(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, thực nghiệm xác định các thông số công nghệ sấy sâm đương quy bằng phương pháp sấy thăng hoa

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài

1.1.1 Sự biến đổi của vi sinh vật trong quá trình sấy [39]

Sấy là phương pháp lâu đời và phổ biến trong công nghệ sau thu hoạch, nhằm giảm hàm lượng ẩm trong nguyên liệu, từ đó làm chậm sự phát triển của vi sinh vật và các biến đổi enzyme Quá trình này không chỉ giúp kéo dài thời gian bảo quản nông sản mà còn tạo ra những biến đổi hóa học và cảm quan, đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng Để đảm bảo chất lượng nông sản sấy, cần chú ý đến sự biến đổi vi sinh vật, các phản ứng hóa học, tính chất vật lý và hàm lượng dinh dưỡng.

Bảng 1.1: Các đặc trương liên quan đến chất lượng nông sản sấy [39]

Vi sinh vật Hóa học Vật lý Dinh dưỡng

- Các vi sinh vật gây bệnh

- Các vi sinh gây hư hỏng

- Các phản ứng tạo màu

- Các phản ứng oxi hóa

- Sự thay đổi tạo mùi

- Sự thay đổi cấu trúc

- Sự thay đổi cấu trúc của các lỗ xốp trong nguyên liệu

- Sự tổn thất hoạt tính sinh học

Cụ thể, tác hại như sau:

Quá trình sấy đóng vai trò quan trọng trong việc giảm hoạt độ nước, từ đó ức chế sự phát triển của vi sinh vật, mặc dù không tiêu diệt hoàn toàn chúng như các phương pháp tiệt trùng Nhiệt độ trong quá trình sấy giúp giảm khả năng kháng nhiệt của vi sinh vật, đồng thời hạn chế các độc tố và hư hỏng do chúng gây ra.

Quá trình sấy nguyên liệu gây ra sự thay đổi đáng kể về tính chất vật lý, đặc biệt là hiện tượng co lại (shrinkage) Khi nguyên liệu mất nước, các mô bên trong có xu hướng co lại, dẫn đến sự co lại tổng thể của nguyên liệu.

Khả năng tái hút ẩm là một thuộc tính quan trọng, thường tỷ lệ nghịch với hiện tượng co lại của nguyên liệu Sự thay đổi về tính chất vật lý của nguyên liệu phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, tốc độ bay hơi nước và thành phần hóa học.

Sự biến đổi dinh dưỡng trong nguyên liệu giàu vitamin và hoạt chất sinh học, như trái cây, thường xảy ra khi tiếp xúc với nhiệt độ Nhiệt độ cao có thể dẫn đến sự mất mát các thành phần dinh dưỡng quan trọng, làm giảm giá trị dinh dưỡng của nguyên liệu.

1.1.2 Vấn đề năng lượng trong quá trình sấy [39]

Quá trình sấy nông sản tiêu tốn nhiều năng lượng, do đó tiết kiệm năng lượng trong giai đoạn này là rất quan trọng để tăng lợi nhuận Một nghiên cứu cho thấy, việc cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng chỉ 1% trong quá trình sấy có thể dẫn đến tăng đến 10% lợi nhuận trong sản xuất Vì vậy, năng lượng đã trở thành một trong những yếu tố được chú trọng hàng đầu trong công nghệ sấy nông sản.

Trong quá trình sấy, có nhiều loại tổn thất năng lượng cần lưu ý, bao gồm: tổn thất năng lượng trong dòng khí thải, tổn thất từ nguyên liệu, tổn thất do rò rỉ tác nhân sấy và tổn thất do sấy quá mức yêu cầu.

Theo quy hoạch phát triển vùng trồng dược liệu ở Việt Nam, Lâm Đồng được xác định là khu vực sản xuất dược liệu hàng hóa nhờ điều kiện tự nhiên thuận lợi Tỉnh hiện có nhiều loại cây dược liệu quý như Đẳng sâm, Ngưu tất, Bạch chỉ, Đan sâm và Đương quy Nhật Bản, trong đó Đương quy Nhật Bản được sử dụng làm nguyên liệu cho thuốc và thực phẩm chức năng Tuy nhiên, phương pháp sơ chế sâm Đương quy sau thu hoạch bằng sấy nhiệt từ 50 – 55 độ C hoặc phơi khô đã làm giảm chất lượng dược liệu và mùi vị tự nhiên, chỉ cho phép bảo quản trong 5 - 7 ngày, dẫn đến thu nhập của nông dân giảm khi được mùa mà mất giá Điều này đã thúc đẩy nông dân tìm kiếm giải pháp, và đó là lý do tôi chọn đề tài luận văn: “Nghiên cứu, thực nghiệm xác định các thông số công nghệ sấy sâm Đương quy bằng phương pháp sấy thăng hoa.”

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

+ Thực nghiệm xác định các chế độ sấy phù hợp trên máy sấy thăng hoa với đối tượng sâm Đương quy:

- Phân tích hàm lượng polysaccharide.

