Luận văn nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị làm khô thực phẩm bằng phương pháp sấy thăng hoa

luận văn

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học nông nghiệp I

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và ch−a đ−ợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này

đã đ−ợc cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều đã đ−ợc chỉ

rõ nguồn gốc

Tác giả

Đỗ Minh Chiến

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình và Tiến sĩ Trần Như Khuyên, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu này

Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Máy Nông nghiệp Khoa Cơ Điện Trường Đại học Nông nghiệp I Hà Nội đã gúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đang công tác tại Trường Trung học Công nghiệp và Xây dựng đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài bản thân đã có nhiều cố gắng, song không thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong tiếp tục nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp đối với đề tài nghiên cứu của tôi để đề tài được hoàn thiện hơn

Tác giả

Đỗ Minh Chiến

Mục lục

Lời cam đoan……… … i

Lời cảm ơn……… .ii

Mục lục……… ….iii

Danh mục các bảng……… ….vi

Danh mục các hình……… .vii

Mở đầu……… ….1

1 Tổng quan nghiên cứu……… … 1

1.1 Tầm quan trọng của việc làm khô nông sản-thực phẩm……… ….3

1.1.1 ý nghĩa của việc làm khô các loại nông sản-thực phẩm………… ….3

1.1.2 Một số thực phẩm tươi sống cần được làm khô……… …5

1.2 Tầm quan trọng của sấy thăng hoa……… …12

1.3 Tình hình ứng dụng sấy thăng hoa trong và ngoài nước……… 14

1.3.1 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa gián đoạn……… 15

1.3.2 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa liên tục……… 15

1.4 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu……… .19

1.4.1 Mục đích nghiên cứu……… 19

1.4.2 Nhiệm vụ nghiên cứu……… 19

2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu……… 20

2.1 Đối tượng nghiên cứu……… .20

2.1.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị sấy thăng hoa………… .20

2.1.2 Nguyên lý hoạt động……… .22

2.2 Phương pháp nghiên cứu……… 22

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố……… 22

2.3 Phương pháp thực nghiệm đo đạc xử lý và gia công số liệu……… .24

2.3.1 Phương pháp xác định chi phí điện năng riêng……… .24

2.3.2 Phương pháp xác định thời gian sấy……… .24

2.3.3 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm……… 24

2.3.4 Phương pháp gia công số liệu thực nghiệm……… 25

3 Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình sấy thăng hoa……… 27

3.1 Bản chất của quá trình sấy thăng hoa……… .27

3.1.1 Các khái niệm cơ bản……… 27

3.1.2 Các giai đoạn của quá trình sấy thăng hoa……… 28

3.2 Cơ sở lý thuyết tính toán của quá trình lạnh đông……… 30

3.2.1 Các phương pháp lạnh đông thực phẩm……… 30

3.2.2 Diễn biến quá trình lạnh đông……… .31

3.2.3 Sự hình thành tinh thể đá trong quá trình lạnh đông thực phẩm… 33

3.2.4 Tính toán thời gian lạnh đông……… 34

3.2.5 ảnh hưởng của lạnh đông đối với thực phẩm……… 36

3.3 Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình thăng hoa……… .38

3.3.1 Truyền nhiệt trong quá trình thăng hoa……… 38

3.3.2 Truyền chất trong quá trình thăng hoa……… .39

3.3.3 Tính toán kết hợp truyền nhiệt và truyền chất……… .41

3.4 Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình sấy ẩm dư……… .48

4 Tính toán thiết kế các bộ phận chính trong hệ thống thiết bị sấy thăng hoa……… .49

4.1 Tính chọn các thông số ban đầu……… 49

4.1.1 Các thông số vật lý của vật liệu sấy ……… .49

4.1.2 Các thông số thiết kế……… .49

4.2 Tính toán các bộ phận chính trong hệ thống thiết bị……… .52

4.2.1 Bình thăng hoa……… 52

4.2.2 Bình ngưng ……… .54

4.2.3 Tính toán máy lạnh……… .58

5 Kết quả nghiên cứu trên mô hình thiết bị sấy thí nghiệm………… .72

5.1. Vật liệu và dụng cụ thí nghiệm………….……… 72

5.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm……… .72

5.2.1 Mối quan hệ của nhiệt độ và độ ẩm vật liệu đến thời gian sấy…… .72

5.2.2 ảnh hưởng của nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy Tl ……… .74

5.2.3 ảnh hưởng của áp suất chân không trong bình thăng hoa P……… .75

5.2.4 ảnh hưởng của chiều dày vật liệu sấy S……… .76

5.2.5 ảnh hưởng của nhiệt độ nguồn bức xạ Tb……… …77

Kết luận và đề nghị……… .79

Tài liệu tham khảo……… .81

Phụ lục……… 83

Danh mục các bảng

Bảng 1-1 Thành phần dinh dưỡng của thịt một số vật nuôi……… …6Bảng 1-2 Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của các loại cá…… … 8Bảng 1-3 Giá trị xuất khẩu các mặt hằng khô……… … 9Bảng 1-4 Kế hoạch mở rộng sản xuất nông sản đến năm 2010………… …12Bảng 3-1 Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đá…… …28Bảng 3-2 Lượng nước và điểm kết đông của một số thực phẩm……… …32Bảng 4-1 Các thông số trạng thái tại các điểm nút của chu trình……… …60Bảng 5-1 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ lạnh

Bảng 5-2 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của áp suất chân

không trong bình thăng hoa……….……… …75Bảng 5-3 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của chiều dày vật liệu

sấy…… …76Bảng 5-4 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ nguồn

Danh mục các hình

Hình 1-1 Xu hướng xuất khẩu rau quả của Việt Nam ……… …6

Hình 1-2 Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy thăng hoa gián đoạn……… …15

Hình 1-3 Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu khay…… …16

Hình 1-4 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu dao động……… …17

Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu băng tải……… …17

Hình 1-6 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa liên tục……… …18

Hình 1-7 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa với bình ngưng đặt ngoài…… …19

Hình 2-1 Sơ đồ cấu tạo thiết bị sấy thăng hoa ST-10……… …20

Hình 3-1 Đồ thị pha p - t nước……… …27

Hình 3-2 Quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ trong quá trình lạnh đông …32

Hình 3-3 Lạnh đông (Theo Leniger và Beverloo, 1975)……… …34

Hình 3-4 ảnh hưởng của lạnh đông tới mô tế bào thực vật……… …38

Hình 3-5 Sự di chuyển nhiệt và hơi ẩm trong quá trình thăng hoa……… …39

Hình 4-1 Mô hình thiết bị sấy thăng hoa thí nghiệm ST-10……… …71

Hình 4-2 Măng thái lát trước khi sấy ……… …71

Hình 4-3 Sản phẩm sau khi sấy ……… …71

Hình 5-1 Đồ thị làm việc của bình thăng hoa khi sấy măng tre Bát độ… …73 Hình 5-2 Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ lạnh đông ……… …74

Hình 5-3 Đồ thị ảnh hưởng của áp suất ……… …75

Hình 0-4 Đồ thị ảnh hưởng của chiều dày ……… …76

Hình 5-5 Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ nguồn bức xạ……… …77

điểm đông lạnh và được đặt trong bình chân không có áp suất gần với áp suất chân không tuyệt đối, khi đó nước thoát ra khỏi sản phẩm sấy ở trạng thái rắn, tức là thăng hoa ẩm Phương pháp này cho phép giữ lại chất dinh dưỡng, mầu sắc, mùi vị của sản phẩm được gần như nguyên vẹn mà không một phương pháp sấy nào khác có thể làm được Hơn nữa nó còn có giai đoạn lạnh đông có tác dụng tiêu diệt các vi khuẩn gây hại Các loại sản phẩm sau khi sấy nếu

