NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA DS-12, VỚI NĂNG SUẤT 10,8 KG NGUYÊN LIỆU SỮA CHUA DÂU/MẺ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH GVHD: NGUYỄN TẤN DŨNG SVTH : NGUYỄN THỊ HÀ TRÂM NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA DS-12, VỚI NĂNG SUẤT 10,8 KG NGUYÊN LIỆU SỮA CHUA D

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

GVHD: NGUYỄN TẤN DŨNG SVTH : NGUYỄN THỊ HÀ TRÂM

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO

HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA DS-12, VỚI NĂNG SUẤT

10,8 KG NGUYÊN LIỆU SỮA CHUA DÂU/MẺ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

GVHD: PGS TS Nguyễn Tấn Dũng

SVTH: MSSV

THÀNH PHỒ CHÍ MINH - 08/2022

GVHD: PGS TS Nguyễn Tấn Dũng

SVTH: MSSV

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thị Hà Trâm MSSV: 18116039

Ngành: Công nghệ Thực phẩm

1 Tên khóa luận: Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống sấy thăng hoa DS –

12, với năng suất 10,8 kg nguyên liệu sữa chua dâu/mẻ

2 Nhiệm vụ của khóa luận:

- Nghiên cứu các vấn đề liên quan đến kỹ thuật sấy thăng hoa và cấp đông

- Tìm hiểu tổng quan về nguyên liệu đầu vào là sữa chua dâu

- Tìm hiểu, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tính toán, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa và cấp lạnh

- Nghiên cứu lý thuyết về trang thiết bị được sử dụng trong hệ thống sấy thăng hoa

- Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống sấy thăng hoa DS – 12, với năng suất 10,8 kg nguyên liệu sữa chua dâu/mẻ

3 Ngày giao nhiệm vụ khóa luận: 15/01/2022

4 Ngày hoàn thành khóa luận: 09/08/2022

5 Họ tên người hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Tấn Dũng

Phần hướng dẫn: toàn bộ khóa luận

Nội dung và yêu cầu khóa luận tốt nghiệp đã được thông qua bởi

Trưởng Ngành Công nghệ Thực phẩm

Tp.HCM, ngày tháng năm 2022

Trưởng Ngành Người hướng dẫn chính

LỜI CẢM ƠN

Sau 4 năm được học tập và rèn luyện tại ngôi trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh, luận văn được xem như là một dấu ấn quan trọng đánh dấu việc một sinh viên đã hoàn thành nhiệm vụ của mình trên ghế giảng đường Đại học Khóa luận tốt nghiệp lần này là cơ hội để chúng tôi có thể hệ thống hóa và thực hành tất cả các kiến thức đã được học như thiết kế nhà máy thực phẩm, công nghệ sản xuất thực phẩm,… Những kỹ năng mà chúng tôi tích lũy được trong quá trình thực hiện khóa luận sẽ là hành trang quan trọng trên chặng đường trở thành một kỹ sư, cán bộ trong ngành công nghệ thực phẩm sau này

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn, lời đầu tiên chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh nói chung và quý thầy cô bộ môn Công nghệ Thực phẩm thuộc Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm nói riêng

Chúng tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS.Nguyễn Tấn Dũng – Trưởng khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm và Ths Đỗ Thùy Khánh Linh đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và truyền đạt kinh nghiệm cho chúng tôi trong suốt thời gian vừa qua Tuy rằng, trong quá trình thực hiện thầy và cô rất bận nhưng vẫn không ngần ngại chỉ dẫn, định hướng cho chúng tôi hoàn thành tốt nhiệm vụ của luận văn

Nhóm chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến KS Lê Văn Hoàng, ThS Lê Tấn Cường

đã tận tình giúp đỡ nhóm chúng tôi trong suốt quá trình hoàn thiện và vận hành hệ thống sấy thăng hoa DS – 12 Sau cùng, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình bạn bè đã luôn ủng hộ, quan tâm và giúp đỡ trong quá trình thực hiện

Trong quá trình thực hiện khóa luận chắc chắn chúng tôi còn gặp phải rất nhiều sai sót, rất mong các thầy cô bỏ qua Đồng thời, với kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế, chúng tôi xin nhận sự đóng góp từ quý thầy cô để đồ án của chúng tôi được hoàn thiện hơn

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong khóa luận tốt nghiệp

là do chính chúng tôi thực hiện và nghiên cứu Chúng tôi xin cam đoan các nội dung được tham khảo trong khóa luận tốt nghiệp được trích dẫn chính xác và đầy đủ theo quy định

