Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật sấy lạnh trong sấy gấc

Khi lựa chọn đề tài ứng dụng bơm nhiệt để sấy gấc, tác giả tập trung vào nghiên cứu sấy màng đỏ hạt gấc dùng trong sản xuất bột gấc, là sản phẩm nhạy cảm về nhiệt, với ưu điểm là nhiệt đ

MỤC ỤC

Trang tựa

TRANG QU ẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH KHOA HỌC Error! Bookmark not defined LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC HÌNH ix

ANH S CH C C CH VIẾT T T xi

T M T T 1

ABSTRACT 3

MỞ ĐẦU 5

Đặt vấn đề 5

A Phạm vi nghiên cứu đề tài 6

B Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 6

C Ý nghĩa khoa học và tính cấp thiết của đề tài 6

E Phương pháp nghiên cứu 6

F Tổng quát các nội dung thực hiện đề tài 7

Chương 1 9

TỔNG QUAN 9

1.1 Tổng quan về vật liệu sấy 9

1.2 Thành phần dinh dưỡng của quả gấc 10

1.3 Tổng quan về sấy bơm nhiệt 12

1.4 Cơ sở lý luận về sấy bơm nhiệt 15

1.5 Các kết quả nghiên cứu sử dụng bơm nhiệt sấy trong nước và thế giới 16

1.6 Các kết quả nghiên cứu sấy màng gấc 18

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23

2.1 Nước hoạt h a của thực phẩm và rau củ quả 23

2.2 Các dòng dịch chuyển và cơ chế thoát ẩm trong VLS 23

2.2.1 Cơ chế thoát ẩm trong vật liêu sấy 23

2.2.2 Các dòng dịch chuyển ẩm và thế dịch chuyển ẩm trong VLS 27

2.2.4 Các giai đoạn trong quá trình sấy 27

2.2.5 Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu 28

2.2.6 Các đặc trưng nhiệt vật lý của vật liệu 29

2.3 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm khô 31

2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy (tTNS) 31

2.3.2 Ảnh hưởng của vân tốc tác nhân sấy (vTNS) 31

2.3.3 Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối của không khí 32

2.3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ hơi nước trên dàn lạnh (tNT) 32

2.3.5 Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu trên một mẻ sấy 33

2.4 Phương pháp xác định một số chỉ tiêu về nguyên liệu và sản phẩm sấy 33

2.4.1 Phương pháp xác định độ ẩm ban đầu của nguyên liệu sấy (M1) 33

2.4.2 Phương pháp xác định ẩm độ tức thời của nguyên liệu đang sấy 33

2.4.3 Phương pháp xác định tốc độ sấy theo thời gian 33

2.4.4 Phương pháp xác định hàm lượng β- carotene 34

2.4.5 Phương pháp xác định màu sắc 34

2.4.6 Phương pháp xác định điện năng riêng 34

2.4.7 Phương pháp thiết kế hệ thống sấy bơm nhiệt 34

2.5 Xử lý số liệu thống kê 37

2.5.1 Xử lý số liệu thống kế bậc 37

2.5.2 Xử lý số liệu thực nghiệm bậc 2 bằng phần mềm statgraphic 38

Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤ ƠM NHIỆT 42

3.1 Tính toán quá trình sấy lý thuyết 42

3.1.1 Đồ thị I – d 42

3.1.2 Tính toán quá trình sấy 43

3.1.3 Tính toán tốc độ sấy và thời gian sấy 44

3.1.4 Tính toán nhiệt quá trình 47

3.1.5 Tính toán kích thước buồng sấy 48

3.2 Xây dựng quá trình sấy thực tế trên đồ thị I-d 49

3.2.1 Cân bằng nhiệt cho quá trình sấy thực tế 49

3.2.2 Tính toán tổn thất nhiệt ∆ 50

3.3 Tính toán quá trình sấy thực tế 53

3.4 Tính toán thiết kế máy sấy bơm nhiệt 54

3.5 Tính toán dàn ngưng 54

3.6 Tính toán dàn bay hơi 58

3.7 Tính chọn máy nén 60

3.8 Tính chọn quạt 60

3.9 Mô hình và phương tiện thí nghiệm 63

Chương 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SẤ MÀNG ĐỎ HẠT GẤC TRÊN MÔ HÌNH 65

4.1 Vật liệu và phương tiện 65

4.1.1 Vật liệu 65

4.1.2 Phương tiện 65

4.2 Dụng cụ đo và thiết bị đo 66

4.2.1 Dụng cụ và phương pháp điều chỉnh biến số đầu vào 66

4.2.2 Phương pháp thu thập số liệu đầu ra 67

4.3 Xác định các hàm mục tiêu và các biến đầu vào 68

4.3.1 Hàm mục tiêu và phương pháp xác định 68

4.3.2.Xác định biến số đầu vào ( thông số công nghệ) 69

4.3.3 Thực nghiệm tối ưu h a của các thông số công nghệ đến các hàm mục tiêu73

4.4 Thiết lập các hàm mục tiêu cho tối ưu h a đa mục tiêu 74

4.4.1 Qui hoạch và kết quả thực nghiệm 74

4.4.2 Thiết lập mô hình toán của thời gian sấy 77

4.4.3 Thiết lập mô hình toán học cho năng lượng tiêu thụ 79

4.4.4 Thiết lập mô hình toán học về độ giảm hàm lượng -carotene trong sản phẩm 82

4.4.5 Tối ưu h a các thông số công nghệ 86

4.5 Đánh giá chất lượng gấc sấy khô bằng bơm nhiệt ở chế độ sấy tối ưu so với các phương pháp khác 88

4.5.1 Ảnh hưởng của phương pháp sấy đến thời gian sấy 90

4.5.2 Ảnh hưởng của phương pháp sấy đến hàm lượng β-carotene 92

4.5.3 Ảnh hưởng của phương pháp sấy đến màu sắc sản phẩm 92

4.6 Đánh giá chất lượng gấc sấy khô bằng bơm nhiệt ở chế độ sấy tối ưu so với các công bố khác 93

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 96

5.1 Kết luận 96

5.2 Kiến nghị 97

PHỤ LỤC 103

Phụ lục 4.1 Bảng tính toán xác định phương sai dư của hàm Y1 103

Phụ lục 4.2 Bảng tính toán xác định phương sai tương thích của hàm Y2 104

Phụ lục 4.3 Bảng tính toán xác định phương sai dư của hàm Y3 105

Phụ lục 4.4 Xác định phương trình hồi qui đối với hàm Y1 bằng phần mềm Statgraphics 106

Phụ lục 4.5 Xác định phương trình hồi qui đối với hàm Y2 bằng phần mềm Statgraphics 109

Phụ lục 4.6 Xác định phương trình hồi qui đối với hàm Y3 bằng phần mềm

Statgraphics 112

Phụ lục 4.7 So sánh các phương pháp sấy – sấy lạnh bơm nhiệt 115

Phụ lục 4.8 So sánh các phương pháp sấy – sấy không khí n ng đối lưu 115

Phụ lục 4.9 So sánh các phương pháp sấy – phơi nắng 116

Phụ lục 4.10 Kết quả kiểm nghiệm Beta - carotene của gấc tươi 118

Phụ lục 4.11 Kết quả kiểm nghiệm Beta - carotene của gấc khô – phơi nắng 119

Phụ lục 4.12 Kết quả kiểm nghiệm Beta - carotene của gấc khô – sấy n ng 120

Phụ lục 4.13 Kết quả kiểm nghiệm Beta - carotene của gấc khô – sấy bơm nhiệt 121

Phụ lục 14 Các bài báo đã đăng 121

DANH SÁCH CÁC BẢNG

ảng 1 1 Thành phần muối khoáng và các vitamin trong các loại quả 11

ảng 1 2 Thành phần h a học trên 100g gấc 12

Bảng 1.3 So sánh hiệu quả sấy bơm nhiệt với các hệ thống sấy khác 20

Bảng 1.4 So sánh chất lượng thực phẩm sấy bằng công nghệ sấy lạnh so với các 20

công nghệ sấy truyền thống 20

Bảng 3.1: Độ ẩm của màng đỏ hạt Gấc tươi 44

Bảng 3.2- Khối lượng riêng của màng Gấc tươi 45

Bảng 3.3: Các thông số tại các điểm nút 54

Bảng 3.4 Tổng hợp kết quả tính toán cho máy và thiết bị lạnh 63

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật các thiết bị trong mô hình 64

Bảng 4.1: Thông số và xuất xứ của dụng cụ thí nghiệm 68

Bảng 4.2: Miền thực nghiệm đa yếu tố 74

Bảng 4.3: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm 75

Bảng 4.4 Bảng kết quả 5 chế độ thí nghiệm ở tâm 76

Bảng 4.5: Bảng tính phương sai tái hiện của thời gian sấy 77

ảng 4 6: Kết quả tính toán các hệ số b j , s bj , t bj ho hàm 1 77

Bảng 4.7: Bảng tính phương sai tái hiện của năng lượng tiêu thụ 80

ảng 4 8: Kết quả tính toán hệ số bj, sbj, tbj của hàm Y2 80

Bảng 4.9: Bảng tính phương sai tái hiện của hàm lượng -carotene trong sản phẩm 82 ảng 4 1 Kết quả tính toán hệ số bj, sbj, tbj cho hàm Y3 83