Tổng quan về sâm Đương quy

Nhân sâm là một loại thảo dược thiên nhiên với nhiều chủng loại khác nhau, mỗi loại mang lại công dụng riêng Để phân biệt giữa các loại sâm và nhận diện hàng thật, hàng giả, chúng ta cần hiểu rõ đặc điểm nhận dạng của sâm Đương quy, hay còn gọi là Angelica Sinensis (Oliv.) Diels Đây là một loại cây thảo sống lâu năm, có chiều cao từ

Rễ Đương quy có chiều dài phát triển từ 20cm, với đường kính dao động từ 0.3 đến 3.5cm Chúng có màu nâu nhạt và đặc trưng bởi nhiều nếp nhăn dọc theo thân rễ.

Rễ đương quy có chiều dài từ 10 đến 20 cm, gồm nhiều nhánh và được phân thành ba phần: quy đầu, quy thân và quy vĩ Đường kính quy đầu dao động từ 1,0 đến 3,5 cm, trong khi quy thân và quy vĩ có đường kính từ 0,3 đến 1,0 cm Bên ngoài rễ có màu nâu nhạt với nhiều nếp nhăn dọc, còn mặt cắt ngang có màu vàng ngà với vân tròn và nhiều điểm tinh dầu Thân cây hình trụ, màu tím với rãnh dọc màu tím Lá mọc so le, có hình dạng xẻ lông chim ba lần; cuống lá dài từ 3 đến 12 cm, có bẹ lớn ôm thân, trong đó lá chét phía dưới có cuống dài, còn các lá chét ở ngọn không cuống, có chóp nhọn và mép khía răng không đều.

Hình 1.1: Củ sâm Đương quy và khô sâm thát lát [37]

Cụm hoa của cây Sâm Đương quy có hình cầu với các tán nhỏ dài ngắn không đều, hoa nhỏ màu trắng hoặc lục nhạt, tạo nên vẻ đẹp giống như bông pháo hoa Quả của cây có hình dẹt, màu tím nhạt, thường ra hoa và kết quả vào mùa thu, khoảng tháng 8, tháng 9 Âm lịch Loài cây này phát triển chủ yếu ở vùng núi cao trên 1500m, nơi có khí hậu ẩm mát, tập trung nhiều ở các tỉnh phía Tây Bắc như Sapa, Mù Cang Chải, Vân Hồ, Tủa Chùa, Tam Đường và khu vực Tây Nguyên như Ngọc Lĩnh, Buôn Ma Thuột, Đà Lạt.

Hình 1.2: Hoa sâm Đương quy [37]

1.3.2 Thành phần hóa học và công dụng của sâm Đương quy

Củ sâm Đương quy chứa polysaccharides, một chất quan trọng giúp tăng cường hoạt huyết, sức đề kháng và miễn dịch, đồng thời ức chế khối u để bảo vệ tế bào khỏe mạnh Ngoài ra, sâm Đương quy còn chứa nhiều hoạt chất có lợi khác.

+ Ligustilid trong tinh dầu có tác dụng làm tăng tuần hoàn máu

+ N-butylphtalid có tác dụng chữa đột quị do thiếu máu não cục bộ cấp tính + Coumarin có tác dụng hoạt huyết

+ Phytoestrogen làm giảm tác dụng kiểu oxytoxin của hormone tuyến yên, ức chế co bóp tử cung, chống viêm và hạ huyết áp

+ Acid hữu cơ ferulic có tác dụng ức chế ngưng tập tiểu cầu.

Tình hình phơi sấy sâm Đương quy hiện nay ở Việt Nam

Phương pháp phơi tự nhiên:

Sau khoảng 14 tháng trồng, đương quy bắt đầu cho thu hoạch củ, với củ lớn có thể nặng tới 8 lạng Sản phẩm thu hoạch cần được cắt bỏ lá và sơ chế, rửa sạch đất cát trước khi tiến hành chế biến.

Hình 1.3: Thu hoạch sâm đương quy [37]

Người xử lý làm sạch đất trong các kẽ rễ củ bằng cách xịt rửa dưới vòi nước áp lực lớn với tia nước nhỏ Công đoạn này khó sử dụng máy móc do có nguy cơ làm gãy các rễ nhỏ.

Hình 1.4: Sâm đương quy được xịt rửa loại bỏ đất cát [38]

Sau khi rửa sạch, củ được để ráo và sắp xếp trên các khay để phơi nắng cho khô Quá trình này cần có ánh nắng đều và nhiệt độ cao để đảm bảo hiệu quả.

Hình 1.5: Công đoạn xếp vào khay trước khi phơi khô [38] + Ưu điểm:

- Đơn giản, không cần thiết bị gì đặc biệt

- Kỹ thuật thao tác đơn giản

- Giá thành chế biến sản phẩm thấp

- Phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện thời tiết

- Về mặt cảm quan: màu sắc biến đổi, biến dạng cơ học

- Ảnh hưởng rất lớn đến dược tính

- Không đảm bảo về mặt vệ sinh

Hình 1.6: Thu hoạch sau khi phơi nắng [38]

+ Phương pháp sấy tiếp xúc:

Sau khi thu hoạch, nguyên liệu cần được tiền xử lý bằng cách hong khô trong bóng mát vài ngày Tiếp theo, nguyên liệu sẽ được vận chuyển về cơ sở chế biến, nơi sử dụng củi đốt hoặc trấu để sấy khô với công suất lò 200kg Quá trình chế biến đương quy thành phẩm diễn ra trong 48 giờ, với tỷ lệ chuyển đổi từ 5-6 sản phẩm tươi thành 1 sản phẩm khô.

