Thiết kế hệ thống sấy chân không nhiệt độ thấp để sấy chế phẩm sinh học chitosan oligosaccharit với năng suất 1 tấn 1 ngày

MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề 1 Mục tiêu 1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 Đối tượng nghiên cứu 2 Phạm vi nghiên cứu 2 Nội dung nghiên cứu 2 Phương pháp nghiên cứu 2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2 Ý nghĩa khoa học 2 Ý nghĩa thực tiễn 3 Bố cục 3 Chương 1. TỔNG QUAN 4 1.1. Cơ sở khoa học 4 1.1.1. Định nghĩa quá trình sấy 4 1.1.2. Phân loại 4 1.1.3. Tĩnh học của quá trình sấy 7 1.1.4. Động học của quá trình sấy 10 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 18 1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 19 1.4. Vật liệu sấy 20 1.4.1. Giới thiệu về chế phẩm sinh học chitosan và chito – orligosaccharide COS 20 1.4.2. Quy trình thu nhận chitosan orligosaccharide 27 1.4.3. Sản phẩm chitosan orligosaccharide COS 29 1.5. Thiết bị sấy chân không 30 1.5.1. Hệ thống thiết bị sấy chân không 30 1.5.2. Hệ thống tự động điều khiển máy sấy chân không 38 Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN 42 2.1. Phương pháp tiếp cận 42 2.3. Sơ đồ nghiên cứu và tính toán 42 2.4. Phương pháp tính toán và thiết kế 44 2.5. Phương pháp chế tạo 44 2.5.1. Phương pháp gia công truyền thống 44 2.5.2. Phương pháp gia công tiên tiến 46 2.6. Phương pháp tự động đo lường và điều khiển 48 2.6.1. Phương pháp tự động đo lường 48 2.6.2. Phương pháp tự động điều khiển. 50 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY CHÂN KHÔNG NHIỆT ĐỘ THẤP 53 3.1. Kết quả 53 3.1.1. Các thông số ban đầu cần thiết cho tính toán thiết kế 53 3.1.2. Tính toán cân bằng vật chất 54 3.1.3. Tính toán cân bằng năng lượng 55 3.1.4. Tính toán cho hệ thống sấy 57 3.1.5. Tính toán hệ thống 59 3.1.6. Thiết kế hệ thống 67 3.2. Thảo luận 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

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

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

NGHIÊN CỨU – TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ

HỆ THỐNG SẤY CHÂN KHÔNG NHIỆT ĐỘ THẤP CHẾ PHẨM SINH HỌC VỚI

NĂNG SUẤT

1 TẤN NGUYÊN LIỆU /NGÀY

GVHD: TS NGUYỄN TẤN DŨNG

TP HỒ CHÍ MINH

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Đặt vấn đề 1

Mục tiêu 1

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

Đối tượng nghiên cứu 2

Phạm vi nghiên cứu 2

Nội dung nghiên cứu 2

Phương pháp nghiên cứu 2

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

Ý nghĩa khoa học 2

Ý nghĩa thực tiễn 3

Bố cục 3

Chương 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Cơ sở khoa học .4

1.1.1 Định nghĩa quá trình sấy 4

1.1.2 Phân loại 4

1.1.3 Tĩnh học của quá trình sấy 7

1.1.4 Động học của quá trình sấy 10

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .18

1.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước .19

1.4 Vật liệu sấy

20

1.4.1 Giới thiệu về chế phẩm sinh học chitosan và chito – orligosaccharide COS 20

1.4.2 Quy trình thu nhận chitosan orligosaccharide 27

1.4.3 Sản phẩm chitosan orligosaccharide COS 29

1.5 Thiết bị sấy chân không .30

1.5.1 Hệ thống thiết bị sấy chân không 30

1.5.2 Hệ thống tự động điều khiển máy sấy chân không 38

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN 42

2.1 Phương pháp tiếp cận 42

2.3 Sơ đồ nghiên cứu và tính toán 42

2.4 Phương pháp tính toán và thiết kế 44

2.5 Phương pháp chế tạo 44

2.5.1 Phương pháp gia công truyền thống 44

2.5.2 Phương pháp gia công tiên tiến 46

2.6 Phương pháp tự động đo lường và điều khiển 48

2.6.1 Phương pháp tự động đo lường 48

2.6.2 Phương pháp tự động điều khiển 50

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY CHÂN KHÔNG NHIỆT ĐỘ THẤP53 3.1 Kết quả 53

3.1.1 Các thông số ban đầu cần thiết cho tính toán thiết kế 53

3.1.2 Tính toán cân bằng vật chất 54

3.1.3 Tính toán cân bằng năng lượng 55

3.1.4 Tính toán cho hệ thống sấy 57

3.1.5 Tính toán hệ thống 59

3.1.6 Thiết kế hệ thống 67

3.2 Thảo luận 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Hệ thống sấy chân không 5

Hình 1.2: Sơ đồ sấy bằng không khí 7

Hình 1.3: Mô tả quá trình sấy lý thuyết [1] 8

Hình 1.4: Mô tả quá trình sấy thực tế [1] 9

Hình 1.5: Sự thay đổi độ ẩm của vật liệu trong quá trình sấy 13

Hình 1.6: Đường cong sấy 17

Hình 1.7: Đường cong tốc độ sấy 17

Hình 1.8: Công thức cấu tạo của chitosan (poly β -(1-4)-D- glucozamin) 21

Hình 1.9: Sơ đồ quy trình thu nhận chitosan orligosaccharide dạng bột 28

Hình 1.10: Máy sấy chân không trụ tròn YZG-600 32

Hình 1.11: Máy sấy chân không vi sóng WHZ-0 33

Hình 1.12: Máy sấy chân không đảo trộn SZG-0,1 33

Hình 1.13: Thùng sấy chân không cánh đảo 34

Hình 1.14: Máy sấy chân không trụ tròn (Trung tâm năng lượng) 35

Hình 1.15: Sơ đồ thiết bị sấy chân không băng tải 35

Hình 1.16: Mô tả sơ đồ khối hệ tự động điều khiển 38

Hình 1.17: Sơ đồ mô tả tín hiệu vào, ra 39

Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu và tính toán 43

Hình 2.2: Cấu tạo thiết bị phay 45

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Khả năng ức chế của COS đến các vi sinh vật khác nhau [45] 23

Bảng 1.2: Một số sản phẩm chứa COS trên thị trường 30

Bảng 3.1: Các thông số trạng thái tại các điểm nút của chu trình [21] 53

Bảng 3.2: Tổng hợp số liệu tính toán 67

Một trong những phương pháp sấy được sử dụng nhiều trong sấy chế phẩm COS là sửdụng phương pháp sấy chân không ở nhiệt độ thấp hoặc sấy thăng hoa Tuy quá trình sấy thănghoa cho sản phẩm đạt chất lượng tốt nhất nhưng chi phí lại rất cao Để khắc phục nhược điểm chiphí cao đó, người ta sử dụng phương pháp sấy chân không ở nhiệt độ thấp Phương pháp này giúpgiữ đa số các đặc tính của sản phẩm và chi phí bỏ ra không quá cao, tiết kiệm năng lượng (1).

Sấy chân không nhiệt độ thấp thì miền áp suất và nhiệt độ để thực hiện quá trình sấy tiếpgiáp với miền sấy thăng hoa và có thể bị giao thoa, tuy nhiên đối với công nghệ này sản phẩmkhông cần lạnh đông, nhiệt độ môi trường sấy luôn nằm trong khoảng (25 – 55) oC, áp suất môitrường thấp lân cận với 4,58 mmHg Chính vì thế, sấy chân không nhiệt độ thấp có những ưuđiểm như sau: do quá trình sấy tiến hành sấy ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp do đó sản phẩm sấychân không giữ được hầu như đầy đủ các tính chất đặc trưng ban đầu của vật liệu: tính chất sinhhọc, hương vị, màu sắc, hình dáng, cấu trúc xốp và khả năng hoàn nguyên rất tốt, sản phẩm bảoquản lâu và ít bị tác động bởi điều kiện ngoài Chi phí năng lượng giảm hơn một nửa so với sấythăng hoa (1)

Chính vì những lí do đó, nhóm chúng tôi quyết định thực hiện đề tài “ thiết kế hệ thống sấychân không nhiệt độ thấp để sấy chế phẩm sinh học COS”

Mục tiêu

Nghiên cứu việc tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống sấy chân không phù hợp sinh viên Ngoài ra phải kiểm soát chặt chẽ quá trình sấy để đạt được sản phẩm có chất lượng tốt nhất

và giữ được các đặc tính sinh học quý của chế phẩm

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Sử dụng hệ thống sấy chân không nhiệt độ thấp làm việc liên tục năng suất 1 tấn/ 1 ngàyvới nguyên liệu là chế phẩm sinh học Chitosan Oligosaccarit.