Bảng 4.11: Bảng tính phương sai dư của các hàm mục tiêu 85

ảng 4 12: Kết quả sấy bằng 3 phương pháp 89

ảng 4 13: Đo hàm lượng β- carotene trên 3 phương pháp sấy 92

ảng 4 14: Kết quả đo màu của gấc tươi và sản phẩm sau sấy của 3 phương pháp sấy 92

DANH SÁCH CÁC HÌNH

H nh 1 1 Quả gấc 9

H nh 1 2 Hàm lượng lycopene của một số loại quả 10

H nh 1 3 Hàm lượng β - carotene trong gấc và một số loại rau quả 11

Hình 1.4 Máy sấy bơm nhiệt 16

Hình 3.1- Đồ thị I –d cho quá trình sấy lý thuyết 42

Hình 3.2 Đồ thị biểu di n quá trình sấy thực tế 49

Hình 3.3 Truyền nhiệt qua vách 50

Hình 3.4 Biểu di n quá trình sấy thực trên đồ thị I-d 52

Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống mô hình thí nghiệm sấy bơm nhiệt 63

H nh 4 1 Chuẩn bị vật liệu sấy 65

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý và máy sấy bơm nhiệt S01DHCN 66

Hình 4.3 Máy sấy khay IC 106D 66

Hình 4.4 Cân điện tử 67

Hình 4.5 Máy đo độ ẩm Sartorius 67

Hình 4.6 Máy đo tốc độ gi , lưu lượng gió EXTECH SDL350 67

Hình 4.7 Dụng cụ đo bức xạ mặt trời Tenmars TM 206 và máy đo màu CM-5 68

Hình 4.8: Đồ thị tương quan giữa nhiệt độ đến thời gian sấy và điện năng tiêu thụ riêng 71

Hình 4.9 : Đồ thị tương quan giữa độ ẩm tác nhân với điện năng tiêu thụ và thời gian sấy 72

Hình 4.10: Đồ thị tương quan giữa vận tốc tác nhân và thời gian sấy, điện năng riêng 73

Hình 4.11: Minh họa mô hình hộp đen của bài toán tối ưu h a đa mục tiêu 74

Hình 4.12: Ảnh hưởng của các thông số đến thời gian sấy 79

Hình 4.13: Đồ thị thể hiện sự tương thích giữa hàm hồi qui Y1 với thực nghiệm 79

Hình 4.14: Ảnh hưởng của các thông số đến tiêu hao năng lượng riêng 82

Hình 4.15: Đồ thị thể hiện sự tương thích giữa hàm hồi qui Y2 với thực nghiệm 82

Hình 4.16: Ảnh hưởng của các thông số đến độ giảm hàm lượng -carotene trong sản phẩm 84

Hình 4.17: Đồ thị thể hiện sự tương thích giữa hàm hồi qui Y3 với thực nghiệm 85

H nh 4 18: Màng đỏ hạt gấc sau khi sấy bơm nhiệt 87

H nh 4 19: Thời gian sấy, X2 -0,993 87

H nh 4 2 : Năng lượng tiêu thụ, X2 -0,993 87

H nh 4 21: Hàm lượng beta carotene, X2 -0,993 88

H nh 4 22: Tối ưu h a đa mục tiêu 88

Hình 4.24: Đường cong sấy theo phương pháp sấy bơm nhiệt 90

Hình 4.25: Đường cong sấy theo phương pháp sấy bằng khí n ng 91

Hình 4.26: Đường cong sấy theo phương pháp phơi nắng 91

SMER: Hiệu suất khử ẩm của máy sấy bơm nhiệt (Moisture Extraction Rate) kg/kWh

C

λa: Hệ số dẫn nhiệt của nước trong hang xốp W/(m.K)

λc: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu sấy W/(m.K)

Me: Độ ẩm cân bằng %

M1: Độ ẩm ban đầu %

G2: Khối lương sản phẩm kg

J2b: Mật độ dòng nhiệt kJ/m2.h

J2b: Cường độ bay hơi ẩm trên bề mặt vật liệu kg/m2.h

U: Tốc độ sấy đẳng tốc %/h

M1 : Độ ẩm tới hạn cuối giai đoạn sấy đẳng tốc của vật liệu ẩm %

Δp: Tổn thất trở lực mm H2O

∆: Hiệu nhiệt lượng bổ sung – nhiệt lượng tổn thất chung kJ/kg

: Độ nhớt động học m2/s

Ψ : Hệ số hình dáng các phần tử tạo nên vật liệu

sth: Phương sai tái hiện

Gr: Tiêu chuẩn Grashoft

Nu: Tiêu chuẩn Nusselt

Re: Chuẩn số Raynol

T M T T

Hiện nay, có rất nhiều kỹ thuật sấy khô dùng để sản xuất bột khô trong các ngành công nghiệp thực phẩm Khi so sánh với các kỹ thuật làm khô như sấy phun, sấy chân không và sấy thăng hoa, sấy không khí n ng là phương pháp sấy đơn giản và rẻ nhất Tuy nhiên, chất lượng của các sản phẩm sấy bằng khí n ng là kém nhất, đặc biệt

là vật liệu nhạy cảm với nhiệt Sấy thăng hoa là phương pháp sấy tốt nhất cho sản xuất thực phẩm chất lượng cao cấp Sản phẩm giữ gần như nguyên v n hàm lượng chất dinh dưỡng, hương vị và mùi thơm, các tính chất vật lý và màu sắc đặc trưng so với lúc còn tươi Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này là chi phí quá cao

Khi lựa chọn đề tài ứng dụng bơm nhiệt để sấy gấc, tác giả tập trung vào nghiên cứu sấy màng đỏ hạt gấc dùng trong sản xuất bột gấc, là sản phẩm nhạy cảm về nhiệt, với ưu điểm là nhiệt độ sấy thấp từ 40 – 50C, cao hơn so với sấy chân không thăng hoa nhưng thấp hơn so với các phương pháp sấy khác c thể ngăn chặn hoặc làm giảm chậm các phân hủy chất dinh dưỡng và màu sắc c ng như tránh tạo lớp màng cứng trên

bề mặt vật liệu sấy mà chính lớp màng này cản trở sự khuyếch tán ẩm, làm giảm tốc độ sấy Độ ẩm của tác nhân sấy thấp c thể làm tăng tốc độ sấy từ đ giảm thời gian sấy, chi phí vừa phải và đặc biệt không dùng h a chất bảo quản để xử lý nhằm cung cấp thêm giải pháp cho việc lựa chọn sản xuất bột gấc n i riêng và các sản phẩm nông sản thực phẩm n i chung

Nghiên cứu đã xác định ảnh hưởng của các phương pháp sấy đến thời gian sấy, hàm lượng carotene và màu sắc của màng đỏ hạt gấc Màng đỏ hạt gấc được sấy bằng

3 phương pháp khác nhau là: Phương pháp sấy bơm nhiệt, phương pháp sấy khí n ng

và phương pháp phơi khô dưới nắng mặt trời cùng mức nhiệt độ tác nhân sấy là 430

C, vận tốc tác nhân sấy là 2,5m/s Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy phương pháp sấy bằng bơm nhiệt cho màu sắc sản phẩm gần như không thay đổi, t lệ hàm lượng carotene đạt 95,57 , thời gian sấy là 11,5 giờ chứng tỏ phương pháp sấy bằng bơm

nhiệt thích hợp đối với màng đỏ hạt gấc c ng như với loại nguyên liệu c độ nhạy cảm

về nhiệt và c hàm lượng chất chống oxi h a cao, nâng cao giá trị sản phẩm sấy, tiết kiệm điện năng khi sấy loại nguyên liệu này

Nghiên cứu đã xác định được các thông số tối ưu cho quá trình sấy, các thí nghiệm được bố trí theo quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 và tối ưu h a đa mục tiêu theo phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), kết quả tối ưu h a đa mục tiêu quá trình sấy màng đỏ hạt gấc bằng phương pháp sấy bơm nhiệt từ thực nghiệm cho thấy nhiệt

độ tác nhân sấy trong buồng sấy là 44,160C, nhiệt độ ngưng tụ hơi ẩm tại dàn lạnh là 14,03C, vận tốc tác nhân sấy là 2,6 m/s Thời gian sấy là 11,27 giờ và mức tiêu thụ năng lượng 4,363 kWh / kg so với kết quả nghiên cứu trước đ là 16,257 giờ và 66,77 kWh/kg [19] Trong khi độ giảm hàm lượng beta carotene của sản phẩm sau khi sấy so với gấc tươi vẫn thấp hơn Hàm lượng beta carotene bị mất không đáng kể thu được sản phẩm đáp ứng được yêu cầu về chất lượng dinh dưỡng và màu sắc, năng lượng tiêu thụ giảm đáng kể do vậy c thể áp dụng chế độ công nghệ vào trong sản xuất công nghiệp

