TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA SẢN PHẨM NẤM ĐÔNG TRÙNG HẠ THẢO NĂNG SUẤT 200 KG SẢN PHẨM MẺ

HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ****** ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

******

ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA SẢN PHẨM NẤM ĐÔNG TRÙNG HẠ THẢO NĂNG SUẤT

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu đồ án 1

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Phạm vi nghiên cứu 2

6 Ý nghĩa khoa học của đề tài 2

7 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3

Chương 1: TỔNG QUAN 4

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC VỀ CÔNG NGHỆ SẤY THĂNG HOA 4

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VỀ CÔNG NGHỆ SẤY THĂNG HOA 4

1.3 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA SẤY THĂNG HOA 5

1.1.1 Những khái niệm ban đầu về sấy thăng hoa 5

1.1.2 Biến đổi trạng thái vật chất theo giản đồ P-t 7

1.1.3 Phương trình động học quá trình chuyển pha của vật chất 8

1.1.4 Đồ thị động học của quá trình sấy thăng hoa 9

1.1.5 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa 12

1.4 NGUYÊN LIỆU SẤY THĂNG HOA 14

1.4.1 Nguyên liệu vô cơ và hữu cơ 14

1.4.2 Nguyên liệu khô tuyệt đối và nguyên liệu ẩm 14

1.4.3 Các đặc tính của nước trong nguyên liệu 16

1.4.4 Các tính chất nhiệt vật lý quan trọng của nguyên liệu sinh học ảnh hưởng đến quá trình lạnh đông và sấy thăng hoa 18

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN 21

2.1 QUY HOẠCH MẶT BẰNG, XÂY DỰNG NHÀ XƯỞNG VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG 21

2.1.1 Những lưu ý khi thiết kế và xây dựng mặt bằng nhà xưởng 21

2.1.2 Thiết kế mặt bằng phân xưởng – nhà máy 22

2.1.3 Thiết kế mặt bằng nhà xưởng và lắp đặt hệ thống 23

2.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN 23

2.2.1 Tổng quan về nguyên liệu nấm đông trùng hạ thảo 23

2.2.2 Các đặc điểm sinh học của nấm đông trùng hạ thảo 24

2.2.3 Giá tri ̣ dược liê ̣u của nấm Cordyceps militaris 27

2.3 SƠ ĐỒ NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN 30

2.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 32

Chương 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG 34

3.1.1 Các thông số cần thiết cho quá trình tính toán 34

2.4.1 Tính toán cho hệ thống lạnh 34

3.1.2 Tính cân bằng vật chất 35

3.1.3 Tính cân bằng năng lượng 35

3.1.4 Tính toán hệ thống thiết bị sấy thăng hoa tự lạnh đông 35

3.1.4.1 Tính toán, thiết kế hệ thống lạnh đông sản phẩm ngay trong buồng thăng hoa của hệ thống sấy thăng hoa 35

3.1.4.2 Tính toán, thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt của hệ thống lạnh đông sản phẩm 53

3.1.4.3 Tính toán thiết kế thiết bị bình trung gian 63

3.1.4.4 Tính toán chọn van tiết lưu 67

3.1.4.5 Tính toán chọn đường ống 68

3.1.5 Tính toán thiết kế hệ thống sấy thăng hoa 70

3.1.5.1 Tính toán thiết kế buồng thăng hoa 70

3.1.5.2 Tính toán thiết bị ngưng tụ- đóng băng 74

3.1.5.3 Tính toán hệ bơm chân không 77

3.1.5.4 Xác định thời gian xả băng 79

3.2 KẾT QUẢ 80

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Đông trùng hạ thảo là một loại dược liệu quý, có tác dụng và giá trị rất lớn trong

y học cũng như bổ sung dinh dưỡng cho cơ thể

Ngày nay, cuộc sống con người ngày càng được nâng cao, từ đó nhu cầu cũng ngày một tang Con người luôn tìm hiểu, mong muốn và đáp ứng cho bản thân và gia đình mình những loại thực phẩm, dược liệu tốt nhất cho sức khỏe Song, có thể nói Đông trùng hạ thảo là một loại thực phẩm chức năng, dược phẩm được nhiều người quan tâm và mong muốn được sử dụng dù chỉ một lần vì những công dụng thần kỳ của

nó Tuy nhiên, chính vì những thành phần quý giá mà đông trùng hạ thảo có được mà quá trình bảo quản cũng như sử dụng chúng đòi hỏi cần có những yêu cầu công nghệ cao

Việc bảo quản Đông trùng hạ thảo được lâu mà không làm mất đi màu sắc cũng như thành phần dinh dưỡng bên trong của nó nhằm đảm bảo chất lượng của sản phẩm Đông trùng hạ thảo là điều đáng lưu tâm và cần phải có biện pháp giải quyết tối ưu

Hiện nay, các phương pháp sấy để bảo quản thực phẩm là những phương pháp được áp dụng phổ biến và rộng rãi nhất Tuy nhiên, việc đảm bảo chất lượng dinh dưỡng, thành phần hóa học cũng như các tính chất cảm quan của sản phẩm sau quá trình sấy thì phương pháp “sấy thăng hoa” là lựa chọn hàng đầu Sấy thăng hoa là phương pháp sấy có nhiều đặc điểm nổi trội hơn so với những phương pháp sấy khác, đặc biệt là khả năng hoàn nguyên của sản phẩm sau sấy

Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu sản xuất cũng như nhu cầu ngày càng cao của con người, “sấy thăng hoa” là lựa chọn tốt nhất cho sản phẩm “Đông trùng hạ thảo sấy khô” Chính điều đó đã mang lại yếu tố tiên quyết, cần thiết cho đề tài “Tính toán và thiết kế

hệ thống lạnh sấy thăng hoa sản phẩm nấm đông trùng hạ thảo năng suất 200kg / mẻ”

2 Mục tiêu đồ án

Sau khi hoàn thành đồ án với đề tài “Tính toán và thiết kế hệ thống lạnh sấy thăng hoa sản phẩm nấm đông trùng hạ thảo năng suất 200kg / mẻ”, đồ án có thể cung cấp các thông tin cần thiết về chế độ sấy tối ưu đối với sản phẩm nấm đông trùng hạ

thảo ở một năng suất nhất định, cũng như có thể trở thành bước đầu, là tiền đề cho việc xây dựng một hệ thống sấy thăng hoa dành riêng cho sản phẩm nấm đông trùng hạ thảo

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là phần nấm đã được tách bỏ phần xác sâu non trong tổng thể nguyên con đông trùng hạ thảo ban đầu

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan những đặc điểm về nguyên liệu nấm đông trùng hạ thảo

- Tổng quan nghiên cứu về sấy thăng hoa

- Phương pháp nghiên cứu và tính toán

+ Thiết lập sơ đồ nghiên cứu, tính toán

+ Các phương pháp sử dụng trong tính toán và thiết kế

- Tính toán và thiết kế hệ thống

+ Các thông số cần thiết cho tính toán + Các định luật cần sử dụng trong tính toán

+ Tính toán hệ thống và thiết bị + Thiết kế hệ thống

- Kết luận, bàn luận về đề tài

5 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu, giải quyết các vấn đề liên quan đến quá trình sấy thăng hoa từ đó đưa ra những thông số cụ thể cho quá trình sấy và thiết kế hệ thống sấy

6 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa nấm đông trùng hạ thảo bước đầu làm tiền đề cho việc sấy thăng hoa các sản phẩm thảo dược khác, và có ý nghĩa khoa học sau đây:

- Làm cơ sở khoa học về các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống sấy thăng hoa nấm đông trùng hạ thảo và một số loại nấm, thảo dược khác

- Làm nền tảng cho các nghiên cứu xây dựng hệ thống thiết bị sấy thăng hoa ở một số thực phẩm khác

7 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ứng dụng rộng rãi các sản phẩm từ công nghệ sấy thăng hoa, một trong những công nghệ chế biến tiên tiến nhất hiện nay

Sấy thăng hoa nấm đông trùng hạ thảo tạo ra sản phẩm với nhiều ưu điểm Tạo màu sắc đặc trưng cho sản phẩm giữ được màu sắc, mùi vị protein không bị biến tính, không làm hao hụt các chất dinh dưỡng và khả năng hoàn nguyên của sản phẩm rất tốt,

từ đó đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người về các loại dược liệu quý hiếm ở thị trường Việt Nam cũng như nước ngoài

Cho đến năm 1970, công nghệ sấy thăng hoa mới bắt đầu trong ngành công nghệ thực phẩm, bước đầu nghiên cứu chế biến thức ăn cho các nhà du hành vũ trụ

Năm 1980, các nhà cơ khí chế tạo của Đức đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống sấy thăng hoa công nghiệp hiện đại bậc nhất thế giới với hệ điều khiển thông minh

và nó được trưng bày tại Hội chợ triễn lãm thương mại quốc tế ở Paris (Pháp)

Cho đến nay, công nghệ sấy thăng hoa đã phát triển tương đối hoàn thiện và nhiều quốc gia trên thế giới chế tạo thành công do chuyển giao và mua công nghệ của các nước

có nền công nghiệp tiên tiến

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VỀ CÔNG NGHỆ SẤY THĂNG HOA

Ở Việt Nam, khi người Mỹ đặt chân lên đất nước Việt Nam họ đã mang theo công nghệ này vào Việt Nam với mục đích là phục vụ cho chiến tranh, tuy nhiên sau này đất nước công nghệ này vẫn không được nghiên cứu và phát triển, chúng chỉ được ứng dụng trong một số trung tâm, việc nghiên cứu phục vụ cho nghiên cứu khoa học trong các lĩnh vực công nghệ sinh học, y dược, phân tích,

Máy sấy thăng hoa xuất hiện ở Việt Nam đã khá lâu nhưng chủ yếu phục vụ cho ngành y tế để sấy và bảo quản các loại thuốc có giá trị như vacxin, sấy thăng hoa huyết tương, huyết thanh ở viện Pasteur

Trong giai đoạn hiện nay, cùng với sự hòa nhập vào nền kinh tế thế giới, việc ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa ngày càng trở nên cần thiết để đáp ứng được nhu cầu sấy thăng hoa ở các cơ sở trong nước nhằm giảm bớt chi phí ngoại tệ và tạo điều kiện phát triển mạnh kỹ thuật sản xuất công nghiệp các sản phẩm sấy thăng hoa trong nước Bước đầu trường Đại học Tổng Hợp cho ra đời một loại máy nhỏ để thử nghiệm năm 1985 Năm

