Đồ án đề tài tính toán thiết kế hệ thống sấy thăng hoa thanh long với năng suất 800 kgmẻ

HCMKHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM ????? ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐỀ TÀI TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA TH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

🙠🙠🙠🙠🙠

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA THANH LONG VỚI NĂNG SUẤT 800 KG/MẺ

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tấn Dũng Sinh viên thực hiện: Họ và Tên MSSV

1 Kiều Mai Ngọc Hân 19116080

2 Đỗ Thị Tuyết Trinh 19116140

TP Hồ Chí Minh, Học kì I, năm 2022-2023

- Tìm hiểu tổng quan về thiết bị sấy thăng hoa

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của quá trình sấy thăng hoa

- Xác định thông số cơ bản cho quá trình sấy thăng hoa

- Tính toán, thiết kế, đưa ra bản vẽ kỹ thuật cho hệ thống sấy thăng hoa

3 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 06/09/2022

4 Ngày hoàn thành đề tài:

TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022

Giảng viên hướng dẫn(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022

Giảng viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên)

ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

TP.Hồ Chí Minh, ngày … tháng năm 2022

Giảng viên phản biện

(Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

LỜI NÓI ĐẦU

MỞ ĐẦU

Thanh long, còn được gọi là Pitaya hoặc lê dâu tây (strawberry pear), làmột loại trái cây nhiệt đới đẹp, có vị ngọt và giòn (Darlane, 2021) Thanh longđược người Pháp trồng ở Việt Nam hơn 100 năm, là nước duy nhất ở ĐôngNam Á trồng thanh long với quy mô rộng Hiện nay diện tích trồng thanh longtập trung nhiều nhất với 20.041 ha ở Bình Thuận (2012), còn lại là Long An,Tiền Giang và rải rác ở một số nơi khác(Darlane, 2021) Có 2 loại thanh longphổ biến: thanh long đỏ với thịt màu đỏ, vị ngọt và thanh long trắng với thịtmàu trắng, vị ngọt nhẹ hơn so với thanh long đỏ Thanh long chứa một hàmlượng quan trọng vitamin C, caroten, canxi, một số vitamin B, một số chất dinhdưỡng và chất chống oxy hóa khác Những dưỡng chất này giúp hệ tiêu hóahoạt động tốt hơn, mang đến hệ miễn dịch khỏe mạnh, năng lượng dồidào(Darlane, 2021) Mặc dù thanh long đưa lại rất nhiều lợi ích, tuy nhiênchúng rất khó để bảo quản, thời gian bảo quản ngắn Hiện này, người dân đổ xôtrồng thanh long, dẫn đến nguồn cung bị dư, không thể bán ra hết Từ đó cóchương trình giải cứu thanh long, tuy nhiên giá bán đi vô cùng rẻ Vì vậy, nhóm

em có ý tưởng lựa chọn thanh long là nguyên liệu để sấy thăng hoa Thanh longđược sấy ở nhiệt độ thấp vẫn giữ được các đặc tính, giúp giải quyết được vấn đề

dư thanh long, tăng thời gian bảo quản, đa dạng hóa sản phẩm, nâng cao giá trịthanh long

Từ xưa con người đã biết vận dụng kỹ thuật sấy vào việc bảo quản và chếbiến thực phẩm, các loại nông sản bằng nhiều loại nhiệt và phương pháp khácnhau để loại nước khỏi sản phẩm Tuy nhiên, các phương pháp đó có nhượcđiểm là dễ làm biến đổi các đặc tính của một số loại thực phẩm Để khắc phụcđiều này, con người đã nghĩ ra kỹ thuật sấy thăng hoa ở nhiệt độ thấp giúp giữnguyên giá trị dinh dưỡng cũng như các hoạt tính sinh học Thanh long lànguyên liệu thích hợp để sầy thăng hoa Bên cạnh đó, sấy thăng hoa được coi là

mô hình ít phức tạp hơn các phương pháp sấy thông thường khác vì phươngthức hoạt động chủ uếu được điểu chỉnh bới tác động vật lý Phần lớn các thông

số đầu vào của mô hình có thể dễ dàng ước tính bằng các thí nghiệm đơn giản

Và cuối cùng, các mô hình quy trình này không chuyên sâu về mặt tính toán và

có thể dễ dàng giải quyết bằng cách sử dụng máy tính cá nhân tiêu chuẩn Kỹthuật sấy thăng hoa mang loại luồng gió mới trong khoa học kỹ thuật mangnhiều lợi ích cho nước mình Điều này giúp ngành thực phẩm nâng cao giá trị

về nhiều mặt nói riêng và các ngành khác nói chung

Tìm hiểu và biết được các kết quá, thành tựu nghiên cứu và ứng dụng của

hệ thống sấy thăng hoa

Hiểu thêm về sự biến đổi của các tính chất hóa lý của thanh long sau khisấy thăng hoa, từ đó khẳng định sự tối ưu của kỹ thuật sấy thăng hoa đối với cácnguyên liệu dễ biến đổi về các tính chất