ABSTRACT

Nowadays, there are many drying techniques used to produce dry powder in the food industry When compared to drying techniques such as spray drying, vacuum drying and sublimation drying, hot air drying is the simplest and least expensive method of drying However, the quality of hot air drying products is the worst, especially the heat sensitive material Sublimation drying is the best drying method for producing high quality food The product retains almost the same amount of nutrients, flavors and fragrances, physical properties and color characteristics compared to fresh ones However, the main drawback of this approach is that the cost is too high

When choosing the topic of heat pump application for drying gac fruit, gac aril

is used as a heat sensitive product, with the advantage is low temperature of 40-50°C, higher than sublimation drying but lower than other drying methods This can prevent

or slow down the decomposition of nutrients and color as well as avoid the formation

of the hard film on the surface of the drying material which inhibits moisture diffusion, reducing the drying rate The low humidity of the drying agent can increase the drying rate, thereby reducing the drying time This method has moderately costs and especially don't used preservation chemicals, it provide additional solutions for flour gac production in particular and agricultural products in general

Study was to determine the effects of drying methods on the drying time, the carotene content and the color of red Gac aril Gac arils were dried by 3 different methods: heat pump, hot air and solar drying method at 430C with the air velocity was 2,5 m/s The results shown that the method of heat pump drying is the most suitable for the red drying of Gac aril The color of final product was almost unchanged and the ratio of carotene was 95.57% with drying time was 11.5 hours It has been shown that the method of heat pump drying is suitable for gac aril as well as for heat sensitive and

high antioxidant materials, improve the value of drying products and save energy when drying this type of material

Study was to determine the technological parameters of Gac aril drying process

in the heat pump dryer The experiments were carried out according to the 2-level orthogonal experimental plan, combined with multiple response optimization according to Response Surface method (RSM) The multi-objective optimization results

of the heat-pump drying method for the Gac aril from the experiment with the temperature of air drying is 44.16C, the temperature of moisture condensation is 14.03C and the air velocity of 2.6 m/s The drying time is 11.27 hours compared to the result of previous research which is 16.257 hours and the energy consumption 4.363 kWh/kg compared with 66.77 kWh/kg [19], while the beta carotene decease of the final product compared to fresh Gac is still lower this one ensure that the beta carotene content is not lost This helps to ensure that the quality of the product meets the quality requirements and required energy cost for production, thus reducing costs which can be applied to industrial production

MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề

Gấc còn c tên gọi là loại trái cây đến từ thiên đường là loại cây được trồng phổ biến ở

VN và các nước Đông Nam Màng đỏ hạt gấc c hàm lượng Carotene và Lycopene

tự nhiên cao gấp 10 lần so với cà rốt và 68 lần so với cà chua [1, 2] Các loại hợp chất

tự nhiên này c công dụng tốt trong việc chống oxi h a, ngăn ngừa ung thư tuyến tiền liệt, chữa các bệnh về mắt, làm mỹ phẩm và là chất tạo màu thực phẩm tự nhiên, là loại sản phẩm có giá trị cao Việc sử dụng các loại thực phẩm carotenoid c nguồn gốc tự nhiên để chất bổ sung dinh dưỡng đang nhận được sự quan tâm đáng kể từ các nhà sản xuất thực phẩm và người tiêu dùng Màng đỏ bao quanh hạt có tác dụng tốt đối với sức khoẻ nhưng khả năng bảo quản sau thu hoạch còn thấp và chất lượng không đồng đều

do phương pháp sấy còn nhiều hạn chế Các hoạt chất quan trọng có trong quả gấc rất nhạy cảm với nhiệt độ cao

Quá trình sấy khô màng đỏ hạt gấc được thực hiện bằng nhiều biện pháp: Phơi nắng, sấy bằng khí n ng và sấy phun, sấy thăng hoa, phương pháp sấy phun ở nhiệt độ

1200C trong vài phút c sử dụng chất phụ gia [2] cho kết quả khả quan, phương pháp sấy bằng khí n ng ở các nhiệt độ 50, 60,70,80 và 900C [3] kết luận rằng khi sấy ở nhiết

độ dưới 600C sản phẩm cho chất lương và màu sắc tốt nhất nhưng thời gian kéo dài hơn Khi sấy ở nhiệt độ cao quá 600C trong thời gian dài, sản phẩm càng bị sẫm màu

và c mùi khét, hàm lượng các hoạt chất chống oxi h a giảm rất nhanh Như vậy chất lượng và màu sắc của loại sản phẩm này phụ thuộc rất nhiều vào thời gian sấy, nhiệt độ tác nhân sấy tức là phương pháp sấy Để đánh giá đánh giá chất lượng sản phẩm bột gấc sấy khô phụ thuộc vào phương pháp sấy tác giả dựa vào các tiêu chí quan trọng là hàm lượng β- Carotene, màu sắc của sản phẩm so với nguyên liệu đầu vào, tốc độ giảm

ẩm trung bình trong vật liệu, chi phí năng lượng tín trên một đơn vị sản phẩm Do vậy,

học viên lựa chọn đề tài ”Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật sấy lạnh trong sấy ấ ” trong đ tập trung vào sấy màn đỏ hạt gấc nhằm xây dựng được chế độ sấy bơm

nhiệt màng đỏ hạt gấc đảm bảo duy trì thành phần dinh dưỡng trong vật liệu sấy, tiêu hao điện năng riêng hợp lý, làm đa dạng hóa máy sấy trong vật liệu nói chung và sấy gấc nói chung

A Phạm vi nghiên cứu đề tài

- Sấy màng đỏ hạt gấc

- Dùng máy sấy bơm nhiệt

- Xây dựng thông số công nghệ ảnh hưởng tới hàm lượng dinh dưỡng, màu sắc, thời gian sấy và chi phí điện năng riêng

B Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Tìm hiểu về phương pháp sấy bơm nhiệt hiện nay và ứng dụng sấy bơm nhiệt cho

màng đỏ hạt gấc tại Việt Nam

- Khảo sát được đặc tính của VLS là màng đỏ hạt gấc, ảnh hưởng của phương pháp sấy đến vật liệu

- Tính toán, thiết kế chế tạo một mô hình sấy bơm nhiệt phù hợp phục vụ cho nghiên cứu thực nghiệm

- Xây dựng và xác định các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm trong quá trình sấy

- Tối ưu h a chế độ sấy màng gấc bằng bơm nhiệt

C Ý nghĩa khoa học và tính cấp thiết của đề tài

- Việc sấy màng đỏ hạt gấc bằng bơm nhiệt cho phép bảo quản sản phẩm sau thu hoạch đạt chất lượng dinh dưỡng và màu sắc g p phần cho ngành dược phẩm

- Ngoài ra sản phẩm đề tài là mô hình máy sấy bơm nhiệt sấy hoạt động đạt hiệu quả theo mục tiêu đ ng g p 01 mẫu máy cho thực ti n sản xuất công nghiệp

E Phương pháp nghiên cứu

được ứng dụng trong thực tế, chọn lọc những kết quả c thể kế thừa sử dụng trong đề tài nghiên cứu theo hướng lựa chọn

- Xác định những vấn đề cần nghiên cứu bổ sung hoặc nghiên cứu kiểm chứng trong phạm vi sấy nông sản n i chung và sấy gấc n i riêng

- Kế thừa kinh nghiệm sử dụng, kinh nghiệm sấy bơm nhiệt của các nước tiên tiến áp dụng chọn lọc vào điều kiện trong nước

Phươn pháp iải tí h

- Tính toán quá trình sấy lý thuyết, quá trình sấy thực tế, thời gian sấy và các thông số liên quan từ đ tính các thiết bị trao đổ nhiệt, máy nén, buồng sấy, quạt

- Thiết kế, chế tạo thiết bị cho máy sấy bơm nhiệt theo mục tiêu

- Tính toán lý thuyết, áp dụng qui hoạch thực nghiệm làm tiền đề cho nghiên cứu thực nghiệm

Phươn pháp n hiên ứu thự n hiệm

Thiết kế, chế tạo máy sấy bơm nhiệt phù hợp với đặc điểm của vật liệu và thu thập đầy đủ số liệu về các yếu tố đầu vào và các giá trị đầu ra

Bố trí thí nghiệm thăm dò, kết hợp với tham khảo tài liệu tiến hành thí nghiệm đơn yếu tố từ đ xác định miền tối ưu h a các thông số đầu vào

Bố trí thí nghiệm đa yếu tố theo qui hoạch thực nghiệm trên cơ sở miền tối ưu

h a tìm được theo phương án qui hoạch trực giao cấp 2

So sánh và đánh giá hiệu quả và chất lượng sản phẩm sấy với các phương pháp sấy và các công bố khác