1986 chế tạo một máy thứ hai với quy mô sản xuất công nghiệp nhỏ, máy thứ 3 được sản xuất năm 1988 Thầy Nguyễn Tấn Dũng trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh cùng nhóm nghiên cứu cho ra đời máy sấy thăng hoa DS1, DS2, DS3, DS4, DS5, DS6, DS7, DS8, DS9, DS10 Đặc biệt, hệ thống sấy thăng hoa DS10 được tối ưu hóa về mặt năng lượng khi sử dụng bơm cấp nhiệt cho quá trình sấy trong điều kiện thăng hoa, ứng dụng IOL trong quá trình điều khiển và kiểm soát quá trình; chế tạo thiết bị hồi nhiệt để thu nhận nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ sau đó cấp cho quá trình sấy Tiết kiệm được năng lượng, giảm chi phí sản xuất, giảm giá thành sản phẩm, tạo lợi thế cạnh tranh

trong sản xuất thương mại

Hiện nay,công nghệ sấy thăng hoa đã được nhiều nhà khoa học Việt Nam quan tâm nghiên cứu và phát triển, bởi vì hướng ứng dụng của công nghệ này không chỉ trong các nghành công nghệ sinh học, y dược, phân tích, mà còn cả trong ngành công nghệ chế biến thực

phẩm.(Nguyễn Tấn Dũng,2008)

1.3 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA SẤY THĂNG HOA

1.1.1 Những khái niệm ban đầu về sấy thăng hoa

Nguyên tắc của sấy thăng hoa liên quan đến việc loại bỏ nước từ một thực phẩm bằng cách thăng hoa, do đó cung cấp một sản phẩm chất lượng cao (Bird.1964) Quá trình sấy thăng hoa là quá trình tách nước ra khỏi thực phẩm nhờ sự chuyển pha trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất chân không nhiệt độ, và áp suất này phải nhỏ hơn nhiệt độ và áp suất của trạng thái ba thể O ( 0.0098°C; 4.58mHg)

Nhờ sấy ở nhiệt độ thấp và áp suất chân không nên thực phẩm tránh được sự oxy hóa do không khí và nhiệt độ, tránh được những phản ứng thủy giải, phản ứng nhiệt phân, protein và acid amine không bị biến tính, vitamin không bị phá hủy Cấu trúc phân tử của sản phẩm hầu như được bảo toàn, sản phẩm có độ xốp, tính chất lưu biến rất tốt, màu sắc, mùi vị hình dạng và các chất có hoạt tính sinh học được giữ ở mức cao

nhất so với các phương pháp sấy khác Sản phẩm có độ xốp cao nên có tính chất hoàn nguyên khi cho sản phẩm vào nước Sản phẩm sấy thăng hoa có rất nhiều tính chất ưu việt như: bảo quản dài hạn ở nhiệt độ thường (khác với trữ đông nhiệt dộ dưới -18°C liên tục), vận chuyển dễ dàng và sử dụng tiện lợi hơn so với sản phẩm đông lạnh

Tóm tắt công nghệ sấy thăng hoa có những ưu điểm sau:

- Phương pháp sấy thăng hoa được xem là phương pháp tốt nhất cho việc sản xuất các sản phẩm khô chất lượng cao, cho sản phẩm có cấu trúc ổn định, ít bị co rút,

mà có thể hoàn nguyên dễ dàng trước khi sử dụng, đồng thời lưu giữ được các chất dinh dưỡng và hương thơm của thực phẩm tươi (Ratti2001) Tuy nhiên chi phí sản xuất cao, tiêu hao năng lượng lớn và lưu lượng thấp (Caparino 2000; Ratti 2001, HSU et al_2003)

- Sấy ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ ẩm Nhiệt độ cuối quá trình sấy bằng nhiệt độ môi trường

- Hàm hượng nước còn lại chứa trong thực phẩm rất ít, chỉ khoảng 2- 4%, thực phẩm rất khô

- Bảo toàn các tính chất sinh hóa, hóa lí của thực phẩm ở mức cao nhất so với tất các công nghệ chế biến khác

- Rút gắn thời gian hoàn nguyên của thực phẩm khi cho nước vào

- Thực phẩm sau khi sấy xong bao gói kín và bảo quản ở nhiệt độ thường trong một thời gian dài mà không gây hư hỏng (có thể bảo quản từ 3 – 6 năm) Dẫn đến giảm tối thiểu chi phí bảo quản

- Thực phẩm sấy thăng hoa cung cấp sự ổn định tuyệt với và thời gian bảo quản lâu dài mà không cần làm lạnh (American Meat Institute Foundation 1962)

Để được các ưu điểm trên thì yêu cầu kỹ thuật chế tạo máy và công nghệ sấy đòi hỏi được tính toán thiết kế, chế tạo khá khắt khe

Hệ thống sấy thăng hoa phải được tính toán, chế tạo đúng theo các yêu cầu một cách chính xác, quá trình lạnh đông phải nhanh (càng nhanh càng tốt), quá trình thăng hoa đòi hỏi buồng sấy phải có độ chân không gần như tuyệt đối

Quá trình tự động hóa hệ thống sấy điều khiển theo chương trình hệ thông minh

là tốt nhất Quy trình công nghệ sấy thực phẩm đòi hỏi phải chặt chẽ và chính xác, mỗi loại sản phẩm khác nhau sẽ có loại công nghệ riêng Vì thực phẩm sau khi sấy khô, có

hệ trương nở cao, nên chúng là những chất hấp phụ nước rất tốt, do đó kỹ thuật bao gói phải đảm bảo để bảo quản sản phẩm

1.1.2 Biến đổi trạng thái vật chất theo giản đồ P-t

Nước trong thực phẩm tự nhiên luôn có thể tồn tại ở ba thể, thể lỏng – rắn – khí, sấy thực phẩm là làm cách nào đó để lất lượng nước trong thực phẩm ra khỏi nguyên liệu để làm tăng độ khô, giảm độ ẩm kéo dài thời gian sử dụng Theo nguyên tắc này có hai phương pháp sấy

Phương pháp 1: Chuyển nước ở thể lỏng trực tiếp sang thể hơi, phương pháp

này là sấy nhiệt bình thường làm thay đổi rất nhiều đến đặc tính dinh dưỡng của thực phẩm.[1]

Phương pháp 2: Chuyển nước ở thể lỏng sang thể rắn sau đó tạo điều kiện cho

thể rắn thăng hoa, phương pháp này là sấy thăng hoa ở nhiệt độ thấp, đây là một trong những phương pháp tiên tiến nhất hiện nay, bởi vì nó giữ lại toàn bộ đặc tính tự nhiên cũng như về phẩm chất dinh dưỡng của thực phẩm.[1]

Trên đồ thị P-t (hình)

cho thấy, đường OA là đường

đóng băng nóng chảy, đường OB

là đường thăng hoa hóa tuyết

(ngưng tụ đóng băng), đường OK

là đường bay hơi ngưng tụ [1]

Điều kiện tiên quyết để

nước đá thăng hoa là khi chúng

được đặt trong môi trường có

nhiệt độ và áp suất nhỏ hơn điểm

ba thể O (0,00980C; 4,58mmHg)

(Peng S.W 1997).[1]

Quá trình biến đổi pha của nước luôn phụ thuộc vào hai thông số cơ bản đó là nhiệt độ và áp suất, ứng với một giá trị áp suất xác định sẽ có một giá trị nhiệt độ thăng hoa xác định (hình) Việc chọn áp suất môi trường sấy thăng hoa phù hợp với nhiệt độ

Hình 1 Giản đồ biến đổi pha của nước

thăng hoa nước đá sẽ quyết định đến thời gian thăng hoa của nước đá, nếu áp suất môi trường sấy thăng hoa không phù hợp sẽ kéo dài thời gian thăng hoa.[1]

Không phải loại thực phẩm nào cũng sấy thăng hoa được, tùy thuộc vào tính chất lý – hóa của thực phẩm, tùy thuộc vào dạng liên kết giữa nước với thực phẩm và khả năng hòa tan của thực phẩm trong nước Chẳng hạn như những dung dịch mật ong, siro rất khó sấy thăng hoa, những thực phẩm có thành phần lipid lớn cũng rất khó sấy thăng hoa, bởi vì lipid có khả năng hạn chế sự truyền nhiệt, mặt khác lipid có thể tạo màng vững chắc bảo vệ không cho nước từ bên trong thực phẩm thoát ra ngoài [1]

Áp suất và nhiệt độ trong quá trình sấy thăng hoa có mối quan hệ với nhau, khi

áp suất càng thấp thì nhiệt độ thăng hoa càng bé Do đó, khi cấp nhiệt cho vật liệu sấy (thực phẩm sấy) ở áp suất càng thấp thì độ chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nhiệt, môi trường sấy

và thực phẩm sấy càng tăng Đứng về mặt truyền nhiệt thì đây là ưu điểm của quá trình sấy thăng hoa so với sấy chân không thông thường Bảng dưới đây cho thấy quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước.[1]

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

Áp suất

(mmHg)

Nhiệt độ (0C )

Áp suất (mmHg)

Nhiệt độ ( 0C )

1.1.3 Phương trình động học quá trình chuyển pha của vật chất

Phương trình Clapeyron là phương trình được thiết lập bởi kỹ sư và nhà vật lý học người Pháp Benoit Paul Émile Clapeyron (1799-1864) cho phép tính năng lượng chuyển pha L theo thể tích mol của một chất tinh khiết ở hai pha cân bằng của chất này Nói chung, chúng ta thường xét đến cân bằng giữa hai pha lỏng – khí (quá trình bay hơi) hoặc rắn – khí (quá trình thăng hoa) và thu được một biểu thức thể hiện sự biến thiên giữa áp suất theo nhiệt độ của hệ như sau [1]

𝜕𝑇 =

𝐿𝑇(𝑉2− 𝑉1)Với: P (N/m2) Áp suất của quá trình chuyển pha

T (K) Nhiệt độ của quá trình chuyển pha

L (kJ/kmol) Ẩn nhiệt chuyển pha

V2 – V1 (m3/mol) Hiệu thể tích mol của chất tinh khiết ở hai pha

cân bằng đang xét

Dựa vào phương trình (1), ta có thể tính toán và tìm ra ẩn nhiệt của quá trình bay hơi cũng như ẩn nhiệt của quá trình thăng hoa vật chất Trên cơ sở đó cho phép tính toán nhiệt lượng cần thiết cho quá trình thăng hoa trong quá trình sấy thăng hoa vật liệu