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu về thiết bị sấy chân không nhiệt độ thấp dùng để sấy chế phẩm sinh họcChitosan Oligosaccarit

Nội dung nghiên cứu

Tìm hiểu, phân tích, đánh giá nguyên liệu COS: Cấu tạo hóa học, tính chất vật lý, hoạt tínhsinh học và các thông số về nguyên liệu sấy

Tổng quan phân tích, tổng hợp tài liệu để xác định các thông số nhiệt vật lý cần thiết choquá trình tính toán thiết kế

Nghiên cứu công nghệ và sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy chân không nhiệt độ thấp làmviệc liên tục

Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống sấy chân không nhiệt độ thấp năng suất 1 tấn/ 1ngày

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu tài liệu và tra cứu

Phương pháp tính toán, thiết kế dựa vào các định luật bảo toàn (bảo toàn năng lượng, bảotoàn vật chất)

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học

Làm cơ sở khoa học trong việc thực nghiệm khảo sát các tính chất nhiệt - vật lý củanguyên liệu sấy ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt Ngoài ra còn nghiên cứu ảnh hưởng củanhiệt tới hoạt tính sinh học của chế phẩm sinh học

Khẳng định ý nghĩa lớn lao, đóng góp của khoa học kỹ thuật vào đời sống xã hội

Góp phần thúc đẩy khoa học kỹ thuật phát triển

Ý nghĩa thực tiễn

Tạo chế phẩm sinh học COS dạng bột có hoạt tính sinh học cao và dễ bảo quản để ứngdụng trong nông nghiệp để kháng nấm, kháng vi khuẩn, kháng ung thư, tăng cường miễn dịch

Hệ thống sấy chân không nhiệt độ thấp năng suất 1 tấn/ 1 ngày nguyên SOS có thể được sửdụng cho công tác nghiên cứu, giảng dạy ở các trường đại học và viện nghiên cứu.

Giảm chi phí và năng lượng sản xuất từ đó giúp giảm giá thành sản phẩm, tăng sức tiêuthụ

Chương 3 Phương pháp nghiên cứu và tính toán

Chương 4 Tính toán và thiết kế hệ thống sấy và thảo luận

Kết luận và đề xuất

Ngoài ra còn có phần tóm tắt đồ án, mở đầu, tài liệu tham khảo, danh sách bảng biểu vàdanh sách hình ảnh, danh mục chữ viết tắt, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục

Chương 1 TỔNG QUAN1.1 Cơ sở khoa học

1.1.1 Định nghĩa quá trình sấy

Sấy là quá trình tách một phần hay phần lớn lượng ẩm có trong vật ẩm Quá trình sấy rấtphứt tạp và không ổng định, trong đó đồng thời xảy ra nhiều quá trình như truyền nhiệt từ tácnhân sấy, dẫn nhiệt trong vật sấy, bay hơi ẩm, dẫn ẩm từ trong ra bề mặt của vật sấy, dẫn nhiệttrong vật sấy, bay hơi của ẩm, dẫn ẩm từ trong ra bề mặt sấy, truyền ẩm từ bề mặt vật sấy vào môi

trường sấy (tác nhân sấy) [8] [11] [17]

phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật cũng tăng theo công thức [10]:

pr_ áp suất trên bề mặt cột mao dẫn, n/m2

po_ áp suất trên bề mặt thoáng, n/m2

đốt nóng nó và cách thứ hai là tăng phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy [10] [11].

Như vậy, nhờ đốt nóng cả tác nhân sấy và vật liệu sấy hay chỉ đốt nóng vật liệu sấy màhiệu phân áp giữa hơi nước trên bề mặt vật (pab) và phân áp của hơi nước tác nhân sấy (pam) tăng

dần đến làm tăng quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi

trường [11].

Dựa vào phương thức cấp nhiệt cho vật liệu sấy người ta phân ra phương pháp sấy nóng racác loại như sau:

 Hệ thống sấy đối lưu

Trong hệ thống sấy đối lưu, vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể nóng màthông thường là không khí nóng hoặc khói lò Các tác nhân sấy được đốt nóng rồi vận chuyển đếntrao đổi nhiệt với vật sấy Hệ thống sấy đối lưu như vậy có nhiều phương pháp để thực hiện: sấy

buồng, sấy hầm, sấy khí động, sấy thùng quay, [10].

Vật sấy được nhận nhiệt từ nguồn bức xạ để ẩm dịch chuyển từ trong lòng vật ra bề mặt và

từ bề mặt ẩm khuếch tán vào môi trường Nguồn bức xạ thường dùng là đèn hồng ngoại, dây hay

thanh điện trở Sấy bức xạ có thể tiến hành trong điều kiện tự nhiên hay trong buồng kín [10].

 Hệ thống sấy dùng điện cao tần

Hệ thống sấy này sử dụng năng lượng điện có tầng số cao để làm nóng vật sấy Vật sấyđược đặt trong từ trường điện từ do vậy trong vật xuất hiện dòng điện và dòng điện này nung nóng

vật cần nung Hệ thống này thường sấy các vật mềm và thời gian nung ngắn [10].

- Ưu điểm của phương pháp sấy ở nhiệt độ cao:

+ thời gian sấy bằng các phương pháp sấy nóng ngắn hơn so với phương pháp sấy lạnh.+ năng suất cao và chi phí ban đầu thấp

+ nguồn năng lượng sử dụng cho phương pháp sấy nóng có thể là khói thải, hơi nước nóng,hay các nguồn nhiệt từ dầu mỏ, than đá, rác thải, cho đến điện năng

+ thời gian làm việc của hệ thống cũng rất cao

- Nhược điểm của hệ thống sấy ở nhiệt độ cao:

+ các vật sấy không cần có các yêu cầu đặc biệt về nhiệt độ

+ sản phẩm sấy thường hay bị biến màu và chất lượng không cao

1.1.2.2 Phương pháp sấy lạnh

Khác với phương pháp sấy nóng, để tạo ra sự chênh lệch áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy

và tác nhân sấy, người ta giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bằng cách giảm dung ẩm

trong tác nhân sấy và độ ẩm tương đối (φ) theo công thức : [11].

d_ dung ẩm trong không khí

Hình 1.1: Hệ thống sấy nóng - Sấy đối lưu DSDL - 3

Phân áp suất của môi trường không khí bên ngoài giảm xuống, độ chênh áp suất của ẩm

trong vật sấy vào môi trường xung quanh tăng lên Ẩm chuyển dịch từ trong vật ra bề mặt sẽchuyển vào môi trường Nhiệt độ môi trường của sấy lạnh thường thấp (có thể thấp hơn nhiệt dộcủa môi trường bên ngoài, có khi nhỏ hơn 0oc) [11].

 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ t > 0

Với những hệ thống sấy mà nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ

nhiệt độ môi trường, tác nhân sấy thường là không khí được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnhhoặc bằng các máy khử ẩm hấp phụ, sau đó nó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến các nhiệt độ yêucầu rồi cho đi qua vật liệu sấy Khi đó do phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bé hơn phân ápsuất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy mà ẩm từ dạng lỏng bay hơi đi vào tác nhân sấy Như vậy,

quy luật dịch chuyển ẩm trong lòng vật và từ bề mặt vật vào môi trường trong các hệ thống sấylạnh loại này hoàn toàn giống như trong các hệ thống sấy nóng Điều khác nhau ở đây là cáchgiảm pam bằng cách đốt nóng tác nhân sấy (d = const) để tăng áp suất bão hoà dẫn đến giảm độ

ẩm tương đối φ Trong khi đó, với các hệ thống sấy lạnh có nhiệt độ tác nhân sấy bằng nhiệt độmôi trường thì ta sẽ tìm cách giảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy pam bằng cách giảmlượng chứa ẩm d kết hợp với quá trình làm lạnh (sau khử ẩm bằng hấp phụ) hoặc đốt nóng (sau

khử ẩm bằng lạnh) [10][11].