Nhược điểm: Ảnh hưởng đến cấu trúc, mùi vị, màu sắc, giá trị dinh dưỡng, sự hoàn nguyên của sản phẩm

Hình 1.7: Hình ảnh sấy tiếp xúc [38]

Phương pháp sấy lạnh và sấy hơi nước đang được nhiều doanh nghiệp áp dụng để bảo vệ dược tính của Đương quy Việc phơi nắng ngoài trời ở nhiệt độ cao có thể khiến sản phẩm bị khô, cứng và mất đi giá trị dinh dưỡng Nhờ vào công nghệ sấy hiện đại, sản phẩm Đương quy được tạo ra với độ mềm mại, độ ẩm cao và màu sắc hấp dẫn hơn.

Trong quá trình sấy lạnh (sấy thăng hoa), nhiệt độ được điều chỉnh theo từng ngày: -15°C vào ngày đầu tiên, -20°C đến -25°C vào ngày thứ hai và -35°C vào ngày thứ ba Phương pháp này giúp rút nước từ củ một cách dần dần, đảm bảo giữ nguyên chất lượng và mùi vị tự nhiên của sản phẩm.

Củ đương quy sau khi sấy thăng hoa sẽ được đưa ra nhiệt độ thường vào ngày thứ 3 để nguội, sau đó sấy bằng công nghệ nhiệt hơi nước Sản phẩm cuối cùng có độ ẩm từ 12-13%, với thân, rễ và củ vẫn giữ được độ mềm Củ có thể bảo quản ở nhiệt độ thường trong khoảng 7 ngày, trong khi nếu để trong bịch nilon kín, thời gian bảo quản sẽ là 4-5 ngày Nếu được bảo quản lạnh, củ đương quy có thể giữ được chất lượng từ 5-6 tháng.

Khái quát về tình hình nghiên cứu, ứng dụng ở thế giới và Việt Nam

Nghiên cứu công nghệ sấy tiên tiến nhằm bảo quản chất lượng nguyên liệu và tiết kiệm năng lượng đang là mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học toàn cầu Tại Việt Nam, các nhà khoa học cũng đang nỗ lực nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ sấy thăng hoa, một phương pháp đã được áp dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như hóa học, sinh học, y học, đặc biệt là trong công nghệ thực phẩm.

Nghiên cứu của Y Hu và cộng sự [1] đã phân tích ảnh hưởng của các phương pháp sấy như sấy thăng hoa, sấy không khí nóng và sấy chân không đối với sản phẩm thịt cá Hairtail Kết quả cho thấy, sấy thăng hoa là phương pháp hiệu quả nhất, giúp bảo vệ protein trong quá trình sấy, duy trì độ ẩm, chỉ số hấp thụ nước, độ tan trong nước, mùi và cấu trúc đồng nhất của sản phẩm Phương pháp này cũng được đánh giá là phù hợp nhất về mặt chất lượng và chi phí.

Nanchun Luoa và Haijing Shu đã giải thích về tiết kiệm năng lượng trong sấy thăng hoa thực phẩm, nhấn mạnh rằng hầu hết các nghiên cứu tập trung vào đường cong sấy thăng hoa của các loại thực phẩm cụ thể Điều này liên quan đến việc kiểm soát nhiệt độ và áp suất trong quá trình sấy Để đạt hiệu quả tối ưu, thực phẩm cần được sơ chế hoặc cắt thành kích thước phù hợp trước khi tiến hành sấy.

Yan Ma và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu sấy thăng hoa nguyên liệu trên thịt dăm bông và thịt thăn, nhằm tối ưu hóa quá trình mà không làm thay đổi thành phần protein ban đầu Nhiệt độ sấy được điều chỉnh ở mức 20°C và 30°C để đạt được kết quả tốt nhất.

Nghiên cứu cho thấy, khi sấy ở nhiệt độ 50°C trong 4 giờ với độ dày 3mm, kết quả tối ưu đạt được Các thí nghiệm được thực hiện ở các nhiệt độ 40°C, 50°C, và 60°C trong thời gian từ 2 đến 6 giờ, với chỉ số đo là tốc độ đụng khụ của giăm bụng hoặc thịt thăn trên mỗi 1mm.

Nghiên cứu của Adela María Ceballos và các cộng sự cho thấy tốc độ đóng băng ảnh hưởng đến hàm lượng polyphenol - hoạt chất chống oxi hóa trong bột trái cây qua công nghệ sấy thăng hoa Thí nghiệm được thực hiện tại 5 buồng sấy với nhiệt độ từ -50°C đến -10°C, giảm nhiệt độ 0,5°C mỗi phút, cho thấy độ ẩm sau 6 giờ sấy đạt từ 8,68% đến 13,09%, cao hơn so với tốc độ đóng băng Mối quan hệ phi tuyến tính giữa tốc độ đóng băng và độ hòa tan trong nước cuối cùng dao động từ 85,75% đến 81,51%, đồng thời làm tăng độ đục của mao dẫn trong cấu trúc vi mô của các mẫu sấy Sự thay đổi này còn phụ thuộc vào giống trái cây, mùa vụ và giai đoạn trưởng thành của trái cây.