ẩm

1.1.4 Đồ thị động học của quá trình sấy thăng hoa

Kỹ thuật sấy thăng hoa có nhiều ưu điểm, tuy nhiên khá phức tạp, nó gồm có ba giai

đoạn nối tiếp nhau:

- Giai đoạn 1: là giai đoạn cấp đông sản phẩm (hay lạnh đông sản phẩm) để chuyển

toàn bộ ẩm trong thực phẩm từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn.[3]

- Giai đoạn 2: là giai đoạn thăng hoa, ẩm trong thực phẩm từ trạng thái rắn thăng

hoa qua trạng thái hơi không qua trạng thái lỏng [4]

- Giai đoạn 3: là giai đoạn sấy chân không, bốc hơi ẩm còn lại chưa thăng hoa hết hoặc không đóng băng trong giai đoạn lạnh đông cho đến khi thực phẩm khô

có độ ẩm đạt yêu cầu

 Giai đoạn làm lạnh đông

Trong giai đoạn này, sản phẩm được làm lạnh đông từ nhiệt độ của sản phẩm (20 ÷ 25)oC xuống đến nhiệt độ từ (-35 ÷ -30)oC, ở nhiệt độ này, nước trong thực phẩm đóng băng gần như hoàn toàn Mỗi loại thực phẩm sẽ có một nhiệt độ lạnh đông khác nhau, có loại thực phẩm khi ở nhiệt độ (-22 ÷ -20)oC thì nước bên trong đã kết tinh hoàn toàn Vì vậy, nhiệt độ lạnh đông có thể thay đổi tùy theo loại nguyên liệu lạnh đông, miễn là sau quá trình lạnh đông phải đảm bảo 100% nước trong nguyên liệu đã kết tinh hoàn toàn.[1]

Hình 2 cho ta thấy, đường (2) là nhiệt độ của vật liệu sấy, đồng thời trong giai đoạn này, áp suất của buồng sấy thăng hoa (đường (5)) cũng như buồng lạnh đông sản phẩm hầu như không thay đổi và bằng áp suất khí quyển, thực tế nó có xê dịch một chút nhưng xem như không đáng kể, bởi vì quá trình làm lạnh, nhiệt độ không khí giảm, dẫn đến áp suất giảm (thể tích buồng sấy thăng hoa không thay đổi và kín), ở giai đoạn này, lượng ẩm thoát ra rất

ít, chủ yếu là sự bay hơi và thăng hoa nước trên bề mặt thực phẩm sự thoát ẩm là do sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường sấy thăng hoa và lớp không khí sát bề mặt thực phẩm Ngoài ra, sự chênh lệch nhiệt độ thực phẩm lạnh đông với nhiệt độ môi trường lạnh đông cũng là nguyên nhân làm bay hơi ẩm để có xu hướng đạt trạng tháng cân bằng nhiệt.[1]

Hình 2 Đồ thị làm việc của buồng sấy thăng hoa

(Sử dụng nguồn nhiệt bức xạ)

Chú thích:

(I) - Lạnh đông (II) - Sấy thăng hoa (III) - Sấy chân không 1-Nhiệt độ môi trường lạnh đông;

2 - Nhiệt độ vật liệu;

3 - Độ ẩm vật liệu;

4 - Nhiệt độ môi trường sấy;

5 - Áp suất môi trường sấy;

6 - Nhiệt độ tấm gia nhiệt;

7 - Nhiệt độ cửa ra của buồng thăng hoa;

 Giai đoạn thăng hoa

Sau khi sản phẩm đạt tới nhiệt độ lạnh đông thích hợp, ngừng quá trình làm lạnh sản phẩm và kết thúc giai đoạn lạnh đông, lúc này bơm hút chân không bắt đầu làm việc, áp suất buồng sấy hạ rất nhanh tạo môi trường sấy là môi trường chân không, áp suất biến thiên hầu như không đổi (Pm = 0.001 ÷ 1) mmHg, được biểu diễn ở đường (5) Do sự chênh lệch áp suất riêng phần hơi nước ở sản phẩm Pn và áp suất hơi nước trong môi trường sấy Pnm quá lớn, đồng thời dòng điện bức xạ từ các tấm kim loại thoát ra để đốt nóng làm cho sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường sấy và sản phẩm sấy khá lớn Kết quả giai đoạn này, nước trong sản phẩm lạnh đông bắt đầu thăng hoa mãnh liệt, độ ảm giảm rất nhanh và gần như tuyến tính (đường (3)) Thực tế thì nhiệt độ sản phẩm sấy có tăng nhưng tốc độ rất chậm, ở thời gian cuối của giai đoạn này, nhiệt độ sản phẩm sấy tăng dần đến nhiệt độ kết tinh của

ẩm trong sản phẩm (Tkt = 0.0098oC), tại đây kết thúc giai đoạn thăng hoa.[1]

 Giai đoạn sấy chân không làm bay hơi ẩm còn lại

Cuối quá trình thăng hoa, nhiệt độ thực phẩm sấy đạt tới Tkt, áp suất môi trường sấy chân không vẫn không thay đổi dao động trong khoảng từ (0,001 ÷ 1) mmHg, nhưng

áp suất riêng phần của ẩm còn lại trong thực phẩm lớn hơn 4,58mmHg (áp suất của điểm 3 thể), vì vậy trạng thái của ẩm trong thực phẩm về trạng thái lỏng

Do áp suất không gian sấy là áp suất chân không (0,001 ÷ 1) mmHg và nó được duy trì bởi bơm chân không và thực phẩm sấy vẫn tiếp tục gia nhiệt bằng bức xạ nhiệt nên ẩm không ngừng biến đổi pha từ dạng lỏng sang dạng hơi khuếch tán hoặc bay hơi vào môi trường sấy trước khi đi về bình ngưng tụ - đóng băng Như vậy giai đoạn làm bay hơi lượng ẩm còn lại chính là giai đoạn sấy chân không bình thường Động lực cho quá trình bay hơi khuếch tán vẫn là sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước và nhiệt độ giữa thực phẩm và môi trường sấy

Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại trong thực phẩm sấy kết thúc khi nhiệt độ giữa các tấm gia nhiệt bức xạ, môi trường không gian sấy và thực phẩm sấy bằng nhau, xem hình 2 thì sẽ thấy đường 2, 4 và 6 giao nhau tại một điểm Tại điểm này sẽ xảy ra sự cân bằng nhiệt và cân bằng ẩm, lượng ẩm trong thực phẩm sấy không thể bốc hơi được nữa

và gần cuối giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại này hầu như lượng ẩm còn lại trong thực phẩm không đổi, đường độ ẩm thực phẩm sấy gần như nằm ngang (xem đường 3 của hình 2)

Quá trình dịch chuyển ẩm trong sấy thăng hoa khác với hệ thống dịch chuyển

ẩm trong các hệ thống sấy khác làm việc ở áp suất khí quyển (P = 760 mmHg = 1at) Khi thăng hoa, các phân tử nước không va chạm nhau bởi vì môi trường chân không tồn tại trường lực đàn hồi của không khí, các phân tử nước liên kết với nhau bởi lực đẩy

ra xa nên không thể va chạm điều này được chứng minh trong thuyết chuyển động các hạt vật chất trong môi trường chân không của Plank R Nhờ đó mà sấy thăng hoa có một ưu điểm rất lớn là bảo toàn được chất lượng sinh học của sản phẩm sấy Ngoài ra trong môi trường chân không các sản phẩm sấy không bị oxy hóa.[1]

1.1.5 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa

Các thiết bị chính trong hệ thống sấy thăng hoa

 Buồng thăng hoa

Yêu cầu kỹ thuật chung của buồng thăng hoa:

- Buồng thăng hoa phải kín tuyệt đối khi hút chân không

- Không gian đặt sản phẩm sấy phải có mật độ sản phẩm là lớn nhất và cường

Hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông là hệ thống sấy thăng hoa phức tạp nhất trong 3 loại hệ thống kể trên vì buồng thăng hoa cũng là buồng lạnh đông Phía dưới các tấm gia nhiệt đặt song song nhau trong không gian sấy phải bố trí các đường ống trao đổi nhiệt của dàn lạnh, đồng thời phải gắn các đường ống gia nhiệt để gia nhiệt trong quá trình sấy.[1]

 Thiết bị ngưng tụ - đóng băng (thiết bị hóa tuyết hay thiết bị ngưng ẩm)

Thông thường trong hệ thống sấy thăng hoa, cấu tạo thiết bị ngưng tụ - đóng băng thường được chế tạo ở hai dạng cơ bản:

- Thiết bị đóng băng có bộ phận cào – nạo tuyết

- Thiết bị đóng băng không có bộ phận cào – nạo tuyết

Vai trò của thiết bị này trong hệ thống sấy thăng hoa rất quan trọng Hơi ẩm bốc ra

từ sản phẩm được làm lạnh để hóa tuyết trước khi bơm chân không hút ra ngoài Nó đảm bảo cho bơm chân không làm việc ổn định, không gây va đập thủy lực dẫn đến làm bơm hư hỏng Ngoài ra nó còn làm nhiệt độ bơm chân không ổn định, cường độ bay hơi trong quá trình sấy thăng hoa ổn định, bởi vì nhiệt độ thiết bị ngưng tụ - đóng băng luôn ổn định

Ngoài ra, còn có các thiết bị khác như: Bơm chân không, hệ thống đường ống,

tấm truyền nhiệt (tấm lắc)

Hình 3 Cấu tạo buồng sấy thăng hoa tự lạnh

đông

1.4 NGUYÊN LIỆU SẤY THĂNG HOA

1.4.1 Nguyên liệu vô cơ và hữu cơ

Nguyên liệu sấy thăng hoa được hiểu theo nghĩa hẹp là các loại vật liệu sinh học (thực phẩm, dược phẩm, các chế phẩm sinh học,…) mà cơ thể có khả năng hấp thụ được [5][6] Trong thực tế, nguyên liệu tồn tại ở hai dạng: vô cơ và hữu cơ

- Dạng vô cơ thường là các loại muối khoáng, khoáng; chúng bổ sung các chất khoáng cần thiết cho cơ thể sống sinh trưởng và phát triển