Hình 1.2: Hệ thống sấy lạnh (sấy bơm nhiệt) DSL-04

 Hệ thống sấy thăng hoa

Phương pháp sấy thăng hoa được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp Chế độlàm việc thấp hơn điểm ba thể của nước (t = 0,00980c, p = 4,58mmhg) Quá trình sấy được thựchiện trong một buồng sấy kín Giai đoạn đầu là giai đoạn làm lạnh sản phẩm, trong giai đoạn này

do hút chân không làm áp suất trong buồng sấy giảm, ẩm thoát ra chiếm khoảng 10÷15% [8].

Việc bay hơi ẩm làm cho nhiệt độ vật liệu sấy giảm xuống dưới điểm ba thể, có thể làm lạnh vậtliệu trong buồng làm lạnh riêng Giai đoạn tiếp theo là giai đoạn thăng hoa, lúc này, nhiệt độ trongbuồng sấy đã ở chế độ thăng hoa Ẩm trong vật dưới dạng rắn sẽ thăng hoa thành hơi và thoát rakhỏi vật Hơi ẩm này sẽ đến bình ngưng và ngưng lại thành lỏng sau đó thành băng bám trên bềmặt ống Trong giai đoạn này nhiệt độ vật không đổi Giai đoạn sau cùng là giai đoạn bay hơi ẩmcòn lại Trong giai đoạn này nhiệt độ của vật tăng lên, ẩm trong vật là ẩm liên kết và ở trạng tháilỏng Quá trình sấy ở giai đoạn này giống như quá trình sấy ở các thiết bị sấy chân không thông

thường Nhiệt độ môi chất trong lúc này cũng cao hơn giai đoạn thăng hoa [8] [10] [11].

Ưu điểm của phương pháp sấy thăng hoa là nhờ sấy ở nhiệt độ thấp nên giữ được các tínhchất tươi sống của sản phẩm, nếu dùng để sấy thực phẩm sẽ giữ được chất lượng và hương vị củasản phẩm, không bị mất các vitamin Tiêu hao năng lượng để bay hơi ẩm thấp Tuy nhiên phương

Hình 1.3: Hệ thống sấy thăng hoa DS-9 (Version 3)

độ kỹ thuật cao, tiêu hao điện năng lớn., số lượng sản phẩm cần sấy bị giới hạn , không thể tăngnăng suất vì kích thước buồng sấy quá lớn, các thiết bị cho buồng chân không cũng cần được kín.Dầu bôi trơn cho các máy móc hoạt động cũng là loại đặc biệt, đắt tiền và khó kiếm để thay thế,

bổ sung [8].

 Hệ thống sấy chân không

Hệ thống sấy chân không gồm có buồng sấy, thiết bị ngưng tụ và bơm chân không Vật sấyđược cho vào trong một buồng kín, sau đó buồng này được hút chân không (ở áp suất lớn hơn4,56 mmhg) Lượng ẩm trong vật được tách ra khỏi vật và được hút ra ngoài Nhiệt độ trongbuồng sấy dao động xung quanh nhiệt độ ngoài trời Phương pháp này phức tạp bởi khả năng giữbuồng chân không, thể tích luôn giới hạn đến mức độ nào đó Chính vì vậy phương pháp nàykhông được sử dụng phổ biến như các phương pháp khác mà chỉ được sử dụng để sấy các vật liệu,

dược liệu quý hiếm, với số lượng nhỏ [10] [11].

 Lựa chọn phương pháp sấy: sau khi tìm hiểu tổng quan về các quá trình sấy, nhóm

nhận thấy quá trình sấy chân không đáp ứng được các nhu cầu về chất lượng của nguyên liệu và

phù hợp với điều kiện kinh tế Do đó, chúng tôi chọn sấy chân không kết hợp nhiệt độ thấp cho

vật liệu sấy là chế phẩm sinh học chitosan oligosaccharide (COS).

1.1.3 Phương pháp sấy chân không

Hình 1.4: Hệ thống máy sấy chân không nhiệt độ thấp DSV-xx tự động điều khiển bằng IoT

Phương pháp sấy chân không được áp dụng để sấy các loại vật liệu có chứa nhiều hàmlượng tinh dầu, hương hoa, dược phẩm; các nông sản thực phẩm có yêu cầu nhiệt độ sấy thấpnhằm giữ nguyên chất lượng và màu sắc, không gây phá hủy, biến tính các chất; và đặc biệtphương pháp sấy chân không được dùng để sấy các loại vật liệu khô chậm khó sấy (như gỗ sồi, gỗgiẻ ), các loại gỗ quí nhằm mang lại chất lượng sản phẩm sấy cao đáp ứng được các yêu cầu sửdụng trong và ngoài nước, rút ngắn đáng kể thời gian sấy,và đặc biệt là có khả năng tiến hành sấy

ở nhiệt độ sấy thấp hơn nhiệt độ môi trường Do đó sản phẩm sấy chân không giữ được hầu nhưđầy đủ các tính chất ban đầu của vật liệu, sản phẩm bảo quản lâu và ít bị tác động bởi điều kiện

bên ngoài [10] [11].

Tuy có nhiều ưu điểm nhưng phương pháp sấy chân không vẫn còn chưa được sử dụng phổbiến trong công nghệ sấy nước nhà Bởi do giá thành thiết bị cao, vận hành phức tạp, rất khó đảmbảo độ kín cho một hệ thống chân không lớn Do đó phương pháp sấy này chỉ được áp dụng vớiquy mô nhỏ, dùng sấy những loại vật liệu quí hiếm, khô chậm, khó sấy và có yêu cầu cao về chấtlượng

Một hệ thống sấy chân không thường được cấu tạo từ buồng sấy, thiết bị ngưng tụ và bơmchân không

Nguyên lý cơ bản của phương pháp sấy chân không đó là sự phụ thuộc vào áp suất điểmsôi của nước Nếu làm giảm (hạ thấp) áp suất trong một thiết bị chân không xuống đến áp suất mà

ở đấy nước trong vật bắt đầu sôi và bốc hơi sẽ tạo nên một dòng chênh lệch áp suất đáng kể dọctheo bề mặt vật, làm hình thành nên một dòng ẩm chuyển động trong vật liệu theo hướng từ trong

ra bề mặt vật Điều này có nghĩa là ở một áp suất nhất định nước sẽ có một điểm sôi nhất định, dovậy khi hút chân không sẽ làm cho áp suất trong vật giảm đi và đến mức nhiệt độ vật (cũng lànhiệt độ của nước trong vật) đạt đến nhiệt độ sôi của nước ở áp suất đấy, nước trong vật sẽ hóahơi và làm tăng áp suất trong vật và tạo nên một chênh lệch áp suất hơi p = (pbh- ph)giữa áp suấtbão hòa hơi nước trên bề mặt vật và phân áp suất hơi nước trong môi trường đặt vật sấy, đâychính là nguồn động lực chính tạo điều kiện thúc đẩy quá trình di chuyển ẩm từ bên trong vật rangoài bề mặt bay hơi của quá trình sấy chân không Và ở đấy, dưới điều kiện chân không, quátrình bay hơi diễn ra nhanh chóng và qua đó quá trình khô vật sẽ rất nhanh, thời gian sấy giảmxuống đáng kể Bên cạnh đó, nhờ chỉ sấy ở nhiệt độ thấp (có thể thấp hơn nhiệt độ môi trường)nên nhiều tính chất đặc trưng ban đầu: tính chất sinh học, hương vị, màu sắc, hình dáng của sảnphẩm được giữ lại gần như đầy đủ Sản phẩm sấy chân không bảo quản lâu dài và ít bị tác động

bởi môi trường [8] [10] [11].

Chế độ sấy: tùy thuộc vào đặc tính, tính chất của từng loại vật liệu sấy sẽ ảnh hưởng đếntốc độ sấy mà ta cần quan tâm xem xét để chọn các thông số áp suất, nhiệt độ thích hợp cho từngloại vật liệu sấy

Một số đơn vị của áp suất thường gặp trong kỹ thuật chân không:

Phương pháp cấp nhiệt: trong buồng sấy chân không, đối tượng sấy thường được gia nhiệt

bằng phương pháp tiếp xúc hoặc bức xạ

Với phương pháp cấp nhiệt bằng tiếp xúc, đối tượng sấy được đặt trực tiếp lên nguồn nhiệthoặc tiếp xúc với nguồn nhiệt qua những tấm vật liệu dẫn nhiệt tốt Nguồn năng lượng nhiệt cóthể là điện năng hoặc hơi nước nóng Để nâng cao hiệu quả truyền nhiệt cần tạo điều kiện tiếp xúc

tốt giữa đối tượng sấy và bề mặt dẫn nhiệt [10] [11].