được bao gói cẩn thận có thể bảo quản được trong một thời gian khá dài Khi

sử dụng chỉ cần cho ngậm nước thì có thể hoàn nguyên trở lại gần như trạng thái ban đầu Ngoài ra sấy thăng hoa không chỉ giảm một cách đáng kể sự bay hơi và biến đổi của các chất mẫn cảm với nhiệt, mà còn cho phép thu lại những chất đã bay hơi bằng cách làm ngưng tụ và lạnh đông hơi ẩm thoát ra Nhờ những ưu điểm nổi bật đã nêu ở trên nên phương pháp sấy thăng hoa

được ứng dụng rất có hiệu quả trong việc làm khô các loại sản phẩm khó sấy như cà phê, hành, súp lơ, hải sản, hoa quả, dược liệu, vật liệu siêu dẫn v.v… và

có thể làm khô được sản phẩm ở cả trạng thái rắn và lỏng Các loại sản phẩm này nếu được làm khô theo phương pháp sấy thăng hoa sẽ tạo ra sản phẩm có chất lượng cao không những đáp ứng được nhu cầu thị trường trong nước mà

còn có cơ hội lớn để xuất khẩu Cho đến nay, việc tiếp thu công nghệ và thiết

bị mới này còn rất hạn chế Nguyên nhân chủ yếu là do kết cấu thiết bị khá phức tạp, vốn đầu tư cao nên các cơ sở sản xuất khó chấp nhận Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ và thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị sấy thăng hoa phù hợp với điều kiện sản xuất ở nước ta nhằm nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản phẩm là vấn đề rất cần thiết

Xuất phát từ tình hình thực tế sản xuất, được sự hướng dẫn của thầy giáo

TS Trần Như Khuyên và các thầy cô giáo trong khoa Cơ Điện tôi tiến hành

thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị làm khô thực phẩm bằng phương pháp sấy thăng hoa”

Chương 1 Tổng quan nghiên cứu 1.1 Tầm quan trọng của việc làm khô nông sản-thực phẩm 1.1.1 ý nghĩa của việc làm khô các loại nông sản-thực phẩm

Trong sản xuất nông nghiệp, có nhiều loại nông sản-thực phẩm dễ hư hỏng như rau quả, thủy hải sản, thịt sữa phần lớn các loại thực phẩm này đều

được sử dụng ở dạng tươi sống Tuy nhiên, trong mùa vụ thu hoạch do khối lượng thực phẩm thu về nhiều nhưng khả năng tiêu thụ và chế biến còn hạn chế nên trong công nghệ sau thu hoạch cần phải có những biện pháp tích cực

để xử lý phần khối lượng thực phẩm dư thừa đó Nhằm ổn định chất lượng thực phẩm trong thời gian chờ chế biến hoặc chế biến thành những sản phẩm khô phục vụ nhu cầu tiêu dùng xã hội Hiện nay có hai phương pháp xử lý thực phẩm tươi sống có hiệu quả và được áp dụng với qui mô lớn đó là phương pháp xử lý lạnh đông và phương pháp làm khô

Phương pháp xử lý lạnh là tạo cho sản phẩm ở trạng thái có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bình thường hoặc thấp hơn 0oC phương pháp này có thể bảo quản thực phẩm trong thời gian vài tuần hoặc vài tháng tùy theo từng loại thực phẩm Phương pháp xử lý lạnh cho phép giữ được nhiều tính chất ban đầu kể cả màu sắc, hương vị và đặc biệt là giữ được nhiều nhất giá trị dinh dưỡng của thực phẩm tươi sống Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là chi phí cho một đơn vị sản phẩm rất cao, đặc biệt là chi phí lạnh

Phương pháp làm khô được coi là một phương pháp để bảo quản và chế biến nông sản thực phẩm Phương pháp này có một lịch sử lâu đời và được phát triển mạnh do yêu cầu chiến tranh và thương mại, nó tạo ra được thực phẩm nhẹ hơn và giữ được trong thời gian dài hơn mà không cần phải làm lạnh Việc phơi khô quả nhờ ánh nắng mặt trời như đối với nho, mận, mơ, chà

là đã được thực hiện ở trung đông từ rất sớm, có thể là thời kỳ đồ đá cũ (old

stone age) Các sản phẩm của cá, thịt được phơi khô đã có cách đây mấy nghìn năm các sản phẩm khoai tây được làm khô và được coi là thức ăn chủ yếu trong những ngày ăn kiêng của người dân vùng núi Ande đã có cách đây nhiều thế kỷ Tương tự như vậy những thực phẩm ở dạng bột nhão được làm khô như

mỳ ống (macaroni), mỳ sợi (spaghety) ở vùng địa trung hải được sử dụng như là thực phẩm chính thời kỳ trung đại (middle age) Chiến tranh đã thúc

đẩy việc chế biến thực phẩm thành những món ăn sẵn các loại thực phẩm như khoai tây khô, đậu Hà Lan khô, hành khô và nhiều loại rau khác đã phát triển rất mạnh đặc biệt là trong chiến tranh thế giới thứ nhất Suốt trong chiến tranh thế giới lần thứ nhất một số lượng lớn rau khô được sản xuất ở mỹ và được chở bằng tàu biển đến mặt trận châu âu Phơi khô rau quả bằng ánh nắng mặt trời ở Mỹ và các nước viễn đông được phát triển mạnh vào những năm sau

1800 đầu thế kỷ 20 (1930) Người ta đã áp dụng phương pháp làm khô nhân tạo để làm khô quả trong buồng sấy tunnel Hệ thống này đã rút ngắn thời gian làm khô và tránh được những biến động của thời tiết [4]

Chiến tranh thế giới lần thứ hai là tác nhân kích thích mạnh mẽ để phát triển các loại thực phẩm khô Thực phẩm cho quân đội cũng như thực phẩm cho người dân bị đói khát trong những đất nước bị tàn phá Các loại thực phẩm này được vận chuyển bằng tàu biển xuyên đại dương nên cần phải có trọng lượng nhẹ và ổn định Hàng triệu tấn sữa, trứng, rau quả và nhiều thực phẩm khác được làm khô với mục đích này trong suốt thời kỳ 1940-1946

ở nước ta, từ rất lâu người ta đã phơi khô các loại nông sản để cất giữ

và làm giống từ năm này qua năm khác như lúa, ngô, đậu, lạc… khoai, sắn thái lát phơi khô là một hình thức bảo quản để làm thức ăn cho người và gia súc trong thời gian dài sau khi thu hoạch Tôm, cá khô, măng, nấm hương, mộc nhĩ… là sản phẩm thương mại trên thị trường Các loại quả được chế biến theo phương pháp làm khô (long nhãn, vải…) chắc hẳn đã có từ thời kỳ

thượng cổ Cuối cùng cần kể đến là các vị thuốc bắc, thuốc nam đã được sao tẩm và làm khô có thể cất giữ trong thời gian dài để chữa bệnh cho người, đã xuất hiện cùng với lịch sử dân tộc từ thời xa xưa

Trong thời gian gần đây, việc làm khô được coi như là một phương tiện

để cung cấp thực phẩm ăn sẵn và thực phẩm để nấu ăn như hỗn hợp pha trộn

để làm bánh, những món ăn được pha trộn để tráng miệng Vì vậy chìa khóa của việc làm khô không chỉ để bảo quản và điều rất quan trọng là để dễ dàng pha trộn những hỗn hợp có thành phần khác nhau phù hợp với yêu cầu của thị trường, dùng trong việc chế biến ra các món ăn ngày nay trên thị trường có tới hàng trăm loại thực phẩm có thành phần khác nhau được làm khô mà phần lớn các thực phẩm này không cần phải xử lý nhiệt và bảo quản lạnh