- Dạng hữu cơ và các hợp chất sinh học như protein lipid, glucid, các hoạt chất sinh học,…có vai trò rất quan trọng cung cấp các chất dinh dưỡng và các chất cần thiết cho cơ thể sống sinh trưởng và phát triển

Quá trình sấy thăng hoa được tiến hành ở môi trường nhiệt độ và áp suất thấp, dưới điểm ba thể O (0.0098oC; 4.58mmHg) là nhiệt độ kết tinh của nước trong nguyên liệu, có nghĩa là nhiệt độ của nguyên liệu sấy dưới điểm kết tinh, áp suất môi trường sấy dưới 4.58 mmHg

Mặc dù sản phẩm sau sấy thăng hoa giữ được các tính chất ban đầu của nguyên liệu: protein không bị biến tính, lipid không bị oxy hóa và thủy phân; glucid không bị nhiệt phân, không bị hồ hóa; các hoạt chất sinh học, vitamin không bị phá hủy; màu sắc, mùi vị không thay đổi, độ co rút thấp, sản phẩm tạo được độ xốp, sản phẩm hoàn nguyên rất tốt… nhưng quá trình sấy thăng hoa tốn rất nhiều năng lượng, vì thế chỉ thích hợp sấy các loại nguyên liệu có giá trị dinh dưỡng, giá trị dược phẩm, giá trị kinh tế cao, mà các giá trị này dễ dàng bị mất đidưới tác dụng của nhiệt và không khí Chẳng hạn phương pháp sấy thăng hoa thích hợp sấy các nguyên liệu chứa các thành phần dinh dưỡng quý hiếm như sữa ong chúa, tổ yến,…, các loại dược liệu như nấm linh chi, nhân sâm,…

1.4.2 Nguyên liệu khô tuyệt đối và nguyên liệu ẩm

 Nguyên liệu khô tuyệt đối

Nguyên liệu không chứa ẩm và hơi ẩm gọi là vật liệu rắn khô tuyệt đối Trong thực

tế có muối khan được coi là nguyên liệu khô tuyệt đối Các hợp chất sinh học sấy đến khối lượng không đổi cũng được xem là nguyên liệu khô tuyệt đối.[7]

 Nguyên liệu ẩm

Các loại hợp chất hữu cơ là sản phẩm trong các lĩnh vực y học, công nghệ sinh học, công nghệ enzyme, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm trong công nghệ thực phẩm, thường không tồn tại dạng vật rắn khô tuyệt đối, bởi vì khi chúng tiếp xúc với không khí ẩm, chính các vật liệu hữa cơ này rất ưa nước và háu nước sẽ hút hơi ẩm từ bên ngoài vào bên trong và liên kết dưới dạng cơ, lý, hóa với vật liệu Mặt khác, bản thân các loại vật liệu này luôn tồn tại một lượng ẩm nhỏ liên kết dưới dạng liên kết hóa học rất khó tách trong quá trình sấy Vật liệu rắn, có chứa ẩm bên trong, bản thân của chúng ở các dạng cơ, lý, hóa, gọi là vật liệu ẩm.[7][1]

Đối với các loại thực phẩm: thịt gia súc, gia cầm, tôm, cá, rau quả, các loại dược liệu, các chế phẩm sinh học là các loại nguyên liệu có hàm lượng ẩm chiếm tỷ lệ rất lớn, liên kết ẩm với chất khô tuyệt đối ở các dạng cơ, lý, hóa rất phức tạp Vì thế, các thông số nhiệt vật lý sẽ thay đổi theo quy luật phức tạp, ảnh hưởng lớn đến việc trao đổi nhiệt tách ẩm trong các quá trình sấy nói chung và sấy thăng hoa nói riêng mà hiện nay chưa có số liệu.[7][1]

Khi đánh giá đặc tính ẩm có trong nguyên liệu chúng ta thường quan tâm đến hai vấn đề: số lượng (hàm lượng nước có trong nguyên liệu) và chất lượng (dạng liên kết giữa

ẩm với nguyên liệu và năng lượng liên kết của chúng) Các đặc tính cơ, lý, hóa của vật liệu

ẩm không những phụ thuộc vào bản chất nhiệt – vật lý của vật liệu khô tuyệt đối mà còn cả

độ ẩm và các dạng năng lượng liên kết Vì vậy ứng với loại nguyên liệu khác nhau nếu thực hiện quá trình sấy tách ẩm sẽ có thời gian sấy khác nhau.[7][1]

Hàm lượng ẩm có trong nguyên liệu được đánh giá qua hai thông số cơ bản sau: độ

ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối Sự biến thiên hàm ẩm theo thời gian hay sự biến thiên tốc

độ bay hơi ẩm theo thời gian cho phép chúng ta xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy.[1]

Độ ẩm tương đối: còn gọi là độ ẩm toàn phần là phần trăng khối lượng nước chứa trong một đơn vị khối lượng nguyên liệu , được xác định theo biểu thức 𝑊 = 𝐺𝑛

𝐺 𝑥 100%

Độ ẩm tuyệt đối là phần trăm nước chứa trong một đơn vị khối lượng nguyên liệu khô, xác định theo biểu thức U = 𝐺𝑛

𝐺𝑐𝑘 x 100%

(Trong đó: Gn, Gck, G (kg) là khối lượng ẩm, khối lượng chất khô, khối lượng nguyên liệu ẩm)

1.4.1.3 Sự liên kết ẩm trong vật liệu ẩm

 Đặc trưng vật lý cơ bản của nước trong VLA

Tại mỗi chỉ số áp suất và nhiệt độ khác nhau (điều kiện môi trường khác nhau) thì nước trong VLA có thể tồn tại ở trạng thái rắn, lỏng, hơi

Ở điều kiện bình thường, nhiệt độ môi trường và áp suất khí quyển (Pkq = 1at) ẩm trong vật liệu thường ở trạng thái lỏng, nhưng khi hạ thấp nhiệt độ xuống dưới điểm đóng băng thì ẩm từ thể lỏng chuyển sang thể rắn

 Đặc tính hấp phụ và mao dẫn

Nghiên cứu cơ chế của nước liên kết với VLS nói chung và trên một bề mặt vật rắn nói riêng có ý nghĩa đặc biệt quan trong trong kỹ thuật sấy Chế độ sấy tối ƣu là chế độ sấy cho phép vừa đủ năng lƣợng cho nước thắng các lực liên kết để dịch chuyển từ trong VLS ra bề mặt và đi vào tác nhân để thải vào môi trường Bản chất các liên kết giữa nước

và vật liệu là hiện tượng hấp phụ, hiện tượng mao dẫn

Việc hấp phụ nước vào vật liệu được chia làm hai loại: hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý

- Hấp phụ hóa học: Hiện tượng liên kết bền vững giữa các phân tử nước và các phân

tử hấp phụ thông qua việc trao đổi điện tử vòng ngoài (hay còn gọi là tính ngậm nước nên rất bền vững

- Hấp phụ vật lý: Hiện tượng liên kết giữa các phân tử của nước và các phân tử vật hấp phụ không có sự trao đổi ion mà chỉ do sức căng bề mặt ngoài (hệ quả của sức căng bề mặt ngoài là do lực mao quản gây ra) Nước và vật rắn là các hệ độc lập với nhau về mặt hóa học Nước có trong vật liệu sấy chủ yếu do hấp thụ vật lý

1.4.3 Các đặc tính của nước trong nguyên liệu

 Các thông số nhiệt vật lý quan trọng của nước

Đã có nhiều nghiên cứu quan trọng về tính chất nhiệt vật lý của nước (H2O) trong các quá trình biến đổi pha của nước từ các trạng thái khí, lỏng, rắn khác nhau Dưới đây là bảng tổng hợp các thông số nhiệt vật lý quan trọng của nước, mô tả động học cho quá trình sấy

Bảng 2: Các thông số nhiệt vật lý của nước [1]

Ký hiệu Đơn vị đo Thông số nhiệt vật lý Phương trình hay giá trị

Tkt oC Nhiệt độ kết tinh 0 (tại áp suất 760 mmHg)

Ts oC Nhiệt độ sôi (bay hơi) Ts = 100√P4 s – 0.06.Ps

 Sự liên kết nước trong nguyên liệu ẩm

Ẩm trong nguyên liệu được chia thành hai loại cơ bản là ẩm tự do và ẩm liên kết

Ẩm tự do

Là loại ẩm không tham gia cấu tạo nên cấu trúc tế bào của nguyên liệu, chúng liên kết với nguyên liệu chủ yếu ở dạng liên kết cơ – lý (hấp phụ vật lý và mao dẫn)

Đối với các loại thực phẩm, dạng ẩm tự do chiếm hàm lượng lớn, năng lượng dung để tách lượng ẩm này ra nhỏ và dễ dàng tách ra để kết tinh trong quá trình làm lạnh cũng như bốc hơi trong quá trình sấy và sấy thăng hoa Đây là đối tượng ẩm chính, cần tách ra khỏi nguyên liệu trong quá trình sấy.[1]

Ẩm liên kết

Là loại ẩm tham gia vào cấu trúc tế bào của nguyên liệu, chúng liên kết với nguyên liệu

ở dạng liên kết hóa học (liên kết ion, cộng hóa trị,…hấp phụ hóa học…)

Đối với các loại thực phẩm, dạng ẩm liên kết chiếm hàm lượng nhỏ, năng lượng dùng

để cắt đứt liên kết dạng này rất lớn và khó tách ra trong quá trình lạnh đông và sấy hay sấy thăng hoa thực phẩm.[1]

Nghiên cứu cơ chế của nước liên kết với nguyên liệu nói chung và trên một bề mặt nguyên liệu nói riêng có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật sấy Chế độ sấy tối ưu là chế độ cung cấp vừa đủ năng lượng cho nước trong nguyên liệu thắng các lực liên kết cơ – lý – hóa giữa nước và nguyên liệu ra bề mặt và bốc hơi vào môi trường Hay nói rõ hơn là các liên kết giữa nước và nguyên liệu (chủ yếu là liên kết hấp phụ vật lý) là những liên kết cần được loại bỏ sau quá trình sấy