Nghiên cứu tính toán và thiết kế hệ thống sấy thăng hoa thanh long vớinăng suất 800 kg/mẻ

Trình bày tổng quan về cơ sở khoa học của sản phẩm thanh long, quátrình sấy thăng hoa, các kết quả nghiên cứu và ứng dụng hệ thống sấy trongnhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong ngành thực phẩm

Trình bày phương pháp nghiên cứu và tính toán về quy hoạch mặt bằngxây dựng, đối tượng, sơ đồ nghiên cứu,

Tính toán và thiết kế hệ thống sấy thăng hoa thanh long với năng suất800kg/mẻ

Nghiên cứu tính toán và thiết kế hệ thống sấy thăng hoa thanh long là cơ sởkhoa học để phát triển và xây dựng hệ thống thiết bị sấy thăng hoa ở các thựcphẩm dễ bị biến đổi tính chất

Khẳng định ý nghĩa lớn lao và các đóng góp của khoa học kỹ thuật vàođời sống con người

Bên cạnh đó, sinh viên khi nghiên cứu tính toán và thiết kế đề tài “ Tínhtoán và thiết kế hệ thống sấy thăng hoa thanh long với năng suất 800kg/mẻ”tăng khả năng tìm kiếm, thu thập và chon lọc những thông tin mới Sinh viêncòn tăng thêm nhiều kiến thức và các kỹ năng làm việc khác

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở khoa học sấy thăng hoa

1.1.1 Khái niệm

Sấy thăng hoa, còn được gọi là đông khô, là quá trình loại

bỏ nước khỏi sản phẩm bằng cách đóng băng nó sau đó làmbăng chìm thành hơi Thăng hoa là một hiện tượng vật lý trong

đó nước đá rắn chuyển trực tiếp thành hơi mà không cần

nước ra khỏi sản phẩm từ thể rắn (lạnh đông) sang thể hơitrong điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất, dưới điểm ba thểO(0,00980C; 4,58mmHg), chính xác là nhiệt độ dưới điểm kếttinh của ẩm trong sản phẩm (Tkt < 00C), áp suất dưới 4,58mmHg (Nguyễn, 2017) Điều này giúp bảo vệ vật liệu khỏi bịmất các thành phần quan trọng và chống lại các phản ứng hóahọc có liên quan đến việc rút hoặc hơi nước đóng băng ở dạnglỏng

Quá trình sấy thăng hoa xảy ra trong tự nhiên thông quacác tác động kết hợp của hệ thống sưởi bằng năng lượng mặttrời, gió khô lạnh và bầu khí quyển khắc nghiệt của các vùngmiền núi Những điều kiện tự nhiên này được sử dụng để sảnxuất cá 'kho' đông khô ở Na Uy và một sản phẩm khoai tây khôđược gọi là chuno ở Peru Sấy thăng hoa cũng được sử dụngtheo một cách đặc biệt bởi loài sóc đỏ Bắc Mỹ vốn được biếtđến là rải các mẩu thức ăn trong góc của cây vào đầu mùađông, do đó làm khô nguồn cung cấp thức ăn của chúng

1.1.2 Các quá trình chuyển pha của nước

1.1.3 Bản chất quá trình sấy

Quá trình tách ẩm bằng phương pháp sấy thăng hoa Có 3 giai đoạn xảy ratrong quá trình sấy thăng hoa:

Giai đoạn sơ cấp:

Trước khi làm đông lạnh, cần có một số chuẩn bị nhất định tùy thuộc vàosản phẩm được đề cập Ví dụ, cắt lát, cắt hạt lựu và băm nhỏ sẽ làm thay đổidiện tích bề mặt của sản phẩm từ đó sản phẩm có thể tiến hành sấy khô, chầnsản phẩm sẽ làm thay đổi mối liên hệ thích hợp về enzym của nó, trong khi nấu