Wu và các cộng sự đã nghiên cứu công nghệ sấy thăng hoa ở ba nhiệt độ khác nhau (-27,77 °C ± 0,21 °C; -31,63 °C ± 0,21 °C; -32,68 °C ± 0,2 °C) và nhận thấy rằng tốc độ gia nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến việc bảo vệ tinh dầu hoa anh thảo Kết quả cho thấy, khi áp dụng điều kiện đẳng nhiệt với tỉ lệ tinh dầu và nước là 6:1, tinh dầu hoa anh thảo được bảo quản tối ưu.

Nghiên cứu của Apinya Khampakool và các cộng sự đã chỉ ra rằng sấy thăng hoa hỗ trợ hồng ngoại (IRAFD) có tiềm năng lớn trong việc chế biến đồ ăn nhanh từ chuối thái mỏng Thí nghiệm với các mức công suất khác nhau cho thấy IRAFD có thể giảm thời gian sấy xuống còn 213 phút, tiết kiệm hơn 70% so với phương pháp sấy thăng hoa truyền thống (696 phút) Bên cạnh đó, IRAFD cũng giúp giảm tiêu thụ năng lượng điện, với mức tiết kiệm lên tới 8,4×10^3 kJ so với 27,0×10^3 kJ của sấy thăng hoa Quan trọng hơn, phương pháp này cải thiện độ giòn của sản phẩm, chứng minh rằng IRAFD là giải pháp hiệu quả cho việc sản xuất chuối giòn chất lượng cao, đồng thời tiết kiệm thời gian và năng lượng trong quá trình sấy.

Lan và các cộng sự đã nghiên cứu đặc tính hoàn ẩm của gạo R-Bas và gạo hoa nhài sau khi được sơ chế bằng phương pháp thủy nhiệt và sấy thăng hoa Kết quả cho thấy sản phẩm này phù hợp cho nhu cầu thực phẩm khẩn cấp và khẩu phần quân sự trong điều kiện khắc nghiệt, với đặc điểm độ ẩm thấp, trọng lượng nhẹ và khả năng bù nước nhanh Sau khi cơm chín tới, gạo được chuyển vào khay sấy với độ sâu 1,8 cm, sau đó được đông lạnh ở -18 °C qua đêm trước khi sấy thăng hoa Quá trình sấy diễn ra trong 12 giờ ở 90°C với áp suất giảm từ 80Pa xuống 10Pa Sản phẩm sau khi sấy được đóng gói 250g/gói, niêm phong và bảo quản ở 20°C với độ ẩm tương đối 50%.

Oikonomopoulou và các cộng sự đã nghiên cứu đặc tính cấu trúc của gạo thông qua công nghệ sấy thăng hoa Gạo được bảo quản ở nhiệt độ phòng trước khi tiến hành thí nghiệm, sau đó được đun sôi ở 100°C trong khoảng thời gian từ 4 đến 24 phút Tiếp theo, cơm được sấy thăng hoa ở -30°C trong 72 giờ bằng máy sấy đông thăng hoa y sinh SANYO MDF-236, thực hiện trong các điều kiện chân không khác nhau từ 4 Pa đến 125 Pa Sản phẩm thu được gọi là cơm FD, tương tự như mì gói, phục vụ cho nhu cầu khẩn cấp về lương thực trong quân sự.

Quiroga và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô hình hóa độ hoàn ẩm của cà chua tươi, lần đầu tiên ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và đặc tính cảm quan khi đóng gói Cà chua tươi được mua từ siêu thị địa phương và bảo quản ở 5 độ C Sau khi rửa sạch, cà chua được cắt thành miếng 1 cm x 1 cm x 2 cm và đông lạnh ở -20 độ C Sau đó, mẫu cà chua được sấy thăng hoa trong điều kiện chân không (nhiệt độ ngưng tụ -110 độ C, áp suất 0,1 mbar) trong 48 giờ Các mẫu này được sử dụng trong các thí nghiệm bù nước, với một số mẫu sau khi sấy thăng hoa được ngâm vào nước cất ở nhiệt độ 20 độ C và 40 độ C.

50 0 C loại bỏ nước bề mặt và sau đó cân lại

Meda và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu đặc tính hoàn ẩm của dâu tây thông qua phương pháp sấy thăng hoa ở nhiều mức nhiệt độ khác nhau Trong nghiên cứu, dâu tây được cắt thành từng lát dày 5 mm hoặc cắt đôi, sau đó được sấy thăng hoa ở nhiệt độ tấm gia nhiệt 55°C trong 28 giờ Các sản phẩm đông khô sau đó được bù nước ở các nhiệt độ 0°C, 20°C, 40°C và 80°C trong nước cất, tối đa 25 phút Thời gian bù nước cho các lát cắt 5 mm chỉ mất dưới 2 phút, trong khi đó, việc bù nước cho một nửa quả dâu tây cần dưới 5 phút.