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022

Sinh viên thực hiện

Ký tên

Nguyễn Thị Hà Trâm

MỤC LỤC NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP iii

3 Giới hạn nghiên cứu của đồ án 2

4 Nội dung nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 36.1 Ý nghĩa khoa học 36.2 Ý nghĩa thực tiễn 4

7 Bố cục 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5 1.1 Cơ sở khoa học sấy thăng hoa 5

1.1.1 Định nghĩa sấy thăng hoa 51.1.2 Nguyên lí sấy thăng hoa 51.1.3 Ưu, nhược điểm của kĩ thuật sấy thăng hoa 71.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa 8

1.1.5 Các biến đổi vật lý, hóa học và vi sinh ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa 91.1.6 Một số hệ thống sấy thăng hoa 10

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước về lĩnh vực sấy thăng hoa 11 1.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước về lĩnh vực sấy thăng hoa 12 1.4 Nguyên liệu sữa chua dâu 14

1.4.1 Tổng quan về nguyên liệu 141.4.2 Thành phần dinh dưỡng của sữa chua dâu 161.4.3 Công dụng và lợi ích sức khỏe của việc tiêu thụ sữa chua dâu 191.4.4 Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm sữa chua dâu sấy thăng hoa 211.4.5 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sữa chua dâu trong những năm gần đây 221.4.6 Các tính chất nhiệt vật lý của nguyên liệu cần thiết cho tính toán thiết kế 231.4.7 Các biến đổi nguyên liệu sau thu hoạch trước khi sấy thăng hoa 26

1.5 Công nghệ về sấy thăng hoa Sữa chua dâu 29

1.5.1 Quy trình công nghệ sấy thăng hoa sữa chua dâu 291.5.2 Thuyết minh quy trình 30

1.6 Thiết bị của hệ thống sấy thăng hoa sữa chua dâu 31

1.6.1 Buồng thăng hoa 321.6.2 Thiết bị ngưng tụ-đóng băng 331.6.3 Bơm chân không 341.6.4 Hệ thống đo lường và điều khiển 34

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO 38 2.1 Quy hoạch mặt bằng xây dựng nhà xưởng và lắp đặt hệ thống 38

2.1.1 Quy hoạch mặt bằng 382.1.2 Thiết kế mặt bằng và lắp đặt hệ thống 48

2.2 Đối tượng nghiên cứu và tính toán 51

2.3 Sơ đồ nghiên cứu và tính toán 52 2.4 Phương pháp tính toán và thiết kế hệ thống 53

2.4.1 Phương pháp tra cứu tài liệu 532.4.2 Phương pháp phân tích và tổng hợp 532.4.3 Phương pháp tính toán 542.4.4 Phương pháp đánh giá chất lượng và hiệu chỉnh máy bằng thực nghiệm 552.4.5 Phương pháp kiểm tra tính toán 572.4.6 Phương pháp thiết kế 57

2.5 Gia công chế tạo 61

2.5.1 Phương pháp gia công tiện – phay – bào 612.5.2 Phương pháp gia công dập – ép và uốn 632.5.3 Phương pháp gia công Hàn điện 672.5.4 Phương pháp Hàn gió đá 672.5.5 Phương pháp gia công nguội 702.5.6 Phương pháp gia công lắp ráp 72

CHƯƠNG 3 75 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 75 3.1 Tính toán hệ thống thiết bị sấy thăng hoa sữa chua dâu 75

3.1.1 Tính toán buồng lạnh đông 763.1.2 Tính toán thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt của hệ thống lạnh đông sản phẩm 1013.1.3 Tính toán thiết kế hệ thống sấy thăng hoa 1193.1.4 Tính toán hệ bơm chân không 1283.1.5 Xác định thời gian xả băng 1293.1.6 Kiểm tra tính bền cho buồng sấy và thiết bị ngưng tụ - đóng băng 131

3.2 Kết quả 133

CHƯƠNG 4 BẢN VẼ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG SẤY 135 4.1 Bản vẽ thiết kế các thiết bị trong hệ thống sấy thăng hoa 135

4.2 Chế tạo 135

4.3 Kết luận 138 CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 139 5.1 Yêu cầu của hệ thống điều khiển 139 5.2 Tự động điều khiển hệ thống sấy thăng hoa 142 CHƯƠNG 6 THỬ NGHIỆM, HIỆU CHỈNH VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG SẤY QUA SẢN PHẨM SỮA CHUA DÂU 143 6.1 Thử nghiệm 143