ăn làm giảm lượng nước tự do và liên kết trong sản phẩm Các chế phẩm nàycũng sẽ có xu hướng tăng cường truyền nhiệt trong sản phẩm trong giai đoạnsấy và quyết định đến thời gian và chất lượng sản phẩm

Hàm lượng nước của thực phẩm bao gồm cả nước tự do và nước liên kếtvới protein Khi thực phẩm đóng băng, một phần lớn nước tự do sẽ bị đóngbăng và có thể dùng một lần làm đá để thăng hoa Tỷ lệ dùng một lần khác nhaugiữa các sản phẩm, và được xác định bằng nhiệt độ cuối cùng đạt được sau khiđông lạnh Nước còn lại trong sản phẩm sau khi làm khô có thể thúc đẩy vikhuẩn và làm thối rữa

1.1.4 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa

Mỗi hệ thống sấy thăng hoa gồm có 4 bộ phân chính sau:

+ Buồng sấy thăng hoa cũng là buồng cấp đông sản phẩm (nếu hệ thống

tự cấp đông), nếu năng suất lớn thì phải có hệ thống lạnh đông sản phẩmriêng

+ Hệ thống lạnh chạy cho buồng hóa đá & buồng cấp đông sản phẩm

+ Hệ chân không kết nối với buồng hóa đá & buồng sấy.

+ Hệ thống do lường và điều khiển quá trình sấy thăng hoa

Để hệ thống sấy thăng hoa làm việc ổn định, đạt chất lượng tốt và thươngmại được, đòi hỏi nhà chế tạo phải tính toán, thiết kế chính xác, từ diện tích bềmặt truyền nhiệt trong giai đoạn lạnh đông, giai đoạn sấy thăng hoa đến côngsuất các thiết bị trong hệ thống

Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy thăng hoa DS-7

Do hệ thống sấy thăng hoa luôn đòi hỏi nhiệt độ môi trường lạnh đông sảnphẩm từ -50oC đến -40oC, nhiệt độ môi trường hóa đá -50oC đến -40oC (Tuynhiên, dưới -50oC là càng tốt) Vì thế, hệ thống lạnh phải dùng hai cấp trở lên,còn một cấp với các môi chất lạnh hiện nay là không đảm bảo được các thông

số kỹ thuật (trừ trường hợp có môi chất lạnh mới)

Nguồn: Saythanghoa.com

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước về hệ thống sấy thăng hoa

Nguyen Tan Dzung., (2017) Study dynamics of the freeze drying process of royal Jelly in Viet Nam, Carpathian Journal of Food Science and Technology 2017, 9(3), 17-29

http://chimie-biologie.ubm.ro/carpathian_journal/Papers_9(3)/2.pdf : Nghiêncứu động lực của quá trình đông khô sữa ong chúa ở Việt nam nhằm xây dựng

và tính toán các mô hình toán học về truyền nhiệt và khối lượng trong quá trìnhđông khô, nhằm xác định mối quan hệ giữa hàm lượng nước còn lại của sảnphẩm sữa ong chúa và thời gian quá trình đông khô, Wm= f(τ¿ Kết quả thuđược được sử dụng để thiết lập phương thức công nghệ của quy trình sấy thănghoavsữa ong chúa tại Việt Nam và động học các thông số của quá trình sấythăng hoa sử dụng để tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống đông khô tại ViệtNam Ngoài ra, chúng đã có thể sử dụng để thiết lập chế độ công nghệ của quytrình sấy thăng hoa đối với một số thực phẩm có giá trị cao như sữa ong chúa ởViệt Nam

Nguyễn Tấn Dũng, Quá trình và Thiết bị trong CNHH&TP, Kỹ thuật

và Công nghệ sấy thăng hoa, NXB ĐHQG Tp.HCM, 2016.

qua-trinh-va-thiet-bi-cong-nghe-hoa-hoc-va-thuc-pham-ky-thuat-va-cong-nghe-say-thang-hoa-sach-chuyen-khao-e2210/

https://sachweb.com/sach-truong-dai-hoc-su-pham-ky-thuat-tphcm-64/sach-Nguyen Tan Dzung et,(2016) The Multi-objective Optimization by the Restricted Area Method to Determine the Technological Mode of Cold Drying Process of Carrot Product Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 13(1): 64-74.