Cấp nhiệt bằng bức xạ là phương thức cấp nhiệt cho đối tượng sấy có hiệu quả cao, đangđược sử dụng rộng rãi Bởi bức xạ không chỉ tạo được một dòng cấp nhiệt lớn trên bề mặt vật(khoảng 20¿100 lần so với dòng nhiệt cấp do đối lưu), mà còn xuyên sâu vào lòng đối tượng một

lớp nhất định (phụ thuộc vào đặc tính quang học của nguồn và đối tượng) [10] [11]

Dòng năng lượng bức xạ Q chiếu vào đối tượng bị phản xạ một phần qr, hấp thụ một phần

qa, và phần còn lại xuyên qua đối tượng qd Tỉ lệ

xạ, độ hấp thụ, và độ xuyên suốt của đối tượng [10] [11].

Năng lượng bức xạ có hiệu quả nhiệt lớn nhất là bức xạ

hồng ngoại Vì với bức xạ hồng ngoại các đối tượng có độ hấp

thụ lớn nhất Sơ đồ bức xạ hồng ngoại lên đối tượng có bề dày

x được thể hiện ở hình 1.5

Nguồn năng lượng bức xạ hồng ngoại thường là các sợi

đốt của đèn điện hoặc các vật liệu rắn khác được đốt nóng đến

một nhiệt độ nhất định Muốn chọn nguồn bức xạ có hiệu quả

18

X

QAQ

Q R

QR

QD

cao để cấp nhiệt cần phải hiểu biết đặc tính quang học của đối tượng sấy Nguồn bức xạ cần chọn

có độ chiếu cực đại ở bước sóng mà tại điểm đó đặc tính hấp thụ nhiệt của đối tượng sấy là lớn

nhất [11].

1.1.4 Tĩnh học của quá trình sấy

1.1.4.1 Sơ đồ hệ thống sấy

Ở đây, quá trình sấy sử dụng tác nhân sấy là không khí, được thể hiện qua hình 1.2:

Ban đầu, vật liệu sấy có khối lượng G1 và độ ẩm cao W1 được đưa vào thiết bị Không khíbên ngoài ở trạng thái 0 với lưu lượng L0, nhiệt độ t0 và độ ẩm φ0 được đưa vào thiết bị với trạngthái (1), qua bộ phận đốt nóng Calorifer lên trạng thái (2) có nhiệt độ t2 sau đó đi qua nguyên liệu,trao đổi nhiệt và ẩm sau đó chuyển sang trạng thái (3) với nhiệt độ t3, đi qua quạt hút và thải rangoài Nguyên liệu sau khi trao đổi nhiệt và ẩm với tác nhân sấy, ta thu được sản phẩm với khốilượng G2 và độ ẩm mong muốn W2 [8] [11] [17]

1.1.4.2.Quá trình sấy lý thuyết

Với quá trình sấy lý thuyết, nhiệt bổ sung vào luôn bằng nhiệt tổn thất, do đó Qs = Qbs hay

∆=0 [8].

Hình 1.6: Sơ đồ sấy bằng không khí [8]

Hình 1.5: Sơ đồ bức xạ hồng ngoại

Vật liệu ẩm, chứa một lượng nước đáng kể Nước là thành phần của tổ chức động vật vàthực vật Tuy nhiên, ở một lượng nước cao có thể dẫn đến hư hại sản phẩm do tác động của vi

sinh vật Do đó, phần lớn các sản phẩm cần phải giữ khô [11].

Trạng thái vật liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó Tính chất của vật liệu

ẩm được đặc trưng bởi tính chất nhiệt – vật lý và các thông số vật lý: nhiệt dung riêng, hệ số dẫn

nhiệt, … [3] [8] [11].

Trong lý thuyết sấy, độ ẩm của vật liệu được phân chia thành độ ẩm tương đối và độ ẩmtuyệt đối

 Độ ẩm tương đối

Độ ẩm tương đối còn gọi là độ ẩm toàn phần, là số phần tram khối lượng nước nước chứa

trong 1kg vật liệu ẩm [11] Khối lượng chung của vật liệu ẩm được thể hiện qua:

Ở đây: Gn là khối lượng nước (kg)

Gk là khối lượng chất khô tuyệt đối (kg)

 Các dạng liên kết ẩm với vật liệu:

Nhiều công trình nghiên cứu cho phép đơn giản hóa việc phân loại các dạng liên kết nước,

nhưng hiện nay ta chia làm hai loại: nước tự do và nước liên kết [3] [8] [11]

- Nước tự do nằm ở bề mặt của vật, có áp suất hơi nước bão hòa ứng với nhiệt độ hiệntại của vật ẩm Nước tự do nằm trong vật ẩm là lượng nước tạo ra trên bề mặt của vật ẩm hơi nước

có áp suất riêng đạt giá trị bão hòa ở nhiệt độ hiện tại của vật ẩm [3] [8] [11].

- Nước liên kết tạo ra trên vật ẩm hơi nước có áp suất riêng phần nhỏ hơn áp suất hơi

bão hòa ứng với nhiệt độ của vật [3] [8] [11].

Các dạng liên kết ẩm được chia thành ba nhóm chính: liên kết hóa học, liên kết vật lý và

liên kết cơ vật lý [11].

Trong đó liên kết hóa lý không thể khử được bằng quá trình sấy Mặt khác liên kết hóa họccủa nước với vật liệu chỉ được loại bỏ nhờ tác động hóa học hoặc gia công nhiệt đặc biệt mạnh

Khi sấy loại liên kết này khó loại bỏ [11].

 Quá trình bay hơi ẩm

Quá trình chuyển ẩm trong vật liệu sấy bao gồm: chuyển dời ẩm từ bên trong vật liệu ẩm tới

bề mặt của nó, ẩm bay hơi ở bề mặt, chuyển dời ẩm ở dạng hơi từ bề mặt vật liệu đến luồng khôngkhí sấy bao quanh vật liệu sấy Ẩm chuyển dời từ bề mặt vật liệu sấy ra môi trường sấy chung

quanh, cần được đền bù bằng cách chuyển ẩm từ bên trong vật liệu sấy ra đến bề mặt của nó [3]

[8] [11]

Lượng ẩm bay hơi và chuyển từ bề mặt vật liệu ra môi trường xung quanh có thể tính theo

phương trình [11]:

Wbh = r (PM - PB) F T (kg)Trong đó: PM: áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy (N/m2)

PB: áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí (N/m2)

T: thời gian sấy (s; h)

r: hệ số bốc hơi (kg/N s hoặc kg/m2 h)

1.1.5.2.Vận tốc sấy và các giai đoạn sấy vật liệu ẩm

 Vận tốc sấy

[11]

Trong đó: W: lượng ẩm bay hơi trong thời gian sấy (kg/h)

F: tổng bề mặt bay hơi của sản phẩm sấy (m2)

T: thời gian sấy (h)

Nếu vận tốc sấy không đổi, thời gian sấy có thể được tính theo công thức:

T = G k

Trong đó: Gk: khối lượng vật liệu sấy tính theo khối lượng khô tuyệt đối (kg/h)

W1, W2: độ ẩm ban đầu và ban cuối của sản phẩm sấy tính bằng kg/kg sản phẩmkhô tuyệt đối

(1.1)

u = F dT dW (kg/m2.h) (1.2)

Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sấy [11]:

- Bản chất của sản phẩm sấy: cấu trúc, thành phần hoá học, đặc tính của liên kết

- Hình dáng và trạng thái của sản phẩm sấy

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

- Nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc của tác nhân sấy

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

- Cấu tạo của thiết bị sấy, phương thức sấy và chế độ sấy

 Các giai đoạn của vận tốc sấy:

Đường cong vận tốc sấy: biểu thị quan hệ giữa vận tốc sấy và độ ẩm của sản phẩm sấy,được xác định bằng thực nghiệm

Quá trình sấy đến độ ẩm cân bằng gồm các giai đoạn chính [3] [8] [11]:

- Giai đoạn đốt nóng sản phẩm sấy, tương ứng với đoạn AB

- Giai đoạn vận tốc sấy không đổi (đẳng tốc), đoạn BK1

- Giai đoạn vận tốc sấy giảm dần, tương ứng với đoạn K1C

- Điểm K1 gọi là điểm tới hạn, tương ứng với độ ẩm tới hạn Wth, tại đó xuất hiện ẩm tự do.Việc xác định hai giai đoạn sấy có ý nghĩa quan trọng để thiết lập chế độ sấy phù hợp vớitừng giai đoạn sấy và từng loại sản phẩm sấy

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, việc nghiên cứu chế phẩm sinh học là một đề tài khá mới mẻ ở nước ta Đa sốcác nghiên cứu đều đề cập đến quy trình điều chế của một chế phẩm sinh học cụ thể và phương

Hình 1.10: Đường cong tốc độ sấy Hình 1.9: Đường cong sấy W = f(T)

pháp sấy chân không nhiệt độ thấp được lồng ghép vào quy trình sấy chế phẩm sinh học nên đa sốđều không đề cập rõ ràng các thông số cũng như cách thiết kế một.