6.1.1 Mục đích 1436.1.2 Bố trí thí nghiệm 143

6.2 Hiệu chỉnh thiết bị 143 6.3 Đánh giá hệ thống sấy 152 CHƯƠNG 7 TÍNH KINH TẾ 154 7.1 Chi phí đầu tư lắp đặt hệ thống thiết bị sấy 154 7.2 Chi phí sản xuất sữa chua dâu 155 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 157

TÀI LIỆU THAM KHẢO 159

PHỤ LỤC 163

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Giản đồ biểu diễn trạng thái của nước [3] 5Hình 1.2 Đồ thị làm việc của buồng sấy thăng hoa 8Hình 1.3 Hệ thống sấy thăng hoa DS-9 (version 4) [3] 12Hình 1.4 Máy sấy thăng hoa một buồng Epsilon 2-40D 12Hình 1.5 Máy sấy thăng hoa hay buồng Ultra 35 Super ES 13Hình 1.6 Máy sấy thăng hoa FD-80 13Hình 1.7 Sữa chua dâu 14Hình 1.8 Ảnh hưởng của tốc độ lạnh đông đến cấu trúc nguyên liệu 28Hình 1.9 Quy trình sản xuất sữa chua dâu 29Hình 1.10 Quy trình sản xuất sữa chua dâu sấy thăng hoa 30Hình 1.11 Buồng sấy thăng hoa sữa chua dâu 32Hình 1.12 Một số phương pháp gia nhiệt trong buồng sấy thăng hoa 33Hình 1.13 Thiết bị ngưng tụ - đóng băng 33Hình 1.14 Mô tả sơ đồ khối hệ tự động điều khiển 35Hình 1.15 Sơ đồ mô tả tín hiệu vào, ra 36Hình 2.1 Khu công nghiệp AMATA Đồng Nai 39Hình 2.2 Sơ đồ nghiên cứu và tính toán sữa chua dâu sấy thăng hoa 52Hình 2.3 Chuyển động trong gia công phay 62Hình 2.4 Các phương pháp ép 65Hình 2.5 Hàn hơi gió đá 69Hình 3.1 Hệ thống sấy thăng hoa DS – 12 75Hình 3.2 Cấu tạo lớp vỏ ba lớp của buồng thăng hoa 87Hình 3.3 Chu trình lạnh hai cấp nén, bình trung gian có ống xoắn, làm mát hoàn toàn,

có hai lần tiết lưu 89

Hình 3.4 Đồ thị nhiệt động chu trình lạnh hai cấp nén 91Hình 3.5 Phân tích quá trình quá tuyết trên giản đồ ba pha của nước 93Hình 3.6 Sự biến thiên nhiệt độ theo diện tích trao đổi nhiệt 103Hình 3.7 Đồ thị biến thiên nhiệt độ theo diện tích trao đổi nhiệt của bình trung gian 114Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lí cấu tạo thiết bị ngưng tụ – đóng băng 126Hình 5.1 Sơ đồ khối hệ thống tự động điều khiển thông minh 139Hình 5.2 Quy tắc hoạt động tự động hệ thống sấy thăng hoa 142Hình 6.1 Quan hệ y1= f (x1) và y2 = f(x1) khi x2 = 36 giờ 144Hình 6.2 Quan hệ y1= f (x2) và y2 = f(x2) khi x1 = 31 oC 144Hình 6.3 Quan hệ y1= f (x1) và y2 = f(x1) khi x2 = 34 giờ 146Hình 6.4 Quan hệ y1= f (x2) và y2 = f(x2) khi x1 = 30 oC 146Hình 6.5 Quan hệ y1= f (x1) và y2 = f(x1) khi x2 = 33 giờ 147Hình 6.6 Quan hệ y1= f (x2) và y2 = f(x2) khi x1 = 30 oC 148Hình 6.7 Chương trình điều khiển hệ thống sấy thăng hoa DS – 12 149Hình 6.8 Thiết bị đèn trong hệ thống sấy thăng hoa DS – 12 152Hình 6.9 Sản phẩm sữa chua dâu sấy thăng hoa 153