Phươn pháp thốn kê và xử lý số liệu

Sử dụng phương pháp phân tích hồi quy đa yếu tố với sự trợ giúp của phần mềm SPSS Statistics 15.02.1 để đánh giá ảnh hưởng của từng thông số đầu vào

F Tổng quát các nội dung thực hiện đề tài

Nội dung thực hiện qua các chương sau đây:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết thực hiện đề tài

Chương 3: Tính toán, thiết kế mô hình máy sấy bơm nhiệt, xây dựng các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình sấy áo hạt gấc

Chương 4: Thực nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy áo hạt gấc

và tối ưu h a các thông số công nghệ

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương 1

TỔNG QUAN

1 1 Tổng quan về v t iệu sấy

Gấc (Momordica cochinchinensis Spreng) được phân loại như botanically

Family Cucurbitaceae, Chi Momordica, và loài Cochinchinensis Nó là một trong những loại trái cây truyền thống trong khu vực Đông Nam n i chung và Việt Nam nói riêng

Việt Nam có các loại giống Gấc: Gấc nếp, Gấc tẻ, Gấc đen, Gấc lai Bình quân 1.5 kg/ trái trồng khắp các vùng, tuy nhiên chưa c qui hoạch thành vùng nguyên liệu

để sản xuất công nghiệp, chủ yếu là sản xuất nhỏ lẻ Hiện nay nhu cầu sản xuất và xuất khẩu lớn Các thị trường chính như: Hoa Kỳ, Ấn Độ, Nhật Bản, Thái Lan, thị trường Châu Âu và thị trường trong nước dùng cho nước giải khát, thực phẩm chức năng… Hiện nay giá bột gấc sấy khô khoảng 700.000 – 1.000.000 đồng /kg Việc sử dụng các loại thực phẩm carotenoid c nguồn gốc tự nhiên để chất bổ sung dinh dưỡng hiện đang nhận được sự quan tâm đáng kể từ các nhà sản xuất thực phẩm và người tiêu dùng Sản lượng Gấc hiện nay chưa đáp ứng được nhu cẩu xuất khẩu do chế biến và bảo quản sau thu hoạch còn lạc hậu và nhỏ lẻ

1- Vỏ quả gấc; 2 – Lớp màu vàng; 3 – Màng đỏ hạt gấc

H nh 1 1 Quả gấc

1 2 Thành phần dinh dƣỡng của quả gấc

Gấc có chứa hàm lượng lycopene và β-carotene cao gấp nhiều so với các loại trái cây và rau quả c chứa lycopene và β-carotene khác [1] (bảng.1.2), hàm lượng β-carotene cao hơn tám lần so với cà rốt [2] Gấc c ng chứa hàm lượng đáng kể của α-tocopherol(vitamin E) [2] và các axit béo Đ là các chất rất quan trọng cần duy trì trong chế biến sản phẩm từ trái cây gấc Bột gấc khô phải giữ được hàm lượng các chất dinh dưỡng và màu sắc như ban đầu

Carotenoid đã được sử dụng nhiều như là một chất tạo màu thực phẩm tự nhiên

do màu vàng-cam-màu đỏ hấp dẫn là chất dinh dưỡng có lợi cho sức khỏe, là tiền chất của vitamin A và có hoạt chất chống oxy hóa mạnh mẽ [3,4,5,6] Do đ việc chế biến

và bảo quản để duy trì màu sắc và chất lượng rất quan trọng Nhiều công ty dược phẩm

sử dụng carotenoid là giải pháp hiệu quả nhất để phòng ngừa thiếu vitamin và điều trị các bệnh khác nhau Đặc biệt, việc tiêu thụ hàng ngày của các loại thực phẩm giàu chất lycopene giảm nguy cơ ung thư tuyến tiền liệt và bệnh tim mạch vành

Thành phần khối lượng gấc tươi gồm lớp da 18%, lớp thịt màu vàng 49%, màng

đỏ hạt 18%, hạt 14% so với toàn bộ quả [2]

H nh 1 2 Hàm lượng lycopene của một số loại quả [7]

H nh 1 3 Hàm lượng β - carotene trong gấc và một số loại rau quả [8,9]

Màng đỏ hạt gấc c ng chứa một lượng đáng kể của các axit béo, 50 là axit béo không no[1,2] xit béo rất c lợi cho sức khỏe con người Với hàm lượng cao của chất béo trong màng đỏ hạt gấc đ ng một vai trò quan trọng trong việc hấp thụ các chất dinh dưỡng và carotenes tan trong chất béo khác Ngoài hàm lượng carotenoid đáng kể nồng

độ của α-tocopherol (vitamin E) trong gấc, ở mức 76 mg/g trọng lượng tươi, c ng là tương đối cao [1]

ảng 1 1 Thành phần muối khoáng và các vitamin trong các loại quả [10,11]

1 3 Tổng quan về sấy bơm nhiệt

Sấy khô là một trong những cách phổ biến nhất để bảo quản các sản phẩm thực phẩm Nhiều công nghệ sấy đã được phát triển qua nhiều năm, chẳng hạn như sấy không khí nóng, sấy chân không, và sấy chân không thăng hoa v.v… Chất lượng của các sản phẩm khô bị ảnh hưởng mạnh bởi phương pháp sấy [12,13,14,15]

Gần đây, c rất nhiều sự quan tâm đến việc sử dụng máy sấy bằng máy bơm nhiệt (HPDs) để sấy khô trái cây, rau và các vật liệu sinh học Sấy là một quá trình nhiệt động lực học phức tạp phụ thuộc vào loại sản phẩm, khối lượng, nhiệt độ và độ

ẩm ban đầu của vật liệu Mặt khác quá trình sấy phụ thuộc vào lưu lượng, độ ẩm, nhiệt

và tốc độ chuyển động của tác nhân sấy Như vậy hệ thống sấy bơm nhiệt c sự tương tác phức tạp giữa các quá trình sấy đối lưu và chu trình nhiệt động của máy lạnh cho nên cần tiếp cận lý thuyết và thực nghiệm cẩn thận, không nên xem xét độc lập [13,14,15]

Thiết kế của hệ thống bơm nhiệt tùy vào các ứng dụng khác nhau, nhưng thành phần chính của máy bơm nhiệt vẫn là máy nén, ngưng tụ, van tiết lưu, bay hơi làm lạnh

[10] Qua khảo sát các thiết bị sấy bơm nhiệt hiện nay trên thế giới c ng như ở VN, các thiết bị này chủ yếu tập trung vào việc thải bỏ nhiệt dư thừa từ dàn nóng ra ngoài hoặc cải tạo hệ thống theo hướng phức tạp thêm đồng nghĩa với việc tăng chi phí đầu tư mà chưa chú trọng tới vấn đề hoạt động của máy bơm nhiệt theo từng giai đoạn hoặc thời điểm của quá trình sấy cho phù hợp nhằm tránh sự cố và nâng cao hiệu suất năng lượng tổng thể của máy sấy bơm nhiệt [14]

Quá trình sấy khô màng đỏ hạt gấc đã được thực hiện bằng nhiều biện pháp: phơi nắng, sấy bằng khí n ng và sấy phun, phương pháp sấy phun ở nhiệt độ 120C trong vài phút và c sử dụng chất phụ gia cho kết quả khả quan [16] Phương pháp sấy bằng khí n ng ở các nhiệt độ 50, 60, 70, 80 và 90C [17] cho thấy rằng khi sấy ở nhiệt

độ dưới 60C sản phẩm cho chất lương và màu sắc tốt nhất nhưng thời gian kéo dài hơn Khi sấy ở nhiệt độ cao quá 60C trong thời gian dài, sản phẩm càng bị sẫm màu

và c mùi khét, hàm lượng các hoạt chất chống oxi h a giảm rất nhanh Như vậy chất lượng và màu sắc của loại sản phẩm này phụ thuộc rất nhiều vào thời gian sấy và nhiệt

độ tác nhân sấy tức là phương pháp sấy Hàm lượng các chất dinh dưỡng quan trọng của quả gấc ít bị phân hu khi nhiệt độ tác nhân sấy thấp hơn 60C do đ sấy bơm nhiệt có thể thích hợp cho sản phẩm này [18,19,21] Để đánh giá chất lượng sản phẩm bột gấc sấy khô phụ thuộc vào phương pháp sấy, tác giả dựa vào các tiêu chí quan trọng là hàm lượng β- carotene, màu sắc của sản phẩm so với nguyên liệu đầu vào, tốc

độ giảm ẩm trung bình trong vật liệu, chi phí năng lượng tính trên một đơn vị sản phẩm