1.4.4 Các tính chất nhiệt vật lý quan trọng của nguyên liệu sinh học ảnh hưởng đến quá trình lạnh đông và sấy thăng hoa

 Độ nhớt và quan hệ giữa độ nhớt với chất lượng của nguyên liệu sinh học

Điều cần lưu ý đầu tiên khi nói về độ nhớt đó là đại lượng này chỉ đặc trưng cho các nguyên liệu sinh học ở dạng dung dịch Theo định luật ma sát của Newton, độ nhớt của dung dịch chất lỏng phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ và đặc biệt là sự liên kết giữa dung môi và chất tan Tại một giá trị nồng độ và nhiệt độ xác định, sự liên kết giữa dung môi và chất tan của dung dịch giảm thì độ nhớt của dung dịch giảm và ngược lại

Có thể nói, xác định độ nhớt của nguyên liệu sinh học có thể xác định chất lượng của nguyên liệu sinh học vì độ nhớt của nguyên liệu sinh học đặc trưng cho sự liên kết giữa các phân

tử nước và các thành phần chất khô, nhất là các phân tử protein Nếu như sau quá trình sấy, protein

bị biến tính thì khả năng hoàn nguyên của nguyên liệu sinh học sẽ giảm đi, hay nói cách khác, nguyên liệu sinh học đã trải qua quá trình sấy sau khi hoàn nguyên có độ nhớt khác với độ nhớt ban đầu của chúng thì chất lượng của nguyên liệu đó bị giảm sau quá trình sấy.[1]

 Nhiệt dung riêng của nguyên liệu sinh học

Nhiệt dung riêng của nguyên liệu sinh học là lượng nhiệt cần thêm vào (lấy ra) để làm thay đổi nhiệt độ 1oC (1K) trên một đơn vị khối lượng của chúng.[1]

Nhiệt dung riêng của nguyên liệu sinh học là thông số nhiệt vật lý quan trọng dùng để xác định tỷ lệ nước đóng băng động học của quá trình lạnh đông và quá trình sấy thăng hoa bảo quản sản phẩm thực phẩm.[1]

Tùy vào mỗi loại thực phẩm sẽ có những thành phần chất khô khác nhau Dưới đây là bảng thống kê nhiệt dung riêng của một số thành phần chất khô có thể có trong thực phẩm

Bảng 3: Nhiệt dung riêng của các thành phần chất khô.[1]

Phương trình c = f (T) (-55 o C ≤ T ≤ 75 o C, J/(kg.K))

1 Xem ở bảng 2 Protein Xt p2 cp r o = 2008,2 + 1208,9.10-3.T + 1312,9.10-6.T2 Glucid Xt p3 cg l u = 1548,8 + 1962,5.10-3.T + 5939,9.10-6.T2 Lipid Xt p4 cl i p= 1984,2 + 1473,3.10-3.T + 4800,8.10-6.T2 Chất khoáng Xt p5 ca s h = 1092,6 + 1889,6.10-3.T + 3681,7.10-6.T2 Thành phần các hợp chất đa lượng Xt p6 ci m = 1296,78

 Khối lượng riêng của nguyên liệu sinh học

Khối lượng riêng của nguyên liệu sinh học là một trong những thông số nhiệt vật lý cần thiết dùng để tính toán động học cho quá trình sấy thăng hoa

Bảng 4: Khối lượng riêng của thành phần chất khô.[1]

6 𝜌i m = 1017,29

 Hệ số dẫn nhiệt của thành phần chất khô

Hệ số dẫn nhiệt của nguyên liệu sinh học là thông số nhiệt vật lý quan trọng dùng để tính toán cân bằng nhiệt xác định động học của quá trình sấy thăng hoa và lạnh đông

Bảng 5: Hệ số dẫn nhiệt của thành phần chất khô.[1]

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN

2.1 QUY HOẠCH MẶT BẰNG, XÂY DỰNG NHÀ XƯỞNG VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG

2.1.1 Những lưu ý khi thiết kế và xây dựng mặt bằng nhà xưởng

Trước khi quyết định xây dựng một phân xưởng hay nhà máy, các chủ doanh nghiệp cần có sự tìm hiểu, nghiên cứu cũng như chuẩn bị kỹ lưỡng về tất cả các yếu tố liên quan đến sản xuất, nhân công, điều kiện tự nhiên, con người,…cùng rất nhiều yếu tố khác Một số lưu ý khi thiết kế mặt bằng nhà máy như sau:

 Đặc điểm thiên nhiên:

- Đặc điểm mặt bằng nhà máy cần phù hợp với cấu tạo địa chất nơi xây dựng nhà máy: nơi xây dựng nhà máy cần là nơi bằng phẳng, hạn chế gần vùng đồi núi hay thung lũng, nơi thường xuyên có thiên tai, sạc lở đất,…

- Hướng gió: quyết định tổng mặt bằng nhà máy, nên xây nhà máy theo hướng chắn gió

- Các số liệu, thông tin về khí tượng, thủy văn: nhiệt độ, độ ẩm, mực nước ngầm,…

 Đặc điểm kinh tế

Cần xây dựng nhà máy ở những nơi có nền công nghiệp ổn định, gần lưới điện quốc gia, giao thông thuận tiện, dân cư tập trung đông đúc thuận tiện cho việc tìm kiếm nhân sự

 Vùng nguyên liệu:

Nhà máy xây dựng tại nơi gần nguồn cung cấp nguyên liệu, nhiên liệu là một thuận lợi,

có thể cắt giảm chi phí vận chuyển, các loại thuế, giúp cho việc cung cấp nguyên liệu đầu vào cho quy trình sản xuất ổn định hơn, cũng như quá trình làm việc của nhà máy liên tục, tránh gián đoạn

vì trục trặc nhiên liệu

Đối với nguyên liệu là Nấm đông trùng hạ thảo – một loại nguyên liệu sinh sống và phát triển chủ yếu tại nơi có khí hậu lạnh, độ ẩm tương đối như phía Bắc nước ta Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện loại nguyên liệu này chưa phát triển rộng rãi và ít được tìm thấy Con người chủ yếu phát hiện Nấm đông trùng hạ thảo phát triển nhiều ở các vùng núi thuộc dãy Himalaya, Trung Quốc, vì vậy, nguồn hàng cho loại sản phẩm này chủ yếu được nhập khẩu từ nước ngoài Bên cạnh đó, ngày nay, ở Việt Nam đã nuôi trồng thành công Nấm đông trùng hạ thảo tại nơi có nhiệt

độ và độ ẩm thích hợp như phía Bắc nước ta, hay các vùng cao nguyên như Lâm Đồng, các Viện nghiên cứu tại Đà Lạt,…

Từ tình hình nguyên liệu như trên, có thể tiến hành xây dựng nhà máy sấy thăng hoa nấm đông trùng hạ thảo tại vùng đồng bằng có nền công nghiệp ổn định phía Bắc và gần các cảng hàng hải, hàng không như Hải Phòng, Nam Định, Hà Nội, Nghệ An,…

 Khả năng liên kết, hợp tác hóa: là các thuận tiện về thị trường tiêu thụ, cơ sở cung ứng nguyên nhiên liệu, dịch vụ vận chuyển, vật tư xây dựng,…

 Một số lưu ý khác như: Giao thông thuận tiện (đường bộ, đường sắt, hàng không, đường thủy), điều kiện lắp đặt hệ thống thoát nước, nhân công,…

2.1.2 Thiết kế mặt bằng phân xưởng – nhà máy

Sau khi tìm kiếm được vị trí mặt bằng phù hợp cho nhà máy, cần tiến hành thiết kế tổng thể nhà máy Quy trình thiết kế một nhà máy mới có thể có hai dạng là:

- Thiết kế mới: dựa trên dự kiến hoặc yêu cầu cụ thể của địa phương hoặc khu vực về các điều kiện tự nhiên và đựa theo yêu cầu và tiêu chuẩn sản xuất của mặt hàng, của doanh nghiệp

- Thiết kế mẫu (thiết kế định hình): dựa trên các điều kiện, giả thiết chung nhất, có thể xây dựng ở bất cứ địa điểm nào Bản thiết kế được sử dụng nhiều lần, bảo toàn những phần cơ bản, chỉ thay đổi vị trí lắp đặt cho phù hợp với các điều kiện như điện, nước, nhiên liệu,…[10]

Việc bố trí các thiết bị trong nhà xưởng cũng cần tuân theo những nguyên tắc nhất định Dưới đây là 7 nguyên tắc bố trí thiết bị trong nhà xưởng [10]

1 Các thiết bị phải đặt theo thứ tự và liên tục nhau thành một dây chuyền, rút ngắn nhất quãng đường và thời gian vận chuyển

2 Các thiết bị có thể sắp xếp ngang hàng nhau hoặc cũng có thể xếp máy này trên máy kia trong những trường hợp cần thiết nhằm tiết kiệm diện tích , tiết kiệm bơm, vừa đảm bảo chất lượng sản phẩm cao

3 dây chuyền sản xuất phải đi theo chiểu liên tục, không quẩn quanh tại một chỗ hay quay lại vị trí cũ Dây chuyền có thể nhập lại hoặc tỏa ra theo yêu cầu kỹ thuật

4 Cần triệt để sử dụng diện tích khu nhà

5 Đối với các thiết bị lớn nên đặt sâu vào trong phân xưởng

6 Để đảm bảo vệ sinh và các điều kiện an toàn về lao động, cần tuân theo một số quy định sau:

 Các dàn đặt thiết bị, trên đó có công nhân làm việc hoặc phải thường xuyên quan sát, hoặc phải làm sàn rộng 1.5 đến 2 mét, có thang lên rộng trên 0.7m, và sàn làm cao cách mặt nền nhà từ 2m trở lên

 Những thiết bị đặt sâu xuống đất như thùng chứa, nồi thanh trùng,… phải có nắp đậy kín hoặc có thành cao so với nền nhà là 0.8m

 Các đường ray để cho hệ thống dây điện chạy phải cao trên 4m, đường ray có thể gắn trên xà, kê trên cột hoặc tường, để tiết kiệm và thuận tiện thường làm đường ray khép kín

 Tại những khu vực sử dụng nhiệt nhiều, áp lực hơi lớn không được có cửa kính và phải có tường ngăn cách riêng cao 1.8m trở lên

 Giữa các máy với phần xây dựng của nhà phải có khoảng cách nhất định để đi lại Cần phải bố trí sao cho thuận tiện trong việc thao tác và sửa chữa ở từng thiết bị

 Khoảng cách trống giữa hai dãy mái phải trên 1.8m Trường hợp có xe qua lại thì khoảng cách này phải trên 3m Ở những vị trí cần thiết, có thể chừa khoảng cách đi lại từ 0.8 đến 1m