1.1.2 Một số thực phẩm tươi sống cần được làm khô [1]

Các loại thực phẩm tươi sống cần được làm khô ở nước ta rất phong phú

đa dạng dưới đây giới thiệu năng lực sản xuất, thành phần hóa học và những

đặc điểm có liên quan đến quá trình làm khô đối với một số loại thực phẩm có khối lượng lớn được tiêu thụ nhiều ở thị trường trong nước và xuất khẩu

Tổng thịt lợn hơi các loại 31,71kg/người/năm (100%), trong đó:

Thịt lợn hơi: 22,22kg (70,10%); Thịt gia cầm hơi: 6,93kg (21,80%); Thịt trâu, bò hơi: 2,56kg (8,10%)

Như vậy, bình quân số lượng sản phẩm chăn nuôi/đầu người/năm của năm 2003 so với năm 1995 như sau: tổng thịt hơi các loại tăng 42,33%; thịt lợn tăng: 39,18%; thịt gia cầm tăng: 61,9%; thịt trâu, bò: 38,28% Tuy nhiên, mức sản xuất sản phẩm chăn nuôi/đầu người/năm của nước ta cũng đang ở mức thấp so với các nước phát triển trong khu vực và trên thế giới

Giá trị dinh dưỡng của thịt chủ yếu là nguồn prôtêin Prôtêin của thịt là loại prôtêin hoàn thiện, chứa tất cả các acid amin cần thiết cho cơ thể Thành phần lipit trong thịt làm cho thịt vừa có giá trị năng lượng cao hơn vừa góp phần tăng hương vị thơm ngon của thịt Thành phần hoá học của thịt đã được nhiều tác giả nghiên cứu

và công bố về thành phần dinh dưỡng của một số loại vật nuôi (bảng 1-1)

Bảng 1-1 Thành phần dinh dưỡng của thịt một số vật nuôi

14,5 16,5

19 21,9 22,4 17,8

37,5 21,5

7 4,9 7,5 2,8

0,7 1,1

1 0,9 0,9 0,9

Nguồn: Kết quả nghiên cứu của Phạm Văn Sổ và Bùi Thị Như Thuận

Thực hiện chủ trương đưa chăn nuôi thành nền sản xuất hàng hóa có hiệu quả cao, trong những năm qua Đảng và Nhà nước đó có nhiều chủ trương, chính sách khuyến khích nghiên cứu và áp dụng những công nghệ tiên tiến của thế giới nhằm tạo bước đột phá trong năng suất, chất lượng sản phẩm chăn

nuôi Tuy nhiên sản phẩm thịt chủ yếu được tiêu thụ ở dạng tươi sống và lạnh

đông nên thời gian bảo quản và lưu thông hàng hóa không được thuận tiện và qui trình rất nghiêm ngặt trong vệ sinh an toàn thực phẩm Một phần nhỏ lượng thịt được chế biến ở các dạng đồ hộp ăn liền, số khác được làm khô như thịt bò khô, nai khô… Những sản phẩm được chế biến ở dạng này với số lượng ít và giá thành tương đối cao nên trên thị trường chưa được dùng phổ biến Đây chính là lĩnh vực cần khai thác trên thị trường thực phẩm khô, đặc biệt có ý nghĩa rất lớn trong việc giao lưu hàng hóa thực phẩm trong và ngoài

nước nhằm khai thác hết tiềm năng của ngành chăn nuôi

b) Hải sản

Với 3260 km bờ biển, 12 đầm phá và các eo vịnh, 112 cửa sông, lạch, hàng ngàn đảo lớn nhỏ ven biển Trong nội địa hệ thống sông ngòi, kênh rạch chằng chịt và các hồ thủy lợi, thủy điện, tạo cho nước ta có tiềm năng lớn về mặt nước với khoảng 1.700.000 ha Nguồn nguyên liệu thuỷ sản Việt Nam rất dồi dào quanh năm ở nước ta có tới khoảng 2000 loài cá, trong đó đã định tên gần 800 loài và hơn 40 loài có giá trị kinh tế lớn Ngoài nguồn cá, nước ta còn có nguồn đặc sản quý với sản lượng tới 20% sản lượng thuỷ sản nói chung

và chiếm vị trí kinh tế đáng kể Đó là các loài tôm, cua, mực, lươn, ngao, sò,

ốc, hải sâm, sam sứa, đồi mồi v.v…

Hiện nay mức tiêu dùng của người Việt Nam đối với các loại thủy sản

ước tính chiếm khoảng 50% về tiêu dùng thực phẩm chứa prôtein Riêng về cá

đã cung cấp khoảng 8kg/người/năm, trong đó nuôi chiếm khoảng 30% Những năm tới xu thế đời sống nhân dân ngày một khá lên, mức tiêu dùng thực phẩm

sẽ tăng Điều đáng quan tâm là ngày nay nhân dân đã có xu thế thiên về sử dụng thực phẩm ít béo Do đó cá và sản phẩm gốc là thủy sản làm thực phẩm chiếm phần quan trọng Trong đó cá nuôi cung cấp tại chỗ, ít chi phí vận chuyển, đảm bảo được tươi sống lại càng có vai trò quan trọng hơn Theo chiến lược phát triển kinh tế-xã hội của ngành thuỷ sản, đến năm 2010 tổng

sản lượng thuỷ sản trên 3,5 triệu tấn Trong đó ưu tiên cho xuất khẩu khoảng 40% và theo số liệu của FAO sản phẩm thuỷ sản dành cho chăn nuôi 30%, thì sản lựơng còn lại dành cung cấp thực phẩm cho người Nếu so với lượng tiêu dùng thuỷ sản bình quân đầu người trên thế giới theo ước tính của FAO là 13,4 kg/người vào năm 1994 và so với mức 27 kg/người/năm của các nước

đang phát triển hiện nay thì ở nước ta chưa đáp ứng được

Bảng 1-2 Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của các loại cá

Protít (%)

(W * 6,25)

Mỡ (%) Lipit Nước (%) Tro (%)

Khả năng sinh nhiệt Tên cá

Vụ

Nam

Vụ Bắc TB

Vụ Nam

Vụ Bắc TB

Vụ Nam

Vụ Bắc TB

Vụ Nam

Vụ Bắc TB

100g thịt cá

100g cá Thu

chấm 20,64 20,16 20,40 1,25 3,74 2,5 77,4 75,3 75,35 1,37 1,41 1,39 106,85 86,9 Nục

mỡ 18,89 20,9 20,4 1,02 1,27 9,14 78,24 77,7 78,98 1,24 1,35 1,3 100,75 59,4 Chim

trắng 18,33 18,57 18,45 1,86 2,95 2,4 78,5 77,54 78,02 1,24 1,34 1,29 97,06 71,55 Chim

thường 19,23 20,34 19,78 1,07 1,25 1,16 78,46 78,17 78,33 1,33 1,28 1,32 91,68 60,10 Lượng

ngân 18,04 18,17 18,5 1,07 1,18 1,2 79,13 78,23 78,68 1,16 1,38 1,34 86,14 51,00 Thân

78,1-80,5 78,9-81,8

1,3-1,4 1,2-1,7

Glycogen(%)

0,7-1,3 0,8-1,3

Tuỳ theo tính chất vật lí, thành phần cơ cấu và thành phần hoá học mà từng loại nguyên liệu thuỷ sản có giá trị dinh dưỡng khác nhau, đòi hỏi con người phải có biện pháp kĩ thuật thích ứng trong khai thác, vận chuyển, bảo quản và chế biến khác nhau (bảng 1-2)

Theo số liệu thống kê mặt hàng xuất khẩu có thế mạnh đó là thủy sản thì chúng ta thấy mặt hàng khô xuất khẩu với số lượng rất thấp so với các mặt hàng đông lạnh cùng loại (bảng 1-3) Điều này chứng tỏ mặt hàng khô không phải là thế mạnh của chúng ta, nhất là các sản phẩm mang tính cao cấp này

đòi hỏi cần có một qui trình chế biến hiện đại nhằm nâng cao chất lượng thương phẩm của hàng hóa