http://www.maxwellsci.com/jp/mspabstract.php?

jid=RJASET&doi=rjaset.13.2891 : Mục đích chính của nghiên cứu này là tìm raphương thức công nghệ của quá trình sấy thăng hoa sản phẩm cà rốt Các thínghiệm được thực hiện theo kế hoạch thí nghiệm Kết quả thu được là xây dựngbài toán tối ưu đa mục tiêu để mô tả mối quan hệ giữa hàm mục tiêu với các yếu

tố công nghệ (nhiệt độ ngưng tụ ẩm, nhiệt độ buồng sấy lạnh, vận tốc không khí(hoặc tác nhân sấy) và thời gian sấy lạnh) của quá trình sấy lạnh của sản phẩm

cà rốt Bằng phương pháp RAM (the Restricted Area Method), việc giải quyết

bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu đã tìm ra chế độ công nghệ của quá trình sấylạnh sản phẩm cà rốt như sau: nhiệt độ ngưng tụ ẩm là Z1opt=15,62° C, nhiệt độcủa buồng sấy lạnh là Z2opt=35,79 °C, vận tốc không khí (hoặc tác nhân làm khô)

với các yếu tố tối ưu này, các hàm mục tiêu đạt giá trị nhỏ nhất về sản phẩmcuối cùng, bao gồm cả mức tiêu thụ năng lượng của y 1 P R =1,62 kWh/kg., hàmlượng nước còn lại của y 2 P R =4,52, khả năng chống bù nước của y 3 P R =6,43

(Correspondingly IR = 93,57%) và mất tổng số β-caroten bên trong cà rốt của

y 4 P R = 4,45.

Nguyen Tan Dzung et,(2016) The Multi-objective Optimization by the Utopian Point Method to Determine the Technological Mode of Infrared Radiation Drying Process of Jackfruit Product in Viet Nam Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 13(1): 75-84. http://www.maxwellsci.com/jp/mspabstract.php?jid=RJASET&doi=rjaset.13.2892 Mục đích của nghiên cứu này là xác địnhphương thức công nghệ sấy bức xạ hồng ngoại sản phẩm mít Quá trình sấybằng bức xạ hồng ngoại sản phẩm mít được thực hiện bằng các phương án thínghiệm Kết quả thu được là xây dựng bài toán tối ưu đa mục tiêu của quá trìnhsấy bức xạ hồng ngoại sản phẩm mít Bằng phương pháp the Utopian PointMethod (UPM), giải bài toán tối ưu đa mục tiêu đã tìm ra phương thức côngnghệ của quá trình sấy bức xạ hồng ngoại sản phẩm mít như sau: nhiệt độ tối ưucủa buồng sấy bức xạ hồng ngoại là 63,43 ° C, thời gian là bức xạ hồng ngoạisấy 2 sản phẩm mít là 7,13h và cường độ bức xạ hồng ngoại trong quá trình sấy

là 6,40kW / m.Tương ứng với các yếu tố tối ưu này, năng lượng tiêu hao cho 1

kg thành phẩm đạt giá trị nhỏ nhất là 1,38kWh / kg, hàm lượng nước còn lạitrong sản phẩm mít đạt giá trị nhỏ nhất là 5,13%, hao hụt cacbohydrat đạt giá trịnhỏ nhất là 7,72%

1.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước về sấy thăng hoa

Sấy thăng hoa là một phương pháp thích hợp để loại bỏ nước khỏi các sảnphẩm nhạy cảm với nhiệt Nó giúp sản phẩm đầu ra đạt được chất lượng cao ởnhiệt độ, áp suất và chi phí thấp so với các phương pháp khử nước Quy trìnhnày được ưu tiên để làm khô trái cây, rau quả, các sản phẩm đóng gói và chấtchiết xuất Do tính khả thi và hiệu quả của nó, nhu cầu sử dụng các sản phẩmsấy thăng hoa được cho là ở mức cao (Straits research, 2022).