Tiêu biểu như đề tài: “Nghiên cứu thu nhận hoạt chất sinh học chito-oligosaccharit (COS)

sử dụng các chế phẩm enzym” của tác giả Nguyễn Thị Tuyết Mai Nghiên cứu về quy trình thunhận hoạt chất sinh học chito- oligosaccharit bằng nhiều phương pháp như kết tủa, sấy (sấy thănghoa, sấy phun nhiệt độ thấp, sấy chân không nhiệt độ thấp)

Ngoài ra còn có những đề tài rất hay về việc thiết kế hệ thống sấy chân không nhiệt độ thấp

mà tiêu biểu nhất phải kể đến công trình thiết kế “Hệ thống sấy chân không nhiệt độ thấp

DSV-03, tự động điều khiển và kiểm soát quá trình băng IoT” dưới sự hướng dẫn thầy TS Nguyễn TấnDũng, ThS Lê Tấn Cương và ThS Lê Thanh Phong nhóm nghiên cứu gồm các thành viên TrầnCông Dương, Vương Trung Hào, Đỗ Thùy Khánh Linh, Hoàng Văn Nhật, Phan Thị Hồng Như,

Lê Văn Tuấn, Võ Nguyễn Tường Vy thuộc trường đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ ChíMinh với năng suất từ 20kg/mẻ đến 500kg/mẻ, mỗi mẻ (12-20)giờ, nhiệt độ môi trường sấy (25 –55)oC, áp suất môi trường sấy có thể điều chỉnh dưới 6,0mmHg; nhiệt độ ngưng tụ đóng băngdưới –35oC thay thế cho hệ thống sấy thăng hoa với chi phí năng lượng tạo ra sản phẩm giảm (30

- 35)% so với sấy thăng hoa, giá thành của mỗi hệ thống sấy chỉ khoảng ½ so với hệ thống sấythăng hoa cùng năng suất, tạo ra lợi thế cạnh tranh trong sản xuất, làm cho các doanh nghiệp dễdàng đầu tư hơn để sản xuất, bảo quản các sản phẩm sau thu hoạch nhằm nâng cao giá trị sảnphẩm

1.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Ở ngoài nước, có rất nhiều nghiên cứu khoa học liên quan tới quá trình sấy chân khôngnhiệt độ thấp và thấp và sử dụng phương pháp này để sấy các chế phẩm sinh học

Đề tài nghiên cứu: “Effects of drying methods and conditions on release characteristics

of edible chitosan films enriched with Indian gooseberry extract” Của tác giả lPornpimon

Mayachiew và Sakamon Devahastin nói về ảnh hưởng của phương pháp sấy tới chế phẩmChitosan và đề ra các phương pháp phù hợp trong đó có nêu phương pháp sấy chân không ở nhiệt

độ thấp

“Storage stability of vacuum-dried probiotic bacterium Lactobacillus paracasei F19” của

tác giả lP.Foerst, U.Kulozik, M.Schmitt, S.Bauer, C.Santivarangkna đề cập về việc sử dụng hệthống sấy chân không ở nhiệt độ thấp dùng để sấy các sản phẩm probiotic và khảo sát sự ổn địnhcủa chế phẩm này trong quá trình bảo quản

“Drying techniques of probiotic bacteria as an important step towards the development of novel pharmabiotics” của tác giả GéraldineBroeck1 , DieterVandenheuvelb1 ,Ingmar J.J.Claesb , SarahLebeerb và FilipKiekens giới thiệu các phương pháp sấy sử dụng trongsản xuất các chế phẩm sinh học probiotic trong đó đề cập tới việc sử dụng phương pháp sấy chânkhông nhiệt độ thấp.

1.4 Vật liệu sấy

1.4.1 Giới thiệu về chế phẩm sinh học chitosan và chito – orligosaccharide COS

Chitosan được chấp nhận như một thực phẩm giảm béo ở Châu Âu hơn 20 năm Tuy nhiênchitosan và chitin có một số các nhược điểm như enzym phân hủy chúng không có trong ruột, độnhớt cao nên không hấp thụ được bởi cơ thể tại pH trung tính, do vậy hiện nay sản phẩm thủyphân của chúng là chito-oligosaccharit COS được chú ý đến như sản phẩm thay thế chitosan vàchitin Các sản phẩm hiện nay được thương mại hóa trên thị trường chủ yếu dưới tên chitosanoligosaccharit (COS) là sản phẩm thủy phân của chitosan Khác với chitosan, các sản phẩm thủyphân COS có thể dễ dàng tan trong nước và do vậy làm tăng khả năng ứng dụng của chúng so vớichitosan và chitin Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy các COS có hoạt tính sinh học cao và đượcứng dụng trong nông nghiệp để kháng nấm, kháng vi khuẩn, kháng ung thư, tăng cường miễndịch Ngoài ra, các COS còn được ứng dụng nhiều trong công nghệ nano và như chất vận chuyểngen trong liệu pháp trị liệu gen, một công nghệ trị bệnh mới hiện đại Trong thực phẩm COS làthức ăn ít năng lượng và hấp thụ chất béo và vì vậy được dùng để chữa béo Nếu như chitosan chỉvào dạ dày và ruột, COS có thể tới ruột kết và bị phân huỷ bởi các enzym và được vận chuyển tớikhắp cơ thể COS còn có tác dụng làm giảm lượng đường trong máu, tăng khả năng hấp thụ canxi,

hạ lượng axit uric trong máu Ngoài các hoạt tính sinh học, chitooligosaccharide còn trở nên hấpdẫn hơn bởi chúng rất dễ bị phân huỷ sinh học và vì vậy không tích luỹ làm ô nhiễm môi trường

Nguồn nguyên liệu chitosan có nguồn gốc từ vỏ các loài giáp xác là một loại nguyên liệurất phổ biến ở nước ta nhưng từ trước đến nay vẫn chưa được tận dụng nhiều

1.4.1.1.Chitosan

Chitosan là dân xuất đề acetyl hoá của chitin, trong đó nhóm (–NH2) thay thế nhóm COCH3) ở vị trí C (2) Chitosan được cấu tạo từ các mắt xích D-glucosamin liên kết với nhau bởicác liên kết β-(1-4)-glucoside, do vậy chitosan có thể gọi là poly β-(1-4)-2-amino-2-deoxi-D-glucose hoặc là poly β-(1-4)-D- glucosamin (cấu trúc III) [16]

(-Công thức phân tử: (C6H11O4N) n

Phân tử lượng: Mchitosan = (161,07) n

Tuy nhiên, trên thực tế thường có mắt xích chitin đan xen trong mạch cao phân tử chitosan(khoảng 10%) [16]

Cũng giống như cellulose chitosan có cấu trúc dạng sợi Tuy nhiên, không giống nhữngdạng sợi thực vật, chitosan có những đặc tính riêng biệt như khả năng hình thành màng, nhữngđặc tính cấu trúc sinh học, …Chitosan cũng mang điện tích dương vì thế có khả năng liên kết hoá

học với các ion mang điện tích âm như các chất béo và những axít đắng [16].

Deacetyl hoá cũng ảnh hưởng đến sự phân huỷ sinh học của chitosan Quá trình deacetylhoá kéo theo sự loại bỏ nhóm acetyl từ chuỗi phân tử chitin, hợp chất thu được (chitosan) cónhóm (-NH2) tham gia phản ứng hoá học mạnh Điều này làm cho mức độ deacetyl hoá là thuộc

tính quan trọng trong sự sản xuất chitosan [47].

Độ deacetyl hoá của chitosan nằm trong phạm vi từ 56% đến 99% với mức trung bình là

80% phụ thuộc vào nguồn chitin [30, 38]

Chitosan có khối lượng phân tử khác nhau ứng với các nguồn chitin khác nhau Khối lượngphân tử chitin trong tự nhiên thường lớn hơn một triệu Daltons trong khi sản phẩm chitosanthương mại có khối lượng phân tử từ 100,000 - 1,200,000 Daltons phụ thuộc vào quá trình xử lý

của nhà sản xuất [23, 25].