Bảng 1-3 Giá trị xuất khẩu các mặt hàng khô

Mặt hàng Số lượng (tấn) Giá trị (Đôla Mỹ)

c) Rau quả

Tình hình sản xuất rau ở nước ta trong những năm gần đây có xu hướng tăng cả về diện tích, năng suất và sản lượng Mức độ tăng bình quân hàng năm

về diện tích là 4,6%, về năng suất là 0,7%, về sản lượng là 5,1%, lượng rau

tiêu thụ bình quân đầu người là 65 kg/năm

Ngoài lượng lớn rau tiêu thụ trong nước thì rau xuất khẩu cũng là mặt hàng có giá trị kinh tế cao Kim ngạch xuất khẩu rau quả của cả nước trong những năm qua luôn có xu hướng gia tăng từ 56 triệu USD năm 1995 lên 300 triệu USD năm 2001 (hình 1-1)

Trong rau có nhiều loại vitamin như vitamin A, B1, B2, C, E… chúng có tác dụng quan trọng trong quá trình phát triển của cơ thể Vitamin B1 có vai trò quan trọng trong trao đổi gluxit, esgosterol trong rau xanh khi vào trong cơ thể người dưới tác dụng của tia tử ngoại sẽ chuyển hoá thành vitamin D chống phát sinh bệnh còi xương Chất khoáng trong rau chủ yếu là Ca, P, Fe là những chất cần thiết cho tạo máu và xương Chất khoáng có tác dụng điều hoà

và cân bằng kiềm trong máu, làm tăng khả năng đồng hoá các chất dinh dưỡng Dưới đây giới thiệu một số loại rau quả được thương mại hóa ở dạng

Hình 1-1 Xu hướng xuất khẩu rau quả của Việt Nam

(Nguồn: Điều tra của IFPRI )

sản phẩm khô

Măng tây mới được chú ý phát triển, nó có giá trị dinh dưỡng cao như

hàm lượng chất khó hoà tan trung bình 7%, đường tổng số 3%, protein 0,7%, vitamin 14,16mg/100g

Măng tre là nguồn thực phẩm có giá trị cao, trong rau măng có nhiều

xenlulo, đạm, đường, muối khoáng và vitamin theo như Victor Cusack (Australia) trong cuốn “Bamboo Rediscovered” xuất bản năm 1997 thì măng tre có những thành phần chính như Carbonhydrate 4,2,6,1%, protein 2,6,4,0%, chất béo 0,3,0,5%, glucoza 1,8,4,1%, canxi 81,86mg/100g, photpho 42,59mg/100g, natri 91mg/100g

Nấm ăn được xem như một loại rau cao cấp, có nhiều loại như nấm

rơm, nấm mỡ, nấm hương, nấm bào ngư, nấm mèo Nấm là loại thực phẩm quý, có giá trị dinh dưỡng cao, dễ tiêu, được dùng chế biến các món ăn cao cấp và làm thuốc

Mặc dù đạt tốc độ tăng khá cao trong những năm gần đây, nhưng kim ngạch xuất khẩu rau qủa của Việt Nam vẫn còn thấp Theo số liệu của FAO giá trị xuất khẩu của rau quả Việt Nam mới chỉ chiếm 10% tổng kim ngạch xuất khẩu nông sản Trong khi đó con số này ở Trung Quốc và Thái Lan là trên 20%, Philippin gần 40%, và Bồ Đào Nha là 50% v.v

Một trong những nguyên nhân chính là do công nghệ và thiết bị chế biến Theo điều tra mới đây của IFPRI (Viện nghiên cứu chính sách lương thực quốc tế) cho thấy ở nước ta số thiết bị chế biến rau quả phần lớn là các máy móc và công nghệ lạc hậu nhập phổ biến từ Liên Xô cũ, Trung Quốc, v.v…

Do đó sản phẩm làm ra không đủ sức cạnh tranh trên thị trường cả trong và ngoài nước Vì vậy việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cao vào sản xuất là hết sức cần thiết Trước tình hình

đó, Chính phủ đã thông qua “Dự án phát triển rau quả và cây cảnh đến năm 2010” Theo đó, kim nghạch xuất khẩu rau, hoa, quả sẽ đạt 1tỷ USD, tiêu thụ

rau bình quân đầu người là 85kg/năm, diện tích trồng rau quả là 1,31 triệu ha, sản lượng lên đến 20 triệu tấn, dự kiến kế hoạch này giúp tạo thêm 5 triệu việc làm (Bảng 1-4)

Bảng 1-4 Kế hoạch mở rộng sản xuất nông sản đến năm 2010

Một số

Loại rau

Diện tích (1000 ha)

Sản lượng (1000 tấn)

Lượng chế biến (1000 tấn)

Vốn đầu tư

(triệu USD)

Cầu về lao động (1000 người)

Nguồn: Thời báo kinh tế Việt Nam số 41, 1999, trang 30

Phần lớn các sản phẩm rau quả chủ yếu được tiêu thụ ở dạng tươi sống trong đó có một phần lớn được tiêu thụ ở dạng khô ví dụ như măng tre, măng tây, nấm nhằm dự trữ và điều hòa nguồn thực phẩm cho các khu đô thị và hải đảo

1.2 Tầm quan trọng của sấy thăng hoa

Hiện nay một số loại thực phẩm tươi sống như rau quả thịt, cá, tôm cần được làm khô tới thuỷ phần an toàn để bảo quản được lâu dài, đồng thời làm giảm khối lượng và thể tích thuận lợi cho quá trình bao gói, bảo quản, vận chuyển và lưu thông phân phối

Để làm khô các loại thực phẩm kể trên tới độ ẩm an toàn bảo quản, người ta có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau nhưng về bản chất vẫn thuộc một trong 2 phương pháp: sấy nhiệt và sấy lạnh

Phương pháp sấy nhiệt là phương pháp làm khô truyền thống được

thực hiện bằng cách gia nhiệt cho sản phẩm Do sấy ở nhiệt độ cao nên đã làm thay đổi một số tính chất của sản phẩm như biến tính protein dưới tác dụng của nhiệt độ cao làm thay đổi tính hoà tan và cấu trúc, mầu sắc và mùi vị của thực phẩm; thuỷ phân lipid do hoạt động của enzym ở nhiệt độ cao và sự oxy hoá axit béo không bão hoà có thể làm mất hương vị tự nhiên và tạo ra các mùi lạ trong một số sản phẩm sấy (ví dụ như mùi xà phòng); cacbonhydrat hoá thường xảy ra khi sấy ở nhiệt độ cao, khi đó đường có thể bị caramen hoá

để tạo nên mầu nâu đậm đen; tổn thất các vitamin thường xảy ra khi thực phẩm được làm nóng, đặc biệt là các loại vitamin nhạy cảm với nhiệt… Ngoài

ra còn có những biến đổi không có lợi về cơ lý, hoá lý, hoá sinh khác trong quá trình sấy

Từ những biến đổi không mong muốn kể trên ta có thể rút ra nhận xét: sấy thực phẩm nói chung theo phương pháp nâng cao nhiệt độ không mang lại chất lượng cao cho sản phẩm

Phương pháp sấy thăng hoa là phương pháp sấy mới được thực hiện

bằng cách hạ thấp nhiệt độ sản phẩm sấy xuống dưới điểm đông lạnh (thường dưới -10oC) và được đặt trong bình chân không có áp suất gần với áp suất chân không tuyệt đối (0,001⎟ 4,58mmHg), khi đó nước thoát ra khỏi sản phẩm sấy

ngưng tụ và lạnh đông hơi ẩm thoát ra Nhờ những ưu điểm nổi bật đã nêu ở trên nên phương pháp sấy thăng hoa được ứng dụng rất có hiệu quả trong việc làm khô các loại sản phẩm khó sấy như cà phê, hành, súp lơ, hải sản, hoa quả, dược liệu, vật liệu siêu dẫn… và có thể làm khô được sản phẩm ở cả trạng thái rắn và lỏng [5]