Bảng 1.1 Thành phần dinh dưỡng của sữa chua trong 100g ăn được [2] 16

Bảng 1.2 Chỉ tiêu cảmtquan 21Bảng 1.3 Chỉ tiêu vi sinh 21Bảng 1.4 Chỉ tiêu hóa lý 22Bảng 1.5 Chỉ tiêu kim loại nặng 22Bảng 2.1 Đối tượng nghiên cứu và tính toán hệ thống sấy thăng hoa sữa chua dâu 51Bảng 2.2 Thực nghiệm với x2, x3 = const 56Bảng 2.3 Thực nghiệm với x11opt, x3 = const 56Bảng 2.4 Thực nghiệm với x2, x3 = const 56Bảng 2.5 Thực nghiệm với x11opt, x3 = const 56Bảng 6.1 Thí nghiệm với x2 = 36 giờ 143Bảng 6.2 Thí nghiệm với x1 = 31 oC 144Bảng 6.3 Thí nghiệm với x2 = 34 giờ 145Bảng 6.4 Thí nghiệm với x1 = 30 oC 145Bảng 6.5 Thí nghiệm với x2 = 33 giờ 147Bảng 6.6 Thí nghiệm với x1 = 30 oC 147Bảng 6.7 Đặc tính kỹ thuật của hệ thống sấy thăng hoa 148Bảng 6.8 Các bước thực hiện ở 2 chế độ sấy 149Bảng 7.1 Bảng tổng hợp chi phí chế tạo hệ thống sấy thăng hoa DS – 12 154

a Hệ số khuếch tán nhiệt m2/s

Cvl Nhiệt dung riêng của vật liệu kJ/(kg.K)

Co Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối W/(m2.K4)

m1 Khối lượng vật liệu ẩm kg

m2 Khối lượng vật liệu sau khi sấy kg

N Công suất điện sử dụng kW, W

Nđo.n Công suất tính trong quá trình đoạn nhiệt kW, W

ηm Hệ số hiệu dụng tính đến quá trình ma sát -

δ Chiều dày vật liệu sấy ở dạng thực m, mm

α Hệ số tỏa nhiệt đối lưu W/(m2.K)

NDR Nhiệt dung riêng

KLR Khối lượng riêng

HSDN Hệ số dẫn nhiệt

HSKT Hệ số khuếch tán

ABA Axit abscisic

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

Các thông số ban đầu được sử dụng cho quá trình tính toán:

Năng suất lạnh đông sản phẩm Gsp = 10,8 kg nguyên liệu sữa chua dâu/ mẻ Nhiệt

độ buồng lạnh đông là tf2 = - 450C, nhiệt độ trung bình sản phẩm sau khi lạnh đông để nước trong sản phẩm đóng băng hoàn toàn là tfopt= -220C Độ ẩm ban đầu của sản phẩm

W1 = 88% và độ ẩm cuối của sản phẩm W2 = 5% Khối lượng riêng của nguyên liệu ρ =

1080 kg/m3 Nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa T = 30oC Thời gian sấy giả định t = 32h Áp suất trong buồng sấy 0,005 mmHg

Hệ thống sấy thăng hoa được chế tạo bao gồm: buồng sấy hình chữ nhật có kích thước 532mm x 442mm x 600mm gồm 5 tấm truyền nhiệt trong buồng sấy mỗi tấm có

2 khay, vật liệu được sử dụng chế tạo buồng sấy là inox SUS304, độ dày tấm truyền nhiệt là 8mm, công suất bơm chân không 2HP; máy nén có công suất 6,1HP; lớp cách nhiệt dày 7,5mm

Khi chế tạo thành công hệ thống sấy thăng hoa DS – 12 chúng tôi tiến hành sấy mẫu nguyên liệu sữa chua dâu để kiểm tra và hiệu chỉnh thiết bị Quá trình thu được sản phẩm sữa chua dâu sấy thăng hoa gồm hai giai đoạn chính: giai đoạn lạnh đông và giai đoạn sấy thăng hoa Kết quả thu được mẫu sản phẩm sấy có độ ẩm mong muốn, kết cấu đẹp, đảm bảo được tính chất cảm quan đặc biệt về màu sắc và hương vị

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đồ án

Ngày nay, khi nói đến sản phẩm có giá trịtdinh dưỡng cao, đem đến nhiều lợi ích cho sức khỏe đặc biệt là đối với trẻ em và người già thì phải kể đến đó là sữa chua Sữa chua rất giàu dinh dưỡng, cung cấp vitamin, ngăn ngừa bệnh cao huyết áp phổ biến và có nhiều vi khuẩn có ích tốt cho đường ruột, Tuy nhiên, thời gian bảo quản sữa chua khá là ngắn, 1 ngày trong điều kiện nhiệt độ phòng (25 – 30 0C) và khoảng

