vị
chua ngon nhẹ. Trong loại cà phê rang này, hầu hết các hợp chất tạo ra mùi vị thơm ngon đã có
mặt đầy đủ và ở hàm lượng cao nhất, mùi vị được cảm nhận rất rõ rệt. Khi quá trình rang đạt màu
như vậy thì hạt mất 5 đến 8% khối lượng khô.
- Cà phê rang hơi đậm (medium to dark roast):
Loại này cũng gọi là loại rang kiểu Pháp nhạt. Hạt cà phê rang có vết dầu lốm đốm tiết ra
trên bề mặt hạt. Nó thiếu đi một chút vị chua của loại c��n hủy hóa học và sinh hóa

yếu không đáng kể).

-

Nước kết tinh thu được là nước sạch nên có thể
sử dụng cho các q trình khác.

2.3.3.3 Phương pháp thẩm thấu ngược (Reverse osmosis - RO)

Hình 2.16 Mơ tả hoạt động thẩm thấu ngược.

SVTH: Nhóm 05

Trang 36


Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hịa tan

GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

Đánh giá phương pháp:
Bảng 2.15 Đánh giá phương pháp thẩm thấu ngược
Ưu điểm
-

Nhược điểm

Chất lượng cảm quan

-

Chi phí đầu tư cao.

của dịch trích khơng bị

-

Nồng độ chất khơ cuối cùng của dịch cô đặc

ảnh hưởng đáng kể, chi

thường thấp hơn các phương pháp khác

phí vận hành thấp.

(khoảng 15%).
-

Hiện tượng tắc màng (fouling) cản trở năng
suất làm việc thiết bị khi áp lực quá cao
→dùng như 1 quá trình tiền cơ đặc, sau đó
có thể dùng phương pháp cơ đặc khác để ra
dịch cô đặc cuối đạt chuẩn

2.3.3.4 Phương pháp thẩm thấu xi (Forward osmosis - FO)

Hình 2.17 Mơ tả hoạt động thẩm thấu xi
Ngun lý: Thay vì sử dụng áp suất ép nước chảy qua màng bán thấm ta sử dụng dung dịch
lôi kéo (draw solution) để kéo nước từ dịch trích sang dung dịch này.

SVTH: Nhóm 05

Trang 37


GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan
Đánh giá phương pháp:

Bảng 2.16 Đánh giá phương pháp thẩu thấu xi
Ưu điểm
-

Hạn chế tình trạng tắc màng vì không

-

Phải dùng 1 bước lọc khác

dùng áp suất cao

(như RO) để tái thu nước sạch.

Năng lượng sử dụng như các phương

→ FO chỉ thật sự tiết kiệm khi

pháp màng khác nhưng với FO ta có

chất lơi kéo khơng cần phải xử

thể chọn nguồn năng lượng rẻ tiền

lý.

hơn.
-

Nhược điểm

Chất lôi kéo chặn lại các chất tan bị lôi

-

Phải lựa chọn chất lơi kéo hợp
lý => tốn thêm chi phí.

cuốn bởi nước vào màng, giảm hao
hụt chất khơ.

Hình 2.18 Ước lượng chi phí để đầu tư và vận hành hệ thống thẩm thấu xi. [12]

SVTH: Nhóm 05

Trang 38


GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hịa tan

Dựa vào thí nghiệm phương pháp thẩm thấu xi evapeos® của cơng ty ederna, ta có so
sánh hiệu quả của FO và cô đặc bốc hơi (dạng màng mỏng) khi có RO là q trình tiền cơ đặc:
[13]
Bảng 2.17 So sánh hiệu quả của FO và cô đặc bốc hơi (dạng màng mỏng)
Đặc điểm

Cô đặc bốc hơi

Thẩm thấu xuôi evapeos®

(dạng màng mỏng)
Phương pháp thực hiện

Trước đó đều có bước thẩm thấu ngược RO tiền cô đặc cho ra dịch
cô đặc sơ bộ có 15% chất khơ.

