nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời vào quá trình sấy chitin từ phế liệu tôm

Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sấy chitin vừa nâng cao chất lượng sản phẩm vừa tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời dồi dào ở nước ta là rất cần thiết, đặc biệ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là hoàn toàn mới và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả luận văn

Nguyễn Trọng Trung

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn:

1 Thầy hướng dẫn: PGS.TS Trang Sĩ Trung và TS Trần Đại Tiến đã trực tiếp

và tận tình hướng dẫn khoa học để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

2 Quý thầy cô đã dày công dạy dỗ tôi trong suốt thời gian học Cao học

3 Toàn thể thầy, cô Viện công nghệ sinh học & môi trường, Bộ môn hóa sinh -

vi sinh - Khoa công nghệ thực phẩm - Trường Đại học Nha Trang tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài

4 Ban Giám Hiệu và quý Thầy, Cô Trường Cao đẳng Nông nghiệp Nam Bộ, Tân Mỹ Chánh, Thành phố Mỹ Tho, Tỉnh Tiền Giang đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học này

5 Ba mẹ, chị em và vợ tôi đã luôn động viên và ủng hộ tôi trong suốt khóa học này

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về phế liệu tôm 3

1.1.1 Giới thiệu chung về phế liệu tôm 3

1.1.2 Thành phần hóa học và tính chất phế liệu tôm 3

1.1.3 Sản lượng phế liệu tôm 4

1.2 Chitin: Tính chất và ứng dụng 5

1.2.1 Sự tồn tại của chitin trong tự nhiên .5

1.2.2 Cấu trúc hóa học của chitin .5

1.2.3 Tính chất của chitin 6

1.2.4 Ứng dụng của chitin 7

1.3 Tổng quan về quá trình sản xuất chitin từ phế liệu tôm 8

1.4 Tổng quan hiện trạng của quá trình làm khô chitin bằng phương pháp phơi trên nền xi măng 11

1.5 Quá trình sấy và các phương pháp sấy 12

1.5.1 Quá trình sấy 12

1.5.2 Các phương pháp sấy 14

1.6 Nguồn năng lượng bức xạ mặt trời 15

1.6.1 Khái niệm về nguồn năng lượng mặt trời và cường độ bức xạ mặt trời 15

1.6.2 Sự biến đổi bức xạ mặt trời trong khí quyển và trên mặt đất 16

1.6.3 Phân bố bức xạ mặt trời 17

1.6.4 Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất 18

1.6.5 Bức xạ mặt trời truyền qua kính 19

1.6.6 Nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam 19

1.6.7 Ứng dụng năng lượng mặt trời .20

1.6.8 Tính ưu việt của thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời 20

1.6.9 Một số mô hình thiết bị sấy khô thực phẩm bằng năng lượng mặt trời 21

1.7 Sấy chitin, nông thủy sản bằng năng lượng mặt trời trong và ngoài nước 22

CHƯƠNG 2 : ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.1 Đối tượng, vật liệu nghiên cứu 25

2.2 Phương pháp nghiên cứu 27

2.2.1 Bố trí thí nghiệm tổng quát 27

2.2.2 Bố trí thí nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy chitin 29

a Bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tốc độ gió đến quá trình sấy chitin 29

b Bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của mật độ chitin trên đơn vị diện tích khay sấy đến quá trình sấy chitin 30

c Bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của khoảng cách thời gian giữa các lần đảo trộn đến quá trình sấy chitin 32

2.2.3 So sánh chất lượng chitin sấy bằng mô hình sấy thích hợp với phơi nắng trên nền xi măng 33

2.2.4 Phương pháp phân tích 33

2.3 Tính toán thiết kế thiết bị sấy 500 kg nguyên liệu/mẻ 35

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 36

3.1 Thành phần hóa học của chitin đem sấy 36

3.2 Nghiên cứu sấy chitin bằng mô hình sấy đối lưu không khí cưỡng bức 1 (Mô hình 1) 36

3.2.1 Ảnh hưởng của tốc độ gió đến quá trình sấy chitin 36

3.2.2 Ảnh hưởng của mật độ chitin trên đơn vị diện tích khay sấy đến quá trình sấy chitin 41

3.2.3 Ảnh hưởng của khoảng cách thời gian đảo trộn đến quá trình sấy chitin 47

3.3 Nghiên cứu sấy chitin bằng mô hình sấy đối lưu không khí cưỡng bức 2

(Mô hình 2) 52

3.3.1 Ảnh hưởng của tốc độ gió đến quá trình sấy chitin 52

3.3.2 Ảnh hưởng của mật độ chitin trên đơn vị diện tích khay sấy đến quá trình sấy chitin 56

3.3.3 Ảnh hưởng của khoảng cách thời gian đảo trộn đến quá trình sấy chitin 62

3.4 Nghiên cứu sấy chitin bằng mô hình sấy đối lưu không khí tự nhiên (Mô hình 3) 67

3.4.1 Ảnh hưởng của mật độ chitin trên đơn vị diện tích khay sấy đến quá trình sấy chitin 67

3.4.2 Ảnh hưởng của khoảng cách thời gian đảo trộn đến quá trình sấy chitin 73

3.5 So sánh chất lượng chitin sấy bằng phương pháp thích hợp với phơi trên nền xi măng và đề xuất qui trình sấy hoàn thiện 79

3.5.1 So sánh chất lượng chitin sấy bằng phương pháp sấy thích hợp với phuơng pháp phơi nắng trên nền xi măng 79

a So sánh chỉ tiêu về màu sắc, độ đồng đều và độ nhớt của sản phẩm 79

b So sánh chỉ tiêu về khả năng hút nước, khả năng hấp phụ chất béo và khả năng hấp phụ chất màu của sản phẩm 81

c Hàm lượng cát sạn trong sản phẩm 82

d Phân tích vi sinh vật có trong sản phẩm 82

e Phổ FTIR của chitin sấy bằng năng lượng mặt trời 83

3.5.2 Đề xuất quy trình hoàn thiện sấy chitin bằng năng lượng mặt trời 84

3.6 Tính toán thiết kế thiết bị sấy 500 kg nguyên liệu/mẻ 84

3.7 Tính toán sơ bộ chi phí chế tạo thiết bị sấy và chi phí vận hành thiết bị 89

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91

KẾT LUẬN 91

KIẾN NGHỊ 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 PHỤ LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Ký hiệu viết tắt Diễn giải

ĐLTN Sấy đối lưu tự nhiên bằng Mô hình 3 ĐLCB1 Sấy đối lưu cưỡng bức bằng Mô hình 1 ĐLCB2 Sấy đối lưu cưỡng bức bằng Mô hình 2

PNXM Phơi trên nền xi măng

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thành phần hóa học cơ bản của phế liệu tôm thẻ chân trắng .3 Bảng 1.2 Mật độ năng lượng mặt trời và số giờ năng trung bình năm đối với các vùng

ở Việt Nam 20 Bảng 3.1 Thành phần hóa học ban đầu của chitin 36 Bảng 3.2 Kết quả phân tích chỉ tiêu vi sinh vật có trong sản phẩm chitin sấy bằng năng lượng mặt trời và phơi trên nền xi măng 82 Bảng 3.3 Chi phi chế tạo thiết bị sấy 500 kg nguyên liệu/mẻ 89

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của chitin .5

Hình 1.2 Sự xắp xếp của chuỗi polyme của α-chitin, β-chitin, γ-chitin 6

Hình 1.3 Quy trình sản xuất chitin tổng quát từ phế liệu tôm 11

Hình 1.4 Phơi khô chitin trên nền xi măng 12

Hình 1.5 Dải bức xạ điện từ 16

Hình 1.6 Thông lượng bức xạ mặt trời trên mặt ngang khi không có khí quyển (kcal/cm2) mùa hè, mùa đông và toàn năm theo vĩ độ 18

Hình 1.7 Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán .19

Hình 1.8 Mô hình thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời .21

Hình 1.9 Mô hình thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời có bổ sung không khí

nóng 21

Hình 1.10 Mô hình thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời có trữ nhiệt 22

Hình 1.11 Mô hình thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời có thiết bị hấp thụ nhiệt bổ sung không khí nóng 22

Hình 2.1 Thiết bị sấy ứng dụng năng lượng mặt trời 26

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát xác định các thông số ảnh hưởng 27

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tốc độ gió đến quá trình sấy chitin 29

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của mật độ chitin trên đơn vị diện tích khay sấy đến quá trình sấy chitin 31

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của khoảng cách thời gian giữa các lần đảo trộn đến quá trình sấy chitin 32

Hình 3.1 Biến đổi độ ẩm (A1), tốc độ sấy (A2), nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí (A3) theo tốc độ gió 37

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa tốc độ gió với tốc độ sấy 41

Hình 3.3 Biến đổi độ ẩm (B1), tốc độ sấy (B2), nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí (B3) theo mật độ chitin sấy 42

Hình 3.4 Biến đổi độ ẩm (C1), tốc độ sấy (C2), nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí (C3) ở mẫu phơi trên nền xi măng 45

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa mật độ sấy với tốc độ sấy 46