5 ngày ở 70C [47].Đây được xem là yếu tố quan trọng cản trở việc thương mại hóa của sản phẩm Sữa chua được duy trì và bảo quản ở nhiệt độ thấp (2 – 4 0C) để hạn chế những biến đổi bất lợi có thể diễn ra, làm thay đổi mùi vị và các chỉ tiêu chất lượng khác của sữa chua [47] Trên thị trường hiện nay các sản phẩm sữa chua dạng lỏng rất phổ biến nhưng vẫn còn tồn tại nhiều bất cập trong quá trình vận chuyển, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Đặc biệt, đối với những người tiêu dùng mong muốn đem sản phẩm đi xa, phục vụ cho những chuyến du lịch, những nơi không có điều kiện bảo quản tốt,… Để kéo dài thời gian bảo quản,thuận tiện cho quá trình đóng gói

và lưu trữ, giảm chi phí do giảm khối lượng và không cần trữ lạnh trong khâu vận chuyển Trên thế giới và các doanh nghiệp ở Việt Nam đang nghiên cứu phát một số phương pháp, nhằm đáp ứng thị hiếu của người tiêu dùng như bảo quản ở nhiệt độ thấp hoặc trong môi trường chân không, sấy khô sản phẩm Nhận thấy được những bất cập của việc bảo quản sữa chua dạng lỏng, với mong muốn kéo dài thời gian bảo quản cũng như vẫn đảm bảo được giá trị dinh dưỡng Vì vậy, việc tìm và đưa ra phương pháp bảo quản phù hợp để bảo toàn chất lượng của sữa chua vẫn giữ được giá trị dinh dưỡng cao là một vấn đề quan trọng và cấp thiết

Hiện nay, các phương pháp sấy để bảo quản thực phẩm là những phương pháp đang được áp dụng phổ biến và rộng rãi nhất như sấy đối lưu, sấy lạnh,… Tuy nhiên, việc bảo đảm giá trị dinh dưỡng, thành phần hóa học cũng như các tính chất cảm quan của sản phẩm sau quá trình sấy thì phương pháp “sấy thăng hoa” là lựa chọn ưu tiên Sấy thăng hoa là phương pháp sấy có nhiều đặc điểm nổi trội hơn so với những phương pháp sấy khác, đặc biệt là khả năng hoàn nguyên của sản phẩm sau sấy.[3] Chế độ sấy thăng hoa sẽ bảo toàn được gần như là toàn bộ giá trị dinh dưỡng của nguyên liệu sấy, sản phẩm có cấu trúc xốp và hoàn nguyên rất tốt Quá trình sấy thăng hoa giúp tạo ra các loại sản phẩm có chất lượng và giá trị kinh tế cao như: sữa ong

phát triển của khoa học công nghệ của ngành thực phẩm nước ta hiện nay, bên cạnh

đó là nhu cầu về việc thay đổi và phát triển các thiết bị cũ của các công ty thực phẩm nhằm tăng năng suất sản phẩm đang là vấn đề được quan tâm hiện nay

Dựa vào thực tiễn hiện nay về nhu cầu cải tiến và đổi mới về mặt trang thiết bị

sử dụng trong sản xuất, nhóm chúng tôi đã xem xét tình hình thực tế để phát triển hệ thống sấy thăng hoa và cho ra đời sản phẩm DS-12 được thiết kế nhằm mục đích nâng cấp thêm về năng suất làm việc của hệ thống sấy thăng hoa thông qua việc tính toán

và thiết kế hệ thống Bên cạnh đó, khi tiến hành thiết kế hệ thống sấy thăng hoa với mục đích mong muốn phục vụ cho thế hệ tiếp theo của ngành có thể sử dụng một hệ thống thiết bị có chất lượng cao

Chính vì những lý do đó, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống sấy thăng hoa DS – 12, với năng suất 10,8 kg nguyên liệu sữa chua dâu/mẻ”, là vô cùng cấp bất và cần thiết Nhằm tạo ra sản

phẩm có chất lượng tốt, cải thiện hệ thống sấy thăng hoa và phục vụ cho quá trình học tập, nghiên cứu của sinh viên tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh

2 Mục tiêu đồ án

- Nghiên cứu các vấn đề liên quan đến kỹ thuật sấy thăng hoa và cấp đông

- Tìm hiểu tổng quan về nguyên liệu đầu vào là sữa chua dâu

- Tìm hiểu, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tính toán, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa và cấp lạnh

- Nghiên cứu lý thuyết về trang thiết bị được sử dụng trong hệ thống sấy thăng hoa

- Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống sấy thăng hoa DS – 12, với năng suất 10,8 kg nguyên liệu sữa chua dâu/mẻ