Năng lượng sử dụng
Nồng độ chất khô cuối
Điều kiện cô đặc

16,400,000 kWh/năm

315,000 kWh/năm

40 - 42%

lên tới 50%

Nhiệt độ: 40 - 80 độ C

Nhiệt độ: 18 - 22 độ C
Áp suất tối đa: 2 bars

Hình 2.19 Tiêu thụ năng lượng và chi phí cho 2 phương pháp cơ đặc

SVTH: Nhóm 05

Trang 39


Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hịa tan

GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

Hình 2.20 Chi phí đầu tư đến thời điểm 5 năm (dự đốn) của 2 phương pháp.
2.3.4

Phân tích hiệu quả năng lượng

2.3.4.1 Thiết bị cô đặc bốc hơi bằng nhiệt
Năng suất của thiết bị cô đặc phụ thuộc nhiều vào hệ số truyền nhiệt tổng thể (Overall heat
transfer coefficient), nhưng yếu tố này còn liên quan đến bản chất nguyên liệu và dạng dòng chảy
của chúng. [14]
Hệ số truyền nhiệt tổng thể: là sự cản trở tổng thể do sự kết hợp của nhiệt trở ở phía hơi
cấp nhiệt, độ dày thành ống, lớp cặn ở phía sản phẩm và mặt phân cách với sản phẩm sôi.
Q = 𝑈 × 𝐴 ×Δθ
⇔ ∅ = 𝑄 × 𝐴 = 𝑈 ×Δθ
⇔ 𝑈 = Δθ

Trong đó:
U: hệ số truyền nhiệt tổng thể (kW×m2× oC-1)
Q: nhiệt năng (kW)
A: diện tích truyền nhiệt (m2)
Δθ: chênh lệch nhiệt độ giữa hơi nước và dịch cô đặc sản phẩm (oC)
∅: thông lượng nhiệt (heat flux) (kW.m-2), đây là thông số được dùng để so sánh đối chiếu trong
những nghiên cứu khác.
Hiệu quả hoạt động của hệ thống cô đặc được quyết định bằng 2 thông số chính: năng lượng
hao tổn riêng (Specific Energy Consumption - SEC) và hiệu suất năng lượng (Energy EfficiencyEE).

SVTH: Nhóm 05

Trang 40


GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan

Năng lượng hao tổn riêng (SEC): đơn vị là kJ.kg-1 của lượng nước bay hơi. SEC càng cao,
chi phí vận hành càng lớn.
𝑆𝐸𝐶 =

𝑚𝑣−1 × ∆𝐻𝑣
𝑚𝑐𝑑

Trong đó:
𝑚𝑣−1 :lưu lượng dòng hơi (kg.h-1)
∆𝐻𝑣 = ∆𝐻𝑣−1 − ∆𝐻𝑣1 ∶ ẩn nhiệt hóa hơi nước (kJ/kg), với ∆𝐻𝑣−1 𝑣à ∆𝐻𝑣1 là enthapy của quá trình
bay hơi của hơi nước và hơi ngưng tụ.

𝑚𝑐𝑑 :lưu lượng sản phẩm ngưng tụ (kg.h-1)
Hiệu suất năng lượng (EE): tỷ lệ giữa lượng nước bay hơi và lượng hơi nước cấp, đơn vị là
% hay (w.w-1). Thông số này cũng có thể quy ra thành phần trăm năng lượng có được từ hơi nước
dùng để cơ đặc 1kg sản phẩm.

𝐸𝐸 =

𝑚𝑐𝑑
𝑚𝑣−1

2.3.4.2 Cô đặc kết tinh
Dựa vào động học quá trình tạo mầm tinh thể, nhận thấy hiệu quả của q trình kết tinh phụ
thuộc vào các thơng số - cơng thức sau: [3]
-

Kích thước tinh thể:
Phương trình Ostwalt Freundlich: xét 2 tinh thể của 1 cấu tử cùng tồn tại trong dung dịch

cân bằng, tinh thể lớn có nồng độ cân bằng tương ứng là co, tinh thể nhỏ là c. Khi đó:
2𝜎𝑀
𝑐
𝑅𝑇𝑟𝜌
=𝑒
𝑐0

Trong đó:
𝒄𝟎 : độ hịa tan cấu tử trong dung môi.
c: nồng độ cấu tử ở điều kiện q bão hịa.
r: bán kính tinh thể (giả sử hình cầu)
M: khối lượng phân tử cấu tử kết tinh

𝝆: tỷ trọng tinh thể
𝝈: năng lượng bề mặt giải phóng khi hịa tan.
→Tinh thể nhỏ có xu hướng hịa tan trở lại khi kích thước tinh thể khác nhau. Điều này quyết định
hiệu quả của các quá trình hậu kết tinh.