Hình 3.6 Biến đổi độ ẩm (D1), tốc độ sấy (D2), nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí (D3) theo khoảng cách thời gian đảo trộn 48 Hình 3.7 Biến đổi độ ẩm (E1), tốc độ sấy (E2), nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí (E3) ở mẫu phơi trên nền xi măng 50 Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa khoảng cách thời gian đảo trộn với tốc độ sấy 52 Hình 3.9 Biến đổi độ ẩm (K1), tốc độ sấy (K2), nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí (K3) theo tốc độ gió 53 Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa tốc độ gió và tốc độ sấy 56 Hình 3.11 Biến đổi độ ẩm (L1), tốc độ sấy (L2), nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí (L3) theo mật độ chitin sấy 57 Hình 3.12 Biến đổi độ ẩm (M1), tốc độ sấy (M2), nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí (M3) ở mẫu phơi trên nền xi măng 60 Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mật độ chitin sấy với tốc độ sấy 61 Hình 3.14 Biến đổi độ ẩm (N1), tốc độ sấy (N2), nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí (N3) theo khoảng cách thời gian đảo trộn 63 Hình 3.15 Biến đổi độ ẩm (O1), tốc độ sấy (O2), nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí (O3) ở mẫu phơi trên nền xi măng 65 Hình 3.16 Đồ thị biễu diễn mối liên hệ giữa khoảng cách thời gian đảo trộn với tốc độ sấy 66 Hình 3.17 Biến đổi độ ẩm (P1), tốc độ sấy (P2), nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí (P3) theo mật độ chitin sấy 68 Hình 3.18 Biến đổi độ ẩm (Q1), tốc độ sấy (Q2), nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí (Q3) ở mẫu phơi trên nền xi măng 71 Hình 3.19 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa mật độ chitin sấy với tốc độ sấy 72 Hình 3.20 Biến đổi độ ẩm (T1), tốc độ sấy (T2), nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí (T3) theo khoảng cách thời gian đảo trộn 74 Hình 3.21 Biến đổi độ ẩm (S1), tốc độ sấy (S2), nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí (S3) ở mẫu phơi trên nền xi măng 76 Hình 3.22 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa khoảng cách thời gian đảo trộn với tốc độ sấy 77 Hình 3.23 Thời gian sấy chitin ở các Mô hình khác nhau 78

Hình 3.24 Sản phẩm chitin sấy bằng mô hình ĐLCB1, PNXM, ĐLTN (hình 1)

và ĐLCB2 (hình 2) 79

Hình 3.25 Độ nhớt của sản phẩm chitosan sấy bằng năng lượng mặt trời

và phơi trên nền xi măng 80

Hình 3.26 Khả năng hút nước của sản phẩm chitin sấy bằng năng lượng mặt trời và

phơi trên nền xi măng 81

Hình 3.27 Khả năng hấp phụ chất béo của sản phẩm chitin sấy bằng năng lượng mặt

trời và phơi trên nền xi măng 81

Hình 3.28 Khả năng hấp phụ màu của sản phẩm chitin sấy bằng năng lượng mặt trời

và phơi trên nền xi măng 81

Hình 3.29 Hàm lượng cát sạn có trong sản phẩm chitin sấy bằng năng lượng mặt trời

và phơi trên nền xi măng 82

Hình 3.30 Phổ FTIR của chitin sau khi sấy 83

Hình 3.31 Quy trình hoàn thiện sấy chitin bằng năng lượng mặt trời 84

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Ở Việt Nam, tôm là mặt hàng xuất khẩu chủ lực chiếm tới 39,3% tổng kim ngạch xuất khẩu thủy sản với sản phẩm chủ yếu là tôm bóc vỏ hay tôm bỏ đầu, do vậy thải ra một lượng lớn phế liệu đầu và vỏ tôm, ước tính trên 100.000 tấn/năm, đây chính

là nguồn nguyên liệu chủ yếu cho quá trình sản xuất chitin

Trong quá trình sản xuất chitin, công đoạn làm khô là một trong những công đoạn quan trọng, ảnh hưởng quyết định tới chất lượng chitin Hiện nay, làm khô chitin thường là phơi khô trên nền xi măng hoặc sấy khô sử dụng than đá Với cách làm truyền thống này, chitin thu được sẽ nhiễm tạp chất, vi sinh vật và như thế sẽ không đảm bảo được điều kiện vệ sinh an toàn thực phẩm, đồng thời cũng làm giảm chất lượng sản phẩm

Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất, đặc biệt là các tỉnh phía Nam Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống

có ý nghĩa lớn về mặt kinh tế và môi trường Chính vì vậy, nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời vào quá trình sấy chitin là rất cần thiết, đặc biệt là ở các nước nhiệt đới như Việt Nam

Với những lý do đó tôi chọn hướng đề tài Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời vào quá trình sấy chitin từ phế liệu tôm

Yêu cầu quá trình sấy chitin bằng năng lượng mặt trời là đơn giản, có thể triển khai ở qui mô lớn mà vẫn đảm bảo chất lượng, điều kiện vệ sinh an toàn thực phẩm,

tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời lại vừa thân thiện với môi trường

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Đưa ra được các điều kiện thích hợp cho quá trình sấy chitin bằng năng lượng mặt trời

Kết quả của quá trình nghiên cứu này sẽ chứng minh được rằng quá trình sấy chitin bằng năng lượng mặt trời sẽ cho sản phẩm có chất lượng cao hơn so với phơi nắng trên nền xi măng thông thường

Tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời sẵn có, chi phí đầu tư thấp phù hợp với điều kiện hiện nay ở nước ta

Làm phong phú thêm nguồn tài liệu khoa học về lĩnh vực nghiên cứu quá trình sấy chitin, đồng thời cũng bổ sung vào tài liệu phục vụ giảng dạy

Mục tiêu của đề tài

Ứng dụng năng lượng mặt trời vào quá trình sấy chitin từ phế liệu tôm

Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu xây dựng mô hình thiết bị sấy chitin bằng năng lượng mặt trời và thử nghiệm sấy chitin trên thiết bị sấy đối lưu không khí tự nhiên và sấy đối lưu không khí cưỡng bức

- Đánh giá chất lượng của sản phẩm sau khi sấy

- Lựa chọn mô hình thiết bị sấy và quy trình sấy thích hợp

- Tính toán thiết kế thiết bị sấy chitin ở quy mô 500 kg nguyên liệu/mẻ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về phế liệu tôm

1.1.1 Giới thiệu chung về phế liệu tôm

Sự phát triển rất nhanh của ngành chế biến thủy sản ở Việt Nam đã góp phần lớn vào việc nâng cao giá trị xuất khẩu của nước ta, hàng triệu tấn thủy sản được xuất khẩu mỗi năm trong đó có mặt hàng tôm Ở Việt Nam, tôm là mặt hàng xuất khẩu chủ lực chiếm tới 39,3% tổng kim ngạch xuất khẩu thủy sản với sản phẩm chủ yếu là tôm bóc vỏ hay tôm bỏ đầu, do vậy thải ra một lượng lớn phế liệu đầu và vỏ tôm, đây chính

là nguồn nguyên liệu chủ yếu cho quá trình sản xuất chitin Tùy thuộc vào từng loài, sản phẩm chế biến khác nhau mà lượng phế liệu tôm thu được khác nhau

1.1.2 Thành phần hóa học và tính chất phế liệu tôm

Trong thành phần phế liệu tôm, phần đầu thường chiếm khoảng 35 ÷ 45% trọng lượng của tôm nguyên liệu, phần vỏ chiếm 10 ÷ 15% Tuy vậy, tỷ lệ này còn phụ

thuộc vào giống loài, giai đoạn sinh trưởng [4, 7, 8]

Thành phần chiếm tỷ lệ đáng kể trong đầu, vỏ tôm là chitin, protein, canxi cacbonat, sắc tố,…và tỷ lệ giữa các thành phần này là không ổn định, chúng thay đổi theo đặc điểm sinh thái, sinh lý, loài,…

Thành phần hóa học cơ bản của phế liệu tôm thẻ chân trắng như sau:

Bảng 1.1 Thành phần hóa học cơ bản của phế liệu tôm thẻ chân trắng [13]

Hàm lượng khoáng (%) 24,6 ± 0,8 Hàm lượng chitin (%) 18,3 ± 0,9 Hàm lượng protein (%) 47,4 ± 1,8

Hàm lượng astaxanthin (ppm) 130 ± 13,9

- Protein: Trong phế liệu tôm thường là loại protein không hòa tan, do đó khó

trích ly khỏi vỏ, nó tồn tại dưới hai dạng:

+ Dạng tự do: Phần này là phần thịt tôm còn sót lại Tồn tại trong các cơ quan

nội tạng và các cơ gắn ở phần vỏ, đầu tôm

+ Dạng phức tạp: Liên kết với chitin, CaCO3, với sắc tố như một phần thống nhất quyết định tính bền vững của vỏ tôm

- Chitin: Tồn tại dưới dạng liên kết với protein, khoáng, và những hợp chất hữu

cơ khác, chủ yếu là CaCO3 là thành phần chính cấu tạo nên vỏ tôm Chính sự liên kết này đã gây khó khăn trong việc tách chiết và tinh chế

- Canxi: Trong thành phần vỏ, đầu tôm có chứa một lượng lớn muối vô cơ, chủ

yếu là cacbonat canxi (CaCO3) Hàm lượng Ca3(PO4)2 mặc dù không nhiều nhưng trong quá trình khử khoáng dễ hình thành hợp chất CaHPO4 không tan trong HCl gây khó khăn cho quá trình khử khoáng

- Astaxanthin: Là sắc tố chủ yếu trong vỏ tôm, astaxanthin là dẫn xuất của

caroten, thường ở dạng liên kết với acid béo (este hóa) hay với protein tạo nên một phức hợp chặt chẽ có màu xanh đặc trưng cho tôm Khi liên kết này bị phá vỡ thì astaxanthin dễ dàng bị oxy hóa thành astaxin