3 Giới hạn nghiên cứu của đồ án

Đồ án tìm hiểu về cơ sở lý thuyết và nghiên cứu thiết bị để từ đó thiết kế, chế tạo thành công hệ thống sấy thăng hoa DS-12, với năng suất 10,8 kg nguyên liệu sữa chua dâu/mẻ

Xác định các thông số cơ bản ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa và lạnh đông

Tính toán số liệu, thiết kế và chế tạo hệ thống sấy thăng hoa lạnh đông

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về nguyên liệu, tình hình nghiên cứu, cơ sở khoa học và công nghệ của quá trình sấy thăng hoa

- Xác định các thông số cần thiết cho quá trình tính toán và thiết kế hệ thống sấy thăng hoa

- Chế tạo hệ thống sấy thăng hoa bằng các phương pháp cơ khí

- Phương pháp nghiên cứu, tính toán và chế tạo

- Tính toán và thiết kế và chế tạo hệ thống sấy thăng hoa DS-12

- Thử nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá chất lượng hế thống sấy thông qua sản phẩm sữa chua dâu

- Tính toán chi phí kinh tế lắp đặt hệ thống sấy và bàn luận

- Kết luận

- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm

- Phương pháp tham khảo tài liệu, phân tích tổng hợp của quá trình sấy thăng hoa

- Phương pháp tiếp cận hệ thống xây dựng mô tả tính toán cho hệ thống nghiên cứu

- Phương pháp tối ưu hóa

- Phương pháp xác định các thành phần hóa học của sữa chua dâu

- Phương pháp chế tạo gia công cơ khí

- Phương pháp tự động điều khiển lập trình trên máy tính

- Ngoài ra, chúng tôi còn sử dụng các tài liệu tham khảo, tham khảo các kết quả

đã được công bố và các công cụ toán học, phần mềm xử lí số liệu

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

6.1 Ý nghĩa khoa học

Đồ án này được thiết kế để làm nền tảng quan trọng cho các tính toán, thiết kế

và tìm hiểu chuyên sâu hơn về hệ thống sấy thăng hoa sau này

Kiểm chứng được các cơ sở lý thuyết khoa học để ứng dụng vào việc chế tạo hệ thống sấy thăng hoa với đối tượng sấy là sữa chua dâu với năng suất 10,8 kg nguyên liệu sữa chua dâu/mẻ

6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Hệtthống sấy thăng hoa đáp ứng được các yêu cầu về đảm bảo chất lượng của các sản phẩm sau khi sấy Kết quả của quá trình nghiên cứu đề tài này nhằm tạo ra sản phẩm sữa chua dâu sấy thăng hoa có chất lượng tốt, đảm bảo yêu cầu đầu ra về các chỉ tiêu cảm quan, hóa lý, Tạo nên sảntphẩm sữatchua sấy thăng hoa có giá trị dinh dưỡng cao, giảm chi phí đến mức thấp nhất và đạt được độ ẩm như mong muốn

Để đáp ứng được yêu cầu đó, hệ thống sấy thăng hoa được xem như một trong những

hệ thống sấy hiện đại nhất sử dụng nhiệt độ và áp suất thấp để làm bay hơi nước, giữ được tính nguyên vẹn của sản phẩm

7 Bố cục

Đề tài này được chúng tôi trình bày nội dung gồm 7 chương chính:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu, tính toán và chế tạo

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống

Chương 4: Bản vẽ thiết kế và chế tạo hệ thống sấy thăng hoa

Chương 5: Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 6: Thử nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá chất lượng hệ thống qua sản phẩm sữa chua dâu

Chương 7: Tính kinh tế

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở khoa học sấy thăng hoa

1.1.1 Định nghĩa sấy thăng hoa

Sấytthăngthoa (haytcòntgọitlàtsấytđôngtkhô hay sấytkhôtđônglạnh) đây là một quá trìnhttáchtẩmttừtcáctsảntphẩmtbằngtphươngtpháptlạnhtđông được thực hiện ở điềutkiệntnhiệttđộtthấptvà áptsuất, dướitđiểmtba thểtO (0,0098°C; 4,58 mmHg), cho phép nước sau khi kết tinh được chuyển trực tiếp từ thể rắn lạnh đông sangtthểthơi

mà không đi qua pha lỏng Nhờ vào phương pháp này sản phẩm sau khi sấy vẫn giữ nguyêntđược giá trị dinh dưỡng bantđầutcủatnguyêntliệu:proteintkhôngtbịtbiến tính, lipid khôngtbịtoxi hóa,màu sắc mùi vị không thay đổi, [3]