7 Các điều kiện bảo hiểm:

 Phân xưởng dài phải làm thêm các cửa phụ để thoát người nhanh khi xảy ra sự cố bên trong Dây chuyền không nên kéo quá dài mà không có chỗ qua lại

 Các thiết bị áp lực hoặc chân không phải cách nhau trên 0.8m

 Các đường ống dẫn phải sơn đúng màu quy định Đường ống hơi và các bộ phận truyền nhiệt phải được bao cách nhiệt

 Các thiết bị làm việc dưới áp lực và chân không cần phải có áp kế và van an toàn

2.1.3 Thiết kế mặt bằng nhà xưởng và lắp đặt hệ thống

Sau khi khảo sát, nghiên cứu tình hình kinh tế, tự nhiên và chọn được mặt bằng thích hợp, có thể tiến hành xây dựng nhà xưởng theo mô hình như sau

2.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN

2.2.1 Tổng quan về nguyên liệu nấm đông trùng hạ thảo

Nấm dược liệu từ lâu đã là một phần quan trọng của văn hóa và nền văn minh nhân loa ̣i, đă ̣c biê ̣t các loài trong giống Cordyceps được đánh giá cao do chứa nhiều hợp chất dược liệu.[8] Giống Cordyceps có hai loài hiê ̣n nay đang được nghiên cứu rất nhiều về chiết xuất

Đường đi của nguyên liệu, sản phẩm

Hình 3 Sơ đồ tổng thể mặt bằng xây dựng nhà máy

và sản xuất do có giá tri ̣ dược liê ̣u và giá tri ̣ kinh tế cao Nấm đông trùng hạ thảo Ophiocordyceps sinensis (hay còn gọi là Cordyceps sinensis) là một loại nấm dược liệu có phân bố rất hạn chế trong tự nhiên và được nuôi trồng trong điều kiê ̣n hoang dã, loài nấm này hiện tại vẫn chưa được nuôi trồng thành công trong môi trường nhân ta ̣o, do đó sản lượng nấm thu được không đáp ứng đủ nhu cầu của thị trường Loài đông trùng hạ thảo Cordyceps militaris (thường được gọi nấm cam sâu bướm), chứa các hợp chất hóa học tương tự như của O.sinensis, nhưng có thể dễ dàng nuôi trồng trong môi trường nhân ta ̣o Hiê ̣n nay, đã có nhiều nghiên cứu về quy trı̀nh nuôi trồng nấm C militarisis nhằm thay thế cho loài O Sinensis và có nhiều nghiên cứu quan trọng về gen, nhu cầu dinh dưỡng, môi trường nuôi cấy, các đặc tính sinh hóa và dược lý của nấm C militaris Gần đây, bộ gen hoàn chỉnh của C militaris cũng được giải trình tự làm cơ sở cho nhiều nghiên cứu sâu hơn về loa ̣i nấm này.[9]

Có hơn 400 phân loài Cordycepss đã tìm thấy và mô tả, tuy nhiên chỉ có khoảng 36 loài được nuôi trồng trong điều kiện nhân tạo để sản xuất quả thể Trong số những loài này, chỉ có loài C militaris đã được trồng ở quy mô lớn do nó có dược tính rất tốt và có thời gian sản xuất ngắn Quả thể của nấm Cordyceps militaris dùng làm thực phẩm, dùng trong các món hầm, súp, trà ở các nước Đông Nam Á như Hongkong, Đài Loan, Trung Quốc Lượng

an toàn ı́t hơn 2.5 g/kg thể trọng Quả thể và sinh khối nấm cũng được sử dụng làm thuốc và bồi bổ sức khỏe như nước uống, viên nhộng, rượu, dấm, trà, yogurt, và nước chấm Các loại thuốc từ nấm này dùng duy trì chức năng thận, phổi, chống lão hóa, điều hòa giấc ngủ, viêm phế quản mãn tı́nh Hiện có hơn 30 loa ̣i sản phẩm chăm sóc sức khỏe từ C militaris trên thi ̣ trường.[9]

Theo kết quả điều tra của công ty Công nghệ Baoli Laoning (Trung Quốc) cho thấy thực phẩm chức năng từ nấm có tiềm năng rất lớn tại Trung Quốc đạt doanh thu 70 tỷ nhân dân tệ, Nhật Bản đạt 3,6 tỷ USD năm 1990, Mỹ đạt 3,5 tỷ USD năm 1990 Các sản phẩm thuốc và thực phẩm chức năng từ nấm Cordyceps militaris chiếm thị trường rất lớn trên thế giới Giá thi ̣ trường của các sản phẩm như Công ty Zeolite bán 41,95USD/ lọ 90 viên (650mg/viên), Cordygen 19,95 USD/lọ 90 viên.[9]

2.2.2 Các đặc điểm sinh học của nấm đông trùng hạ thảo

 Phân loại và mô tả nấm Cordyceps militaris

Cordyceps militaris là loài nấm thuô ̣c ho ̣ Cordycipitaceae, giống Cordyceps Loài này được Carl Linnaeus mô tả vào năm 1753 với tên gọi Clavaria militaris (Bảng 2)

Cordyceps Fr là chi đa dạng nhất trong ho ̣ Clavicipitaceae về số lượng loài và phổ ký chủ Ước tính có hơn 400 loài trong giống này Nấm Cordyceps militaris thuộc giới Nấm, chi Ascomycota, lớp Sordariomycetes, bộ Hypocreales, họ Cordycipitaceae, giống Cordyceps

và loài C Militaris Tên khoa học Cordyceps militaris (L.)

Nấm đông trùng hạ thảo Cordyceps militaris là loài nấm ký sinh trên bướm và sâu bướm, có màu cam, chiều dài 8-10 cm Đầu quả thể nấm có các đốm màu cam sáng Quả thể nấm nhô lên từ xác ấu trùng hoặc nhộng, mặt cắt dọc quả thể có màu nhạt, rỗng

ở giữa (Hı̀nh 3) Các nang bào tử dài từ

300-510 micro mét, bề rộng 4 micro mét Các bào

tử nang hình sợi, không màu và phân đoạn, kích thước 3.5-6 × 1- 1.5 micro mét Các bào

tử nang này trong điều kiện nghèo dinh dưỡng sẽ đứt ra và nảy chồi ta ̣o các bào tử thứ cấp Nấm này có phân bố rộng, ở Bắc Mỹ, châu Âu và châu Á

 Chu trı̀nh sống của nấm Cordyceps militaris

Giống như hầu hết các loài Cordyceps khác, C militaris là một loài nấm ký sinh trên côn trùng và ấu trùng của côn trùng Loài này chủ yếu lây nhiễm ở giai đoạn nhộng của các loài bướm khác nhau, rồi nhân lên trong cơ thể ký chủ vào mùa đông Bào tử nấm theo gió dı́nh vào bên ngoài ký chủ, sau đó từ bào tử hı̀nh thành các ống nảy mầm có các thể bám Các ống này tiết ra các enzyme như lipase, chitinase, protease làm tan vỏ ngoài của ký chủ và xâm nhâ ̣p vào bên trong cơ thể Sau đó hê ̣ sợi nấm hút dinh dưỡng và sinh trưởng ma ̣nh mẽ chiếm toàn bộ cơ thể và gây chết ký chủ Đến cuối hè hoă ̣c thu quả thể nhô ra ngoài để phát tán bào tử vào không khí Các quả thể nấm C militaris thường có màu vàng nhạt hoặc màu da cam

Nấm Cordyceps militaris có các da ̣ng bào tử khác nhau trong chu trı̀nh sống của nấm (Hı̀nh 4) Ở các điều kiê ̣n môi trường khác nhau, sự hı̀nh thành các da ̣ng bào tử cũng

Hình 4 Nấm Cordyceps militaris và

mă ̣t cắt do ̣c quả thể chứa các bào tử

cho thấy sự khác biê ̣t, như viê ̣c ta ̣o bào tử tròn ta ̣o ra trên môi trường nuôi cấy rắn hoă ̣c các chồi bào tử ta ̣o ra trên môi trường nuôi cấy lỏng

 Ký chủ

Nấm Cordyceps militarisis là loài được nghiên cứu kỹ nhất trong tất cả các loài của giống Cordyceps Sự đa da ̣ng về hı̀nh thái và khả năng thích nghi của loài này ở nhiều sinh cảnh khác nhau có thể là nguyên do khiến chúng có mă ̣t ở nhiều vùng địa lý và sinh thái trên trái đất Ký chủ phổ biến của loài C.militaris trong tự nhiên bao gồm ấu trùng và nhộng của các loài bướm Ngoài ra, còn có các ký chủ khác như các loài côn trùng thuộc bộ cánh cứng (Coleoptera), bô ̣ cánh màng (Hymenoptera), và bộ hai cánh (Diptera) Vı́ dụ như Ips sexdentatus, Lachnosterna quercina, Tenebrio molitor (thuộc bô ̣ cánh cứng), Cimbex similis (thuô ̣c bộ cánh màng), và Tipula paludosa (thuộc bộ hai cánh) (Bảng 2)

Trong tự nhiên có nhiều loài Cordyceps có hı̀nh thái tương tự hoă ̣c gần giống loài C.militaris, bao gồm C cardinalis G.H Sung & Spatafora, C Kyusyuensis A Kawam., C.pseudomilitaris HywelJones & Sivichai, C rosea Kobayasi & Shimizu, C roseostromata Kobayasi & Shimizu, C.washingtonensis Mains, và mô ̣t số loài khác

Bảng 6: Một số ký chủ thuộc các phân lớp khác của nấm Cordyceps militaris

Coleoptera Scarabaeidae Lachnosterna quercina

Diptera Tipulidae Tipula paludosa

Hymenoptera Cimbicidae Cimbex similis

Lepidoptera Bombycidae Andraca bipunctata

2.2.3 Gia ́ tri ̣ dược liê ̣u của nấm Cordyceps militaris

 Các hợp chất dược liệu

Các hợp chất dược liê ̣u của loa ̣i nấm Cordyceps militaris ứng dụng trong điều tri ̣

bê ̣nh và nâng cao sức khỏe con người, do đó loài nấm này có giá tri ̣ kinh tế cao Nấm Cordyceps militaris rất khan hiếm trong tự nhiên Vì vậy, việc sản xuất ở quy mô lớn các chiết xuất từ nấm phục vụ nghiên cứ u và điều tri ̣ bệnh từ Cordyceps militaris hiện đang là một vấn đề cấp thiết.[9]