SVTH: Nhóm 05

Trang 41


GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hịa tan
-

Năng lượng nhỏ nhất để hình thành tinh thể:

𝑣=

−𝑊
𝑘𝑒 𝑅𝑇

W: gồm 2 thành phần
-

Năng lượng cần thiết để tạo thành bề mặt tinh thể (giá trị dương)

-

Năng lượng cần để tạo mầm tinh thể (dương hoặc âm).

Qua phương trình thay đổi năng lượng tự do Gibb ta thấy v phụ thuộc vào entropy.
Nếu trạng thái dung dịch không ổn thì 𝑣 = 𝑛(𝑐 − 𝑐0 )𝑚 (n và m = const và phụ thuộc vào
bản chất cấu tử và tính chất dung dịch).
2.4

SẤY
2.4.1

Mục đích u cầu

Làm khơ dịch cà phê sau khi cô đặc để chuyển dịch cà phê từ dạng cô đặc (nồng độ chất khô
40 - 42%) thành sản phẩm dạng bột có độ ẩm từ 2 - 5% (w/w). Có 2 phương pháp sấy thường được
sử dụng là sấy thăng hoa và sấy phun.
2.4.2

Yếu tố ảnh hưởng

2.4.2.1 Nhiệt độ và tính chất tác nhân sấy
Tính chất tác nhân sấy thể hiện qua khả năng truyền nhiệt của tác nhân sấy, phụ thuộc vào
độ ẩm, nhiệt độ và vận tốc chuyển động của tác nhân sấy.
Nếu tác nhân sấy có độ ẩm thấp, nhiệt độ và vận tốc chuyển động cao thì quá trình sấy sẽ
nhanh, năng lượng tổn thất ít nhưng lại ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm như bị quá lửa,
hay bị cháy khét làm biến màu, tổn thất chất hương lớn, sản phẩm khô không đều (lớp trên khô
nhưng lớp bên trong cịn ẩm) hoặc bị tổn thất nhiều do gió cuốn theo.
Ngược lại nếu tác nhân sấy có độ ẩm cao, nhiệt độ và vận tốc chuyển động thấp thì quá trình
sấy sẽ kéo dài, năng lượng tiêu hao lớn. Đồng thời cũng ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm
như cà phê có thể bị biến màu, biến mùi và vị xấu.
2.4.2.2 Độ ẩm ban đầu và độ ẩm tới hạn
Độ ẩm ban đầu càng cao thì quá trình sấy càng dài, do đó tốn càng nhiều năng lượng. Độ ẩm

tới hạn của cà phê hòa tan ảnh hưởng tới quá trình sấy. Bởi vì độ ẩm tới hạn là điểm ứng với độ
ẩm tương đối của khơng khí bằng 100%. Ở đó, áp suất riêng phần trên bề mặt vật liệu bằng áp suất

SVTH: Nhóm 05

Trang 42


Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hịa tan

GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

hơi nước bão hòa. Độ ẩm tới hạn nằm trên giới hạn giữa độ ẩm tự do và độ ẩm liên kết. Nếu độ ẩm
tới hạn của vật liệu lớn tức là độ ẩm tự do nhỏ và độ ẩm liên kết lớn thì q trình sấy khó, thời gian
sấy kéo dài và tốn nhiều năng lượng. Ngược lại, nếu độ ẩm tới hạn nhỏ, tức là độ ẩm tự do lớn và
độ ẩm liên kết nhỏ thì quá trình sấy dễ dàng, thời gian sấy ngắn.
2.4.2.3 Hình dáng, kích thước cà phê hịa tan và chiều dày lớp cà phê hịa tan
Hình dáng của cà phê có ảnh hưởng đến q trình sấy vì nó ảnh hưởng lớn đến cách mà ẩm
thốt ra ngồi. Thơng thường thị cà phê có dạng khối xốp thì ẩm dễ thốt ra hơn là khối quện dính.
Kích thích hạt cà phê càng lớn thì q trình sấy sẽ khó, thời gian sấy sẽ càng kéo dài. Chiều
dày của lớp cà phê hòa tan ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình sấy thăng hoa. Chiều dày càng lớn thì
q trình sẽ khó, thời gian sấy kéo dài. [4]
2.4.3