1.1.2 Nguyên lí sấy thăng hoa

Hình 1.1 Giản đồ biểu diễn trạng thái của nước [3]

Hình 1.1 là đồ thị làm việc của buồng sấy thăng hoa sử dụng nguồn bức

xạ từ các tấm kim loại với nhiệt độ lạnh đông (-35 ÷ -30) ºC

1 – Nhiệttđộttấmtgiatnhiệt

2 – Nhiệttđộtmôi trường sấytthăngthoa

3 – Nhiệttđộtthựctphẩm sấy

4 – Nhiệttđộ ở lốitratbuồngtsấy thăng hoa

5 – Độtẩmtcủatthực phẩm sấy

Quá trình sấy thăng hoa trải qua 3 giai đoạn: [3],[4]

Giaitđoạn 1: Cấp đông sản phẩm, chuyển một phần nước trong sản phẩm từ dạng lỏng sang dạng rắn

Giaitđoạn 2: Sấy thăng hoa thực phẩm, chuyển rắn từ thể rắn sang thể hơi không quá thể lỏng

Giai đoạn 3: Sau giai đoạn sấy thăng hoa là giai đoạn sấy chân không thực phẩm, nhằm tách thêm một phần ẩm ở dạng lỏng trong nguyên liệu, đảm bảo sao cho độ ẩm của nguyên liệu sau quá trình sấy đạt được giá trị yêu cầu Giaitđoạntnàytchủ yếu làm mát ẩm liên kếtthóa lý ởttrong nó, kết thúctgiai đoạn này khi xảy ratsựtcân bằngtnhiệt

độtmôittrường sấy và nhiệttđộttấm bứctxạ nhiệt

1.1.1.1 Giai đoạn làm lạnh đông

Nguyêntliệutsautkhitchuẩn bị được làm lạnhtđông từ nhiệt của sản phẩm thực phẩm từ nhiệt độ phòng xuống -35 0C, hầu hết nước trong các sản phẩm thực phẩm khi đạt đến nhiệt đồ này đã bị đóngtbăng gần nhưthoànttoàn Ứng với mỗi loại thực phẩm khác nhau sẽ có nhiệt độ lạnh đông khác nhau nhưng cần phải kết tinh 100% lượng ẩm có trong thực phẩm

Từ Hình 1.1 cho ta thấy, đường (3) là đường nhiệt độ của thực phẩm sấy, trong giaitđoạn nàytáptsuất ở trong buồng sấy cũng như buồng lạnh đông sản phẩm hầu như không có sự thaytđổi đáng kể, bằng với áptsuấttkhítquyển, trên thực tế thì áp suất

ở giai đoạn này có sự xê dịch nhẹ, do quá trình làm lạnh làm cho nhiệt độ không khí giảm dẫn đến áp suất giảm mà thể tích buồng sấy thăng hoa không thay đổi và khép kín Vì vậy lượng ẩm ở giai đoạn này mất đi rất ít: Sự thoát ẩm chủ yếu là do sự chênh lệch áp suấttriêngtphầntcủatlớp không khí sát bề mặt thực phẩm và hơi nước trong môi trường sấy thăng hoa; Chênhtlệchtnhiệttđộ sản phẩm lạnhtđông và nhiệttđộtmôi trường lạnhtđông cũngtlàm cho ẩm bị mất đi do có xuthướngtđạt tớittrạngttháitcân bằngtnhiệt [3]

1.1.1.2 Giai đoạn sấy thăng hoa

Sản phẩm sau khi đạt tới nhiệttđộtlạnhtđôngtthíchthợp, tiến hành ngừng quá trình làm lạnh sản phẩm và kết thúc giai đoạn lạnh đông chuyển qua giai đoạn sấy thăng hoa Trong giai đoạn này, nhờ dòng nhiệt chủ yếu là bức xạ từ các tấm bức xạ, nước trong sản phẩm sấy bắt đầu thăng hoa mãnh liệt hơn Độ ẩm của sản phẩm sấy

giảm rất nhanh và gần như tuyến tính Như vậy, giai đoạn sấy thăng hoa cũng có thể được xem là giai đoạn sấy đẳng tốc, phần lượngtnhiệttbứctxạ mà sản phẩm sấy nhận được trongtgiaitđoạntnày dùng để biếntthành nhiệttẩntthăngthoa Do đó, nhiệt độ sản phẩm sấy hầu như không thay đổi