Trong lĩnh vực thực phẩm, kỹ thuật sấy thăng hoa có ý nghĩa lớn trong việc dự trữ nguồn thực phẩm (có giá trị tương đương với thực phẩm tươi sống), tăng khả năng điều hòa, cung cấp thực phẩm cho các thành phố lớn và các khu

đông dân, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giao lưu hàng hóa thực phẩm trong

và ngoài nước Đối với các nước tiên tiến sấy thăng hoa được áp dụng phổ biến trong các ngành: kỹ thuật thực phẩm, dược phẩm, công nghệ enzym, kỹ thuật gốm, kỹ thuật sản xuất vật liệu siêu dẫn v.v…

ở nước ta, chỉ xét riêng về lĩnh vực chế biến thực phẩm, do nguồn thực phẩm tươi sống khá dồi dào, trong đó có nhiều loại thực phẩm dễ hư hỏng có

số lượng lớn cần được làm khô như măng, nấm, hành, súp lơ, vải, nhãn, xoài, thịt bò, tôm, cá… Các loại sản phẩm này nếu được làm khô theo phương pháp sấy thăng hoa sẽ tạo ra sản phẩm có chất lượng cao không những đáp ứng

được nhu cầu thị trường trong nước mà còn có cơ hội lớn để xuất khẩu Cho

đến nay, việc tiếp thu công nghệ và thiết bị mới này còn rất hạn chế Nguyên nhân chủ yếu là do kết cấu thiết bị khá phức tạp, vốn đầu tư cao, chi phí năng lượng riêng lớn nên các cơ sở sản xuất khó chấp nhận Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ và thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị sấy thăng hoa phù hợp với điều kiện sản xuất ở nước ta nhằm nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản phẩm là vấn đề rất cần thiết

1.3 tình hình ứng dụng sấy thăng hoa trong và ngoài nước

Sấy thăng hoa lần đầu tiên được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất vào năm 1940, khi làm lạnh khô huyết tương và máu (Rey, 1975) Từ đó cho đến nay phương pháp này đã được nghiên cứu cải tiến, thiết kế chế tạo để dần đi

đến hoàn thiện Hệ thống sấy thăng hoa được áp dụng ở dạng liên tục và gián

đoạn

1.3.1 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa gián đoạn

Thiết bị này chỉ thực hiện sấy theo từng mẻ, sau mỗi mẻ sấy người vận hành lại phải mở bình thăng hoa để lấy sản phẩm ra và đưa mẻ sấy mới vào (hình 1-2) Loại này có ưu điểm là: cấu tạo đơn giản hơn, vốn đầu tư cho thiết

bị thấp hơn, kỹ thuật vận hành không phức tạp Nhưng lại có nhược điểm đó là phải thực hiện một số thao tác thủ công như đưa nguyên liệu vào và lấy sản phẩm ra Loại thiết bị này áp dụng phổ biến ở những nước đang phát triển [15]

Hình 1-2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo thiết bị sấy thăng hoa gián đoạn

1 Bình thăng hoa; 2 Van; 3 Xyfon; 4 Bể chứa nước nóng; 5 Bình ngưng đóng băng; 6 Bình tách lỏng; 7 Giàn ngưng của máy lạnh; 8 Bình chứa amoniac; 9 Máy nén; 10 Bơm chân không; 11,12,13 Động cơ điện; 14 Bơm ly tâm; 15 Phin lọc; 16 Tấm gia nhiệt; 17 Chân không kế; 18 Van điều chỉnh; 19 Khay chứa sản phẩm;20 Tấm gia nhiệt; 21 Bộ điều chỉnh nhiệt

1.3.2 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa liên tục

ở loại thiết bị này, có các khay đựng thực phẩm đã được làm đông lạnh trước khi đưa vào trong hầm sấy theo một hệ thống băng tải đặc biệt và di chuyển qua các bản mặt nung nóng ở nhiệt độ nhất định, thiết bị có bộ phận

Đến bơm chân không

Bề mặt cấp nhiệt Van

Loại này có ưu điểm là tiết kiệm được thời gian, khả năng tự động hoá và cơ giới hoá cao, có năng suất cao Tuy nhiên thiết bị lại phức tạp, giá thiết bị cao, công nhân vận hành phải có trình độ kỹ thuật cao Vì vậy loại thiết bị này

được áp dụng phổ biến ở những nước phát triển [16]

Cấu tạo bình thăng hoa ở hệ thống thiết bị sấy liên tục có nhiều loại do tính đa dạng của chủng loại máy Được áp dụng phổ biến là các dạng như thiết

bị sấy thăng hoa liên tục kiểu khay (hình1-3), kiểu dao động (hình 1-4), kiểu băng tải (hình 1-5), kiểu đĩa tuần hoàn [14]

Khí trơBơm chân không

Sản phẩm trên khayTiếp nhận Van cổng Đường hầm làm khô Sản phẩm ra

Nguồn nhiệtBình ngưng

Hình 1-3 Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu khay

Hình 1-4 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu dao động

Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu băng tải

1 Bộ phận tiếp nhận 2 Vỏ bình 3 Nguồn gia nhiệt

4 Sản phẩm 5 băng tải 6 Bộ phận tháo sản phẩm ra

Bình sấy thăng hoa ở hệ thống sấy thăng hoa liên tục có nhiều điểm khác

so với ở hệ thống sấy thăng hoa gián đoạn là các khay đựng sản phẩm đ−ợc thay bằng các đĩa tuần hoàn hoặc các băng tải xích hay các băng tải dao động Tốc độ chuyển động của chúng đ−ợc tính toán sao cho kết thúc một chu trình sản phẩm lấy ra đạt yêu cầu Ngoài ra còn có thêm bộ phận tiếp nhận sản phẩm vào và tháo sản phẩm ra, đ−ợc ngăn cách với bình thăng hoa và môi

trường ngoài bằng các van để đảm bảo áp suất trong bình thăng hoa không bị thay đổi khi nhận sản phẩm vào hay lấy sản phẩm ra Trên hình 1-6 là hệ thống thiết bị sấy thăng hoa liên tục của hãng Virtis Gardiner, NY và trên hình 1-7 là hệ thống thiết bị sấy thăng hoa liên tục với bình ngưng đặt ngoài của hãng Hull Hatboro, PA

Hình 1-6 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa liên tục

Phương pháp sấy thăng hoa mặc dù đã được áp dụng từ lâu ở một số nước trên thế giới, song ở Việt Nam trong thời gian qua, sấy thăng hoa còn ít được chú ý đến do hệ thống thiết bị khá phức tạp, vốn đầu tư ban đầu và chi phí năng lượng cho vận hành cao Tuy nhiên, cho đến nay nền kinh tế nước ta đã

có những bước phát triển vượt bậc, trình độ khoa học kỹ thuật đã đạt được những thành tựu đáng kể, đời sống nhân dân ngày càng được nâng cao Do đó việc nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tiên tiến như sấy thăng hoa vào trong sản xuất là một điều tất yếu Nếu được quan tâm, đầu tư đúng mức chúng ta hoàn toàn có thể thiết kế và đi đến chế tạo được một hệ thống sấy thăng hoa hoàn chỉnh, phù hợp với qui mô sản xuất và vốn đầu tư của các doanh nghiệp trong nước nhằm tạo ra sản phẩm sấy có chất lượng cao đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước và xuất khẩu

Hình 1-7 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa với bình ngưng đặt ngoài

( Hãng Hull, Hatboro, PA)

1.4 mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

1.4.1 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu để xác định một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của thiết bị sấy măng bằng phương pháp thăng hoa làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo mẫu máy nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm mức chi phí điện năng riêng tạo điều kiện giảm giá thành chế tạo máy