Vergeldt và các cộng sự đã nghiên cứu sấy củ quả và rau để mang lại sự tiện lợi và thời gian bảo quản lâu dài cho người tiêu dùng Nhóm nghiên cứu của giáo sư tập trung vào đặc tính động lực học của cà rốt mùa đông thông qua hai phương pháp tiền xử lý: chần trước khi sấy và cà rốt tươi thái lát Các mẫu cà rốt được sử dụng có đường kính từ 3cm đến 6cm và chiều dài từ 20cm đến 30cm.

Cà rốt được sấy thăng hoa ở nhiệt độ từ -30°C đến 25°C với áp suất ổn định 0,4 mbar, sử dụng công nghệ Zirbus từ Đức, trong thời gian từ 27 đến 48 giờ để đạt độ ẩm chỉ 5% Tất cả các thí nghiệm bù nước được tiến hành ở nhiệt độ phòng.

Cui và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về phương pháp sấy chân không kết hợp vi sóng với nguyên liệu mật ong Phương pháp này được giáo sư áp dụng để cải thiện hiệu quả sấy.

Mục đích nghiên cứu của đề tài

+ Xác định các thông số công nghệ của sấy sâm Đương quy bằng phương pháp sấy thăng hoa gồm:

- Áp suất môi trường sấy;

- Nhiệt độ môi trường sấy;

- Thời gian của quá trình sấy thăng hoa

+ Xác định hàm lượng dược liệu (polysaccharide) của thành phẩm sau sấy và thành phẩm có trên thị trường.

Đối tượng và nội dung nghiên cứu của đề tài

1.7.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là sâm Đương quy thái lát và máy sấy sâm theo nguyên lý sấy thăng hoa

+ Nghiên cứu tổng quan về sâm Đương quy, tình hình sản xuất, chế biến, các phương pháp sấy sâm trên thế giới và sấy sâm Đương quy ở Việt Nam

+ Phân tích ưu nhược điểm và từ đó đưa ra mô hình sấy sâm lát mỏng theo nguyên lý sấy thăng hoa

+ Tính toán, thiết kế chế tạo mô hình sấy với công suất nhỏ

+ Thực nghiệm, đánh giá hiệu quả của quá trình sấy sâm đương quy theo nguyên lý sấy thăng hoa và xác định các thông số công nghệ phù hợp

Chỉ tập trung nghiên cứu các thông số công nghệ sấy sâm Đương quy mà chưa nghiên cứu chiều dày các lát cắt.

Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên các nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí uy tín quốc tế như SCI, SCIE và EI, cùng với các nghiên cứu trong nước, tác giả đã thực hiện một nghiên cứu tổng quan về các đối tượng liên quan đến đề tài Nghiên cứu này giúp xác định những vấn đề đã được giải quyết trước đây, cũng như những vấn đề chưa được giải quyết và cần được chú trọng trong tương lai.

1.8.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm máy bao gồm hai nội dung chính: thực nghiệm không tải nhằm theo dõi chất lượng chế tạo ban đầu và kiểm tra hoàn chỉnh máy, cùng với thực nghiệm có tải để xác định và kiểm tra các kết quả tính toán.

- Xác định độ ẩm sâm đương quy tươi và độ ẩm sản phẩm sau sấy

- Đánh quá cảm quan sản phẩm sau sấy

- Phân tích hàm lượng polysaccharide sau các mẻ sấy đối chiếu với hàm lượng polysaccharide có trong củ tươi trước thu hoạch và mẫu sấy có trên thị trường

1.8.3 Phương pháp đo đạc thực nghiệm

Xây dựng mô hình và thực hiện thí nghiệm trên mô hình là bước quan trọng để phân tích và đánh giá các giá trị thực nghiệm từ quá trình vận hành thực tế Những dữ liệu này sẽ được sử dụng để tính toán, đối chiếu và điều chỉnh với các kết quả lý thuyết Qua đó, chúng ta có thể thảo luận, rút ra kết luận và đưa ra các kiến nghị hợp lý.

Các số liệu thực nghiệm được thu thập bao gồm khối lượng, độ ẩm, thời gian, độ dày lát cát, công suất điện và mức tiêu thụ điện năng Tất cả các thông số này được xác định thông qua các dụng cụ đo chuyên dụng.

Hầu hết các số liệu kỹ thuật được xác định thông qua các công thức tính toán, sau khi đã tiến hành đo đạc trực tiếp các số liệu thành phẩm.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về sấy thăng hoa

Sấy là quá trình loại bỏ độ ẩm, chủ yếu là nước và hơi nước, từ vật liệu để bảo quản sản phẩm hiệu quả, tăng độ bền, giảm trọng lượng và chi phí vận chuyển, đồng thời nâng cao giá trị cảm quan của sản phẩm Có nhiều phương pháp sấy khác nhau, được phân loại dựa trên các tiêu chí khác nhau.

 Dựa vào phương thức cấp nhiệt cho vật liệu sấy, người ta phân ra các loại: + Sấy đối lưu;

+ Sấy dùng điện cao tần

 Dựa vào nhiệt độ sấy mà chúng ta có hai phương pháp sấy chính:

2.1.2 Lý thuyết sấy thăng hoa

Sấy thăng hoa là quá trình loại bỏ độ ẩm khỏi vật liệu thông qua sự thăng hoa của nước, tức là chuyển đổi trực tiếp từ thể rắn sang thể hơi Ở điều kiện bình thường, độ ẩm trong thực phẩm tồn tại dưới dạng lỏng, do đó cần phải đông lạnh để chuyển đổi chúng sang thể rắn trước khi thực hiện quá trình thăng hoa Chính vì lý do này, phương pháp này còn được gọi là sấy lạnh đông (Freeze Drying hay Lyophilisation).