Các nghiên cứu gần đây cho thấy chitosan có khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩnhiệu quả Đặc tính kháng khuẩn của chitosan phụ thuộc vào khối lượng phân tử của nó và loại vikhuẩn Ví dụ, chitosan có khối lượng 470 KDa đã ức chế hiệu quả vi khuẩn gram dương ngoại trừ

Lactbacillus sp., trong khi đó chitosan với khối lượng là 1,106 KDa thì có hiệu quả đối với vi

khuẩn gram âm Chitosan thường có khả năng kháng khuẩn với các vi khuẩn gram dương

(Listeria monocytogenes, Bacillus megaterium, B cereus, Staphylococcus aureus, Lactobacillus plantarum, L brevis, and L bulgaris) hiệu quả hơn vi khuẩn gram âm (Escherichia coli, Vibria

parahaemolyticus, Samonella typhimurium) với nồng độ chitosan là 0,1% [39].

Hiện nay, chitosan được sản xuất từ vỏ tôm bằng cả 2 phương pháp hoá học và sinh học.Trong phương pháp hóa học, deacetyl hóa chitin bằng kiềm với các điều kiện phản ứng khác nhaunhư nồng độ kiềm, thời gian phản ứng mà cho chitosan có các mức độ deacetyl khác nhau Trongphương pháp sinh học có thể dùng enzyme deacetylase để khử acetyl của chitin tạo thànhchitosan Ngoài ra có thể kết hợp các enzyme khác trong quy trình hoá học để tăng hiệu quả sảnxuất, giảm ô nhiễm môi trường và tận thu các sản phẩm khác Các enzyme này thường là proteasenhư papain, bromelain, và các enzyme từ động vật, thực vật, vi sinh vật có tác dụng khử proteintrong nguyên liệu ban đầu, còn deacetylase chủ yếu thu nhận từ việc nuôi cấy các vi sinh vật

thường tồn tại nhiều trên vỏ tôm, đặc biệt ở những nơi vỏ tôm đang phân huỷ [39].

1.4.1.2 Chitosan orligosaccharide (COS)

Chitosan oligosaccharit (COS) là chitosan phân tử lượng thấp, cấu tạo từ 3 đến 11 đơn vịglucozamin liên kết với nhau thông qua cầu nối β-(1-4)-D- glucozit COS (có mức polime hóa DPthấp) có khả năng hòa tan tốt hơn các chitosan phân tử lượng thấp (LMWC-low molecular weightchitosan) với mức DP cao hơn Nói chung phân tử lượng của COS có thể lên đến 10 kDa Trong

quá trình sản xuất COS, độ nhớt được dùng để xác định phân tử lượng trung bình của COS [51].

Chitosan và COS mang điện tích dương nên có thể liên kết chặt với bề mặt tích điện âm vàquyết định nhiều đặc tính sinh học của chúng Thêm vào đó, chitosan và COS không độc, có khảnăng phân hủy sinh học và tương thích sinh học (không gây hại cho hệ sinh học) nên hứa hẹn

nhiều ứng dụng sinh học trong tương lai [51].

Không giống chitosan, COS có thể tan trong nước và hấp thụ dễ dàng bởi ruột, nhanh

chóng đi vào máu và có tác động sinh học lên cơ thể [15] Ngoài ra COS còn có nhiều đặc tính

sinh học khác như kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn và nấm, hoạt tính chống lại sự phát triểncủa các khối u, hoạt động như một tác nhân miễn dịch và liên kết với các protein kháng bệnh ở

các loài thực vật bậc cao [51].

 Hoạt tính sinh học của Chitosan orligosaccharide COS

COS được biết có nhiều hoạt tính sinh học như kháng nấm [52], hoạt tính kháng vi khuẩn

[20, 27, 50], kháng các khối u, bướu [46], tăng cường khả năng miễn dịch [33], và bảo vệ chống

lại sự nhiễm trùng và oxi hóa [22, 35, 36, 42] Các đặc tính của COS như mức độ polymer hóa

(DP) và mức độ acetyl hóa (DA), sự phân bố điện tích và các biến đổi hóa học có ảnh hưởng lớnđến hoạt tính sinh học của chúng Kích thước phân tử của COS được xem là thông số chính quan

trọng liên quan tới hoạt tính sinh học của chúng [46].

 Hoạt tính kháng khuẩn

Hoạt tính kháng khuẩn của chitosan và các dẫn xuất của chitosan đối với một số loại vikhuẩn đã được biết đến và được xem là một trong các đặc tính quan trọng có liên quan trực tiếpđến tiềm năng ứng dụng sinh học của chúng Hoạt độ kháng khuẩn của COS phụ thuộc vào mức

độ polime hóa DP [24], mức deacetyl hóa DA [41, 50].

Nghiên cứu của Jeon và cộng sự đã chỉ ra rằng các COS có kích thước phân tử nhỏ 1kDađến lớn hơn 10 kDa đều có hoạt tính kháng hầu hết các vi khuẩn thử nghiệm và hoạt tính kháng

khuẩn tăng cùng với việc tăng kích thước phân tử [24] Hơn nữa hoạt tính kháng vi sinh vật gây

Hình 1.12: Chitosan Oligosaccharide dạng bột

Molloy và công sự đã quan sát được sự kháng Sclerotiniasclerotiorum gây bệnh cho cà rốt

của hỗn hợp COS bao gồm cả DP 1-6 với DP trung bình 7 [32].

Không giống chitin, chitosan và COS có nhóm amoni trong cấu trúc Nhóm ion dươngamino này được cho là có chức năng kháng khuẩn và một vài giả thiết về cơ chế đã được đề xuất

[14] Cơ chế cho rằng COS có thể thay đổi tính chất thẩm thấu của màng vi sinh vật và do vậy

ngăn các chất đi qua màng hay gây nên sự rò gỉ của tế bào và cuối cùng tiêu diệt tế bào được chấp

nhận hơn cả [21].

Nhóm amino mang điện tích dương của chitosan và COS có thể tạo phức với nhómcacboxyl mang điện tích âm của các hợp chất cao phân tử trên bề mặt tế bào của vi khuẩn Nhómphức này tạp lớp màng không thẩm thấu xung quanh tế bào và ức chế quá trình trao đổi chất của

tế bào Với cơ chế này, COS có nhiều nhóm amino dương hơn do vậy liên kết mạnh hơn với tế

bào vi khuẩn [18].

Bảng 1.1: Khả năng ức chế của COS đến các vi sinh vật khác nhau [45]

 Chủng vi sinh vật Hoạt tính kháng u bướu

Độ đề acetyl hóa(%)

Khối lượngphân tử (kDa)

Nồng độ ức chếnhỏ nhất (%)

Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng chitosan và COS có thể ức chế sự phát triểncủa tế bào u bướu bằng cách nâng cao tăng cường miễn dịch Một vài nghiên cứu chỉ ra rằng hoạttính kháng khối u được quan tâm không vì trực tiếp giết chết các tế bào u bướu nhưng chúng có

thể làm tăng khả năng sản xuất lymphokines [48] Các nghiên cứu lâm sàng trên chuột cho thấy COS có khả năng ngăn chặn di căn trên tế bào ung thư biểu mô phổi [49] Tuy nhiên, hoạt tính

kháng u bướu của COS phụ thuộc vào đặc tính cấu trúc như mức độ deacetyl hóa, khối lượngphân tử [26] Hơn nữa, các nghiên cứu hoạt tính kháng khối u của chitosan và các dẫn xuất đãphát hiện ra deacetyl hóa một phần và carboxymethyl chitin với mức thay thế thích hợp sẽ tác

động hiệu quả đến việc kiểm soát các khối u [37] Không giống với nhiều phân tử sinh học khác,

COS có thể được sử dụng trực tiếp qua đường uống và sẽ tác động khi vào trong ruột Qui & cs

[43] đã chứng minh rằng COS có thành phần tetramer và pentamer có thể ức chế sự phát triển của

các tế bào khối u S180 trong chuột sau khi cho chuột uống

 Hoạt tính chống oxy hóa

Hoạt tính chống oxi hóa của của chitosan và các dẫn xuất của chúng đang được các nhàkhoa học quan tâm Khả năng chống oxi hóa của COS phụ thuộc vào mức deacetyl hóa và kíchthước phân tử COS với kích thước phân tử 1-3 kDa được xác định có tiềm năng loại các gốc khác

nhau [48] COS với mức deacetyl hóa cao (DA 90%) thích hợp để loại các gốc tự do DPPH, hydroxyl, superoxide [22] Ngo và cộng sự đã chỉ ra rằng Na-COS với kích thước phân tử 1-3 kDa có khả năng chống oxi hóa tốt hơn Na-COS <1kDa [48].