1.4.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình sấy thăng hoa

- Thiết kế chế tạo mô hình thiết bị sấy thăng hoa thí nghiệm

- Nghiên cứu quan hệ trao đổi nhiệt ẩm trong thiết bị sấy thăng hoa thí nghiệm

- Khảo nghiệm xác định một số thông số chính của mô hình thiết bị sấy thăng hoa

Không khí ẩm Không khí khô

Môi chát lạnh (hơi) Môi chất lạnh (lỏng)

Hình 2-1 Sơ đồ cấu tạo thiết bị sấy thăng hoa ST-10

1 Bình thăng hoa, 2 Dàn ng−ng của máy lạnh, 3 Máy nén của máy lạnh

4 Bình ng−ng, 5 Bơm chân không

Hệ thống thiết bị gồm có: bình thăng hoa 1 đ−ợc nối với bơm chân không

5 qua bình ng−ng 4 Bình thăng hoa là một hình trụ tròn nằm ngang, hai đầu

có dạng chỏm cầu, trong đó một đầu đ−ợc liên kết với thân hình trụ bằng bu lông để đ−a vật liệu sấy vào Trong bình thăng hoa, các khay chứa vật liệu sấy

đ−ợc đặt xen kẽ với các hộp gia nhiệt bằng kim loại Các hộp này đ−ợc cấp

nhiệt bằng nước nóng lưu thông tuần hoàn nhờ bơm ly tâm Thùng chứa nước

có lắp bộ gia nhiệt kiểu sợi đốt điện trở Để duy trì nhiệt độ bức xạ ổn định, trong bình thăng hoa có lắp cảm biến nhiệt kế tiếp điểm liên kết với bộ phận

điều khiển nhiệt độ của nước trong thùng chứa Do nhiệt độ trong bình thăng hoa rất thấp và độ chân không rất cao nên nhiệt truyền từ các bề mặt của hộp gia nhiệt sang vật liệu sấy chủ yếu là do bức xạ nhiệt áp suất trong bình thăng hoa được điều chỉnh nhờ van trọng lượng, có chân không kế kiểm tra Bình ngưng 4 có dạng hình trụ, nắp và đáy có dạng chỏm cầu Bình ngưng có nhiệm vụ ngưng tụ hơi nước từ bình thăng hoa trước khi vào bơm chân không để làm giảm tải cho bơm chân không Để làm ngưng tụ hơi nước, trong bình thăng hoa có đặt thiết bị trao đổi nhiệt dạng hình trụ vòng với hai

bề mặt trao đổi nhiệt dạng lượn sóng, bên trong có ống dẫn tác nhân lạnh lưu thông Với kết cấu như trên đã tăng được diện tích bề mặt trao đổi nhiệt và việc chế tạo lại không phức tạp như các bình ngưng có thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vẫn thường gặp trong các thiết bị lạnh Hỗn hợp hơi nước-không khí

được bơm chân không hút từ bình thăng hoa qua lưới phân phối ở phía dưới đi vào trong bình ngưng Môi chất lạnh NH3 (ở dạng lỏng) được máy lạnh cấp vào đường ống Tại đây hỗn hợp hơi nước-không khí từ bình thăng hoa đưa vào sẽ được làm lạnh, khi đó hơi nước ngưng tụ lại bám vào mặt trong và ngoài của bề mặt trao đổi nhiệt lượn sóng đọng xuống đáy bình ngưng và định

kỳ được xả ra, còn không khí khô qua bơm chân không 5 ra ngoài Môi chất lạnh nhận nhiệt của hỗn hợp hơi nước-không khí để bay hơi và trở về máy nén

3, sau đó được làm mát tại dàn ngưng 2 của máy lạnh và chuyển thành dạng lỏng trước khi vào bình ngưng 4 thành vòng tuần hoàn trong hệ thống

* Ưu nhược điểm:

- Cấu tạo đơn giản, kỹ thuật vận hành không phức tạp

- Vốn đầu tư cho thiết bị thấp

Nguyên lý hoạt động

Quá trình sấy thăng hoa trong mô hình thiết bị gồm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn lạnh đông: vật liệu tự lạnh đông trong buồng thăng hoa Khi

hút chân không, áp suất trong buồng thăng hoa giảm xuống, nên phân áp suất hơi nước trong không gian bình thăng hoa giảm so với phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy, ẩm tự do trong vật liệu sấy bay hơi mạnh làm giảm nhiệt độ của nó xuống dưới nhiệt độ đóng băng Với áp suất chân không trong bình thăng hoa gần với áp suất âm tuyệt đối thì vật liệu sấy có thể được lạnh đông tới nhiệt độ – 18oC

- Giai đoạn thăng hoa: Trong giai đoạn này, áp suất chân không trong bình

thăng hoa được duy trì từ 1ữ 3 mmHg và nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ cấp cho vật liệu sấy có thể thay đổi được trong phạm vi từ 35 ữ 50oC Nhờ dòng nhiệt bức xạ này mà nước trong vật liệu sấy thăng hoa mãnh liệt, độ ẩm vật liệu sấy giảm nhanh Phần lớn nhiệt lượng vật liệu sấy nhận được dùng để biến thành hơi nước, do đó nhiệt độ vật liệu sấy hầu như không đổi Đến cuối giai đoạn thăng hoa, nhiệt độ vật liệu sấy mới tăng dần và quá trình thăng hoa kết thúc khi nhiệt độ vật liệu sấy tăng đến 0oC

- Giai đoạn sấy ẩm dư: Sau giai đoạn thăng hoa, nhiệt độ vật liệu sấy lớn

hơn 0oC nên ẩm trong vật liệu sấy trở về trạng thái lỏng Tiếp tục duy trì áp suất chân không và gia nhiệt cho vật liệu sấy để chuyển ẩm từ dạng lỏng sang dạng hơi cho tới khi đạt độ ẩm yêu cầu

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố [8]

Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến chất lượng sản phẩm sấy, qua đó xác định được các giá trị tối ưu để làm cơ sở thiết kế, tính toán và lựa chọn kết cấu máy

và chế độ làm việc của thiết bị

Có rất nhiều yếu tố làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sấy như

nhiệt độ lạnh đông, bề dầy vật liệu sấy, nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ, độ

ẩm vật liệu sấy… Khi nghiên cứu không thể lấy tất cả các yếu tố kể

trên mà chỉ lựa chọn các yếu tố chính Để lựa chọn các yếu tố chính,

bằng phương pháp thu thập thông tin từ các tài liệu có liên quan, đặc

biệt là việc tìm hiểu các mẫu máy trên thực tế sản xuất các thông số

nghiên cứu được lựa chọn như sau:

Các yếu tố vào:

Nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy: Tl (oC)

áp suất chân không trong bình thăng hoa: P (mmHg)

Bề dầy vật liệu sấy: S (mm) Nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ: Tb (oC) Các thông số ra:

Thời gian sấy: τ (h)Chi phí điện năng riêng: Nr (kWh/kgH2O)

Các yếu tố đầu vào và ra của thiết bị được mô tả theo sơ đồ sau:

Các ký hiệu của thông số vào

x1- Nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy, Tl (oC)

x2- áp suất chân không trong bình thăng hoa, P (mmHg)

x3- Bề dầy vật liệu sấy, S (mm)

Đối tượng nghiên cứu Thiết bị sấy thăng hoa

x1

x2

x3

x4

x4- Nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ, Tb (oC) Các ký hiệu của thông số ra

Y1- Thời gian sấy, τ (h)

Y2- Chi phí điện năng riêng, (kWh/kgH2O) Phương pháp nghiên cứu đơn yếu tố nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của từng yếu tố vào tới các thông số ra, qua đó tìm được mức biến thiên, khoảng biến thiên và khoảng nghiên cứu thích hợp của từng yếu tố, làm cơ sở cho phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố

Nguyên tắc của phương pháp này là cố định các yếu tố khác, chỉ thay đổi một yếu tố xác định, theo dõi ảnh hưởng của yếu tố đó với thông số ra

2.3 Phương pháp thực nghiệm đo đạc xử lý và gia công số liệu 2.3.1 Phương pháp xác định chi phí điện năng riêng

- Chi phí năng lượng riêng Nr(kWh/kgH2O) bao gồm: năng lượng điện tiêu thụ

ở sợi đốt điện trở, năng lượng điện chi phí cho hoạt động của bơm chân không, máy nén tác nhân lạnh và bơm ly tâm tuần hoàn nước vào hộp gia nhiệt Chi phí năng lượng riêng được đo bằng đồng hồ công tơ và tính theo công thức:

G

a

a- Chỉ số điện năng tiêu thụ trên công tơ, kWh;

G- Khối lượng nước bốc hơi trong quá trình sấy, kgH2O

2.3.2 Phương pháp xác định thời gian sấy

Dùng đồng hồ xác định thời gian bắt đầu sấy cho đến khi sản phẩm đạt

độ ẩm yêu cầu bảo quản Thời gian sấy τ(h) bao gồm: thời gian lạnh đông, thời gian thăng hoa và thời gian sấy ẩm dư

2.3.3 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm [6]

Để gia công và xử lý các số liệu thực nghiệm ta dùng phương pháp thống

kê toán học Sau n lần lặp ta được các giá trị đo đạc xi (i = 1 n), giá trị trung bình của các phép đo được tính theo công thức:

=

i i

x n

n

i i

2.3.4 Phương pháp gia công số liệu thực nghiệm [7]

Trong nghiên cứu thực nghiệm máy, các kết quả đo đạc thường là các đại

lượng ngẫu nhiên, xác suất tin cậy thường dùng trong khoảng 0,7ữ0,9 Xác suất tin cậy của dụng cụ đo trong khoảng 0,95ữ0,99 Vì vậy để đảm bảo độ tin cậy, các thí nghiệm cần lặp lại ít nhất 3 lần Để gia công số liệu ta dùng các qui tắc của lý thuyết xác suất và thống kê toán học

Sau khi thí nghiệm, xác định độ tin cậy về ảnh hưởng của mỗi yếu tố tới các thông số mục tiêu và tính thuần nhất của phương sai trong quá trình thí nghiệm để chứng tỏ thực sự các ảnh hưởng khác đối với thông số nghiên cứu là không đáng kể hoặc không có Thuật toán của phân tích phương sai như sau:

- Để xác định độ tin cậy cần phải tính phương sai yếu tố và phương sai thí nghiệm

- Phương sai yếu tố là tổng bình phương sai lệch ở từng thí nghiệm giữa giá trị trung bình của tổng thể Y của các hàm mục tiêu với giá trị trung bình của hàm đó ứng với mỗi mức của từng yếu tố xi (ký hiệu Y.j)

Phương sai yếu tố được xác định theo công thức:

1

) (

1

2

k

j j

k-1 là bậc tự do

Phương sai thí nghiệm là tổng bình phương các sai lệch giữa các giá trị trung bình Y.j ứng với mỗi mức của yếu tố xi với giá trị Yij ứng với mỗi lần đo lặp lại với mỗi mức của yếu tố

Phương sai thí nghiệm được xác định công thức:

k N

Y Y S

n

i k

j

j ij

2

) (

(2-6)

N-k là bậc tự do

Dùng tiêu chuẩn Fisher để đánh giá tỷ số:

2 2

α tra bảng, với α=0,05; f1=k-1; f2=N-k

Nếu F> Fb

2

1 , ,f f

α thì yếu tố đó có ảnh hưởng đến thông số mục tiêu và không ảnh hưởng trong trường hợp ngược lại

Để đánh giá tính thuần nhất của phương sai ta phải tính phương sai thí nghiệm ngẫu nhiên đối với mỗi mức biến thiên của yếu tố xi (ký hiệu S2j )

1

) (

1

2 2

n

i

j ij

j

S

S G

1 2

2 max

(2-9)

Với S2jmax là phương sai cực đại trong các phương sai S2j

Đối chiếu với trị số G2

2

1 , , f f

α với α=0,05; f1=n-1; f2=k

Nếu G<G2

2

1 , , f f

α các phương sai được coi là đồng nhất, không có phương sai nào vượt nhiều so với phương sai khác Kết quả đo đạc đảm bảo độ tin cậy

Các số liệu đo đạc thực nghiệm đều được gia công theo phương pháp trên

đông, với nước nhiệt độ và áp suất của điểm ba thể (điểm O) là: to = 0oC và p = 4,58 mmHg (Hình 3-1) đồng thời tiến hành hút chân không Sau đó nâng nhiệt

độ sản phẩm lên ở điều kiện đẳng áp thực hiện quá trình thăng hoa ẩm [2]

Hình 3-1 Đồ thị pha p - t nước

Trên đồ thị hình 3-1 đường OB biểu diễn ranh giới giữa pha rắn và pha hơi,

OA là ranh giới giữa pha rắn và pha lỏng, OK là ranh giới gữa pha lỏng và pha khí Điểm O là điểm ba thể là ranh giới chung của cả 3 pha rắn, lỏng và khí

Giả sử ẩm trong vật liệu sấy có trạng thái đóng băng ở điểm F (tương ứng

với nhiệt độ tf), được đốt nóng đẳng áp đến nhiệt độ tD tương ứng với điểm D thì nước ở thể rắn sẽ thực hiện quá trình thăng hoa DE Ta thấy rằng áp suất

E

t (Co)

P (mmHg)

càng thấp thì nhiệt độ thăng hoa của đá càng nhỏ Do đó khi cấp nhiệt cho vật liệu sấy ở áp suất càng thấp thì độ chênh nhiệt độ t0 giữa nguồn nhiệt và vật sấy càng tăng, điều này có lợi cho quá trình truyền nhiệt (bảng 3-1)

Bảng 3-1 Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đá

4,600 613,333 0,0098 1,000 133,333 -17,500 0,100 13,3330 -39,300

Trong một số thực phẩm dạng lỏng (ví dụ như nước ép hoa quả và chiết

suất cà phê) sự hình thành trạng thái trong như thuỷ tinh trong đông lạnh là

nguyên nhân làm hơi ẩm di chuyển khó Các chất lỏng vì thế được lạnh đông

khi có bọt (hơi thoát ra khi sấy thăng hoa tạo khoảng trống) hay dịch lỏng

được làm khô cùng với phần thịt Cả hai phương pháp trên đều nhằm tạo rãnh

xuyên qua thực phẩm để hơi nước thoát ra Phương pháp thứ ba là lạnh đông

dịch sau đó được nghiền tạo ra những hạt nhỏ, làm cho quá trình khô nhanh

hơn và cho phép kiểm soát tốt hơn kích thước các mảnh nhỏ của thực phẩm

Tốc độ làm khô phụ thuộc phần lớn vào trở nhiệt của thực phẩm khi truyền nhiệt

và các khoảng trống cản trở hơi ẩm bay ra (truyền chất) từ bề mặt thăng hoa [21]

3.1.2 Các giai đoạn của quá trình sấy thăng hoa

Quá trình sấy thăng hoa có thể chia ra 3 giai đoạn:

Đối với làm lạnh đông trực tiếp trong bình thăng hoa: đầu tiên vật sấy

được đưa vào ở nhiệt độ môi trường Tiếp đó người ta tiến hành hút chân không (xuống đến 4.58 mmHg tương đương 610.6 Pa) trong không gian bình thăng hoa làm cho áp suất trong bình thăng hoa giảm Do áp suất trong bình thăng hoa giảm, cho nên phân áp suất hơi nước trong bình thăng hoa cũng giảm so với phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy Khi độ chênh lệch phân