Các mặt hàng thực phẩm có yêu cầu kéo dài thời hạn sử dụng được sửdụng bởi các ngành nghiên cứu vũ trụ, quốc phòng, du lịch, v.v Một trongnhững mặt hàng đông khô được sử dụng nhiều nhất là cà phê hòa tan Ngànhdược phẩm sử dụng phương pháp đông khô để bảo quản thuốc và vacxin Virus,kháng thể, các vi sinh vật cũng được bảo quản bằng kỹ thuật này trong phòngthí nghiệm để nghiên cứu thêm (Straits research, 2022) Ở các quốc gia pháttriển như Ấn Độ, Trung Quốc và Nhật Bản trải qua nhiều cải tiến cơ sở hạ tầng

và phát triển công nghệ Việc mở rộng số lượng quán ăn, phòng nghiên cứu vàphòng khám đang làm tăng sự quan tâm đối với thiết bị sấy thăng hoa Vì nhữngloại thiết bị này hợp lý, bền với thời gian và có giá trị, nên nó đã thúc đẩy sự tái

cơ cấu của các nhà hàng trên khắp các quốc gia này Ngành công nghiệp kháchsạn đã chuyển sang thiết bị sấy đông lạnh để bảo quản thực phẩm hiệu quả hơn.Giống như các nước phát triển, các nền kinh tế mới nổi đang tiếp nhậnnhững mô hình sống mới Việc mở rộng việc sử dụng các bữa ăn chế biến sẵn từthực phẩm nấu sẵn, do các thành phố đang phát triển và đời sống người tiêudùng nhanh chóng, mở rộng thị trường thiết bị đông khô Nghiên cứu của cácngành công nghiệp dược phẩm đã là một bước tiến nhảy vọt trong việc nghiêncứu bản chất cuộc sống của những bệnh nhân mắc các bệnh ung thư khác nhau,

hệ thống miễn dịch, các vấn đề di truyền, v.v Với sự quan tâm ngày càng tăngđối với dược phẩm sinh học, yêu cầu giảm chi phí lắp ráp là điều cơ bản màkhông cần suy nghĩ kỹ về tính bảo mật, chất lượng và tính đầy đủ của các mặt

hàng Điều này đã thúc đẩy nhu cầu phát triển về thiết bị sấy đông lạnh ở nhữngvùng này.

Từ 20 năm nay ở Italia đã có những nhà máy đông khô thực phẩm cỡ lớn,trang bị hiện đại để chế biến đông khô các loại nông sản thực phẩm như các loạiđậu Cô-ve, đậu Hà Lan, súp lơ, cà chua, bắp cải, hành tây, tỏi, cam, quít, chuối,táo, lê, dâu tây và các loại súp thịt, súp cua, cá… các loại thực phẩm đông khôcủa Italia đã chiếm lĩnh được nhiều thị trường ở miền trung, miền bắc châu Âu

và châu Mỹ

Trang thiết bị cho đông khô ngày càng được hiện đại hóa Nhiều hãng chếtạo máy đông khô công nghiệp như Usiroid (Pháp), Atlas (Đan Mạch), Leybold-Heraeus… với các loại máy đông khô kiểu RAY, CONRAD, SM.H.15 đếnSM.H.1501, SERAIL (dùng nhiệt ngưng tụ) YBC8… Ở Mỹ, Canada, Nhật,Trung Quốc cũng đã có nhiều cơ sở chế tạo máy đông khô các loại Nhiều loạimáy đông khô ra đời trong thập kỉ 80 đã được trang bị đầy đủ các thiết bị kiểmtra, điều chỉnh tự động bằng điện tử và vi điện tử hiện đại

1.4 Nguyên liệu

1.4.1 Giới thiệu chung về thanh long

Thanh long hay còn gọi là pitaya là quả của một số loài cây leo nhiệt đới

khác nhau thuộc chi Hylocereus, thuộc họ Cactacae Mặc dù pitaya có nguồn

gốc từ các khu vực nhiệt đới của Bắc, Trung và Nam Mỹ, hiện nay nó đượctrồng trên toàn thế giới vì lợi ích thương mại, không đòi hỏi yêu cầu canh tác,tức là khả năng chịu hạn cao, dễ thích nghi với cường độ ánh sáng và nhiệt độcao, phạm vi rộng phù hợp với độ mặn khác nhau của đất và những lợi ích đốivới sức khỏe con người (Nobel và La Barrera 2004; Nie và cộng sự 2015; Crane

và cộng sự 2017; Mercado-Silva 2018) Nó được trồng thương mại ở hơn 20quốc gia nhiệt đới và cận nhiệt đới như Bahamas, Bermuda, Indonesia,Colombia, Israel, Philippines, Myanmar, Malay sia, Mexico, Nicaragua, bắc Úc,