Để sản phẩm đạt chấttlượng tốt thì kết thúc giai đoạn này độ ẩm kết tinh sản phẩm đã thăngthoathết, độtẩm sản phẩm đạt yêu cầu và nhiệt độ sản phẩm vượt qua nhiệt độ kết tinh của ẩmttrong sản phẩm (Tkt), khi ẩm còn lại trong sản phẩm rất ít, chủ yếutlàtẩmtliêntkếttchỉttồn tại ởtphatlỏng Như vậy, quáttrìnhtsấytthăngthoa sẽ không có giaitđoạn 3

1.1.1.3 Giai t đoạn sấy chân không

Sau khi trải qua giai đoạntthăngthoa, do trạng thái của nước trong sản phẩm sấy lớn hơn 4,58 mmHg nên ẩm trong sản phẩm sấy trở về trạng thái lỏng Đây được xem

là giai đoạn sấy chân không thực phẩm, chủ yếu làm mất đi ẩm liên kết hóa lý Kết thúc giai đoạn này khi xảy ra sự cân bằng nhiệttđộ, nhiệt độ nguyên liệu đạt tới nhiệt

độtmôittrườngtsấy và nhiệttđộ tấmtbức xạ, độ ẩm cuốitcùngtcủatsảntphẩm từt2 – 4%, sản phẩm được đánh giá rất khô

1.1.3 Ưu, nhược điểm của kĩ thuật sấy thăng hoa

1.1.3.1 So t với t các t phương t pháp t khác

Trong kỹtthuậttsấy, nhiệt là nguyên nhân gây tổn thất về hương thơm và chất lượng dinhtdưỡng Tuy nhiên sấy thăng hoa làm giảmthoạttđộtcủatnước màtkhông dùng nhiệtttáctđộngtlêntthựctphẩm,kếttquảtlàtvẫn giữtđượcthươngtthơmtvà chất lượng sản phẩm tốt hơn

1.1.3.2 Ưu điểm

Đối với công nghệ sấy thăng hoa ưu điểm lớn nhất là không làm tổn thất các cấu tử mẫn cảm bởi nhiệt trong thực phẩm như vitamin, các cấu tử hương, các chất tạo màu, các chất có hoạt tính sinh học,…[4]

Công nghệ sấy thăng hoa tạo ra các sản phẩm có chất lượng tốt hơn, đảm bảo giữ lại được gần như hầu hết các chất dinh dưỡng trong nguyên liệu ban đầu như: Giữ nguyên được hương vị và màu sắc ban đầu của sản phẩm cụ thể như sau: các vitamin, khoáng, protein

Sản phẩm có cấu trúc cứng rắn, giữ được hình dạng ban đầu, ít bị co ngót và không có hiện tượng cứng vỏ;

Sản phẩm sấy thăng hoa có đặc tính hút nước trở lại nhanh hơn so với sản phẩm sấy thông thường và trở lại hình dạng cấu trúc ban đầu

Quá trình sấy thăng hoa tạo ra sản phẩm ổn định với thời gian bảo quản rất lâu, điều kiện bảo quản dễ dàng; Sản phẩm có trọng lượng nhỏ, dễ dàng vận chuyển nên giảm được chi phí chuyên chở

Quá trình sấy đảm bảo các đặcttính sinh học của sản phẩm, không xảy ra các phảntứng như: caramel, maillard, oxy - hóa khử, nhiệt phân, thủy phân

1.1.3.3 Nhược t điểm

Nhượctđiểm lớntnhất củathệtthốngtsấy thăng hoa là chitphí sấytrất cao (năng lượngtvàtchitphítđầuttư thiết bị), hệtthốngtphức tạp, cồng kềnh, phải dùngtđồng thời bơm chân không và máy lạnh Do đó vận hành phức tạp và đòi hỏi nhân côngtcó trình

Hình 1.2 Đồ t thị t làm việc của buồng t sấy t thăng t hoa

Khi nhiệttđộtmôittrườngtsấy thăng hoa cao thì sẽ dẫn đến quá trình truyền nhiệt tách ẩm tăng, nhiệt độ vật liệu sấy tăng nhanh, lúc này ẩm sẽ chuyển sang trạng thái lỏng và kết thúc sớm giai đoạn sấy thăng hoa nhưng mà độ ẩm không đạt yêu cầu Cho nên sẽ cần đến quá trình sấy chân không làm cho thời giantsấy bị kéo dài làm cho sảntphẩm sau sấy bịtbiếnttính, giảm tính hoàn nguyên, chấttlượng sản phẩm giảm