Phương pháp sấy

2.4.3.1 Sấy phun
Nguyên lý
Nguyên tắc sấy phun gồm có 3 giai đoạn: [3]
-

Giai đoạn 1: chuyển nguyên liệu thành dạng sương mù (các hạt lỏng phân tán trong mơi
trường khí) nhờ cơ cấu phun sương trong thiết bị sấy phun. Hiện nay có 3 cơ cấu phun
sương: đầu phun ly tâm, đầu phun một dòng và đầu phun hai dòng

-

Giai đoạn 2: hòa trộn sương mù với tác nhân sấy trong buồng sấy. Đây chính là giai đoạn
tách ẩm ra khỏi nguyên liệu. Do nguyên liệu được phun sương nên diện tích bề mặt tiếp
xúc giữa các giọt lỏng và tác nhân sấy là rất lớn. Nhờ đó, ẩm trong nguyên liệu được bay
hơi nhanh chóng. Thời gian tách ẩm từ vài giây đến vài chục giây.

-

Giai đoạn 3: tách sản phẩm ra khỏi tác nhân sấy. Người ta có thể sử dụng cyclone, túi lọc
hoặc kết tủa trong trường tĩnh điện. Trong đó, phổ biến nhất là dùng cyclone. Hiệu suất thu
hồi sản phẩm trong sấy phun là từ 90 - 98%.
Các thiết bị trong hệ thống sấy phun thường bao gồm: caloriphe để gia nhiệt tác nhân
sấy, cơ cấu phun sương, buồng sấy và hệ thống thu hồi sản phẩm.

SVTH: Nhóm 05

Trang 43


GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hịa tan

Hình 2.21 Sơ đồ hệ thống thiết bị sấy phun

Đánh giá phương pháp:
Bảng 2.18 Đánh giá phương pháp sấy phun
Ưu điểm

Nhược điểm

-

Tốc độ sấy nhanh

-

Tiêu tốn nhiều năng lượng

-

Sản phẩm ở dạng bột mịn,

-

Thiết bị phức tạp, nhất là cơ cấu phun sương và

không cần nghiền

thu hồi sản phẩm.
-

Các quá trình tách hương, bổ sung hương và tạo
hạt trong quy trình cơng nghệ là bắt buộc do tổn
thất cấu tử hương rất nhiều.

Hình 2.22 Lượng khí thiên nhiên trên sản phẩm trong q trình sấy phun (m3/kg)

SVTH: Nhóm 05

Trang 44


Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hịa tan

GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

2.4.3.2 Sấy thăng hoa
Nguyên lý
Trong phương pháp này, mẫu nguyên liệu cần sấy trước tiên sẽ được đem lạnh đông để một
phần ẩm trong nguyên liệu chuyển sang trạng thái rắn. Tiếp theo người ta sẽ tạo áp suất chân không
và nâng nhẹ nhiệt độ để nước thăng hoa, tức nước sẽ chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái khí
mà khơng đi qua pha lỏng.
Q trình sấy thăng hoa gồm 3 giai đoạn:
-

Giai đoạn 1: lạnh đông nguyên liệu để chuyển một phần nước trong nguyên liệu sang dạng
rắn.

-

Giai đoạn 2: tạo áp suất chân không rồi gia nhiệt nguyên liệu đã lạnh đông trong buồng sấy
để nước thăng hoa.