- Các hợp chất chống ung thư: Hợp chất cordycepin (3′-deoxyadenosine) từ nấm cho thấy có hoa ̣t tính kháng vi sinh vật, kháng ung thư, ngừa di căn, điều hòa miễn dịch.[9]

- Hoạt tı́nh kháng oxy hóa: Các nghiên cứu cho thấy hợp chất CM-hs-CPS2 chứa trong dịch chiết nấm C.militaris có tı́nh kháng DPPH, hoa ̣t tı́nh khử và ta ̣o phức ở nồng độ (8 mg/ml) là 89%, 1,188 và 85%.[9]

- Tăng số lượng tinh trùng: Nghiên cứu trên lợn cho thấy khi dùng chế phẩm từ Cordyceps militaris, số lượng tinh trùng tăng, số phần trăm tinh trùng di động và hı̀nh dạng bı̀nh thường tăng Hiệu quả này được duy trı̀ thâ ̣m chı́ sau 2 tuần ngưng sử dụng chế phẩm Lượng cordycepin trong tế bào tăng trong thời gian sử dụng chế phẩm nên có khả năng chất này làm tăng lượng tinh di ̣ch và chất lượng tinh trùng ở lợn.[9]

Hình 5 Các dạng bào tử của nấm Cordyceps militaris

- Hạn chế vius cúm: Acidic polysaccharide (APS) tách chiết từ nấm Cordyceps militaris trồng trên đậu nành nảy mầm có khả năng ứng dụng trong điều tri ̣ cúm A Chất này góp phần điều hòa hoạt động miễn dịch của các đa ̣i thực bào.[9]

- Kháng khuẩn kháng nấm và kháng ung thư: C militaris: protein (CMP) tách chiết từ nấm có kı́ch thước 12kDa, pI 5.1 và có hoa ̣t tı́nh trong khoảng pH 7 Protein này ức chế nấm Fusarium oxysporum và gây độc đối với tế bào ung thư bàng quan (Byung-Tae et al., 2009) Hợp chất cordycepin còn cho thấy khả năng kháng vi khuẩn Clostridium Các hợp chất dẫn xuất từ nấm được mong đợi ứng dụng trong viê ̣c điều tri ̣ các bê ̣nh nhiễm khuẩn đường ruột (Young-Joon et al., 2000) Cordycepin ngăn sự biểu hiê ̣n của gen T2D chi ̣u trách nhiê ̣m điều hòa bê ̣nh tiểu đường thông qua viê ̣c ức chế các đáp ứng phản ứng viêm phụ thuộc NF-κB, do đó được hy vọng sẽ ứng dụng được như một chất điều hòa miễn di ̣ch dùng trong điều tri ̣ các bê ̣nh về miễn di ̣ch.[9]

- Tan huyết khối: Enzyme tiêu sợi huyết tách chiết từ nấm Cordyceps militaris có hoạt tính gắn fibrin, và do đó xúc tiến viê ̣c phân hủy fibrin Enzyme này có khả năng sử dụng trong điều trị tan huyết khối tương tự như các enzym fibrinolytic mạnh khác như nattokinase

và enzyme chiết từ giun đất Khi enzyme này có thể sản xuất ở quy mô lớn sẽ là mô ̣t giải pháp thay thế hữu hiê ̣u cho các enzym fibrinolytic giá thành cao hiện đang được sử dụng cho bệnh tim lão hóa ở người.[9]

- Tı́nh kháng viêm: Để xác định tác dụng kháng viêm của nấm, di ̣ch chiết từ quả thể nấm Cordyceps militaris (CMWE) được thử nghiê ̣m về tác dụng kiểm soát lipopolysaccharide (LPS) (chịu trách nhiệm kı́ch thı́ch viê ̣c sản xuất nitric oxide), viê ̣c phóng thı́ch yếu tố hoại tử khối u α (TNF-α) và interleukin-6 (IL-6) của tế bào RAW 264,7 Các đại thực bào được xử lý với nồng độ khác nhau của CMWE làm giảm đáng kể LPS, TNF-α và IL-6 và mức độ giảm theo nồng độ của di ̣ch chiết Những kết quả này cho thấy rằng CMWE

có tác dụng ức chế mạnh đến viê ̣c sản xuất các chất trung gian gây viêm của tế bào.[9]

- Các ứng dụng trên lâm sàng của nấm Cordyceps militaris: Mặc dù nấm Cordyceps sinensis được sử dụng rộng rãi hơn Cordyceps militaris, tuy nhiên các ứng dụng lâm sàng của chú ng cũng khá tương tự nhau Các chiết xuất từ nấm Cordyceps militaris có thể được

sử dụng trong các trường hợp suy giảm chức năng phổi, ho có đờm, chóng mặt.[9]

 Các thành phần hóa học của nấm Cordyceps militaris

Theo số liệu nghiên cứu về thành phần hóa học của thể quả nấm C.militaris cho thấy loài nấm này chứa các thành phần như protein chiếm 40,69%; các loại vitamin: vitamin A (34,7 mg/gam), vitamin B1 (13,0 mg/gam), vitamin B6 (62,2 mg/gam), vitamin B12 (70,3 mg/gam), vitamin B3 (42,9 mg/gam); các nguyên tố khoáng: Se (0,44 ppm), Zn (130,0 ppm),

Cu (29,15 ppm); hợp chất hóa học và nhóm hợp chất quan trọng: cordycepin (1,52%), cordycepic acid (11,8%), polychaccaride (30%).[9]

Acid amin

Kết quả nghiên cứ u của Hyun (2008) cho thấy trong quả thể nấm Cordyceps militaris có chứa lượng acid amin tổng số cao hơn trong sinh khối nấm (69,32 mg/g trong quả thể và 14,03 mg/g trong sinh khối nấm) Khối lượng acid amin mỗi loa ̣i trong quả thể và sinh khối nấm cũng có sự chênh lê ̣ch, dao động từ 1,15-15,06 mg/g và 0,36-2,99 mg/g Thành phần acid amin của mỗi loại trong quả thể bao gồm: lysine (15,06 mg/g), glutamic acid (8,79 mg/g), prolin (6,68 mg/g), threonine (5,99 mg/g), arginine (5,29 mg/g), và alanine (5,18 mg/g) in the fruiting body Số liệu phân tích củ a Chang và ctv (2001) cho thấy phần lớn trong sinh khối nấm chứa acid aspartic (2,66 mg/g), valine (2,21 mg/g) và tyrosine (1,57 mg/g).[9]

Acid béo

Quả thể nấm Cordyceps militaris chứa nhiều acid béo không no, chiếm 70% tổng

số acid béo, trong đó lượng acid linoleic chiếm đến 61,3% trong quả thể và 21,5% trong sinh khối Lượng acid béo no chủ yếu là acid palmitic, chiếm 24,5% trong quả thể và 33,0% trong sinh khối.[9]

Adenosine và cordycepin

Adenosine và cordycepin là hai hợp chất có dược tính cao của nấm Cordyceps militaris Adenosine chiếm 0,18 % trong quả thể và 0,06 % trong sinh khối nấm Đối với hợp chất cordycepin, trong quả thể có hàm lượng cao gấp 3 lần so với sinh khối (0,97 % so với 0,36 %).[9]

Polysaccharide

Các polysaccharide CPS-1 và CPS-2 được tách chiết từ nấm Cordyceps militaris cho thấy chúng có thành phần từ các đơn phân là các đường monosaccharide, mannose và

galactose Kết quả nghiên cứu cho thấy hai loa ̣i polysaccharide này có khả năng phục hồi các tổn thương gan do ethanol, và tác dụng này tăng lên khi tăng liều dùng chiết xuất.[9]

2.3 SƠ ĐỒ NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN

Quá trình sấy thăng hoa gồm hai giai đoạn chính là làm lạnh đông nguyên liệu và sấy thăng hoa nguyên liệu đã lạnh đông Đây là các quá trình hóa lý phức tạp, vừa chuyền nhiệt lạnh đông, vừa truyền nhiệt tách ẩm và chuyển pha Vì thế, phương pháp xác định chế độ sấy thăng hoa cũng phức tạp và được thực hiện theo các bước trong sơ đồ sau:

Xác định thành phần hóa học của nguyên liệu, đồng thời quan tâm đến các thành phần hóa học là chỉ tiêu quyết định chất lượng của sản phẩm

Mô hình hóa và tối ưu hóa, xác lập chế độ công nghệ giai đoạn lạnh đông dùng để sấy thăng hoa

Mô hình hóa và tối ưu hóa, xác lập thông số công nghệ giai đoạn sấy thăng hoa

Xác định các thông số nhiệt vật lý cần thiết và mô tả động học cho quá trình sấy thăng hoa

Xác lập chế độ công nghệ cho máy sấy thăng hoa

công nghệ giai đoạn

sấy thăng hoa

Ứng dụng công nghệ STH trong bảo

quản các sản phẩm có giá trị kinh tế Phát triển công nghệ sau thu hoạch

Công nghệ STH nấm đông trùng hạ thảo

Phân tích đối tượng STH

Phân hoạch Đối tượng công nghệ thành

hai quá trình để nghiên cứu đó là quá

trình lạnh đông và quá trình sấy thăng

- Chi phí năng lượng của 1kg sản phẩm

trong quá trình lạnh đông và quá trình

STH

- Tỷ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ

lạnh đông của nguyên liệu Nhiệt độ

lạnh đông thích hợp của nấm đông

Hiệu chỉnh lại phân hoạch hệ thống

Hiệu chỉnh phân tích lại các yếu tố đầu vào

Hiệu chỉnh các mục tiêu

Hiệu chỉnh các rào cản

Thẩm định khâu đặt vấn đề

Thẩm định khâu xác định các mục tiêu

Thẩm định khâu xác định các rào cản

Thẩm định khâu xác định tác vụ

Thẩm định khâu phân tích các yếu tố đầu vào

Đúng

Từ các bước nghiên cứu thiết lập hệ thống sấy thăng hoa, ta có thể thiết kế sơ đồ trình

tự nghiên cứu và tính toán một cách chi tiết hơn như trên

Tuy nhiên, vì các lý do khách quan và giới hạn của môn học mà mục tiêu của đồ án chỉ dừng lại ở bước nghiên cứu chế độ công nghệ của quá trình lạnh đông và quá trình sấy thăng hoa (phần được đánh dấu bằng nét gạch đứt trong sơ đồ nghiên cứu và tính toán)