C nhiều nghiên cứu công bố sản phẩm sấy bằng bơm nhiệt c chất lượng và màu sắc tốt hơn so với sấy khí n ng, độ co ng t và hấp thụ nước của sản phẩm c ng tốt hơn, t lệ không khí hồi lưu để đạt hiệu quả hút ẩm cao nhất là khoảng 60% – 80%, vận tốc tối ưu khi sấy bơm nhiệt là 2 – 3m/s [20] và công nghệ sấy bơm nhiệt c ng phù hơp với sấy thực phẩm, và các loại trái, thảo mộc c mùi thơm và tinh dầu [29]

Trong giai đoạn sấy giảm tốc, tốc độ thoát ẩm trong vật liệu chậm lại do vật liệu tạo màng trên bề mặt ngăn cản, độ khuyếch tán ẩm hiệu quả nhỏ, lúc này để hỗ trợ bơm nhiệt tăng tốc độ sấy c thể dùng s ng điện từ hoặc hồng ngoại với tần số thích hợp để tăng tốc độ bay hơi ẩm [22,23]

Nhằm giảm tác động của oxi trong không khí đối với chất lượng sản phẩm, người ta đề xuất sử dụng tác nhân sấy là khí trơ (Nitrogen hoặc cacbondioxit) với nhiệt

độ sấy là 45C, độ ẩm tương đối buồng sấy duy trì ở khoảng 10 kết quả cho thấy màu sắc và chất lượng sản phẩm được cải thiện theo hướng tốt hơn thậm chí về hương vị còn tốt hơn sấy đông khô, hệ số khuyếch tán là 44 cao hơn 16,34 so với sấy khí

n ng, việc kết hợp bơm nhiệt với tác nhân sấy là khi trơ cho hiệu quả trao đổi nhiệt cao hơn, tốc độ khuyếch tán ẩm nhanh hơn và bảo vệ chất lượng sản phẩm tốt hơn [24]

C ng c thể kết hợp sấy bơm nhiệt với áp suất tác nhân sấy trong buồng sấy đạt trang thái chân không, nghiên cứu [25] chứng minh rằng áp suất tác nhân sấy càng nhỏ thì điểm sôi càng thấp và thời gian sấy được đẩy nhanh, khả năng bù nước của sản phẩm tốt hơn, hình dáng khi sấy ở áp suất 10kPa ít bị co ng t hơn khi sấy ở áp suất 40kPa

Để nâng cao hiệu quả năng lượng, nghiên cứu c ng công bố việc sử dụng bơm nhiệt kết hợp với chất hút ẩm (Silicagel) hệ thống bơm nhiệt và hệ thống hút ẩm làm việc song song qua 3 giai đoạn, giai đoạn đầu độ ẩm lớn và tốc độ bốc hơi ẩm từ vật liệu cao, sử dụng bơm nhiệt để sấy, giai đoạn 2 lượng ẩm giảm cho dòng tác nhân sấy

đi qua bộ phận hút ẩm để tiếp tục sấy, giai đoạn 3 là dùng bơm nhiệt để cấp nhiệt hoàn nguyên chất hút ẩm thông qua hệ thống van điều khiển Việc vận hành sấy bơm nhiệt

c hỗ trợ của chất hút ẩm phù hơp với nhiều loại vật liệu sấy và c khả năng tiết kiệm được 30-50 năng lượng điện, tuy nhiên hiệu suất tiết kiệm năng lượng c ng phụ thuộc vào nồng độ hơi ẩm trong tác nhân sấy và nhiệt độ tái sinh chất hút ẩm [26] c ng tương tự như vậy nếu sấy bơm nhiệt gián đoạn, nghĩa là c thời gian ủ khi tốc độ sấy giảm xuống, điều này c thể kéo dài thời gian sấy nhưng tiết kiệm năng lượng từ 30-50% [26, 27]

Do vậy, việc lựa chọn và áp dụng phương pháp sấy bơm nhiệt màng đỏ hạt gấc nhằm mục đích hướng đến làm đa dạng trong lựa chọn các loại máy sấy khác nhau với chi phí hợp lý, đảm bảo duy trì thành phần dinh dưỡng trong vật liệu

Tối ưu chế độ sấy bơm nhiệt đối với từng sản phẩm cụ thể nhằm thỏa mãn các yếu tố về mức tiêu thụ năng lượng và chất lượng sản phẩm sấy Chất lượng sản phẩm sấy bao gồm nhiều tiêu chuẩn như màu sắc, hàm lượng chất dinh dưỡng so với nguyên liệu ban đầu, độ co ng t, khả năng hút nước [26, 27] Trong khi đ chi phí năng lượng của quá trình sấy khô phụ thuộc vào loại nguyên liệu, cơ chế sấy, tính chất vật lý của nguyên liệu, phương pháp sấy, nhiệt độ sấy, quá trình điều khiển và kiểm soát thiết bị [28, 29, 30]

1.4 Cơ sở ý u n về sấy bơm nhiệt

Bơm nhiệt là thiết bị dùng để đưa một dòng nhiệt từ nguồn c nhiệt độ thấp đến nguồn c nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt Để duy trì bơm nhiệt hoạt động cần tiêu tốn năng lượng như điện năng, cơ năng…

Cơ chế thoát ẩm ra khỏi VLS là quá trình khuếch tán ngoại và quá trình khuếch tán nội Khuếch tán ngoại c xảy ra thì khuếch tán nội mới được tiến hành Động lực của quá trình khuếch tán ngoại là sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt VLS với áp suất riêng phần của hơi nước trong TNS Với phương pháp sấy đối lưu bằng không khí n ng để tăng động lực của quá trình khuếch tán ngoại bằng cách tăng nhiệt độ của TNS và thường là không khí n ng Tuy nhiên, với phương pháp sấy trên

do nhiệt độ của không khí tiếp xúc với nguyên liệu sấy cao nên làm cho chất lượng của sản phẩm bị giảm đi nhiều [16,17, 18, 20, 21]

Với phương pháp bằng bơm nhiệt, để tăng động lực của quá trình khuếch tán ngoại người ta giảm áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm và được tiến hành như sau:

Không khí ẩm được làm lạnh đến nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương để tách bớt một lượng nước chứa trong không khí ẩm và nguyên lý làm việc được thể hiện trên (hình 1.4)

1- Van tiết lưu; máy nén; 2- Van tiết lưu; 3- Dàn lạnh 1; 4- Máy nén; 5- Dàn lạnh 2; 10- Buồng sấy; 11- Khay sấy; 12- Ống thu hồi khí thải; 13- Ống cấp tác nhân

Hình 1.4 Máy sấy bơm nhiệt

TNS đi vào buồng sấy, do chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước giữa TNS

và VLS nên ẩm từ bề mặt VLS bay hơi vào TNS làm cho độ ẩm chứa trong TNS tăng lên, sau đ TNS được đi qua dàn lạnh và không khí ẩm được làm lạnh đến nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương làm cho ẩm chứa trong TNS ngưng tụ trên bề mặt dàn lạnh và nước ngưng chảy vào máng hứng ra ngoài Lượng nước ngưng tụ trên chính là lượng

ẩm thoát ra từ nguyên liệu sấy TNS sau khi qua dàn lạnh được tách ẩm (giảm dung lượng ẩm một lượng Δd) và nhiệt độ hạ xuống rồi đi vào dàn ngưng nhận nhiệt thải của môi chât lạnh, khi đ nhiệt độ TNS được tăng lên nhưng hàm ẩm vẫn không đổi (đẳng dung d = const), sau đ được quạt cấp thổi vào buồng sấy nguyên liệu và quá trình được lặp lại như trên

1.5 Các kết quả nghiên cứu sử dụng bơm nhiệt sấy trong nước và thế giới

Trên thế giới hiện nay, ứng dụng bơm nhiệt để sấy các sản phẩm ngày càng phổ biến, với nhiều loại hệ thống sấy được cải tiến từ nguyên lý cơ bản [28] để phù hợp với nhiều loại vật liệu từ sấy gỗ, sản phẩm nông nghiệp và sinh học [29, 30], tuy nhiên

c ng chưa c số liệu đánh giá đầy đủ về hiệu quả cải tiến, đặc biệt là hiệu quả về sử dụng năng lượng theo xu hướng tích hợp giữa nguyên lý sấy bơm nhiệt với năng lượng mặt trời, s ng điện từ, bức xạ hồng ngoại, chất hút ẩm, sấy 2 giai đoạn hoặc sử dụng

bơm nhiệt c biến tần [13, 15, 22, 23, 24, 25] Sấy bơm nhiệt đặc biệt thích hợp với sản phẩm nông nghiệp và sinh học nằm bảo vệ các chất nhạy cảm về nhiệt và thiết bị ít tốn kém hơn sấy thăng hoa [25]

Ở trong nước c ng ứng dụng bơm nhiệt từ lâu và sấy nhiều loại sản phẩm khác nhau:

Phạm Văn Tùy và cộng sự, nghiên cứu và chuyển giao công nghệ sấy k o Jelly tại công ty bánh k o Hải Hà bằng phương pháp sấy lạnh, kết quả là công nghệ sấy lạnh mới tiết kiệm cho công ty một nửa vốn đầu tư (240 triệu đồng) so với công nghệ sấy c dùng máy hút ẩm chuyên dùng Chi phí điện năng cho phòng sấy lạnh giảm chỉ còn 42 điện tiêu thụ so với phương pháp sấy c [31] Ngoài ra còn sấy bơm nhiệt nhiệt độ thấp vật liệu là rau quả, dược liệu [32,33]

Phạm Văn Hậu, nghiên cứu chế độ sấy tối ưu trên máy bơm nhiệt BK-BSH 1.4 cho nông sản thực phẩm (hành lá), kết quả tìm ra được phương trình hồi quy cho chế

Phan Thị Hồng Thanh, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số làm việc đến hiệu quả sấy, đồng thời xác định chế độ sấy tối ưu trên máy bơm nhiệt BK-BSH 1.4 cho hành tây để đạt được năng suất sấy lớn nhất, chất lượng sản phẩm tốt nhất kết quả tìm ra được phương trình hồi quy cho chế độ sấy hành tây là [35]:

t 0,026 21,16.BP

u 1,85.