Ngoài các thành phần kể trên, trong vỏ tôm còn có các thành phần khác như: nước, lipid, phospho, enzyme…

- Lipid: Chứa một lượng đáng kể, chủ yếu gồm các acid béo chưa no bão hòa

như eicosapentaenoic (EPA), decosahexaenoic (DHA) Đây là những acid béo rất có lợi cho sức khỏe con người và có nhiều ứng dụng khác trong y học

- Enzyme: Trong phế liệu tôm cũng có chứa một số loại enzyme, theo tạp chí

Khoa học và Công nghệ Thủy sản (số 05/1993) thì hoạt độ enzyme của protease của đầu tôm khoảng 6,5 đơn vị hoạt độ/g tươi Trong đầu tôm có chứa enzyme tiêu hóa chymotrypsin, được sử dụng trong điều trị bệnh ung thư Một vài loại enzyme khác có mặt trong phế liệu tôm như alkaline phosphatase, β-N-acetyl glucosaminse, chitinase cũng được ứng dụng nhiều trong thực tế [7]

1.1.3 Sản lượng phế liệu tôm

Theo thống kê của tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO) thì sản lượng tôm trên thế giới khoảng trên dưới 4 triệu tấn/năm Hầu hết sản lượng tôm trên thế giới từ các nước đang phát triển như: Thái Lan, Việt Nam, Trung Quốc, Ecudo, Malaysia, Ấn Độ và Indonesia Theo đó đã tạo ra một lượng phế liệu tôm rất lớn, ước tính có khoảng 1,6 ÷ 2 triệu tấn/năm

Trong năm 2011, Việt Nam đã xuất khẩu các sản phẩm từ tôm chiếm tới trên 39,3% so với tổng kim ngạch xuất khẩu thủy sản của cả nước, trong đó các sản phẩm

từ tôm chủ yếu là tôm bóc vỏ và tôm bỏ đầu, do đó lượng phế liệu đầu vỏ tôm thải ra trên 100.000 tấn với lượng chitin tương ứng trên 4000 tấn Nguồn phế liệu sẵn có cho công nghiệp chitin đã làm cho các phân xưởng sản xuất chitin phát triển nhanh và hiện nay đã đạt mức khoảng trên 3000 tấn chitin thô mỗi năm [14] Dự tính trong năm

2012, xuất khẩu các sản phẩm từ tôm của Việt Nam sẽ tăng lên, điều này sẽ tạo ra lượng lớn phế liệu đầu, vỏ từ tôm, đây là nguồn chính cho quá trình sản xuất chitin

1.2 Chitin: Tính chất và ứng dụng

1.2.1 Sự tồn tại của chitin trong tự nhiên [8]

Chitin là một polyme sinh học rất phổ biến trong tự nhiên, chỉ đứng sau cellulose, chúng được tạo ra trung bình 20g trong 1 năm/1m2 bề mặt trái đất Trong tự nhiên chitin tồn tại cả ở động vật, thực vật

Đối với cơ thể động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng của vỏ một số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác Trong thế

giới thực vật chitin có ở thành tế bào của một số nấm và tảo như: nấm Zygemycether, một số tảo Chlorophiceae, nấm bất toàn (Fugiimperfecti), tảo khuẩn (Phycomycetes),

Trong động vật thủy sản đặc biệt trong vỏ tôm, cua, ghẹ hàm lượng chitin chiếm tỷ lệ cao, từ 14 ÷ 35% so với trọng lượng khô Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ, là nguồn nguyên liệu tiềm năng sản xuất chitin và các sản phẩm từ chúng

1.2.2 Cấu trúc hóa học của chitin [14, 42]

Chitin là polysaccharid chứa đạm, không độc hại, có khối lượng phân tử lớn Cấu trúc của chitin là một tập hợp các phân tử liên kết với nhau bởi các cầu nối 1,4-glucozit và hình thành một mạng các sợi có tổ chức Chitin rất hiếm tồn tại ở trạng thái tự do, hầu như luôn liên kết với protein dưới dạng phức hợp, CaCO3 và các hợp chất hữu cơ khác gây khó khăn cho việc tách chiết Chitin có cấu trúc hóa học giống cellulose và có thể xem là dẫn xuất của cellulose với nhóm acetamide ở carbon số 2

Chitin được tách chiết lần đầu tiên vào năm 1811 bởi nhà dược hóa học người pháp Henri Braconnot từ nấm

Cấu trúc hóa học của chitin

Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của chitin [36]

Công thức phân tử của chitin là [C8H13O5N]n , n: tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu

Ví dụ: Ở tôm hùm n = 700 ÷ 800, ở tôm thẻ n = 400 ÷ 500, ở cua n = 500 ÷ 600 Phân tử lượng: MChitin = (203,09)n

Người ta chia cấu trúc chitin thành ba dạng α-chitin, β-chitin và γ-chitin Cấu trúc của chitin ở các dạng trên là xuất phát từ nguồn chiết rút chitin, chitin từ tôm và cua có dạng α-chitin, còn chitin từ mực có dạng β-chitin Ba dạng này có sự khác nhau tính hydrat hóa, kích thước của mỗi đơn vị cấu trúc và số mạch chitin trong mỗi đơn vị cấu trúc α-chitin có độ rắn phân tử cao nhất và ở dạng rắn chắc và các mạch chitin sắp xếp song song nhưng ngược chiều nhau β-chitin gồm các mạch chitin sắp xếp song song nhưng cùng chiều nhau, có độ rắn thấp, có tính hydrat hóa cao γ-chitin sắp xếp

cứ hai mạch song song cùng chiều thì có một mạch ngược chiều Trong tự nhiên chitin có mặt nhiều nhất và thường rất cứng trong khi đó β-chitin và γ-chitin thì tạo nên tính dai, dẻo

α-Cấu trúc của chitin [39]

Hình 1.2 Sự xắp xếp của chuỗi polyme của α-chitin, β-chitin, γ-chitin

1.2.3 Tính chất của chitin

Chitin có màu trắng, cũng giống cellulose, không hòa tan trong nước (đặc biệt

là α-chitin), trong môi trường kiềm, axit loãng và các dung dịch hữu cơ như ete, rượu,…Tính không tan của chitin là do chitin có cấu trúc chặt chẽ, có liên kết trong và liên kết phân tử mạnh thông qua nhóm hydroxyl và nhóm acetamide (-NHCOCH3) ngăn cản sự tạo thành các phức chất cần thiết, nhưng nó lại tan được trong dung dịch đặc nóng của muối trung tính thyoxyanat liti (LiSCN) và thyoxyanat canxi (Ca(SCN)2) tạo thành dung dịch keo [14]

Chitin có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại ở bước sóng λ = 884 ÷ 890µm

Ổn định với chất chống oxy hóa như KMnO4, oxy già (H2O2), nước javen (NaClO) hay clorua vôi Ca(ClO)2…Người ta lợi dụng tính chất này để sử dụng các chất trên khử màu cho chitin

α-chitin β-chitin γ-chitin

Khi đun nóng chitin trong HCl đậm đặc tạo thành 88,5% D-Glucosamin và 22,5% axit acetic

Khi đun nóng chitin trong NaOH đậm đặc thì chitin bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan Dựa vào đặc tính này người ta đã sản xuất chitosan từ chitin [8]

Khi đun nóng chitin trong dung dịch HCl đậm đặc thì chitin sẽ bị thủy phân tạo thành các phân tử glucosamin có hoạt tính sinh học cao [14]

Chitin là một vật liệu chứa cả 2 nhóm chức –OH và –NH2 cho liên kết với enzyme, có cấu trúc siêu lỗ, có khả năng hấp thụ tốt, dễ tạo màng Chitin có cấu trúc mạng tinh thể chặt chẽ, không chỉ có các liên kết hydro hình thành trong chuỗi mà còn

có giữa các lớp với nhau trong mạng tinh thể Chitin là một polyme kỵ nước, độ trương thấp, diện tích bề mặt tiếp xúc nhỏ và bền về mặt hóa học Dựa vào đặc tính này, gần đây có rất nhiều nghiên cứu cố định enzyme trên chitin, chủ yếu bằng phương pháp hấp phụ và liên kết cộng hóa trị qua cầu nối glutaraldehyt Tuy nhiên, do tính chất kỵ nước nên bề mặt tiếp xúc của chitin nhỏ, khả năng tiếp xúc của enzyme cố định và cơ chất rất hạn chế Vì vậy hoạt tính của enzyme cố định trên chitin thường rất thấp [3, 12]

Chitin, chitosan đã được ứng dụng làm vật liệu cố định enzyme, hấp phụ kim loại trong xử lý nước thải, chất kích thích sinh trưởng và kháng bệnh cho thực vật, ứng dụng trong y dược làm chất chống đông máu, tăng cường hệ miễn dịch, làm mỹ phẩm, ứng dụng trong công nghiệp giấy, công nghiệp dệt…[14]