áp suất đủ lớn thì một lượng ẩm liên kết yếu đã thu nhiệt để biến thành hơi bay vào không gian bình thăng hoa Chính điều đó đã làm cho nhiệt độ của vật giảm dần xuống đến nhiệt độ thăng hoa (khoảng-10oC,-20oC tuỳ thuộc loại vật liệu) và vật sấy được kết đông Như vậy, kết thúc giai đoạn này nhiệt độ của vật và áp suất trong bình thăng hoa đều nhỏ hơn nhiệt độ và áp suất của

điểm ba thể (điểm O) Theo số liệu thực nghiệm thì có khoảng 10,15% toàn

bộ ẩm thoát ra khỏi vật trong giai đoạn này [22]

Làm lạnh đông vật sấy trong máy lạnh thường, sẽ tiết kiệm thời gian hơn

do có thể tiến hành xen kẽ giữa làm lạnh và sấy sản phẩm, mặt khác thiết bị sẽ

đơn giản hơn, vận hành không phức tạp Phương pháp này phù hợp với các cơ

sở chế biến lớn, đòi hỏi vốn đầu tư cao hơn

b) Giai đoạn thăng hoa

Trong giai đoạn này, do được cấp nhiệt nên băng đá trong vật đã được kết

đông thăng hoa rất mãnh liệt Độ ẩm của vật liệu sấy giảm rất nhanh gần như tuyến tính Như vậy giai đoạn này có thể xem như giai đoạn sấy không đổi Phần lớn trong giai đoạn thăng hoa nhiệt độ hầu như không đổi Cho đến cuối giai đoạn này, nhiệt độ của vật liệu sấy mới tăng dần từ nhiệt độ thăng hoa lên

đến 0oC, và còn lại khoảng 10% nước trong sản phẩm Nước này không đóng băng được mặc dù đã hạ nhiệt độ xuống đến -20oC Lượng nước này sẽ được

sấy khô ở giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại Giai đoạn thăng hoa kết thúc

c) Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại

Sau giai đoạn thăng hoa, do trạng thái của nước trong vật sấy nằm trên

điểm ba thể nên ẩm trong vật sấy trở về dạng lỏng Do áp suất trong bình thăng hoa vẫn được duy trì nhờ bơm chân không và vật liệu sấy vẫn tiếp tục

được gia nhiệt nên ẩm vẫn không ngừng biến từ dạng lỏng lên dạng hơi và bay vào không gian bình thăng hoa cho đến khi đạt độ ẩm yêu cầu (khoảng 12%) Tuỳ từng loại vật liệu sấy có mẫn cảm với nhiệt hay không mà nhiệt độ có thể nâng lên đến 40oC,60oC, đến đây kết thúc quá trình sấy [15]

3.2 cơ sở lý thuyết tính toán quá trình lạnh đông

Lạnh đông là hạ nhiệt độ xuống dưới điểm đóng băng của dịch bào, nhưng không có nghĩa là toàn bộ nước trong thực phẩm đã đóng băng Tuỳ theo mức độ lạnh đông và loại sản phẩm mà lượng nước đóng băng đạt được trên 80%

Do thời gian kết đông chậm, tinh thể đá kết tinh trong gian bào tế bào với

số lượng ít, có kích thước lớn, dễ gây cọ sát làm rách vỡ màng tế bào, phá huỷ cấu trúc mô tế bào Khi làm tan băng, dịch bào dễ bị chảy mất làm giảm giá trị dinh dưỡng và dễ nhiễm khuẩn Hiện nay, thường ứng dụng trong kết đông rau quả cần ép nước Do kết đông chậm làm rách màng tế bào nên giảm công ép

Phương pháp lạnh đông nhanh

Có thể kết đông nhanh trong môi trường không khí hoặc chất tải lạnh lỏng Thời gian kết đông nhanh hơn từ 2,10h tuỳ thuộc từng loại sản phẩm, tốc độ kết đông đạt khoảng 0,5,5cm/h Kết đông trong phòng hoặc tunel yêu cầu nhiệt độ không khí đạt khoảng -35oC, tốc độ lưu thông khoảng 3,5m/s

Hiện nay, nhiều tủ kết đông để làm lạnh đông nhanh rau quả và hải sản

áp dụng làm lạnh đông dạng panen với tkk ≤ - 40oC, thời gian lạnh đông chỉ khoảng 4,5h

Kết đông nhanh làm cho các tinh thể đá hình thành nhiều hơn và mịn hơn,

không làm rách và phá huỷ cấu trúc màng tế bào Do đó chất lượng sản phẩm

được giữ lại tốt hơn

Phương pháp lạnh đông cực nhanh

Phương pháp này thường được thực hiện bằng cách nhúng sản phẩm vào trong CO2 lỏng, nitơ lỏng hoặc các khí hoá lỏng khác Thời gian kết đông khoảng 5,10 phút, tốc độ kết đông có thể đạt tới 300,600cm/h

Sản phẩm lạnh đông cực nhanh cho phép giữ được gần như nguyên vẹn phẩm chất tươi sống như ban đầu Đồng thời còn có tác dụng hạn chế và tiêu diệt được nhiều vi sinh vật hơn các phương pháp khác [24]

Hiện nay, đối với sản phẩm rau quả người ta còn làm lạnh đông bằng cách hút chân không Cơ sở của phương pháp này là dựa vào sự thu nhiệt khi nước bay hơi dưới áp suất chân không lớn, khi đó vật sẽ được làm lạnh Thường được ứng dụng trong giai đoạn lạnh đông sản phẩm khi sấy thăng hoa

3.2.2 Diễn biến quá trình lạnh đông

Trong quá trình lạnh đông, nhiệt lượng được chuyển đi để hạ thấp nhiệt

độ của thực phẩm xuống tới điểm lạnh đông Đối với thực phẩm tươi, nhiệt tạo

ra trong quá trình hô hấp cũng được chuyển đi Công việc này được gọi là tải nhiệt, và rất quan trọng trong việc quyết định đến kích cỡ của trang thiết bị lạnh đông Dễ nhận thấy nhiệt ẩn được chuyển đi và những tinh thể đá được hình thành Lượng nhiệt ẩn của các thành phần khác của thực phẩm (ví dụ như

mỡ động vật) cũng phải được khử đi trước khi chúng trở nên đông đặc Tuy nhiên, hầu hết thực phẩm chứa đựng một phần lớn trong đó là nước (Bảng3-2) Nước có nhiệt dung riêng cao (4200J.kg-1.oK-1) và lượng nhiệt ẩn trong

hỗn hợp (335kJkg-1) Do đó cần một năng lượng đáng kể để làm đông thực phẩm Tổng số đá được hình thành còn phụ thuộc loại, cấu tạo của thực phẩm

và nhiệt độ bảo quản (ví dụ như bảo quản ở nhiệt độ -20oC thì tỷ lệ đóng băng theo phần trăm là 88% đối với cừu non, 91% với cá, 93% với lòng trắng trứng)

Hình 3-2 Quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ trong quá trình lạnh đông

Đường cong đặc tính được phân thành 6 phần như sau:

AS - Thực phẩm được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ điểm đông lạnh của

nó (loại trừ nước tinh khiết), thường là dưới 0oC (Bảng3-2) Tại điểm S, nước vẫn ở trạng thái lỏng mặc dù nhiệt độ đã ở dưới điểm đông lạnh Hiện tượng này được hiểu là sự làm chậm đông và có thể dưới điểm đông lạnh tới 10oC

SB - Nhiệt độ tăng lên nhanh chóng tới điểm đông lạnh khi những tinh thể đá bắt đầu hình thành và nhiệt ẩn của sự kết tinh được giải phóng

BC- Nhiệt được di chuyển từ thực phẩm ở cùng tốc độ trước đó Nhiệt ẩn