2.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Hệ thống sấy thăng hoa gồm có 3 loại: hệ thống sấy thăng hoa lạnh đông riêng, hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông và hệ thống sấy thăng hoa liên tục (lạnh đông riêng) Trong ba hệ thống nêu trên, hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông là hệ thống phức tạp nhất, tuy nhiên nó được ứng dụng phổ biến trong thực tế sản xuất Vì vậy tôi quyết định chọn thiết bị này để nghiên cứu, tính toán và thiết kế.[1]

Phương pháp chung tính toán thiết kế hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông gồm 2 phần:

- Tính toán, thiết kế hệ thống lạnh đông sản phẩm ngay trong buồng thăng hoa

- Tính toán, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa.[1]

Tính toán, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa

 Tính toán nhiệt cho buồng thăng hoa

Để xác định các thông số kỹ thuật cho buồng thăng hoa, cần phải xác định các đại lượng sau đây [1]

- Xác định lượng nước đóng băng của sản phẩm sấy Thường lượng nước đóng băng phải đạt 100%, lượng nước này sẽ bốc ra khỏi sản phẩm trong quá trình sấy thăng hoa, rồi ngưng tụ lại ở thiết bị ngưng tụ - đóng băng

- Xác định nhiệt lượng cần thiết trong quá trình sấy thăng hoa lượng nước trong sản phẩm lạnh đông

- Xác định diện tích truyền nhiệt trong quá trình sấy

 Tính toán, thiết kế thiết bị ngưng tụ - đóng băng

Nhiệt tỏa ra ở thiết bị ngưng tụ - đóng băng cũng chính là nhiệt tải của hệ thống lạnh chạy cho thiết bị ngưng tụ - đóng băng Vì vậy khi tính toán nhiệt cho thiết bị ngưng tụ

- đóng băng ta sẽ tính toán được các thông số kỹ thuật của hệ thống lạnh chạy cho thiết bị ngưng tụ - đóng băng dựa trên các thuật toán tính toán cho hệ thống lạnh đã nêu ở mục 2.4.1

Để xác định các thông số kỹ thuật cho thiết bị ngưng tụ - đóng băng, cần phải xác định các đại lượng sau [1]

- Xác định nhiệt lượng tỏa ra ở thiết bị hóa đá

- Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị hóa đá

- Xác định thời gian xả đá và thời gian đuổi khí trong buồng thăng hoa

 Tính toán cho hệ thống chân không

Để xác định các thông số kỹ thuật cho hệ chân không, tùy thuộc vào dung tích của buồng thăng hoa hay năng suất sấy mà có thể cho sơ đồ bơm chân không mắc nối tiếp hay song song hoặc chỉ dùng một bơm chân không là đủ Muốn xác định công suất của bơm chân không trước hết cần xác định các đại lượng sau [1]

- Xác định áp suất chân không của môi trường sấy Pth (mmHg)

- Xác định áp suất giới hạn chân không mà bơm có thể tạo ra Pgh (mmHg)

- Xác định năng suất hút của bơm chân không

- Xác định công suất động cơ điện chạy cho bơm chân không

Chương 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA VÀ THẢO LUẬN

3.1 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1.1 Các thông số cần thiết cho quá trình tính toán

- Năng suất lạnh đông sản phẩm cũng như năng suất của hệ thống sấy thăng hoa là

 Những thông số yêu cầu ban đầu

Dưới đây là những thông số cơ bản ban đầu cần thiết cho việc tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống lạnh cấp đông sản phẩm trước khi sấy thăng hoa:

- Năng suất lạnh đông sản phẩm, cũng như năng suất hệ thống sấy thăng hoa là G (kg/mẻ); hoặc cho biết hiệu suất ngưng ẩm của hệ thống sấy thăng hoa là Gn (kg/mẻ)

- Chọn trước hệ thống sử dụng môi chất lạnh

- Yêu cầu nhiệt độ môi trường lạnh đông phải đạt ở nhiệt độ tf 2 = (-45 ÷ -40)oC

- Xác lập trước hệ thống sử dụng máy nén một cấp hay hai cấp

- Hệ thống được lắp đặt trong vùng miền khí hậu có nhiệt độ trung bình của môi trường trong những ngày nóng nhất của năm là tf 1 = (35 ÷ 45)oC

- Chọn trước hệ thống có thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí, hay nước, hay vừa nước vừa không khí

- Xác định hệ thống sử dụng chu trình nhiệt động vào việc gì

 Các bước tính toán, thiết kế hệ thống lạnh đông

B1: Xác định thông số kỹ thuật của buồng lạnh đông (cũng chính là buồng thăng hoa)

B2: Xác định nhiệt tải của quá trình lạnh đông sản phẩm Qmn

0 (kW) trước khi sấy thăng hoa

B3: Xây dựng chu trình nhiệt động của hệ thống lạnh

B4: Xác định năng suất lạnh riêng q0 (kJ/kg) của chu trình và lưu lượng khối lượng

mtt (kg/s), lưu lượng thể tích Vtt (m3/s) môi chất lạnh tuần hoàn qua hệ thống lạnh

B5: Xác định hệ số cấp (năng suất hút) của máy nén 𝜆mn và chọn máy nén

B5: Xác định công suất nén đoạn nhiệt của máy nén Ns (kW), công suất nén chỉ thị của máy nén Ni (kW), công suất ma sát Nms (kW), công suất hữu ích Ne (kW), công suất tiếp điện trên động cơ Nel (kW)

B6: Xác định công suất động cơ chi máy nén Nđc (kW) và chọn động cơ

B7: Xác định các thông số tính toán thiết bị trao đổi nhiệt và các thiết bị phụ

3.1.2 Tính cân bằng vật chất

Ta có: G1 = G2 + W

G1(100 – W1) = G2(100 – W2) Trong đó: G1 : Khối lượng nguyên liệu / mẻ

G2 : Khối lượng sản phẩm sau sấy / mẻ

W1 : Độ ẩm ban đầu của nguyên liệu

W2 : Độ ẩm cuối cùng của sản phẩm

W : Lượng ẩm thoát ra trong quá trình sấy thăng hoa

Lượng ẩm thoát ra trong quá trình sấy là:

W = G2

𝑊1− 𝑊2100− 𝑊1 = 200 83−8.3

100−83 = 878.8235 (kg) Khối lượng nguyên liệu đầu vào cho một mẻ sấy thăng hoa là:

G1 = W + G2 = 878,8235 + 200 = 1078.82 (kg)

Như vậy, ta chọn khối lượng nguyên liệu nấm đông trùng hạ thảo tươi cần đem sấy thăng hoa để thu được 200kg sản phẩm / mẻ là G1 = 1079kg nguyên liệu / mẻ

3.1.3 Tính cân bằng năng lượng

3.1.4 Tính toán hệ thống thiết bị sấy thăng hoa tự lạnh đông

3.1.4.1 Tính toán, thiết kế hệ thống lạnh đông sản phẩm ngay trong buồng thăng hoa của hệ thống sấy thăng hoa

 Tính toán buồng lạnh đông (hay buồng thăng hoa)

Thể tích chứa sản phẩm

Để nấm đông trùng hạ thảo có thành phần hóa học như bảng 7 khi lạnh đông ẩm kết tinh hoàn toàn thì quá trình lạnh đông tiến hành theo các thông số công nghệ tối ưu sau:

- Năng suất sấy thăng hoa cũng chính là năng suất lạnh đông là Gsp = 200kg/mẻ

- Thời gian cấp đông theo yêu cầu là: 𝜏 = 1,7h/mẻ = 6120s/mẻ

- Nhiệt độ buồng lạnh đông là: tf 2 = -40oC

- Nhiệt độ trung bình của sản phẩm sau khi lạnh đông để nước trong sản phẩm đóng băng hoàn toàn là: TFopt = -19oC

- Bề dày sản phẩm trong khay thủy tinh là 12mm

Thành phần hóa học của quả thể nấm đông trùng hạ thảo được trình bày ở bảng sau:

Bảng 7: Thành phần hóa học của quả thể nấm đông trùng hạ thảo [11]

(kg) Với Gnl = G1

Vsp : thể tích nấm chứa tối đa trong buồng lạnh đông (m3)

𝜌 : khối lượng riêng trung bình của nấm đông trùng hạ thảo tươi chứa trong buồng lạnh đông (kg/m3)

Thể tích và kích thước buồng sấy thăng hoa

 Số khay thủy tinh chứa nấm đông trùng hạ thảo để lạnh đông và sấy thăng hoa được xác định như sau:

- Chiều dài của khay là: ak = 500mm = 0,5m

- Chiều rộng của khay là: bk = 300mm = 0,3m

- Chiều cao của khay là: hk = 28mm = 0,028m

- Bề dày của lớp vật liệu trong khay là: 𝛿 = 12mm = 0,012m

 Thể tích của mỗi khay là:

 Thể tích không gian của Nsk chiếm chỗ trong buồng lạnh đông hay buồng sấy thăng hoa được xác định như sau:

𝑉𝑁𝑠𝑘 = 597 4,2.10-3 = 2,5074 (m3)

 Buồng thăng hoa hay buồng lạnh đông được thiết kế ở dạng hình trụ có đường kính trong là D1 (m), đường kính ngoài là D2 (m) và chiều dài là L (m)

+ Chọn chiều dài thân trụ là L1 = 5m

+ Hai nắp buồng sấy là hai chỏm cầu có chiều cao là hc = 0,2m

+ Vậy chiều dài của buồng sấy thăng hoa hình trụ là:

Phải tính toán chọn a để thỏa điều kiện (*)

+ Số tấm truyền nhiệt trong buồng sấy thăng hoa là:

𝑁𝑡𝑡𝑛 = 𝑁𝑠𝑘

𝑛𝑡 = 597

32 = 18,66 (tấm)  cần 19 tấm truyền nhiệt

+ Khoảng cách giữa hai tấm truyền nhiệt được xác định như sau:

h = 𝛿1 + 𝛿2 Với 𝛿1 = 22mm = 0,022m (bề dày tấm truyền nhiệt)

𝛿2 = ℎ𝑘 + 12 = 28 + 12 = 40mm = 0,04m Như vậy: h = 0,022 + 0,04 = 0,062 (m)