Nitơ dạng khí đã được sử dụng để loại bỏ oxy và kéo dài thời hạn bảo quản của sản phẩm. Phun nitơ lỏng có thể thực hiện cùng chức năng này trong khi giảm 80% lượng tiêu thụ nitơ so với các đường hầm khí truyền thống. Dù là tạo áp suất hay trơ hóa bao bì thực phẩm hoặc đồ uống, việc phun ni tơ lỏng trên dây chuyền sản xuất đều có những thách thức nhất định.
Trong thị trường thực phẩm và đồ uống cạnh tranh hiện nay, hầu hết các công ty đều tìm cách giảm chi phí. Một trong những cách làm đó là giảm chi phí bao bì sử dụng trong cơ sở sản xuất. Ngay cả việc tiết kiệm nhỏ trên chi phí bao bì cũng có thể dẫn đến khoản tiết kiệm lớn do số lượng đơn vị sản xuất ra. Để đạt được mức tiết kiệm này, các bao bì được làm nhẹ hơn bằng cách giảm lượng vật liệu.
Tuy nhiên, khi vật liệu giảm đi thì độ bền kết cấu của bao bì cũng giảm, có thể dẫn đến sập khi xếp chồng hoặc dán nhãn và đóng gói không đúng. Trong các loại đồ uống có gas, sự hiện diện của carbon dioxide trong sản phẩm tạo ra áp suất bên trong giúp bao bì cứng và ổn định. Phun nitơ lỏng có thể được sử dụng trong các loại đồ uống không gas như nước đóng chai, nước trái cây và trà để đạt được hiệu ứng tương tự mà không tạo ra cảm giác “bọt khí” của carbon hóa – điều này có thể không được mong muốn.
Nitơ dạng khí đã được sử dụng để loại bỏ oxy và kéo dài thời hạn bảo quản của sản phẩm. Phun ni tơ lỏng có thể thực hiện cùng chức năng này trong khi giảm 80% lượng tiêu thụ nitơ so với các đường hầm khí truyền thống.
Tổng quan thiết bị phun nitơ lỏng
Dù là tạo áp suất hay trơ hóa bao bì thực phẩm hoặc đồ uống, việc phun nitơ lỏng trên dây chuyền sản xuất đều có những thách thức nhất định. Nitơ lỏng có nhiệt độ sôi là -320°F (-196°C) và sẽ bay hơi nhanh chóng khi tiếp xúc với nhiệt độ phòng. Do đó, cần sử dụng thiết bị cách nhiệt để đảm bảo hiệu suất và an toàn. Thiết bị này bao gồm một bộ phận phun có khả năng định lượng chính xác lượng nhỏ nitơ lỏng vào bao bì thực phẩm hoặc đồ uống, cùng với các bình chứa hoặc bồn và đường ống để dẫn ni tơ lỏng đến vị trí phun.
Các bình chứa thường có hai dạng: bồn lớn chứa số lượng lớn và bình nhỏ di động gọi là dewar.
Cả hai thiết kế đều có cấu trúc hai lớp tường, giữa lớp trong và ngoài là khoảng không chân không. Khoảng không chân không này cho phép bề mặt bên ngoài của bồn duy trì ở nhiệt độ môi trường trong khi bên trong vẫn ở nhiệt độ cực thấp. Ni tơ lỏng có thể được giữ ở dạng lỏng trong thời gian khá dài, nhưng ngay cả với lớp cách nhiệt này, hiệu suất không hoàn hảo và tổn thất trong bồn có thể dao động từ 0,5% – 2% mỗi ngày. Các bồn lớn thường được lắp đặt ngoài trời và cần hệ thống đường ống dài hơn để dẫn nitơ lỏng đến điểm sử dụng. Bình dewar di động có thể đặt gần hơn với điểm sử dụng, do đó yêu cầu chiều dài ống ngắn hơn.
Với bất kỳ loại bình chứa nào, cần sử dụng đường ống cách nhiệt để giảm tổn thất và nâng cao hiệu quả. Có nhiều loại đường ống cách nhiệt, nhưng nhìn chung có thể chia thành hai loại: có lớp chân không và không có lớp chân không.