G 0,014.

0,13.BP.t BP

1,9.u t

0,015G

.BP 0,24G

1,56t 13,22BP

6,35u 1,09G

24,73

w

2 TNS 2

2 TNS 2

VLS TNS

TNS TNS

VLS

VLS TNS

TNS VLS

Chế độ sấy tối ưu khi sấy hành tây là: tTNS = 34 C, VTNS = 2m/s, GVLS 8kg, t lệ bypass BP 55 Ở chế độ sấy này lượng ẩm tách ra trong một đơn vị thời gian là 22,21g/phút

M.N.A Hawlader và cộng sự nghiên cứu Táo, Ổi, Khoai tây bằng máy bơm nhiệt với TNS là khí trơ, nhiệt độ tác nhân sấy thấp hơn 45oC, độ ẩm tương đối của TNS 10% kết quả cho sản phẩm với chất lương tốt tương đương với sấy đông khô [24]

Trần Đại Tiến, nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp sấy bức xạ hồng ngoại

kết hợp với sấy lạnh đến chất lượng mực khô Qua đ tác giả đã kết luận là chất lượng mực khô được sấy bằng phương pháp sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh tốt hơn so với phương pháp sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp với đối lưu Chế độ sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh thích hợp là: Nhiệt độ sấy 350C, vận tốc gi 2m/s, độ

ẩm không khí dao động từ 20 đến 40 , khoảng cách từ đèn bức xạ hồng ngoại đến bề mặt của mực là 40cm, nhiệt độ không khí thổi qua bề mặt mực nguyên liệu sấy 25 ±

10C và thời gian sấy 10,2h [36]

Nghiên cứu của Engin Demiray và công sự chỉ ra rằng hàm lượng beta – carotene và lycopene bị ảnh hưởng mạnh nhất trong khoảng nhiệt độ 70- 80oC, thời gian sấy c ng ảnh hưởng rất mạnh đến sự phân hủy 2 hợp chất này [21]

1.6 Các kết quả nghiên cứu sấy màng gấc

Đỗ Minh Chiến nghiên cứu sấy thăng hoa màng đỏ hạt gấc [37] Trên cơ sở phân tích, đánh giá và tối ưu h a điều kiện công nghệ bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, tác giả đã đề xuất chế độ sấy thích hợp đối với sấy thăng hoa màng đỏ hạt gấc là: Nhiệt độ lạnh đông tv = - 35,04 oC, nhiệt độ bức xạ là tbx = 31,45oC, chiều dày lớp vật liệu S = 11,8mm, hàm lượng beta - carotene 404,39 mg/100g thời gian sấy là 11,79 h

V Thị Hằng [17] và đồng sự sấy màng gấc bằng khí n ng ở nhiệt độ 50, 60, 70,

80, 90oC kết luận rằng màu sắc và hàm lượng beta – Carotene chỉ được bảo toàn khi nhiệt độ sấy nhỏ hơn 60oC, Khi nhiệt độ sấy lớn hơn 60oC, sản phẩm bị tối màu và c mùi khét

Nguy n Tấn D ng [19] và đồng sự sấy màng gấc bằng máy bơm nhiệt với kết quả tối ưu nhiệt độ tác nhân sấy là 37,18oC, nhiệt độ ngưng tụ hơi nước là 14,54oC, vận tốc tác nhân sấy là 9,38 m/s sản phẩm đạt được 94, 93 lượng beta – carotene so với ban đầu, mức tiêu thụ năng lượng là 66,68 kWh/kg sau thời gian sấy là 16,257h

Kha Chấn Tuyền và đồng sự công bố sấy màng đỏ hạt gấc bằng phương pháp sấy phun ở 120oC trong thời gian 3 phút tuy nhiên phải sử dụng chất bảo quảnmaltodextrin 10% [38,39]

Thao H Tran công bố nghiên cứu về ảnh hưởng của các phương pháp sử lý khác nhau bằng enzyme trong quá trình sấy màng đỏ hạt gấc [40]

Auisakchaiyoung, T and Rojanakorn [41] nghiên cứu sấy màng đỏ hạt gấc bằng phương pháp sấy bơm nhiệt, xử lý vật liệu trước khi sấy bằng chất tạo bọtmethylcellulose trộn vào vậy liệu đã xay nhuy n với nồng độ 1%, 1,5%, 2% thành dạng foam, thời gian tạo bọt là 0, 10, 20, 25 phút, foam này dàn mỏng trên khay sấy với lớp chiều dày là 1, 2 ,3 mm, vận tốc TNS không đổi là 0,5m/s, nhiệt độ sấy 60,70,

phút, nhiệt độ sấy 700C, thời gian sấy 60 phút cho sản phẩm c hàm lượng beta – carotene, tổng hợp chất phenol, chất chống oxi hóa cao nhất so với các phương pháp sấy lớp mỏng dạng foam khác [41]

Ưu đi m của máy sấy ơm nhiệt:

- Hiệu suất năng lượng cao vì sử dụng cả nhiệt từ dàn n ng và dàn lạnh

- Nhiệt độ sấy tương đối thấp và độc lập với điều kiện thời tiết xung quanh

- Tạo ra chất lượng sản phẩm tốt hơn, đặc biệt đối với thực phẩm nhạy cảm với nhiệt và các sản phẩm nông nghiệp và y sinh học

- Thời gian hoàn vốn ngắn

Nhượ đi m của máy sấy ơm nhiệt

- Kém hiệu quả khi hàm lượng ẩm trong nguyên liệu thấp

- Chi phí vốn ban đầu và chi phí bảo trì cao hơn do máy làm lạnh, có thể rò rỉ chất làm lạnh

- Quy trình vận hành phức tạp, yêu cầu tay nghề cao hơn

Hiệu suất quá trình sấy được tính toán thông hiệu suất khử ẩm của máy sấy bơm nhiệt (Moisture Extraction Rate - SMER), kg/kWh

Bảng 1.3 So sánh hiệu quả sấy bơm nhiệt với các hệ thống sấy khác

khí nóng

Sấy chân không

Sấy bơm nhiệt

SMER [kg nước/kWh] 0,12 – 1,28 0,72 – 1,2 1,0 – 4,0

Hiệu suất sấy của máy sấy, % 35 - 40 < 70 95

Khoảng nhiệt độ hoạt động, 0C 40 - 90 30 - 60 10 - 65

Khoảng biến thiên độ ẩm tương đối

của TNS, %

Biến thiên Thấp 10 - 65

Bảng 1.4 So sánh chất lượng thực phẩm sấy bằng công nghệ sấy lạnh so với các

công nghệ sấy truyền thống

%

Độ ẩm cuối,

Sấy bằng hồng ngoại Xanh thẫm, xốp, thơm 54 5,2

Nhận xét: Qua phân tích các kết quả nghiên cứu và ứng dụng của các tác giả

trong và ngoài nước cho thấy tốc độ sấy và chất lượng của sản phẩm khô phụ thuộc nhiều vào phương pháp sấy khác nhau

Các tác giả đánh giá cao về tốc độ sấy và chất lượng của sản phẩm khô, dùng các chất phụ gia để xử lý VLS trước khi sấy nhằm đảm bảo chất lượng, rút ngắn thời gian sấy

Công bố về sấy khí n ng 17] chỉ ra rằng hàm lượng chất dinh dưỡng, màu sắc,

và các hợp chất chống oxi h a bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ tác nhân sấy, khi sấy

ở dưới 60oC thì các chất dinh dưỡng này được bảo vệ và sản phẩm c chất lượng tốt, tuy nhiên tác giả c ng không xem xét mức tiêu thụ năng lượng và thời gian sấy, thời gian sấy kéo dài c ng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, vận tốc tác nhân sấy, bố trí vật liệu trong bồng sấy, c ng không được đề cập