1.2.4 Ứng dụng của chitin

Do chitin có cấu trúc chặt chẽ, có tính kỵ nước cao, không tan trong dung dịch axit loãng, kiềm loãng và các dung môi hữu cơ, vì vậy ứng dụng của chitin rất hạn chế Chitin chủ yếu được ứng dụng trong các lĩnh vực sau:

a Sản xuất chitosan

Với những ứng dụng rộng rãi của chitosan trong nhiều lĩnh vực như ứng dụng trong thực phẩm, dược phẩm, nông nghiệp, môi trường Chính vì vậy ứng dụng chủ yếu của chitin là dùng sản xuất chitosan

b Sản xuất glucosamine

Từ thập kỷ 90 người ta đã phát hiện ra glucosamin có khả năng phục hồi được các sụn khớp, tức là chữa được căn nguyên của bệnh viêm, thoái hoá khớp Ngoài ra chúng còn tham gia vào giải độc cho gan và thận, chống viêm gan, chống dị ứng,

chống ung thư và chữa tổn thương đường ruột và dạ dày Glucosamin là thuốc hầu như không có tác dụng phụ, ngay cả khi dùng lâu dài Với những ứng dụng rộng của glucosamin mà chitin đã được ứng dụng để sản xuất glucosamin

c Sản xuất chitin oligosaccharid

Chitin oligosaccharid có hoạt tính sinh học cao được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như dùng làm chất hỗ trợ khả năng miễn dịch ở người, điều hòa cholesterol, cải thiện thiếu máu và bệnh gan, điều hòa áp suất trong máu, làm tăng khả năng hấp thụ canxi, thúc đẩy quá trình bài tiết axit uric trong máu, chống ung thư, bướu, làm chất bảo quản thực phẩm, nông sản Với những ứng dụng đó chitin đã được ứng dụng để xuất chitin oligosaccharid bằng cách thủy phân chitin bởi các enzyme hoặc dùng axit

d Một số ứng dụng khác

- Xử lý nước thải [8]

Nhờ khả năng là đông tụ các thể rắn lơ lửng giàu protein, và nhờ khả năng kết dính tốt các ion kim loại như: Pb2+, Hg2+… do đó chitin được sử dụng để tẩy lọc nguồn nước thải công nghiệp từ các nhà máy chế biến thực phẩm Ngoài ra chitin còn có khả năng hấp phụ chất màu, vì vậy được ứng dụng trong xử lý nước thải của các nhà máy dệt

- Trong nông nghiệp [14]

Trong nông nghiệp chitin dùng bao bọc các hạt giống để ngăn ngừa sự tấn công của nấm trong đất và để tăng cưởng khả năng nẩy mầm của hạt, kích thích sinh trưởng

và tăng năng suất thu hoạch

- Với những tính chất và ứng dụng rông rãi của chitin đã làm cho chitin ngày càng trở nên quan trọng và được sự quan tâm đặc biệt của cộng đồng các nhà khoa học

và nhà công nghệ

1.3 Tổng quan về quá trình sản xuất chitin từ phế liệu tôm

Trên thế giới: Việc nghiên cứu sự tồn tại, cấu trúc, tính chất lý hoá và công

nghệ tách chiết chitin đã có từ những năm 30 của thế kỷ trước Theo Hiranol công nghệ sản xuất chitin, chitosan lần đầu tiên trên thế giới bởi Kyowa Yushi, từ đó một vài công ty Nhật tham gia sản xuất chitin, chitosan thương mại Công nghệ chitin, chitosan cũng được sản xuất với quy mô vừa và nhỏ ở Mỹ và một số quốc gia khác [12, 30]

Mãi đến năm 1975 những ứng dụng của chitin, chitosan mới phát hiện Kể từ

đó, chúng được đưa vào ứng dụng có hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trong

đó, Nhật và Mỹ là hai nước sử dụng chitin, chitosan đứng hàng đầu thế giới với sản lượng 400 ÷ 600 tấn/năm, kế tiếp là Trung Quốc, Ấn Độ, Pháp [30] Trong năm 1990, tổng sản lượng chitin, chitosan thế giới sử dụng là 12000 tấn

Do những hạn chế về khả năng hòa tan của chitin, chitosan nên người ta tiến hành nghiên cứu các chế phẩm từ chitin, chitosan

Năm 1859 nhờ vào phát minh đầu tiên của Rouget khi đun sôi chitin trong dung dịch HCl đậm đặc, và về sau đã có nhiều công trình nghiên cứu về chitin, chitosan và các sản phẩm thủy phân chitin, chitosan [36]

Cho đến nay trên thế giới đã có nhiều quy trình sản xuất chitin từ phế liệu tôm bằng phương pháp hóa học, phương pháp sinh học cũng như kết hợp giữa hai phương pháp này

Rao và cộng sự (2000) đã nghiên cứu sản xuất chitin bằng phương pháp lên

men vi sinh Kết quả cho thấy phế liệu tôm được lên men với 10% Lactobacillus

plantarum, bổ sung 5% glucose, điều chỉnh pH 6,5 bằng axit acetic, hiệu suất khử

protein là 75%, khử khoáng là 86% Nếu thay axit acetic bằng axit citric thì hiệu suất khử protein là 88%, khử khoáng là 90%

Kandra và cộng sự (2010) đã sản xuất được chitin từ phế liệu tôm bằng phương pháp sinh học nhờ sử dụng vi khuẩn probiotic tự nhiên Sau 72 giờ ủ ở nhiệt độ phòng hiệu quả khử khoáng đạt 69%, khử protein đạt 89%, hiệu suất thu hồi chitin đạt 5,56%

Nesreen và cộng sự (2010) tiến hành sản xuất chitin từ phế liệu tôm bằng phương pháp hóa học, kết quả cho thấy hiệu quả khử khoáng đạt 99,54%, hiệu quả khử protein đạt 98,3%

Ở Việt Nam: Trường Đại học Nha Trang bắt đầu nghiên cứu chiết tách được

chitin, chitosan từ năm 1978 với quy trình của cô Đỗ Minh Phụng nhưng chưa có ứng dụng cụ thể trong sản xuất Gần đây trước những thông tin kỹ thuật mới về chitin, chitosan cũng như tiềm năng ứng dụng của chúng đã thúc đẩy các nhà khoa học bắt tay vào nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất chitin, chitosan đồng thời nghiên cứu các ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Ở miền Bắc, Viện Khoa học Việt Nam đã kết hợp với Xí nghệp Thủy sản Hà Nội sản xuất chitin, chitosan và ứng dụng chúng trong lĩnh vực nông nghiệp Ở miền Nam, Trung tâm Công nghệ Sinh học và Sinh học Thuỷ sản phối hợp với một số cơ quan khác như: Đại học Y dược TP.HCM, Phân viện Khoa học Việt Nam, Viện Khoa

học Nông nghiệp Việt Nam… đang nghiên cứu sản xuất và ứng dụng chitin, chitosan trong các lĩnh vực nông nghiệp, y dược và mỹ phẩm

Từ năm 1998 ÷ 2000 Trường Đại học Nha Trang đã nghiên cứu thành công công nghệ sản xuất chitin, chitosan từ vỏ tôm Sú, vỏ tôm Mũ Ni, vỏ tôm Hùm bằng quy trình hóa học Một dự án sản xuất thử nghiệm chitin, chitosan đã hoàn thành năm

2003 Trường Đại học Nha Trang đã chuyển giao công nghệ sản xuất chitin, chitosan cho một số cơ sở sản xuất

Trần Thị Luyến (2005), Trang Sĩ Trung và cộng sự (2007) đã nghiên cứu ứng dụng enzyme (Papain, Alcalase, Protamex, Flavourzyme) trong công đoạn khử protein, tuy nhiên hàm lượng protein còn lại ở mẫu chitin khá cao (6 ÷ 9%) Vì vậy để triển khai ở quy mô sản xuất lớn cần tiến hành nghiên cứu thêm để nâng cao hiệu quả quy trình có sử dụng enzyme Nhìn chung các quy trình sản xuất chitin từ phế liệu tôm đang được áp dụng ở quy mô sản xuất lớn tại Việt Nam hiện nay chủ yếu là quy trình hóa học Quy trình hóa học có ưu điểm là đơn giản, không đòi hỏi thiết bị máy móc phức tạp và có chi phí thấp

Có rất nhiều quy trình sản xuất chitin bằng phương pháp hóa học đã được nghiên cứu và phát triển trên thế giới và ở Việt Nam Tùy theo tính chất nguyên liệu, điều kiện sản xuất, chất lượng của sản phẩm mà các thông số của quy trình có sự khác nhau ở một vài công đoạn Quy trình sản xuất chitin tổng quát từ phế liệu tôm như sau:

Phế liệu tôm sau khi được rửa sạch nhằm loại bỏ tạp chất được xử lý với NaOH nhằm loại bỏ protein Nồng độ NaOH xử lý tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu và điều kiện xử lý, thông thường nồng độ NaOH được sử dụng là 4%, lượng dung dịch gấp 4 ÷ 5 lần lượng nguyên liệu Trong quá trình khử protein thường xuyên đảo trộn

để tăng hiệu quả của quá trình

Sau khi xử lý bằng NaOH xong, tiến hành rửa sạch xút, sau đó tiến hành khử khoáng bằng HCl với nồng độ sử dụng là 4% và lượng dung dịch gấp 4 ÷ 5 lần lượng nguyên liệu Trong quá trình khử khoáng ở giai đoạn đầu cần đảo trộn tốt để phản ứng diễn ra đồng đều

Sau khi khử khoáng bằng HCl xong tiến hành rửa sạch axit rồi làm khô ta thu được chitin Trong quá trình khử khoáng thường xảy ra quá trình cắt mạch chitin nên quá trình tách khoáng chỉ thực hiện ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ thấp hơn để hạn chế quá trình đề polyme [41]