Đường ống cách chân không hoạt động theo nguyên lý tương tự như ở bồn lớn hoặc bình dewar. Một ống bên trong được bao quanh bởi lớp chân không tạo cách nhiệt giữa nhiệt độ cực thấp bên trong và nhiệt độ môi trường bên ngoài. Khoảng không chân không này giúp giảm tổn thất nhiệt, nâng cao hiệu quả của ống. Đường ống cách chân không hiệu quả hơn loại không có lớp chân không và hoạt động hoàn toàn không đóng băng. Lớp chân không này được tạo ra bằng cách nối ống với máy bơm chân không. Trong hệ thống chân không động, máy bơm hoạt động liên tục để duy trì và cải thiện chất lượng chân không, do đó chi phí vận hành cao hơn một chút. Trong hệ thống chân không tĩnh, chân không được tạo sẵn tại nhà máy và bịt kín lại. Theo thời gian, chân không này sẽ suy giảm dần, dẫn đến tăng tổn thất nhiệt và giảm hiệu suất.
Cả hai loại đường ống cách chân không đều có thể ở dạng cứng hoặc mềm. Ống cứng cần đo đạc chính xác để đảm bảo vừa khớp khi lắp đặt. Ống mềm được sản xuất theo từng đoạn, dễ dàng lắp đặt hơn do linh hoạt trong việc đi qua các chướng ngại vật. Vacuum Barrier Corporation sản xuất tùy chỉnh cả hai loại – chân không động và tĩnh – với nhiều vật liệu và kích cỡ khác nhau. Đường ống không có lớp chân không thường được cách nhiệt bằng bọt, kém hiệu quả hơn với tổn thất nhiệt cao gấp 20 lần loại có chân không. Khi bọt cách nhiệt bị lão hóa, khả năng cách nhiệt cũng giảm dần. Hệ thống ống này thường có kích thước ngoài lớn hơn, gây khó khăn khi lắp đặt trong không gian hẹp.
Thiết bị định lượng phun nitơ lỏng là bộ phận chính của hệ thống nitơ lỏng. Đây là thiết bị mà các cơ sở sản xuất quan tâm nhất vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng đạt được mục tiêu tạo áp suất hoặc trơ hóa. Thông thường, chúng được gọi là doser và phải hoạt động hiệu quả, không bị đóng băng trong cả quá trình phun ni tơ lỏng và thời gian chờ.
Độ tin cậy của thiết bị định lượng trên dây chuyền sản xuất rất quan trọng vì tổn thất được tính theo từng phút ngừng hoạt động. Cũng như các thiết bị cryogenic khác, việc tiếp xúc với hơi ẩm bên trong cần được hạn chế tối đa vì đây là yếu tố gây hại lớn nhất cho thiết bị. Cần chú ý trong quá trình thay vòi phun và bảo trì để tránh không khí ẩm xâm nhập. Trong một số ngành công nghiệp, có thể yêu cầu ni tơ lỏng phải được cung cấp trong điều kiện vô trùng, do đó thiết bị cần có khả năng tiệt trùng.
Mục tiêu sản xuất thiết bị phun ni tơ lỏng
Bên cạnh việc vận hành không bị đóng băng, thiết bị phun nitơ lỏng còn phải đáp ứng được các mục tiêu sản xuất của nhà máy. Bất kỳ dây chuyền chiết rót chai hay đóng lon nào cũng đều yêu cầu duy trì áp suất hoặc trơ hóa ổn định cho bao bì. Điều này đòi hỏi thiết bị định lượng phải cung cấp chính xác liều lượng ni tơ lỏng cho mỗi sản phẩm, dù là phun gián đoạn hay phun liên tục. Liều lượng quá nhỏ có thể khiến bao bì mất ổn định và sụp đổ. Trong quy trình trơ hóa, liều lượng không đủ có thể dẫn đến hư hỏng thực phẩm. Ngược lại, nếu phun quá nhiều nitơ, bao bì có thể bị phồng hoặc nổ, gây kẹt máy và ngừng dây chuyền.
Thách thức của thiết bị phun nitơ lỏng là phải kiểm soát chính xác và ổn định lượng nitơ lỏng cho mỗi bao bì với tốc độ lên đến 2000 chai mỗi phút. Để đạt được mục tiêu áp suất, thiết bị định lượng phải dựa vào mức chiết rót ổn định từ máy chiết. Ngay cả sự thay đổi nhỏ về mức chiết cũng có thể dẫn đến áp suất quá cao hoặc quá thấp.