Công bố về sấy thăng hoa 37] màng gấc không đề cập đến chi phí năng lượng tuy nhiên chắc chắn tiêu tôn năng lượng cao hơn các phương pháp sấy khác vì cần cấp đông VLS, mặt khác kết quả c ng chưa chỉ ra được sự thất thoát hàm lượng beta – carotene so với vật liệu ban đầu, chỉ công hàm lượng cuối cùng của sản phẩm tuy nhiên hàm lượng này c ng là thấp so với các công bố khác (404,39 mg/100g)

Công bố về sấy bơm nhiệt màng đỏ hạt gấc [19] chi phí năng lượng quá cao (66,68 kWh/kg), thời gian sấy kéo dài (16,257 h) làm cho chế độ sấy này kh c thể áp dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp mặc dù hàm lượng beta – carotene thất thoát

khá thấp (5,04 ) so với VLS ban đầu Nhiệt độ sấy thấp, thời gian sấy dài và đặc biệt

là vận tốc tác nhân sấy quá cao (9,38 m/s) làm chi phí năng lượng bất hợp lý

Xay nhuy n màng gấc và tạo bọt dưới dạng foam rồi sấy lớp mỏng [41] c ng chưa công bố được chi phí năng lượng, hàm lượng beta – carotene đạt mức cao nhất là

so với nguyên liệu tươi hay so với các sản phẩm sấy khác, việc so sánh c ng không được thực hiện cụ thể và phương pháp sấy ở nghiên cứu này là gì và liệu với nhiệt độ tác nhân sấy 70oC đã thực sự giữ được hàm lượng beta – carotene ở mức cao nhất chưa C ng chưa xem xét sự ảnh hưởng của chất tạo bọt đến chất lượng sản phẩm

ết u n : Từ những kết quả về sấy loại vật liệu màng gấc, công dụng và tiềm

năng của loại sản phẩm này tác giả nhận thấy:

Nhiệt độ sấy bơm nhiệt thích hợp cho loại vật liệu này

Chí phí năng lượng sấy bằng phương pháp sử dụng bơm nhiệt [19] cần được xem xét lại và đối với loại VLS màng gấc cần chứng tỏ ưu thế sấy bơm nhiệt so với sấy thăng hoa [39]

Vận tốc sấy và nhiệt độ tác nhân sấy của công bố 19] trước đ là chưa hợp lý, vận tốc tác nhân sấy 9,38 m/s là quá cao trong phương pháp sấy bơm nhiệt và chính điều này làm thời gian sấy kéo dài, tiêu hao năng lượng lớn

Sử dụng h a chất trong chế biến và bảo quản thực phẩm nên hạn chế, cần phải điều tra tác động của h a chất đến sức khoe và tác động của h a chất ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm chưa kể sử dụng h a chất gây tốn kém và mất thời gian cho công đoạn xử lý

Do đ , mục đích nghiên cứu của luận văn là chế tạo và tối ưu h a chế độ sấy hợp lý cho máy sấy bơm nhiệt bao gồm các yếu tố vận tốc TNS, nhiệt độ TNS, nhiệt

độ ngưng ẩm, thời gian sấy, chi phí năng lượng, chất lượng dinh dưỡng và màu sắc và đặc biệt không sử dụng h a chất để sấy màng đỏ hạt gấc nhằm hoàn thiện chế độ sấy tao ra sản phẩm chất lượng cao, đồng đều như nội dung cơ bản đã được trình bày ở phần mở đầu

Chương 2

CƠ SỞ Ý THU ẾT

2 1 Nước hoạt h a của thực ph m và rau củ quả

Nước hoạt h a của một loại thực phẩm được định nghĩa là t lệ áp suất hơi nước trong thực phẩm với áp suất hơi bão hòa của nước ở cùng nhiệt độ và c giá trị từ 0 đến

1 Trong thực tế, hoạt độ nước của một thực phẩm bằng độ ẩm tương đối của không khí (chia cho 100) khi cân bằng với độ ẩm của sản phẩm

Mục đích chính của quá trình sấy là để loại bỏ nước hoạt h a cho đến hàm lượng ẩm mà có thể bảo quản được Trong đ sự ức chế sự tăng trưởng của vi khuẩn được tìm thấy tại Aw dưới 0,9, enzyme tại hàm lượng nước hoạt h a dưới 0,6 Nói chung, sự hư hỏng thực phẩm bị kìm hãm khi nồng độ nước hoạt h a dưới 0,6 [2]

Theo định nghĩa của hoạt độ nước, các giá trị hoạt độ của thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ tăng thì độ hoạt h a tăng

2 2 Các dòng dịch chuyển và cơ chế thoát m trong V S [43]

2 2 1 Cơ chế thoát m trong v t iêu sấy

Sự khuếch tán của nước ra khỏi nguyên liệu gồm 2 quá trình là khuếch tán nội

và khuếch tán ngoại

Quá trình khuế h tán n oại

Khuếch tán ngoại là sự dịch chuyển hơi nước từ bề mặt VLS vào TNS mà động lực của n là sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật liệu với áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm Động lực đ là (P = pbm- ph) Lượng nước bay hơi t lệ thuận với P, bề mặt bay hơi và thời gian làm khô:

dw = B.(pbm - ph).F.d (2.1) Trong đ :

w- Lượng nước bay hơi, kg

F- Diện tích bề mặt bay hơi, m2

 - Thời gian bay hơi, h

B- Hệ số bay hơi, kg/h.m2.mmHg

pbm- p suất hơi nước bão hòa trên bề mặt vật liệu sấy, mmHg

ph- p suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm, mmHg

Như vậy, để tăng lượng ẩm bay hơi trong quá trình làm khô c thể thay đổi một

số thông số như sau:

- Tăng diện tích bề mặt bay hơi thì giá đỡ nguyên liệu sấy nên làm ở dạng lưới

để ẩm bay hơi được cả phía trên và phía dưới

- Tăng hệ số bay hơi B, tức là tăng vận tốc TNS Tuy nhiên, khi tăng vận tốc TNS quá lớn c ng làm cho quá trình làm khô chậm lai

- Tăng pbm bằng cách tăng nhiệt độ của VLS hay tăng nhiệt độ của tác nhân sấy Phương pháp này chỉ ứng dụng cho những VLS chịu được nhiệt độ cao Phần lớn các VLS thực phẩm rau quả và sản phẩm sinh học khi sấy ở nhiệt độ cao chất lượng bị giảm đi nhiều đặc biệt là màu sắc và mùi vị

- Giảm áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm bằng cách làm lạnh không khí xuống dưới nhiệt độ đọng sương để tách một lượng nước trước khi vào thiết bị gia nhiệt để sấy Khi sấy ở nhiệt độ không cao thì áp suất của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu bé nhưng áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm c ng bé nên sẽ nâng cao động lực của quá trình sấy

Quá trình khuế h tán nội

Khuếch tán nội là quá trình chuyển dịch ẩm từ trong VLS ra bề mặt ngoài của VLS Động lực của quá trình là sự chênh lệch về độ ẩm giữa các lớp bên trong và bên ngoài Nếu sự chênh lệch ẩm càng lớn tức là gradient độ ẩm lớn sẽ làm cho tốc độ khuếch tán nội càng nhanh Tốc độ khuếch tán nội được thể hiện bằng phương trình sau:

w d

K F dx

  (2.2) Trong đ :

w- lượng nước khuếch tán, kg

 - Thời gian khuếch tán, h

F - Diện tích bề mặt khuếch tán, m2

K - Hệ số khuếch tán

dc/ dx - Gradient độ ẩm

Sự di chuyển ẩm trong quá trình làm khô trước tiên xảy ra với ẩm tự do sau đ

là ẩm liên kết h a lý Ẩm di chuyển trong VLS ở thể lỏng hoặc thể hơi là do sự liên kết

ẩm Ẩm liên kết hấp phụ khuếch tán dưới dạng hơi và ẩm liên kết thẩm thấu, liên kết kết cấu và ẩm tự do sẽ khuếch tán ở dạng lỏng Nguyên liệu nông sản nói chung thường là dạng keo xốp Vì vậy, sự di chuyển ẩm trong VLS trong quá trình làm khô được tiến hành bằng cả ở thể lỏng và thể hơi, gọi sự di chuyển đ là “sự truyền dẫn ẩm phần” do sự chênh lệch độ ẩm gây nên Độ ẩm của nguyên liệu cao thì sự di động của

ẩm là ở thể lỏng và độ ẩm càng giảm thì sự di động của ẩm chuyển qua dạng hơi Lượng ẩm dịch chuyển trong VLS t lệ với sự chênh lệch độ ẩm và được tính như sau[43]

W’ = - k..u (2.3) Trong đ :

W’- Lượng nước của VLS chuyển qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian, kg

- Khối lượng riêng của chất khô tuyệt đối

- Cường độ vận động của các phân tử ở thể khí hoặc thể lỏng trong giới hạn c nhiệt độ cao hơn so với nơi nhiệt độ thấp hơn