Hình 1.3 Quy trình sản xuất chitin tổng quát từ phế liệu tôm

Công đoạn khử khoáng có thể thực hiện trước công đoạn khử protein và ngược lại tuy nhiên cần phải tính ảnh hưởng của quá trình này đến chất lượng của chitin Quá trình rửa cần đặc biệt chú ý vì nếu không đạt yêu cầu, một lượng xút và axit còn lại sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình xử lý sau và chất lượng chitin thành phẩm

1.4 Tổng quan hiện trạng của quá trình làm khô chitin bằng phương pháp phơi trên nền xi măng

Trong quy trình sản xuất chitin, công đoạn làm khô là công đoạn quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm Ở các nước nhiệt đới, phương pháp phơi khô được ứng dụng với nhiều ưu điểm như ngoài việc loại nước, làm khô, còn có thể tẩy màu làm cho chitin có màu trắng đẹp Đối với những nước không có nhiều nắng hoặc vào mùa mưa thì chitin được sấy khô trong thiết bị sấy sử dụng không khí nóng có nhiệt độ 50 ÷ 600C Việt Nam là nước nhiệt đới có số giờ nắng trung bình trong năm cao, đặc biệt là các tỉnh phía nam với số giờ nắng trung bình mỗi năm trên 2000 giờ [10], chính vì vậy tại các cơ sở sản xuất chitin hiện nay ở nước ta, chitin chủ yếu được làm khô bằng phơi trên nền xi măng

Với cách làm khô chitin bằng phương pháp phơi trên nền xi măng như hiện nay

có ưu điểm là tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị Tuy nhiên có nhược điểm là chitin bị nhiễm vi sinh vật và các tạp chất rất nhiều do điều kiện vệ sinh kém dẫn đến làm cho

chất lượng sản phẩm giảm, thời gian làm khô kéo dài, đồng thời nếu trong điều kiện trời đổ mưa đột ngột sẽ không kịp thu dọn sản phẩm

Hình 1.4 Phơi khô chitin trên nền xi măng

Để khắc phục những nhược điểm trên, việc áp dụng phương pháp làm khô chitin vừa tận dụng được nguồn năng lượng dồi dào ở nước ta, vừa nâng cao chất lượng sản phẩm lại có thời gian làm khô ngắn là rất cần thiết, đặc biệt ở các nước nhiệt đới như ở Việt Nam

1.5 Quá trình sấy và các phương pháp sấy

1.5.1 Quá trình sấy [1, 5, 6]

Quá trình sấy là quá trình làm khô các vật liệu, các sản phẩm bằng phương pháp làm bay hơi nước trong vật liệu đó Như vậy muốn sấy khô một vật ta phải tiến hành các biện pháp kỹ thuật sau:

- Gia nhiệt cho nó để đưa nhiệt độ của nó lên đến nhiệt độ bảo hòa ứng với phân áp suất của hơi nước trên bề mặt vật

- Cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm trong vật thể

- Vận chuyển hơi ẩm đã thoát ra khỏi vật thể vào môi trường

Từ những điểm đã nêu, ta nhận thấy rằng trong quá trình sấy xảy ra các quá trình sau: quá trình truyền nhiệt từ chất tải nhiệt cho vật sấy, quá trình truyền ẩm từ trong vật sấy ra ngoài bề mặt vật sấy và quá trình truyền ẩm từ bề mặt vật sấy vào môi trường Các quá trình truyền nhiệt, truyền chất trên xảy ra đồng thời trên vật sấy chúng

có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau

- Căn cứ vào áp suất khi sấy mà người ta phân ra:

+ Sấy ở áp suất thường: sấy trong điều kiện áp suất bình thường như sấy bằng năng lượng mặt trời, sấy bằng không khí nóng, sấy bằng tia hồng ngoại

+ Sấy ở áp suất thấp: sấy trong điều kiện chân không, việc khuếch tán của nước

ra môi trường rất dễ dàng

Trong quá trình làm khô nước ở trong nguyên liệu chuyển dần ra ngoài và đi vào không khí làm cho không khí xung quanh tăng độ ẩm Nếu không khí đứng yên thì một lúc nào đó thì quá trình làm khô sẽ dừng lại Sự khuếch tán của nước từ nguyên liệu ra môi trường có 2 quá trình:

Quá trình khuếch tán ngoại [1]

Là sự dịch chuyển của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu vào không khí Khuếch tán ngoại có thể di chuyển được 90% lượng ẩm Động lực của quá trình khuếch tán ngoại thực hiện được dưới điều kiện áp suất hơi nước bão hoà trên bề mặt nguyên liệu lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí

Quá trình khuếch tán nội [1]

Là quá trình chuyển động của nước trong nguyên liệu từ lớp này sang lớp khác

để tạo độ cân bằng ẩm trong bản thân nguyên liệu Động lực của quá trình khuếch tán nội là sự chênh lệch về độ ẩm giữa các lớp bên trong và bên ngoài Nếu sự chênh lệch

ẩm càng lớn tức là gradien độ ẩm càng lớn thì tốc độ khuếch tán nội càng nhanh

Mối quan hệ giữa khuếch tán nội và khuếch tán ngoại

Khuếch tán nội và khuếch tán ngoại có một mối quan hệ chặt chẽ với nhau, tức

là khi khuếch tán ngoại được tiến hành thì khuếch tán nội mới có thể được tiếp tục và như thế độ ẩm của nguyên liệu mới được giảm dần Nếu khuếch tán nội lớn hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bốc hơi sẽ nhanh hơn, nhưng điều này hiếm có

Khi ẩm từ bề mặt nguyên liệu được bay hơi thì trong lòng vật liệu xuất hiện gradien độ ẩm Đó là điều kiện cho sự di chuyển ẩm từ các lớp bên trong của nguyên liệu đến bề mặt nguyên liệu Trong quá trình làm khô, ở giai đoạn đầu khi độ ẩm trong nguyên liệu lớn, đảm bảo cho vận tốc của quá trình di chuyển ẩm từ trong lòng nguyên liệu ra bề mặt nguyên liệu lớn hơn vận tốc khuếch tán ẩm từ bề mặt nguyên liệu vào môi trường không khí xung quanh Vì vậy, khuếch tán nội thường phù hợp với khuếch tán ngoại do đó tốc độ làm khô sẽ nhanh Nhưng sau đó độ ẩm trên bề mặt nguyên liệu giảm dần, đồng thời độ ẩm bên trong nguyên liệu cũng giảm dần, tốc độ bay hơi ở bề mặt ngoài nhanh mà tốc độ khuếch tán nội lại chậm Do đó tốc độ khô ở bề mặt ngoài

nhanh hình thành một lớp màng cứng làm ảnh hưởng lớn tới quá trình khuếch tán nội

Vì vậy mà ảnh hưởng tới quá trình làm khô nguyên liệu

Sự dịch chuyển của ẩm trong quá trình làm khô trước hết là nước tự do, sau đó mới đến nước kết hợp Trong suốt quá trình làm khô, lượng nước tự do luôn luôn giảm xuống Còn ở thời kỳ đầu thì lượng nước kết hợp tăng lên tương đối làm trọng lượng của nguyên liệu giảm chậm

Lượng nước của nguyên liệu dịch chuyển dưới 2 hình thức là thể hơi và thể lỏng Điều này do phương thức kết hợp của nước trong nguyên liệu quyết định Sự dịch chuyển này gọi là truyền dẫn ẩm phần do sự chênh lệch ẩm gây nên

Nước tự do dịch chuyển ở 2 trạng thái lỏng và hơi Nước kết hợp dịch chuyển bằng trạng thái hơi còn nước thẩm thấu và nước liên kết thì dịch chuyển bằng trạng thái lỏng Độ ẩm càng giảm thì sự di động dần của nước chuyển dần sang thể hơi Khi

độ ẩm của nguyên liệu bé thì sự di động của nước trên cơ bản là trạng thái hơi

Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sấy

Bản chất của sản phẩm sấy: cấu trúc, thành phần hoá học, đặc tính của liên kết ẩm Hình dáng và trạng thái của sản phẩm sấy

Độ ẩm ban đầu, ban cuối và độ ẩm tới hạn của sản phẩm sấy

Nhiệt độ, độ ẩm tương đối của không khí và vận tốc của tác nhân sấy

Chênh lệch nhiệt độ ban đầu và ban cuối của tác nhân sấy

Cấu tạo của máy sấy, phương thức sấy và chế độ sấy

1.5.2 Các phương pháp sấy

* Sấy nhân tạo [1]

Sấy nhân tạo được thực hiện trong các thiết bị sấy Căn cứ vào phương pháp cung cấp nhiệt có thể chia làm các loại sau:

- Phương pháp sấy đối lưu

- Phương pháp sấy bức xạ từ nguồn nhân tạo

- Phương pháp sấy tiếp xúc

- Phương pháp sấy bằng điện trường dòng cao tần

- Phương pháp sấy thăng hoa

- Sấy bằng điện trở,

* Sấy tự nhiên [1]

Sấy tự nhiên là quá trình phơi nguyên liệu ngoài trời, hay sử dụng các thiết bị sấy bằng năng lượng bức xạ mặt trời để làm khô nguyên liệu Phương pháp này sử dụng nguồn nhiệt bức xạ của mặt trời để làm nóng nguyên liệu và không khí xung quanh, khi đó ẩm bay ra được không khí mang đi

* Hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới, hầu hết sản phẩm được làm khô chủ yếu sấy bằng phương pháp sấy nhân tạo do có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp sấy tự nhiên Tùy thuộc vào tính chất và yêu cầu chất lượng của sản phẩm mà áp dụng các phương pháp sấy khác nhau Với sản phẩm chitin một trong các yêu cầu về chất lượng của sản phẩm sau khi sấy phải có màu sắc trắng sáng, trong khi đó màu sắc trắng sáng của chitin lại được tẩy màu nhờ tia UV từ ánh nắng mặt trời Chính vì vậy nếu áp dụng phương pháp sấy nhân tạo sẽ không phù hợp Hiện nay ở Việt Nam và các nước trên thế giới chitin chủ yếu được làm khô bằng cách phơi nắng trên nền xi măng, với cách làm như hiện nay vừa không đảm bảo được điều kiện vệ sinh cho sản phẩm, đồng thời cũng làm giảm chất lượng của sản phẩm Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sấy chitin vừa nâng cao chất lượng sản phẩm vừa tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời dồi dào ở nước ta là rất cần thiết, đặc biệt Việt Nam

là một trong những nước có số giờ nắng cao nhất trên thế giới, trong đó các tỉnh phía Nam có số giờ nắng trung bình mỗi năm trên 2000 giờ

1.6 Nguồn năng lượng bức xạ mặt trời

1.6.1 Khái niệm về nguồn năng lượng mặt trời và cường độ bức xạ mặt trời

Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ mặt trời Bức xạ mặt trời phát ra từ nhiệt độ cao T = 57620K, đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 đến 10µm và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 ÷ 0,78µm, đó là vùng nhìn thấy của phổ [9, 10]

Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp của các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển tính đối với 1 m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ được tính theo công thức:

Trong đó: là hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời

Vì cường độ bức xạ mặt trời biến thiên tỉ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách, nên trị số của hằng số mặt trời trong một năm biến đổi khoảng +3,5% Theo kết quả xác định mới nhất bằng vệ tinh với khoảng cách trung bình từ Trái Đất đến Mặt Trời, hằng số mặt trời gần bằng 2,00 ± 0,04 cal/cm2 phút [9]

1.6.2 Sự biến đổi bức xạ mặt trời trong khí quyển và trên mặt đất [9]

Khi đi qua khí quyển bức xạ mặt trời bị các chất khí trong khí quyển và các tạp chất khuếch tán một phần và chuyển thành tán xạ Một phần bức xạ mặt trời được các phân tử chất khí trong khí quyển và tạp chất hấp thụ và biến nó thành nhiệt đốt nóng khí quyển Phần trực xạ không bị khuếch tán và hấp thụ trong khí quyển đi thẳng tới mặt đất, một phần bị mặt đất phản hồi còn phần lớn bị mặt đất hấp thụ và đốt nóng nó; một phần tán xạ cũng tới mặt đất, trong đó một phần lại phản hồi và một phần đốt

nóng mặt đất Một phần khác của tán xạ đi lên phía trên và mất vào khoảng không gian giữa các hành tinh

Trong điều kiện thuận lợi nhất, nghĩa là khi Mặt Trời lên cao nhất và không khí trong sạch nhất, ta có thể đo được cường độ trực xạ trên mặt biển khoảng 1,5 cal/1cm2.phút Ở vùng núi trên độ cao 4 – 5km, cường độ trực xạ đạt tới 1,7 cal/cm2.phút hay hơn nữa

Miền Bắc Việt Nam và Bắc Trung Bộ có lượng tổng xạ năm từ 120 – 140 cal/cm2, Nam vĩ tuyến 16oN lượng tổng xạ tăng rõ rệt và đạt tới 140 kcal/cm2 do ít mây vào mùa đông Tháng 12 ở miền Bắc lượng tổng xạ dao động từ 8 – 10 kcal/cm2, miền Nam do ít chịu ảnh hưởng của gió mùa đông bắc và ít mây lượng tổng xạ đạt tới

12 – 14 kcal/cm2

1.6.3 Phân bố bức xạ mặt trời

a Sự phân bố bức xạ mặt trời ở giới hạn trên của khí quyển [9]

Sự phân bố lượng bức xạ tới Trái Đất và lượng bức xạ Trái Đất mất đi là một vấn đề có ý nghĩa rất lớn đối với khí hậu học Ta giả thiết là các hiện tượng mây hấp thụ, khuếch tán, phản hồi bức xạ hoàn toàn không xảy ra Sự phân bố bức xạ mặt trời của giới hạn trên của khí quyển sẽ rất đơn giản Sự phân bố này tồn tại ở độ cao vài chục kilomet Người ta gọi sự phân bố vừa nói trên là khí hậu bức xạ Nếu xác định bức xạ mặt đất với khoảng cách thực tế giữa Trái Đất và Mặt Trời thì giá trị trung bình hàng năm của nó là 1,98 cal/cm2.phút, vào tháng 1 là 2,05 và vào tháng 8 là 1,91 cal/cm2.phút Kết quả là ở giới hạn trên của khí quyển ngày hè ở Bắc Bán Cầu nhận được lượng bức xạ nhỏ hơn ngày hè ở Nam Bán Cầu

Lượng bức xạ nhận được trong một ngày ở giới hạn trên của khí quyển phụ thuộc vào thời gian trong năm và vĩ độ địa phương Trên mỗi vĩ độ thời gian trong năm qui định độ dài của ngày và như vậy, cũng qui định thời gian nhận bức xạ

Hình 1.6 Thông lượng bức xạ mặt trời trên mặt ngang khi không có khí quyển

(kcal/cm 2 ) mùa hè, mùa đông và toàn năm theo vĩ độ [9]

b Phân bố theo đới của bức xạ mặt trời ở mặt đất

Khi đến mặt đất, bức xạ yếu đi do bị khí quyển hấp thụ và khuếch tán, ngoài ra trong khí quyển bao giờ cũng có mây và do mây nhiều khi trực xạ mặt trời không tới mặt đất do bị mây hấp thụ, khuếch tán và phản hồi Mây có thể giảm trực xạ rất mạnh

Như vậy, lượng trực xạ mặt trời thực tế đến mặt đất một thời gian nào đó sẽ nhỏ hơn lượng trực xạ tính cho giới hạn trên của khí quyển rất nhiều Sự phân bố của trực

xạ mặt trời sẽ phức tạp hơn vì độ trong suốt của khí quyển và điều kiện mây biến đổi rất lớn tuỳ thuộc vào hoàn cảnh địa lý

1.6.4 Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất

Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai phần chính

đó là trực xạ và tán xạ Hướng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của

độ mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại lượng này lại thay đổi khá nhiều Có thể xem phần tán xạ là tổng hợp của ba thành phần

- Thành phần tán xạ đẳng hướng: Phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ vòm trời

- Thành phần tán xạ quanh tia: Phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời xung quanh tia mặt trời

- Thành phần tán xạ chân trời: Phần tán xạ tâp trung gần đường chân trời

Hình 1.7 Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán [10]

1.6.5 Bức xạ mặt trời truyền qua kính [9,10]

Hiệu ứng lồng kính là hiện tượng tích lũy năng lượng bức xạ của mặt trời phía dưới một tấm kính hoặc một lớp khí nào đó Hiệu ứng lồng kính là do tấm kính hoặc lớp khí có độ trong thiết bị sấy là đơn sắc, Dλ giảm dần khi bước sóng λ tăng Bức xạ mặt trời phát ra từ nhiệt độ 57620K, có năng lượng tập trung quanh sóng λmo =0,5μm,

sẽ xuyên qua kính hoàn toàn vì Dλmo gần bằng 1 Bức xạ thứ cấp phát ra từ vật thu có nhiệt độ thấp có năng lượng tập rung quanh bước sóng λm =8μm, hầu như không xuyên qua kính vì Dλmo gần bằng 0 và bị phản xạ lại mặt thu Hiệu số năng lượng vào

và ra lớn hơn 0, được tích lũy phía dưới tấm kính, làm nhiệt độ nó tăng lên

1.6.6 Nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về nguồn năng lượng ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng Việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng Trong đó nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất đang được loài người quan tâm [10]

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời rất lớn, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng bức xạ khá lớn từ 100 ÷

175 kcal/cm2.năm Từ số liệu ở Bảng 1.2 cho thấy Vùng Đông Bắc có năng lượng mặt trời thấp nhất, vùng Tây Bắc và Bắc Trung bộ có năng lượng mặt trời khá Đà Nẵng trở vào có tiềm năng năng lượng mặt trời rất tốt

Bảng 1.2 Mật độ năng lượng mặt trời và số giờ năng trung bình năm đối với các

1.6.7 Ứng dụng năng lượng mặt trời [1]

Nguồn năng lượng mặt trời được các nước trên thế giới ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: pin mặt trời ứng dụng trong chiếu sáng, nhà máy phát điện sử dụng năng lượng mặt trời, thiết bị sấy khô thực phẩm dùng năng lượng mặt trời, bếp nấu dùng năng lượng mặt trời, thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời, động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời dùng bơm nước, thiết bị đun nước, thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí chạy bằng năng lượng mặt trời

1.6.8 Tính ưu việt của thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời [10]

Sấy bằng cách phơi nắng được sử dụng rộng rãi nhất trong chế biến nông sản Thiết bị sấy khô thực phẩm dùng năng lượng mặt trời có ưu, nhược điểm sau:

* Ưu điểm

- Công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư và vận hành thấp

- Không đòi hỏi cung cấp năng lượng lớn và nhân công lành nghề

- Có thể sấy lượng lớn vụ mùa với chi phí thấp

- Tận dụng được nguồn năng lượng sẵn có, không gây ô nhiễm môi trường

* Nhược điểm

- Kiểm soát điều kiện sấy kém do phụ thuộc vào điều kiện thời tiết

- Tốc độ sấy chậm hơn so với với sấy bằng thiết bị sử dụng năng lượng điện, do

đó chất lượng sản phẩm hay bị dao động

Khay

1.6.9 Một số mô hình thiết bị sấy khô thực phẩm bằng năng lượng mặt trời

- Có nhiều kiểu thiết kế thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời khác nhau Những thiết bị nhỏ thường có công suất nhỏ, tốc độ sấy và chất lượng cải tiến không đáng kể

so với phương pháp sấy phơi (có đảm bảo vệ sinh), do đó ít được sử dụng [10]

- Những thiết bị lớn hơn, có sử dụng quạt chạy bằng năng lượng mặt trời với công suất 200 ÷ 400 kg/mẻ đang được sử dụng nhiều ở các nước vùng Địa trung hải để sản xuất trái cây sấy xuất khẩu cho thị trường Châu Âu [10]

- Thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời có thể phân ra các loại sau:

+ Thiết bị sấy trực tiếp có tuần hoàn khí tự nhiên (gồm thiết bị thu năng lượng kết hợp với buồng sấy)

+ Thiết bị sấy trực tiếp có bộ phận thu năng lượng riêng biệt

+ Thiết bị sấy gián tiếp có dẫn nhiệt cưỡng bức (thiết bị thu năng lượng và buồng sấy riêng biệt)

Hình 1.8 Mô hình thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời [19]

Hình 1.9 Mô hình thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời

có bổ sung không khí nóng [22]

Kính

Khí vào

Khí ra Thực phẩm

Khí vào

Khay

Thực phẩm Khí ra

Khí ra

Hình 1.10 Mô hình thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời có trữ nhiệt [23]

Hình 1.11 Mô hình thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời có thiết bị hấp thụ

nhiệt bổ sung không khí nóng [25]

Việt Nam là một trong những nước có số giờ nắng cao nhất thế giới, đặc biệt là các tỉnh phía Nam có số giờ nắng trung bình mỗi năm trên 2000 giờ, vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng sấy chitin bằng thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta là rất phù hợp, vừa tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời dồi dào vừa nâng cao được chất lượng của sản phẩm

1.7 Sấy chitin, nông thủy sản bằng năng lượng mặt trời trong và ngoài nước

- Youn và cộng sự (2009) đã nghiên cứu tính chất hóa lý và tính chất chức năng của chitosan bị ảnh hưởng bởi thời gian phơi nắng, kết quả cho thấy chitosan được phơi trong thời gian 7 và 8 giờ có độ ẩm nhỏ hơn chitosan phơi ở 4, 5 và 6 giờ, đồng

Khí vào

Thực phẩm

Quạt Kính

Khay

thời có màu sắc trắng hơn và có khả năng hút nước, hấp phụ chất béo cao hơn Tuy nhiên độ nhớt của chitosan lại giảm dần khi tăng thời gian phơi nắng

- Wakjira và cộng sự (2011) đã tiến hành nghiên cứu sấy chuối bằng năng lượng mặt trời trong nhà kính, kết quả nghiên cứu tìm ra được khoanh chuối có độ dày

4 mm là thích hợp nhất Với độ dày này khi sấy khoanh chuối ít bị dính vào khay sấy, sản phẩm sau khi sấy có màu nâu nhạt và không bị mốc sau một tuần bảo quản

- Ergunes và cộng sự (2005) nghiên cứu qui trình sấy quả mận Châu Âu bằng năng lượng mặt trời ở mô hình sấy trong nhà kính và phơi nắng tự nhiên Kết quả

nghiên cứu của Ergunes và cộng sự cho thấy, ở mô hình sấy trong nhà kính có nhiệt độ

không khí trung bình hằng ngày là 27,70C, trong khi đối với phơi nắng thông thường thì nhiệt độ không khí trung bình hằng ngày là 20,30C Ở mô hình sấy trong nhà kính

có thời gian làm khô mẫu là 6 đến 12 ngày, trong khi đó mẫu phơi nắng thông thường

có thời gian làm khô mẫu là 13 đến 22 ngày

- Trần Đại Tiến (2010) đã nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc gió đến chất lượng mực khô bằng phương pháp sấy bức xạ năng lượng mặt trời kết hợp đối lưu Kết quả nghiên cứu cho thấy vận tốc gió 2 m/s cho chất lượng mực khô tốt nhất với điểm cảm quan chất lượng là 18,98 và tỷ lệ hút nước phục hồi là 67,06%, trong khi với mực được phơi nắng tự nhiên tỷ lệ này là 16,56 và 59,38%

* Hiện nay tại các nhà máy sản xuất chitin ở Việt Nam, vào mùa nắng chitin được làm khô chủ yếu bằng phương pháp phơi trên nền xi măng, mùa mưa chitin được làm khô bằng phương pháp sấy sử dụng than đá, với cách làm như vậy chitin không đảm bảo điều kiện vệ sinh, chất lượng sản phẩm thấp, thời gian phơi kéo dài

* Tóm lại việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời vào sấy thủy sản trên thế giới và ở Việt Nam chưa nhiều và chủ yếu là nghiên cứu ứng dụng vào sấy các loại nông sản, đặc biệt ở các nước nhiệt đới [2, 18, 23, 39, 42] Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy việc ứng dụng năng lượng mặt trời để sấy nông sản có thời gian sấy ngắn hơn

so với quá trình phơi nắng thông thường và chất lượng sản phẩm cao hơn Tuy nhiên,

số lượng công trình nghiên cứu về lĩnh vực này ở Việt Nam còn ít, cần tiến hành mở rộng nghiên cứu đến các nông thủy sản phổ biến khác tại Việt Nam

Việt Nam là một trong những nước có số giờ nắng trung bình cao nhất trên thế giới, đặc biệt là ở các tỉnh phía nam với số giờ nắng trung bình trên 2000 giờ mỗi năm Hơn nữa nguồn phế liệu tôm để sản xuất chitin ở Việt Nam rất dồi dào ước tính trên

100.000 tấn/năm, trong khi đó tại các cơ sở sản xuất chitin hiện nay ở nước ta công đoạn làm khô chitin đều được phơi trên nền xi măng, với cách làm khô như hiện nay chitin thu được có chất lượng không cao và còn bị nhiễm nhiều tạp chất, vi sinh vật

Chính vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời vào quá trình sấy chitin từ phế liệu tôm ở Việt Nam là cần thiết và mang tính thực tiễn cao nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm lại vừa tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời dồi dào ở nước ta

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng, vật liệu nghiên cứu

Chitin từ phế liệu tôm được sản xuất tại khoa Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học Nha Trang

Các mô hình sấy chitin ứng dụng năng lượng mặt trời sử dụng trong nghiên cứu gồm có:

Thiết bị sấy bằng bức xạ mặt trời đối lưu không khí cưỡng bức gồm hai mô hình và được cấu tạo như sau:

Đối với mô hình sấy đối lưu cưỡng bức 1 (Mô hình 1): Mô hình 1 được thiết

kế như sau: Thiết bị hình chữ nhật có khung được làm bằng gỗ chịu lực có chiều dài, rộng và cao lần lượt là 100 cm; 60 cm và 150 cm (chiều cao từ mặt đất đến phần đáy

mô hình là 70 cm, chiều cao phần vòng cung là 40 cm) Phần mái mô hình được cấu tạo gồm ba thanh sắt được uốn theo hình vòng cung nhằm tạo cho phần mái mô hình

có dạng hình vòng cung tăng khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời, phía đáy mô hình có đặt thêm một tấm tôn sơn đen để tăng khả năng hấp thụ nhiệt, phía trên tấm tôn là khung lưới dùng làm khay phơi có chiều dài 100 cm, chiều rộng 60 cm, chiều cao 5

cm Bao phủ mô hình sấy là tấm polyetylen trong suốt Một đầu mô hình sấy có gắn một quạt điện điều chỉnh được tốc độ gió bằng chiết áp để đối lưu không khí, đầu còn lại ở phía dưới có cửa để đưa nguyên liệu vào và lấy sản phẩm ra, đồng thời có một lỗ nhỏ phía trên để đối lưu không khí trong quá trình sấy

Đối với mô hình sấy đối lưu cưỡng bức 2 (Mô hình 2, thiết bị sấy của phòng thí nghiệm nhiệt lạnh – trường Đại học Nha Trang): Thiết bị hình chữ nhật có

chiều dài 150 cm, rộng 50 cm và cao 40 cm Hai mặt hông và đáy của thiết bị sấy được làm bằng thép không gỉ, bề mặt phía trên để hấp thụ bức xạ mặt trời được che bằng tấm kính trong suốt dày 0,5 cm, khung lưới đặt nguyên liệu sấy được đặt nghiêng góc

300 và có chiều dài 120 cm, chiều rộng 50 cm, chiều cao 5 cm Một đầu của mô hình

có bố trí quạt điện điều chỉnh được tốc độ gió bằng chiết áp để đối lưu không khí, đầu

còn lại làm cửa đưa nguyên liệu vào và lấy sản phẩm ra, đồng thời cũng để đối lưu không khí trong quá trình sấy