Thiết bị phun ni tơ lỏng có khả năng tự động điều chỉnh theo thay đổi tốc độ dây chuyền. Khi dây chuyền tăng hoặc giảm tốc, thời gian phun sẽ được tự động hiệu chỉnh để đảm bảo mỗi liều nitơ được bơm đúng vào chai. Đồng thời, hệ thống bù liều sẽ điều chỉnh lượng nitơ lỏng được phun ra tương ứng với thay đổi tốc độ dây chuyền. Ví dụ, khi dây chuyền chậm lại, thời gian giữa chiết rót và đóng nắp kéo dài, khiến nitơ có thêm thời gian bay hơi — vì vậy liều phun sẽ được tăng lên để duy trì áp suất ổn định.
Các yếu tố khác trên dây chuyền sản xuất cũng cần được xem xét để đảm bảo áp suất thích hợp:
- Thời gian di chuyển từ thiết bị phun đến máy ghép mí hoặc đóng nắp cần được rút ngắn để tránh nitơ bay hơi quá nhiều.
- Dao động hoặc rung lắc của bao bì trên băng tải có thể khiến nitơ hoặc sản phẩm tràn ra trước khi đóng nắp.
- Bao bì cần có khả năng kín khít đáng tin cậy để duy trì áp suất sau khi phun nitơ lỏng.
ABM cung cấp nhiều loại thiết bị phun ni tơ lỏng khác nhau, phù hợp với nhiều tốc độ dây chuyền và ngân sách sản xuất.
An toàn khi sử dụng thiết bị phun nito lỏng
Việc đảm bảo an toàn cho người vận hành và thiết bị là yếu tố then chốt khi làm việc với ni tơ lỏng. Khi chuyển từ thể lỏng sang thể khí, nitơ giãn nở khoảng 700 lần. Van xả an toàn được lắp đặt trên bồn chứa, đường ống và thiết bị phun nitơ lỏng để ngăn ngừa tình trạng quá áp và vỡ thiết bị. Ở những vị trí có van chặn, cần có van xả an toàn giữa hai van để tránh khí nitơ bị kẹt.
Trong các hệ thống sử dụng bồn chứa lớn, thiết bị xả áp có áp suất định mức thấp nhất thường được lắp đặt ngoài trời. Nếu van xả an toàn hoạt động, việc xả áp xảy ra bên ngoài sẽ an toàn hơn, tránh rủi ro cho người lao động.
Theo các tiêu chuẩn hiện đại, các van xả an toàn phải có đường dẫn khí đến khu vực an toàn bên ngoài tòa nhà để giảm nguy cơ ngạt. Khi thiết bị cryogenic được đặt trong nhà xưởng, cần trang bị hệ thống van xả tuyến tính hoặc “pipe-away” để đảm bảo an toàn.
Chi phí khi sử dụng máy phun ni tơ lỏng
Chi phí là yếu tố quan trọng khác mà các nhà máy cần cân nhắc, và cần đánh giá tổng thể khi tính toán chi phí của hệ thống phun ni tơ lỏng. Cần xem xét đồng thời giá mua ban đầu, chi phí lắp đặt và chi phí vận hành. Khi lựa chọn bồn chứa, bồn lớn có chi phí đầu tư cao hơn nhưng nitơ mua theo số lượng lớn lại rẻ hơn. Việc phải thay thường xuyên các bình dewar trong quá trình sản xuất cũng có thể phát sinh chi phí ẩn.
Việc sử dụng phun nitơ lỏng để loại bỏ oxy và kéo dài thời hạn bảo quản còn giúp giảm tới 80% lượng nitơ tiêu thụ so với các hệ thống khí truyền thống.
Có thêm nhiều lựa chọn khác để giảm chi phí trong hệ thống đường ống. Ống cách nhiệt bằng bọt có thể giúp giảm chi phí đầu tư ban đầu, nhưng lượng ni tơ lỏng tiêu thụ tăng lên sẽ làm chi phí vận hành cao hơn theo thời gian. Trong khi đó, ống cách chân không có chi phí cao hơn nhưng hiệu suất tốt hơn, giúp giảm tiêu thụ nitơ và chi phí vận hành. Như đã đề cập, tính ổn định trong vận hành là yếu tố then chốt của hệ thống phun nitơ lỏng, và việc ngừng hoạt động do sử dụng đường ống cách nhiệt kém có thể khiến lợi ích từ việc đầu tư rẻ ban đầu bị mất đi.
Một nhà máy đang xem xét áp dụng công nghệ phun ni tơ lỏng cần cân nhắc đầy đủ chi phí đầu tư và vận hành, độ tin cậy của toàn hệ thống từ bồn chứa, đường ống đến thiết bị định lượng, cũng như yếu tố an toàn cho người lao động. Để triển khai thành công và thu thập thông tin chi tiết, nên tham khảo ý kiến của ABM.