Cơ chế cụ thể về khả năng chống oxi hóa của COS còn chưa rõ rang Tuy nhiên người tacho rằng khả năng hấp thụ ion kim loại của COS có ảnh hưởng lớn đến khả năng chống oxi hóa

 Hoạt tính giảm béo

Trong các nghiên cứu trước đây, một số nhà khoa học đã chứng tỏ rằng chitosan có khả

năng liên kết với chất béo và ngăn cản sự hấp thụ chất béo trong ruột [47] Một số nghiên cứu còn

cho thấy chitosan có thể làm giảm cholestrol trong máu của chuột COS cũng có khả năng kiểm

soát cholesterol trong máu, đặc biệt COS có thể giảm cholesterol trong gan [17] Không giống

chitosan, COS không làm tăng cường việc tổng hợp cholesterol bù, giảm các axit béo quan trọng,

các vitamin béo tan [34] Do COS có tác dụng làm giảm cholesterol trong máu nên có tác dụng tốt

đối với những người bị huyết áp cao, những người béo Khả năng làm giảm cholesterol mở ra khảnăng ứng dụng COS đối với những người có nhu cầu giảm cân Cơ chế giảm béo của chitosan và

COS vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn [17].

Một giả thuyết cho rằng khả năng liên kết với các ion của COS với muối và axit mật (trongruột) đã ngăn chặn việc hình thành các mixel trong quá trình phân hủy lipit trong dạ dày Một giả

thuyết khác cho rằng chitosan và COS có thể trực tiếp giữ các lipit và axit béo [17].

 Một số hoạt tính khác

Có nhiều nghiên cứu đã chứng minh chitosan oligosaccharit có chức năng tăng cường hệ

thống miễn dịch [33], tăng cường sinh trưởng các tế bào vi khuẩn probiotic như Bifidobacterium

và vi khuẩn Lactic Chitosan oligosaccharit có thể sử dụng như là một chất kích thích sinh trưởng

được bón cho cây trồng để cải thiện sản lượng hoa quả và rau và nó có thể ngăn chặn sự nhiễm

sâu bệnh, sản sinh các chất kháng khuẩn trong đất và làm phân bón sinh học [29].

Sản xuất phân bón và chất trừ sâu sinh học từ chitosan oligosaccharit đang là lĩnh vực mới

mẻ và đầy tiềm năng trong tương lai [23,24,45].

Những nghiên cứu gần đây cho thấy chitosan oligosaccharit có thể sử dụng là tác nhânđông tụ hiệu quả cho các hợp chất hữu cơ, nó đóng vai trò như một cái kìm liên kết các chất độckim loại nặng, nó hấp thụ các chất nhuộm và nồng độ nhỏ của phenol khác nhau trong công

nghiệp xử lý nước thải [14, 19, 23].

Trong ứng dụng đặc biệt này, chitosan tỏ ra có hiệu quả hơn các hợp chất cao phân tử khácđược tổng hợp nhân tạo, than hoạt tính và thậm chí cả chitin Hơn nữa, nhóm amino trong

chitosan là nhóm hoạt động nhất và nó có thể đóng vai trò là tác nhân hấp thụ hiệu quả [23].

Chitosan oligosaccharit có cấu trúc dạng sợi, và có các thuộc tính giống như các chất cócấu trúc sợi như cellulose nên có thể dùng cho những người ăn kiêng, thay thế các thức ăn chứa

nhiều calo [23, 28].

Chitosan oligsaccharit được dùng trong các quá trình xử lý sản phẩm, tạo gel, tạo độ mịn,

bề dày cho sản phẩm như trong quá trình sản xuất bánh quy và chế biến thịt (thay thế hàn the, cảitạo cấu trúc sản phẩm thịt) Đặc biệt hơn chitosan oligsaccharit có thể hút nước trong sản phẩmnhằm tránh một số quá trình lên men xảy ra trong khi bảo quản Vì thế được ứng dụng làm chậmlại quá trình bị thâm của rau quả Nhờ bao gói bằng màng chitosan mà ức chế được hoạt tính oxyhóa của các polyphenol, làm thành phần của anthocyamin, flavonoid và tổng lượng các hợp chất

phenol ít biến đổi, giữ cho rau quả tươi lâu hơn [14, 28].

Chitosan oligsaccharit tạo màng tốt với các protein có khả năng giữ ẩm tốt và đó là đặc tính

chủ yếu của các sản phẩm chăm sóc tóc, chăm sóc da … [44].

1.4.2 Quy trình thu nhận chitosan orligosaccharide

Bước 1: Chuẩn bị cơ chất và thực hiện phản ứng thủy phân

Chuẩn bị cơ chất: Chitosan 1.5 % được pha trong đệm axetate pH=5.0 ở nhiệt độ 40C vàkhuấy mạnh Sau khi chitosan tan hoàn toàn đưa pH của hỗn hợp lên 6.0 dùng NaOH.6N

Thực hiện phản ứng thủy phân giữa cơ chất chitosan và chế phẩm enzyme Celluclast 1.5Ltại điều kiện nhiệt độ 500C, pH=6.0, tỷ lệ E: cơ chất (v/w) = 1: 0.7, thời gian phản ứng là 8h

Sau 8h phản ứng thủy phân, ngừng phản ứng bằng cách nâng nhiệt độ lên 1000C trong 10phút

Bước 2: Thu dịch thủy phân

Dịch thủy phân sau phản ứng có chứa tạp chất và cặn bẩn nên được ly tâm lạnh 40C để loạicặn bẩn và các tạp chất thô có trong đó

COS dạng bột Sấy chân không

Cô quay chân không

Kết tủa bằng cồn

Thu dịch thủy phân Thủy phân

Chitosan

Chế phẩm enzyme Celluclast

Hình 1.13: Sơ đồ quy trình thu nhận chitosan orligosaccharide dạng bột [31]

Bước 3: Cô đặc dịch sau thủy phân bằng cô quay chân không

Dịch sau khi ly tâm có màu vàng nhạt, trong, có Bx = 30 Để thuận tiện cho những bướcsau thực hiện cô đặc dịch thủy phân đến Bx = 90 bằng thiết bị cô quay chân không

Bước 4: Kết tủa dịch sản phẩm bằng cồn nguyên chất

Để kết tủa COS cho mục đích tinh sạch, người ta thường dùng dung môi hữu cơ nhưethanol hay acetone hoặc muối trung tính Các dung môi hữu cơ khi thêm vào dung dịch nước sẽlàm giảm hằng số điện môi của dung dịch, do đó làm thay đổi tính tan của COS và dẫn đến làmkết tủa COS Nồng độ của các dung môi gây kết tủa thường từ 80% (V/V) trở lên

Sau quá trình thủy phân COS được tách khỏi dịch bằng phương pháp kết tủa sử dụng cồnetylic Sử dụng cồn ethanol 99,7%, cho dịch sản phẩm vào cồn với các tỷ lệ khác nhau, thời giankết tủa 30 phút ở 40C Sau đó tiến hành ly tâm ở 9000vòng/phút ở 40C trong 30 phút để thu kết tủa

và chuẩn bị cho quá trình sấy

Bước 5: Sấy thu sản phẩm COS

Sản phẩm COS đang ở dạng lỏng, để bảo quản tốt hơn chúng tôi thực hiện sấy COS.Chúng tôi thực hiện phương pháp sấy chân không nhiệt độ thấp

Hình 1.14: Sản phẩm COS

1.4.3 Sản phẩm chitosan orligosaccharide COS

Sản phẩm COS dạng bột sấy bằng phương pháp sấy chân không nhiệt độ thấp có độ ẩm12% Khi sử dụng chitosan có MW 6741 kDa thì sản phẩm COS thu được có MW trung bình là3.466 kDa Khối lượng phân tử trung bình của COS giảm gần 2000 lần so với khối lượng của cơchất ban đầu Trên thị trường thế giới các sản phẩm có chứa COS đang được sử dụng dưới dạngcác thực phẩm chức năng, được nhiều nhà sản xuất và phân phối quan tâm Dưới đây là một sốsản phẩm tiêu biểu

Bảng 1.2: Một số sản phẩm chứa COS trên thị trường

Tên sản phẩm

Nhà sản xuất/phân phối

1.5.1 Hệ thống thiết bị sấy chân không

Thông thường, một hệ thống sấy chân không có các thiết bị chính như sau:

- Buồng sấy chân không

- Thiết bị ngưng tụ - đóng băng

- Hệ bơm chân không

- Hệ thống tự động điều khiển

Ngoài ra, hệ thống sấy chân không cần phải có một hệ thống lạnh cấp lạnh cho thiết bịngưng tụ - đóng băng, dàn lạnh ngưng tụ hơi nước, dàn nóng, quạt gió ngưng gas lạnh, van tiết

lưu, van điện từ, bình tách lỏng, bình chứa cao áp và bộ lọc [8].