Đối với mô hình sấy bằng bức xạ năng lượng mặt trời đối lưu không khí tự nhiên (Mô hình 3) có cấu tạo như Mô hình 1, chỉ khác với Mô hình 1 ở vị trí mặt trước

và mặt sau của mô hình để trống, không bao tấm polyetylen

Hình 2.1 Thiết bị sấy ứng dụng năng lượng mặt trời

Ngoài ra trong quá trình thí nghiệm còn sử dụng các thiết bị khác như máy ép thủ công, quạt điện, thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm, thiết bị đo tốc độ gió, thùng nhựa, thau nhựa, rổ nhựa,….Hóa chất sử dụng đều ở dạng phân tích

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Bố trí thí nghiệm tổng quát

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát xác định các thông số ảnh hưởng

(*) Chỉ xác định với mô hình sấy đối lưu không khí cưỡng bức

Xác định các nhân tố ảnh hưởng:

- Ảnh hưởng của tốc độ gió *

- Mật độ chitin trên đơn vị diện tích khay sấy

- Khoảng cách thời gian giữa các lần đảo trộn chitin trong quá trình sấy

Lựa chọn thông số,

mô hình sấy thích hợp

Tính toán thiết kế thiết bị sấy 500 kg nguyên liệu/mẻ

Đánh giá nhanh chất lượng chitin

Chitin từ phế liệu tôm Xác định độ ẩm

Trong mô hình đối lưu không khí cưỡng bức

Chitin đạt độ ẩm yêu cầu (< 10%)

Đánh giá hiệu quả mô hình sấy

sắc

Vi sinh vật

Cát

sạn

Khả năng hút nước

Khả năng hấp phụ màu

Khả năng hấp phụ chất béo

Độ nhớt

Độ ẩm Màu

sắc

So sánh chất lượng chitin sấy bằng mô

hình sấy thích hợp với phơi nắng

(đảo trộn bằng tay)

Thuyết minh: Chitin được sản xuất tại trường Đại học Nha Trang Trước khi

sấy tác giả tiến hành lấy mẫu xác định độ ẩm ban đầu để làm cơ sở cho quá trình tính toán sau này, sau đó tiến hành sấy bằng hai mô hình sấy đối lưu không khí cưỡng bức, một mô hình sấy đối lưu không khí tự nhiên và mẫu đối chứng phơi trên nền xi măng, với các thông số tốc độ gió, mật độ chitin sấy và khoảng cách thời gian giữa các lần đảo trộn theo chế độ nghiên cứu

Thời gian sấy kết thúc khi chitin đạt đến độ ẩm < 10% (KFDA, 1995), sau đó tác giả tiến hành đánh giá nhanh chất lượng chitin trong các mô hình sấy về màu sắc

và thời gian làm khô để làm cơ sở để lựa chọn các nhân tố sấy tối ưu và mô hình sấy thích hợp

* Sau khi lựa chọn được mô hình sấy thích hợp, chúng tôi tiến hành so sánh chất lượng của chitin sấy bằng mô hình sấy thích hợp với mẫu đối chứng phơi trên nền

xi măng về các chỉ tiêu như: độ ẩm, cát sạn, màu sắc, khả năng hút nước, độ nhớt, khả năng hấp phụ màu, khả năng hấp phụ chất béo và vi sinh vật

* Tính toán thiết kế mô hình sấy 500kg nguyên liệu/mẻ

* Nhiều công trình nghiên cứu thực nghiệm về ứng dụng năng lượng vào sấy rau xanh và trái cây đã được nghiên cứu trên thế giới, cụ thể như: công trình nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sấy gạo [17]; công trình nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sấy nho [51]; hay công trình nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời vào sấy quả mơ và phơi khô trái cây [47, 48]; công trình nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời vào sấy chuối [50] Kết quả đều cho thấy nhiệt độ, tốc độ gió, độ dày của nguyêu liệu sấy và độ ẩm tương đối của không khí có ảnh hưởng lớn đến quá trình sấy bằng năng lượng mặt trời

Chính vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi chọn ba nhân tố để khảo sát là tốc

độ gió, mật độ chitin sấy và khoảng cách thời gian giữa các lần đảo trộn trong quá trình sấy chitin Hàm mục tiêu là thời gian sấy chitin đạt đến độ ẩm < 10% là ngắn, mật độ chitin đem sấy được nhiều nhất, chitin sau khi sấy có màu trắng sáng và phải đảm bảo tính kinh tế và hiệu quả trong sử dụng điện

Để xác định được ảnh hưởng của nhân tố tốc độ gió, mật độ chitin và khoảng cách thời gian giữa các lần đảo trộn trong quá trình sấy chitin, chúng tôi tiến hành bố trí thí nghiệm theo phương pháp truyền thống

2.2.2 Bố trí thí nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy chitin

a Bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tốc độ gió đến quá trình sấy chitin

- Mục đích: Mục đích của thí nghiệm này là xác định được tốc độ gió thích hợp

trong quá trình sấy chitin

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tốc độ gió đến quá

trình sấy chitin

- Thuyết minh: Trong thí nghiệm này, chitin được làm khô bằng hai mô hình

sấy đối lưu không khí cưỡng bức và mẫu đối chứng phơi trên nền xi măng

Trong quá trình sấy tốc độ chuyển động của không khí có ảnh hưởng đến quá trình sấy, tốc độ gió quá lớn hoặc quá nhỏ đều không có lợi cho quá trình sấy Tốc độ gió quá lớn làm cho khó giữ được nhiệt lượng trên bề mặt nguyên liệu để cân bằng quá trình sấy, thậm chí còn làm tăng chi phí tiêu thụ điện năng, còn tốc độ gió quá nhỏ sẽ

Xác định được tốc độ gió

và mô hình sấy thích hợp

Chitin từ phế liệu tôm Xác định độ ẩm ban đầu

Đánh giá nhanh chất lượng chitin

Sấy

Chitin đạt độ ẩm yêu cầu (< 10%)

- Mật độ chitin sấy

2 kg/m2

- Khoảng cách thờigian đảo trộn 30 phút

Độ ẩm Màu sắc

Đối chứng: phơi trên nền xi măng

Trong mô hình đối lưu không khí cưỡng bức

Với tốc độ gió khác nhau lần lượt là 1m/s, 2m/s, 3m/s, 4m/s (*)

(*) Chỉ dùng với mô hình sấy đối lưu không khí cưỡng bức

làm cho quá trình thoát ẩm ở vật liệu chậm do đó thời gian sấy kéo dài Vì vậy, cần phải có một tốc độ gió thích hợp cho quá trình sấy chitin

Trong công đoạn khảo sát ảnh hưởng của tốc độ gió đến quá trình sấy chitin, căn cứ vào kết quả phương pháp thăm dò cổ điển cho thấy khi vận tốc gió nhỏ thời gian sấy kéo dài, khi vận tốc gió lớn thời gian sấy được rút ngắn nhưng chi phí điện năng lại cao, đồng thời kết hợp với công trình nghiên cứu của Trần Đại Tiến (2010) với quá trình sấy mực, chúng tôi tiến hành khảo sát tốc độ gió từ 1 m/s đến 4 m/s Mật

độ chitin sấy cố định 2,0 kg/m2 và cố định thời gian giữa các lần đảo trộn là 30 phút

Sấy đến khi chitin đạt độ ẩm < 10% thì dừng, sau đó tiến hành đánh giá nhanh chất lượng chitin ở từng mô hình tương ứng với mỗi tốc độ gió và mẫu đối chứng về màu sắc và độ ẩm Tiến hành thí nghiệm theo phương pháp thống kê sinh học, mỗi thí nghiệm tiến hành 3 lần Kết quả là trung bình cộng của các lần thí nghiệm

- Kết quả cần đạt: Để chọn thông số tốc độ gió thích hợp tác giả căn cứ vào

thời gian làm khô ngắn nhất, chitin có màu sắc trắng sáng và tính hiệu quả trong tiêu thụ điện năng

b Bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của mật độ chitin trên đơn vị diện tích khay sấy đến quá trình sấy chitin

- Mục đích: Mục đích của thí nghiệm này là xác định mật độ chitin trên đơn vị

diện tích khay sấy thích hợp nhất

- Thuyết minh: Trong thí nghiệm này, chitin được làm khô bằng hai mô hình

sấy đối lưu không khí cưỡng bức, một mô hình sấy đối lưu không khí tự nhiên và mẫu đối chứng phơi trên nền xi măng

Mật độ chitin sấy có ảnh hưởng lớn đến màu sắc cũng như thời gian sấy Mật

độ chitin sấy ít quá thì thời gian sấy chitin ngắn, màu sắc chitin sau khi sấy trắng sáng nhưng lại làm giảm công suất sấy của thiết bị Ngược lại, mật độ chitin sấy nhiều quá làm kéo dài thời gian sấy đồng thời màu sắc của chitin sau khi sấy không được trắng

Vì vậy phải có mật độ chitin sấy thích hợp

Qua khảo sát ảnh hưởng của mật độ chitin sấy đến quá trình sấy, căn cứ vào kết

quả phương pháp thăm dò cổ điển cho thấy mật độ chitin trên đơn vị diện tích khay sấy thấp cho màu sắc chitin trắng sáng và thời gian sấy ngắn, với mật độ chitin trên đơn vị diện tích khay sấy nhiều thì màu sắc chitin sau khi sấy có màu trắng đục hoặc màu trắng hồng và thời gian sấy kéo dài Căn cứ vào kết quả đó, chúng tôi tiến hành khảo sát