- Khi nhiệt độ tăng thì sức căng bề mặt ngoài của thể lỏng giảm do đ lực của các ống mao dẫn c ng giảm tạo sự chuyển động của chất lỏng theo phía nhiệt độ giảm xuống tức là theo hướng của dòng nhiệt

- Trong ống mao dẫn chứa thể lỏng thường tồn tại nhiều bọt khí, khi nhiệt độ tăng, bọt khí sẽ giãn nở đẩy thể lỏng theo hướng dòng nhiệt

Sự di chuyển ẩm trong VLS do sự chênh lệch nhiệt độ gây nên gọi là sự “truyền dẫn nhiệt ẩm phần” Lượng ẩm di chuyển đ được t lệ với chênh lệch nhiệt độ Δt tức là:

W” = - . t (2.4) Trong đ :

gian sấy giảm xuống và chất lượng sản phẩm sau khi sấy sẽ được cải thiện

Mối quan hệ iữa khuế h tán nội và khuế h tán n oại [43]

Khuếch tán nội và khuếch tán ngoại c mối quan hệ mật thiết với nhau, khuếch tán ngoại được tiến hành thì khuếch tán nội mới c thể được tiếp tục và như thế độ ẩm của nguyên liệu mới được giảm dần Nếu cường độ khuếch tán nội lớn hơn cường độ khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ nhanh nhưng điều đ rất ít xảy ra Nếu cường

độ khuếch tán nội bé hơn cường độ khuếch tán ngoại thì bề mặt của VLS d bị tạo màng khô làm ảnh hưởng xấu đến quá trình dịch chuyển ẩm

Trong quá trình sấy nếu cường độ khuếch tán ngoại lớn hơn cường độ khuếch tán nội thì cần phải tiến hành sấy gián đoạn tức là đình chỉ hoặc hạn chế quá trình khuếch tán ngoại hay gọi là quá trình sấy c ủ ẩm Trong quá trình sấy giai đoạn đầu lượng nước trong nguyên liệu nhiều làm cho sự dịch chuyển ẩm lớn do đ mà cường

độ khuếch tán nội phù hợp với cường độ khuếch tán ngoại nên lượng ẩm thoát ra được nhiều cho nên ở giai đoạn này c thể tăng vận tốc chuyển động của không khí để tăng khả năng dịch chuyển ẩm Nhưng giai đoạn sau thì lượng nước còn lại trong nguyên liệu ít trong khi đ cường độ bay hơi ở mặt ngoài nhanh mà cường độ khuếch tán nội

bé nên bề mặt ngoài d tạo màng cứng làm ảnh hưởng xấu đến quá trình khuếch tán nội Vì vậy, ở giai đoạn tốc độ sấy giảm nên hạn chế cường độ khuếch tán ngoại như

giảm vận tốc chuyển động của không khí xuống

2 2 2 Các dòng dịch chuyển m và thế dịch chuyển m trong V S [43]

Để nghiên cứu về công nghệ sấy, trước hết cần nghiên cứu về các dạng liên kết

ẩm, các dòng dịch chuyển ẩm và thế dịch chuyển ẩm trong VLS nhằm hiểu rõ cơ chế dịch chuyển ẩm và định hướng phương pháp tác động để tăng cường hoặc hạn chế dòng dịch chuyển ẩm phục vụ các yêu cầu công nghệ Theo dạng liên kết ẩm với cốt

khô của vật, VLS được chia thành 3 nh m: Vật keo, vật xốp mao dẫn và vật keo xốp

mao dẫn

2 2 4 Các giai đoạn trong quá tr nh sấy

Tốc độ sấy bằng tia hồng ngoại c ng c hai giai đoạn, đ là giai đoạn đẳng tốc

và giai đoạn giảm tốc nhưng chỉ đúng với VLS mỏng còn đối với VLS dày thì ngay từ lúc bắt đầu sấy đã bước vao giai đoạn giảm tốc [43]

Giai đoạn tố độ sấy khôn đổi

Khi kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ của vật bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sẽ h a hơi còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt lượng cung cấp chỉ để làm h a hơi nước Ẩm sẽ h a hơi ở lớp sát bề mặt vật

ẩm và lỏng bên trong vật sẽ truyền ra bề mặt ngoài của vật để h a hơi Do nhiệt độ không khí n ng không đổi, nhiệt độ vật c ng không đổi nên chênh lệch nhiệt độ giữa VLS và TNS c ng không đổi Do vậy, tốc độ bay hơi ẩm của vật c ng không đổi, điều này làm cho tốc độ giảm ẩm của vật theo thời gian c ng không đổi, c nghĩa là tốc độ sấy c ng không đổi

Giai đoạn sấy tố độ iảm dần

Khi kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi ẩm tự do đã bay hơi hết, còn lại trong vật là ẩm liên kết Năng lượng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn so với ẩm tự do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ (ẩm liên kết càng chặt) Do vậy, tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này là nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc độ không đổi c nghĩa là tốc

độ sấy trong giai đoạn này nhỏ hơn và càng giảm đi theo thời gian sấy Quá trình sấy tiếp di n, độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy càng giảm cho đến khi độ ẩm của vật giảm đến bằng độ ẩm cân bằng ứng với điều kiện môi trường không khí ẩm trong buồng sấy thì quá trình thoát ẩm của vật ngừng lại c nghĩa là tốc độ sấy bằng không

2.2 5 Các dạng iên kết m trong v t iệu [43]

Liên kết hóa họ

Là của nước liên kết với các phần tử vật chất trong VLS dưới dạng liên kết phân tử

hoặc liên kết ion Sấy ở nhiệt độ bình thường không phá vỡ được liên kết này

Liên kết hóa lý

Nước liên kết h a lý gồm c các dạng như liên kết hấp phụ, liên kết thẩm thấu

và liên kết kết cấu Loại nước này khi sấy c thể tách ra được

+ Nước liên kết hấp phụ

Nước liên kết hấp phụ tồn tại trên bề mặt phân chia của các hạt keo với môi trường xung quanh, do n c bề mặt lớn nên kết cấu thể keo c khả năng hấp phụ lớn, nước hấp phụ được duy trì bằng trường lực phân tử Sự hấp phụ nước c kèm theo sự tỏa nhiệt

+ Nước liên kết thẩm thấu và liên kết kết cấu

Loại nước này khác với nước hấp phụ là khi nguyên liệu hút ẩm không tỏa nhiệt

mà thể tích được tăng lên Liên kết này không bền vững bằng liên kết hấp phụ Tế bào nguyên liệu là một dạng keo xốp Thể keo bao gồm các hạt c kích thước khác nhau, các hạt cao phân tử không tan trong nước, các hạt c phân tử lượng nhỏ thì hòa tan được Phần cao phân tử sẽ tạo thành những ô nhỏ trong một mạng lưới, bên trong đ c chứa các phần tử khối lượng nhỏ tan trong nước Lớp vỏ từ các hạt cao phân tử như một màng bán thấm, vì vậy nước trong các ô nhỏ được giữ lại bằng lực thẩm thấu và nếu nước đi vào khung tế bào hình thành n thì được gọi là nước kết cấu

Liên kết ơ họ (hay òn ọi là liên kết tự do) [43]

Là loại nước liên kết kém bền vững nhất Nước được chứa trong các mao quản được gọi là nước liên kết mao quản, bám lên trên bề mặt vật thể được gọi là nước dính ướt Nước tự do liên kết với vật thể rất lỏng lẻo và rất d được tách ra

Theo một số nghiên cứu cho thấy hàm lượng nước ở trong nguyên liệu nông sản như sau: Nước liên kết h a học chiếm 4 đến 6 , liên kết h a lý 10 đến 25 , còn lại là nước liên kết tự do 44]

Sự dịch chuyển của nước trong quá trình làm khô xảy ra trước hết với nước tự

do sau đ là nước kết hợp Nước liên kết hấp phụ được dịch chuyển từ trong ra ngoài ở trạng thái hơi, nước liên kết thẩm thấu và liên kết kết cấu ở trạng thái lỏng và sự dịch chuyển là nhờ sự khác nhau về nồng độ chất tan ở trong và ngoài tế bào để nước khuếch tán qua vách tế bào, nước mao quản được dịch chuyển ở cả trạng thái lỏng và hơi và sự di chuyển là nhờ vào lực của ống tiêm mao

2.2 6 Các đặc trƣng nhiệt v t ý của v t iệu

Các đặc trưng nhiệt vật lý quan trọng nhất của vật liệu n i chung và VL nói riêng là nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, hệ số dẫn nhiệt độ

Nhiệt dun riên ủa vật liệu

Là lượng nhiệt thu vào (hay tỏa ra) để làm cho một đơn vị khối lượng vật thể tăng lên (hoặc giảm xuống) 1K, đơn vị là kJ/kgK 44]