Quá trình sấy thăng hoa trải qua 3 giai đoạn chính :

+ Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại.

Tính toán sơ bộ

Vật liệu sấy: Sâm Đương quy

Năng suất sấy thăng hoa: 1,4kg/mẻ Độ ẩm ban đầu của sâm Đương quy: W1 = 74% ± 1.5% (kết quả thực nghiệm) Độ ẩm cuối của sâm Đương quy: W2 = 9%

Khối lượng riêng của sâm Đương quy: = 950,683 kg/m 3 [35]

Nhiệt dung riêng chất khô cuả vật liệu sấy được xác định theo công thức:

Nhiệt dung riêng của chất thứ j, ký hiệu cj (J/kg.K), trong nguyên liệu sinh học X tp j (%) phản ánh tỷ lệ của các thành phần như nước, protein, gluxit, lipit, khoáng chất (tro) và các hợp chất đa lượng khác.

Thành phần sinh học của sâm đương quy: 74% nước, 23% nguyên tố vi lượng, 2,5% polyacetylen và 0,3% lipid, chất khoáng (tro) 0,2% [41]

Nhiệt dung riêng chất khô:

Khối lượng sản phẩm sấy mỗi mẻ: G1 = 1,4 kg

Thời gian mỗi mẻ sấy: t = 32 h

Khối lượng sản phẩm sau khi sấy:

Khối lượng ẩm bốc hơi: Ga = G1 – Gsp = 1,4 – 0,4 = 1 kg (2.3) Quy trình sấy thăng hoa sâm đương quy được thực hiện qua 3 giai đoạn:

Trong giai đoạn lạnh đông, vật liệu sấy được đưa vào buồng sấy để thực hiện quá trình cấp đông với nhiệt độ đạt -18°C Thời gian cấp đông cho vật liệu này kéo dài từ 9 đến 10 giờ.

Sau khi hoàn thành quá trình cấp đông kéo dài 9 đến 10 giờ, sản phẩm sẽ bước vào giai đoạn sấy thăng hoa, một bước quan trọng trong quy trình chế biến Thời gian sấy thăng hoa được thực hiện qua 6 mẻ khác nhau, với thời gian sấy lần lượt là 15 giờ, 17 giờ, 19 giờ, 21 giờ, 23 giờ và 25 giờ.

Giai đoạn sấy chân không là bước cuối cùng trong quá trình sấy thăng hoa, nhằm loại bỏ ẩm còn lại Thời gian sấy chân không kéo dài 1 giờ, với nhiệt độ của điện trở tấm bức xạ đạt 35 độ C.

 Môi chất lạnh: Sử dụng cho hệ thống là: gas R404A.

Tính toán kích thước buồng sấy

2.3.1 Tính chọn kích thước khay sấy

Khay sấy được chế tạo từ Inox 304, với các thông số như sau:

Lk = 600 mm: chiều dài khay sấy, mm

Wk = 260 mm: Chiều rộng khay sấy, mm

Hk = 15 mm : Chiều cao khay sấy, mm

Hình 2.1: Khay sấy Thể tích sản phẩm được tính theo công thức:

Gsp: khối lượng sản phẩm chứa tối đa ở trong buồng lạnh đông, (kg)

Vsp: Thế tích sản phẩm chứa tối đa ở trong buồng lạnh động, (m 3 )

Khối lượng riêng của sâm đương quy: = 950,683 kg/m 3

Vk=Lk.Wk.Hk= 0,59.0,25.0,025=3,6875.10 -3 m 3 [32] (2.5) Thể tích vật liệu sấy trong mỗi khay:

 : bề dày lớp vật liệu sấy

Chọn bề dày lớp vật liệu sấy là 4mm

Số khay đặt trong buồng sấy thăng hoa là:

Thể tích không gian của Nks chiếm chỗ trong buồng sấy thăng hoa:

Năng suất sấy thăng hoa đạt 1,4 kg mỗi mẻ, với mỗi khay sấy có thể chứa 0,35 kg vật liệu Để bố trí 4 khay sấy trong buồng sấy, kích thước của buồng và khung khay được tính toán theo hình 2.2.

Hình 2.2: Kích thước khay sấy và buồng 2.3.2 Tính chọn kích thước buồng sấy

Buồng thăng hoa, hay còn gọi là buồng lạnh đông, là thiết bị sấy được thiết kế dưới dạng hình trụ với đường kính trong D1, đường kính ngoài D2, và đường kính lớp cách nhiệt.

D3 và chiều dài là L Đường kính trong

Lớp inox có chiều dày 3mm, suy ra đường kính ngoài của buồng sấy:

Bề dày lớp bảo ôn 60mm, suy ra đường kính tính đến lớp cách nhiệt:

Chiều dài thực tế buồng sấy:

Thể tích trong buồng sấy: 0725

Tính tải nhiệt cho quá trình cấp đông

Để đảm bảo quá trình làm đông hiệu quả, nhiệt lượng cung cấp phải đáp ứng công suất lạnh của hệ thống, nhằm loại bỏ hoàn toàn lượng nhiệt Q tỏa ra từ sản phẩm trong suốt quá trình đông lạnh ra ngoài môi trường.