-

Giai đoạn 3: do trong giai đoạn lạnh đông, chúng ta khơng thể chuyển tồn bộ lượng nước
trong ngun liệu sang dạng rắn, nên sau khi sấy thăng hoa, ta cần có cơng đoạn sấy chân
khơng để tách thêm một phần ẩm ở dạng lỏng sau nguyên liệu, để đảm bảo độ ẩm của
nguyên liệu đạt yêu cầu. Áp suất sử dụng trong sấy thăng hoa thường là từ 27 - 133 Pa. Đối
với thực phẩm, nhiệt độ trong quá trình sấy thường dưới 40 - 50 độ C.

-

Hình 2.23 Giản đồ pha của nước

SVTH: Nhóm 05

Trang 45


GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hịa tan

Hình 2.24 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa
Đánh giá phương pháp:
Bảng 2.19 Đánh giá phương pháp sấy thăng hoa [4]
Ưu điểm

Nhược điểm

Khi sấy thăng hoa, các phân tử nước không

-

Thiết bị phức tạp

va chạm nhau nên sấy thăng hoa có những ưu

-

Giá thành cao, vốn đầu tư

điểm rất lớn như sau:
-

Sản phẩm có chất lượng cao

-

Khơng xảy ra các quá trình vi sinh,

lớn
-

Tốc độ bay hơi ẩm chậm
hơn, thời gian sấy lâu hơn

viamin được giữ nguyên.
-

Giữ nguyên thể tích ban đầu nhưng vật
liệu sấy xốp hơn

2.4.4

Phân tích hiệu quả năng lượng

Hiệu suất năng lượng của một thiết bị sấy và quá trình sấy được đặc trưng bởi rất nhiều chỉ
số như tốc độ bay hơi theo thể tích (volumetric evaporation rate), tổn thất nhiệt trên bề mặt (surface
heat losses), lượng tiêu thụ hơi, lượng năng lượng tiêu thụ đơn vị và hiệu quả sử dụng năng lượng
SVTH: Nhóm 05

Trang 46


GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan

(energy efficiency). Trong tất cả các chỉ số này, hiệu quả sử dụng năng lượng nuy, được trích dẫn
thường xun nhất trong các thơng số kỹ thuật. Nó thường liên quan đến năng lượng được sử dụng
để bay hơi ẩm so với tổng năng lượng cung cấp cho thiết bị sấy (𝐸𝑡 ): [15]

𝜂=

𝐸𝑒𝑣
𝐸𝑡

Chỉ số này phụ thuộc vào nhiệt độ vào và ra của tác nhân sấy, nhiệt độ khí quyển và độ ẩm
khơng khí. Hiệu quả sử dụng năng lượng càng cao khi tác nhân sấy đầu vào có nhiệt độ cao và đầu
ra có gần đạt giá trị bão hòa.
Đối với hầu hết các thiết bị sấy đối lưu, năng lượng cần để bay hơi hơi ẩm cùng với hơi ẩm
bị mất trong các luồng khí thoát ra chiếm ưu thế về nhu cầu năng lượng. Dữ liệu thống kê thu được

từ cân bằng nhiệt của thiết bị sấy đối lưu cho thấy 20 đến 60% nhiệt lượng cung cấp cho máy sấy
được sử dụng để bay hơi ẩm, 5 đến 25% cho gia nhiệt vật liệu, 15 đến 40% đối với tổn thất nhiệt
với xả khơng khí, từ 3 đến 10% đối với thất thốt nhiệt từ các bức tường của thiết bị sấy đối với
bầu khí quyển, và 5 đến 20% đối với các tổn thất khác
Ngồi ra, cịn có một chỉ số khác cũng thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả quá trình
sấy là tốc độ bay hơi ẩm riêng (specific moisture evaporation rate - SMER), được tính theo lượng
ẩm bay đi (kg ẩm) trên một đơn vị năng lượng sử dụng (kWh)
𝑆𝑀𝐸𝑅 =
2.4.5

lượng ẩm bay hơi
𝑘𝑔
(
)
năng lượng sử dụng 𝑘𝑊ℎ

Giải pháp đề xuất

Việc thu hồi nhiệt lượng là một yếu tố rất quan trọng trong việc tăng hiệu quả sử dụng năng
lượng trong quá trình sấy cà phê. Bảng sau trình bày một số phương pháp thu hồi năng lượng được
sử dụng ở Anh:

SVTH: Nhóm 05

Trang 47


GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan

Bảng 2.20 Các phương án tiết kiệm năng lượng tiềm năng trong công nghiệp ở Anh
Phương án

Tiềm năng tiết kiệm năng

Đánh giá tiềm

lượng

năng

109 MJ/năm

% Tổng

Thu hồi nhiệt từ khí thải thiết bị sấy

18.9

15

Cao

Bơm nhiệt

8.9

6

Trung bình

Nén hơi

26.2

20

Thấp

Điều khiển quá trình và thiết bị tốt hơn

4.3

3

Trung bình/cao

Tối ưu hóa thiết kế và vận hành q

11.0

9

Cao

trình sấy
Nhóm xin trình bày 2 phương pháp phổ biến thường được dùng là thu hồi nhiệt từ cửa tháo
liệu của thiết bị sấy và bơm nhiệt.
2.4.5.1 Thu hồi nhiệt từ cửa tháo liệu của thiết bị sấy

Quá trình thu hồi nhiệt truyền thống bao gồm thu hồi nhiệt ở cửa ra của máy sấy, từ sản phẩm
sấy nóng và/hoặc khí đầu ra. Các thiết bị điển hình để thu hồi nhiệt được trình bày trong Bảng 2.20.
Bộ trao đổi nhiệt thơng thường có các chỉ số hiệu suất sau:
-

Bánh xe nhiệt, 75 đến 90%;

-

Thiết bị trao đổi tấm, 70%;

-

Ông dẫn nhiệt, 60%;

-

Máy chà sàn, 60%;

-

Thiết bị trao đổi hai phần, 50%.

Nhiệt cũng có thể được thu hồi từ một sản phẩm đang nóng nếu điều này khơng làm cho sản
phẩm nóng lại. Từ quan điểm kỹ thuật, việc thu hồi nhiệt từ dịng khí nóng của khí đầu ra khơng
khó, miễn là khí đầu ra khơng chứa bụi hoặc chất bay hơi ngưng tụ. [15]

SVTH: Nhóm 05

Trang 48

Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hịa tan

GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

Hình 2.25 Hệ thống thu hồi nhiệt trong thiết bị sấy
Trong đó: 1. Bánh xe nhiệt, 2. Thiết bị trao đổi dạng tấm, 3. Ống dẫn nhiệt (Heat pipe
installation), 4. Cuộn dây quay vòng (Runaround Coil), 5. Máy chà sàn (Scrubber), 6. Thiết bị trao
đổi nhiệt hai phần
2.4.5.2 Bơm nhiệt
Nếu máy sấy đang hoạt động hiệu quả, khí đầu ra phải có nhiệt độ gần với nhiệt độ bầu ướt
và có độ ẩm cao. Do đó, phần lớn ethanpy của khí là ẩn nhiệt trong hơi ẩm và nhiệt thu hồi phải
bao gồm hơi ẩm ngưng tụ từ khí sấy. Phương pháp này được áp dụng trong máy bơm nhiệt hút ẩm
(heat pump dehumidifiers). Nguyên tắc của máy bơm nhiệt, khá tương tự đến sự làm lạnh, đã được

SVTH: Nhóm 05

Trang 49


Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hịa tan

GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT

biết đến hơn 100 năm. Trong ba thập kỷ qua, ứng dụng của máy bơm nhiệt chỉ bị giới hạn bởi tính
kinh tế. Trong số nhiều loại máy bơm nhiệt (ví dụ: nén hơi, hấp thụ, ejector, chu trình Brayton và
nhiệt điện), chỉ có loại thứ nhất là được ứng dụng rộng rãi vì hiệu quả cao và cấu tạo tương đối đơn
giản.

Hình 2.26 Sơ đồ hoạt động của máy bơm nhiệt

Hình 2.27 Mối liên hệ giữa COP, SMER và MER
Sơ đồ cơ chế hoạt động của máy bơm nhiệt được thể hiện trong hình … Tác nhân sấy A
sau khi rời máy sấy sẽ được một thiết bị bốc hơi (5) làm lạnh về nhiệt độ gần với Tev dưới điểm

SVTH: Nhóm 05

Trang 50