1.5.1.1 Buồng sấy chân không

Hiện nay, hệ thống sấy chân không trên thị trường rất đa dạng và được chia thành 2 loạitheo phương thức gia nhiệt cho vật liệu:

 Thiết bị sấy chân không kiểu gián đoạn

Tủ sấy chân không là một thiết bị sấy đơn giản nhất, có dạng hình trụ hoặc hình hộp chữnhật, được cấp nhiệt bằng hơi nước, nước nóng hoặc sợi đốt điện trở Vật liệu được xếp vào khay

và cho vào tủ sấy đặt trực tiếp lên nguồn nhiệt hoặc được cấp nhiệt bằng bức xạ Trong thời gianlàm việc tủ được đóng kín và được nối với hệ thống tạo chân không (thiết bị ngưng tụ và bơmchân không) Việc cho liệu vào và lấy liệu ra được thực hiện bằng tay Tủ sấy chân không có năng

suất nhỏ và hiệu quả thấp nên nó được sử dụng chủ yếu trong phòng thí nghiệm [2] [12].

Hình 1.15: Thùng sấy chân không cánh đảo

Để tăng khả năng truyền nhiệt chuyển khối, sản phẩm trong thùng sấy được đảo trộn nhờtrục gắn cánh đảo 3 Thùng sấy hình trụ dài có hai lớp để chứa và tải chất tải nhiệt (hơi nước hoặcnước nóng).

Trục và cánh đảo có thể đổi chiều quay theo định kỳ (5 – 8 phút) để tăng sự đảo trộn đềuđặn và chống bết dính theo chiều quay Ngoài các cánh đảo còn có các ống đảo phụ 5 để phá vỡ

sự vón cục và đảo đều theo chiều dọc thùng sấy Năng suất thùng sấy phụ thuộc vào tính chất, độ

ẩm ban đầu của vật liệu, nhiệt độ của chất tải nhiệt và độ chân không

Ở các thùng sấy này, tiếp liệu và tháo sản phẩm phần lớn đã được cơ giới hóa Hơi thứ bốc

từ sản phẩm được dẫn qua bộ lọc tới thiết bị ngưng tụ Đối với hơi nước thường dùng thiết bịngưng tụ dạng phun tia, còn với nhũng loại hơi cần thu hồi thì dùng thiết bị ngưng tụ bề mặt Đểhút khí không ngưng người ta thường dùng bơm chân không vòng nước Nguyên liệu cho vàothùng sấy tốt nhất khoảng 80% thể tích thùng

 Thiết bị sấy chân không liên tục

Quá trình sấy chân không liên tục có thể được thực hiện theo các nguyên lý:

- Thùng quay, băng tải, tháp cho các vật liệu dạng hạt

- Với những vật liệu dạng hạt thường sấy trong các tháp sấy chân không

+ Đối với vật liệu rời, có thể sấy liên tục bằng thiết bị sấy chân không băng tải

1 Phểu tiếp liệu

2 7

9

12

Hình 1.16: Sơ đồ thiết bị sấy chân không băng tải

+ Lô cuốn cho các vật liệu dạng dịch nhão

- Với loại vật liệu lỏng có độ dính ướt cao, có thể sử dụng thiết bị sấy chân không lô cuốn

Lô cuốn quay quanh trục nằm ngang được đốt nóng từ bên trong bằng hơi nước Lô quay đượcmột vòng thì vật liệu cũng được sấy khô và được tay gạt gạt khỏi lô cán và tải vào vít tải hay tangtháo liệu liên tục mà vẫn đảm bảo độ chân không

- Với nhưng vật liệu dạng bột nhão người ta sử dụng thiết bị sấy chân không hai lô cán Bộtnhão được cấp vào khe của hai lô cán ngược quay chiều nhau, bị cuốn và cán mỏng lên bề mặt hai

lô cán, bên trong gia nhiệt bằng hơi nước Vật liệu trên lô quay gần được một vòng thì khô vàđược dao gạt vào vít tải và tải ra ngoài

+ Sấy phun chân không đối với các vật liệu lỏng có độ nhớt không cao

Trong hệ thống sấy phun chân không này, dịch lỏng được gia nhiệt sơ bộ ở thùng chứađược bơm bơm qua bộ lọc 2, sang thùng trung gian 4, sau đó được bơm cao áp 5 đẩy qua thiết bịtrao đổi nhiệt 6 và phun vào buồng chân không 7 Ở đấy ẩm được bốc hơi trong diều kiện chânkhông, sản phẩm được làm khô hoặc kết tinh rơi xuống và được vít tải 8 tải ra ngoài Những hạt

1

23

4

56 78

9 10

Dịch

Đến thiết bị ngưng tụ

6 Vít tháo và sấy bổ sung sản phẩm.

Hình 1.17: Thiết bị sấy chân không một lô cán

1- Thùng chứa 2- Bơm

3- Bộ lọc4- Thùng trung gian5- Bơm

6- Thiết bị gia nhiệt7- Buồng sấy phun8- Vít tháo sản phẩm9- Bơm chân không10-Thiết bị thu hồi sản phẩm

Hình 1.18: Sơ đồ hệ thống sấy phun chân không

vật liệu khô nhỏ bị cuốn theo hơi ẩm được tách bằng xyclon 10, còn hơi ẩm được hút qua thiết bị

ngưng tụ và bơm chân không ra ngoài [2] [12]

Một số dịch lỏng có độ nhớt không cao được sấy

liên tục dưới dạng màng mỏng trong chân không

Trong thiết bị này, dịch được vòi phun phun lên bề

mặt thiết bị hình trụ tạo thành màng mỏng và được cấp

nhiệt bằng áo nhiệt từ phía bên ngoài vào Vòi phun quay

quanh trục tạo màng liên tục Màng được sấy khô và được

dao gạt 2 gạt khỏi bề mặt dồn xuống đáy và tháo ra ngoài

qua các cơ cấu tháo liệu liên tục và kín Bề mặt thiết bị

vừa giải phóng được phun tiếp màng mới và tiếp tục chu

trình trên Thời gian sấy có thể hiệu chỉnh bằng số vòng

quay và góc lệch giữa vòi phun và dao gạt

1- Vòi phun 2 Tay gạt 3 Bộ dẫn động và cấp dịch 4 Ống hút chân không

1.5.1.2 Bơm chân không

Bơm chân không là thiết bị dùng để hút khí và hơi của các vật chất khác nhau ra khỏi thểtích cần hút, bằng chuyển động cơ học hay tạo sự liên kết chúng trong đó bằng cơ chế hấp thu

(hấp thụ vật lý, hóa học, hấp thụ, hấp thụ ion do phóng điện khí …) [2] [8].

Việc chọn bơm phụ thuộc vào loại và lưu lượng khí cần hút cũng như vùng áp suất làmviệc Các bơm chân không hút khí ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển và đẩy ra ở áp suất khí

quyển một ít [2] [8].

Các hệ bơm chân không: hiện có nhiều hệ bơm chân không khác nhau như:

-Bơm piston, bơm rotor, bơm trục vít, bơm ly tâm…[8].

-Bơm một cấp, bơm hai hay nhiều cấp [8].

-Bơm chân không vòng dầu hay vòng nước [8].

Ứng với mỗi loại có những ưu nhược điểm khác nhau, trong kỹ thuật chân không hiện nayrất được ưa chuộng sử dụng bơm chân không loại piston vì loại bơm này có tỉ số nén tương đốicao phù hợp cho quá trình hút chân không trong thời gian dài ở quá trình sấy Ngoài ra, nếu yêucầu công nghệ đòi hỏi áp suất chân không sâu thì lúc này cần phải sử dụng bơm chân không hai