: hệ số an toàn Chọn β = 1,5 t: thời gian một mẻ cấp đông, s

Qsp: nhiệt cấp cho quá trình cấp đông, kJ

Qvk: Nhiệt tổn thất do làm lạnh buồng sấy và khay, kJ

Qkk :Nhiệt tổn thất do làm lạnh không khí trong buồng, kJ

Qmt: Nhiệt tổn thất từ môi trường xâm nhập qua vách buồng sấy thăng hoa, kJ 2.4.1 Tổn thất nhiệt cho quá trình cấp đông

Để tính toán quá trình đông lạnh, chúng ta có các thông số quan trọng: nhiệt độ ban đầu của sản phẩm là t1 = 30 o C, nhiệt độ cuối của sản phẩm sau khi đông lạnh là t2 = -18 o C, và nhiệt độ trung bình của nước trong thực phẩm đóng băng là tđb = -1,5 o C.

Cđ = 333,62 kJ/kg: Nhiệt ẩn đông đặc của nước [32]

Cb = 2,163 kJ/kgK: Nhiệt dung riêng của băng [32]

Ck= 0,464 kJ/kgK: Nhiệt dung riêng chất khô

Nhiệt cấp cho quá trình cấp đông:

Q1 - Lượng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ sản phẩm từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ đóng băng của nước trong sản phẩm

Q2 - Lượng nhiệt lấy ra để toàn bộ nước trong sản phẩm đóng băng

Q3 - Lượng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ của băng đến nhiệt độ cuối cùng của quá trình cấp đông

Q4 - Lượng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ của thành phần nước không đóng băng trong sản phẩm

=1: lượng nước đóng băng trong thực phẩm [32]

Q5 - Lượng nhiệt cần thiết lấy ra để làm giảm nhiệt độ của thành phần chất khô

Q5 = Ck.G1.(1 -W1).(tđb - t2) (2.15) = 0,464.1,4.(1–0,74).[-1,5 - (-18)] =2,787 kJ Như vậy nhiệt cấp cho quá trình cấp đông sản phẩm là:

Qsp 5,056 + 345,63 + 36,974 + 0 + 2,787T0,447kJ 2.4.2 Nhiệt tổn thất do làm lạnh vỏ buồng sấy và khay

Ta có các thông số phục vụ cho quá trình tính toán:

Cinox = 0,5 kJ/kgK - Nhiệt dung riêng của inox

Gvb = 24,77 kg: Khối lượng vỏ buồng sấy

Gkks 1 kg: Khối lượng khung khay sấy

Gk = 4.4,055= 16,22 kg: Khối lượng các khay sấy

Nhiệt tổn thất do làm lạnh vỏ buồng sấy:

Qvb = Gvb.Cinox.(t1 - tbl) = 24,77.0,5.[30-(-25)] = 681,2 kJ (2.16) Nhiệt tổn thất do làm lạnh khay sấy:

Qk = Gk.Cinox.(t1 - tbl) = 16,22.0,5.[30-(-25)] = 446,05 kJ (2.17) Nhiệt tổn thất do làm lạnh khung khay sấy:

Qkks=Gkks.Cinox.(t1 - tbl) = 31.0,5.[30-(-25)]2,5 Kj (2.18) Nhiệt tổn thất do làm lạnh vỏ buồng sấy và khay:

Qvk = Qvb + Qk + Qkksh1,2+ 446,05+852,5 = 1979,75 kJ (2.19) 2.4.3 Nhiệt tổn thất do làm lạnh không khí trong buồng sấy

Nhiệt tổn thất do làm lạnh không khí trong buồng sấy được tính theo công thức:

Gkk: lượng không khí có trong buồng sấy lúc chưa hút chân không, kg ρkk= 1,165: khối lượng riêng của không khí.[32]

Gkk = Vbs.ρkk = 0,0911.1,165 = 0,106132 kg Entalpy của không khí ban đầu trước khi tiến hành cấp đông là h1 (kJ/kg), trong khi entalpy của không khí tại thời điểm kết thúc quá trình cấp đông là h2 (kJ/kg).

Không khí ban đầu có nhiệt độ t = 30 0 C và độ ẩm tương đối Tra đồ thị h–d không khí ẩm suy ra: h = 85,475 kJ/kg

Sau quá trình cấp đông, không khí có nhiệt độ -25°C và độ ẩm tương đối Theo đồ thị h–d của không khí ẩm ở trạng thái bão hòa, ta suy ra rằng h2 = -24,698 kJ/kg.

Hình 2.3: Kết cấu thân và đáy buồng sấy 2.4.4 Nhiệt tổn thất ra môi trường

Nhiệt tổn thất ra môi trường: Qmt = Qv + Qc, kW (2.22) Trong đó:

Qv : Nhiệt tổn thất qua vách buồng, kJ

Qc : Nhiệt tổn thất qua vách cửa , kJ

Nhiệt tổn thất qua vách buồng: Qv = kv.L.∆t (2.23) Với:

∆t = 30 – (-25) = 55 o C: Chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài buồng

L = 0,725 m: Chiều dài buồng sấy kv: Hệ số trao đổi nhiệt qua vách trụ, W/m 2 K kv 3 2

Hệ số dẫn nhiệt của Inox là λ1 = 64 W/mK, trong khi hệ số dẫn nhiệt của lớp bảo ôn là λ2 = 0,047 W/mK Hệ số tỏa nhiệt đối lưu bên trong buồng được chọn là α1 = 4 W/m²K, và hệ số tỏa nhiệt đối lưu bên ngoài môi trường là α2 = 8 W/m²K Giá trị kv được xác định là 1.

Tổn thất nhiệt qua vách cửa: Qc = kc.Fc.∆t (2.25) Với: Fc Diện tích đáy buồng sấy, m 2

Fc = π.R 2 = 3,14.0,2 2 = 0,2512 m 2 kc: Hệ số trao đổi nhiệt qua vách phẳng, W/m 2 K kc 1 2

(2.27) δ1 = 3mm: Độ dày vách hai đáy δ2 = 20mm: Độ dày lớp cách nhiệt kc 8

Qc = 1,25.0,2512.55 = 17,3 W Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường:

Qmt = Qv +Qc = 139,961+ 17,3 = 157,767 W = 0,158 kW Tải nhiệt cho quá trình cấp đông:

Tính tải nhiệt cho quá trình sấy thăng hoa

Năng suất bốc hơi trong quá trình sấy thăng hoa: th  th

W: lượng ẩm bốc hơi trong quá trình sấy thăng hoa, kg;

th = 20 h: Thời gian trung bình sấy thăng hoa Suy ra: Wth =1,1/20 = 0,05 kg/h

Tải nhiệt cần thiết cho quá trình thăng hoa:

Trong đó: rth = 3,23.10 3 kJ/kg: Nhiệt ẩn thăng hoa của nước k: Hệ số an toàn Chọn k = 3

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH

Chọn thông số làm việc của chu trình lạnh

• Nhiệt độ ngưng tụ [33]: tk = tf + ∆tk (3.1) Trong đó: tf = 30 o C: Nhiệt độ môi trường TP Hồ Chí Minh

∆tk: Độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ không khí làm mát ∆tk = (35) o C Chọn ∆tk = 5 o C

Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất là: tk = 30 + 5 = 35 o C (3.2)

• Nhiệt độ bay hơi [33]: to = tb - ∆to

Trong đó: tb = -25 o C: Nhiệt độ buồng làm đông

∆to: Độ chênh nhiệt độ ∆to = (515) o C Chọn ∆t0 = 5 o C Nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh là: to = -25 - 5 = -30 o C

• Chọn chu trình tk = 35 o C, suy ra áp suất ngưng tụ Pk = 16,065 bar to = -30 o C, suy ra áp hơi Po = 2,045 bar

Như vậy, ta có tỉ số nén ε = k o

Như vậy, tỉ số nén ε < 9 nên ta chọn máy nén 1 cấp và chọn chu trình quá lạnh - quá nhiệt.[33]

• Độ quá nhiệt: giả thiết ∆tqn = 7 o c [33]

• Độ quá lạnh: giả thiết ∆tql = 2 o C [33]

• Môi chất lạnh sử dụng trong chu trình: R404A

Tính toán chu trình lạnh

 Quá trình 1 – 2: Quá trình nén đoạn nhiệt tại máy nén

 Quá trình 2 – 4: Quá trình ngưng tụ đẳng áp tại TBNT

 Quá trình 4 – 5: Quá trình tiết lưu

 Quá trình 5 – 1: Quá trình bay hơi đẳng áp tại TBBH

• Lập bảng thông số các điểm nút

Bảng 3.1: Thông số các điểm nút chu trình quá lạnh - quá nhiệt Điểm Áp suất; bar

MN: Máy nén, TBNT: Thiết bị ngưng tụ, TL: Van tiết lưu, TBBH: Thiết bị bay hơi

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý chu trình quá lạnh - quá nhiệt

Công suất dàn lạnh lấy bằng tải nhiệt cho quá trình cấp đông Qo = 0,37 kW Lưu lượng môi chất qua dàn lạnh: m = 

Qk = m.(h2 – h3) = 0,00374.(399,189 – 254,21) = 0,54kW (3.5) Công tiêu thụ của máy nén:

Hệ số làm lạnh: COP = Q o

Tính chọn thiết bị chu trình lạnh

Khi chọn máy nén phù hợp, cần quy đổi năng suất lạnh từ chế độ vận hành sang chế độ tiêu chuẩn, vì công suất lạnh của máy nén phụ thuộc vào chế độ này Đối với R404A, chế độ tiêu chuẩn bao gồm các thông số: to = -15 °C, tqn = -10 °C, tk = 30 °C, và tql % °C.

• Lập bảng thông số các điểm nút

Bảng 3.2: Thông số các điểm nút chu trình quá lạnh - quá nhiệt tiêu chuẩn Điểm Áp suất; bar

• Tính toán chế độ tiêu chuẩn

Hệ số cấp phụ thuộc vào tỷ số nén [33]: λ = o k

Hệ số cấp tiêu chuẩn: λtc = 

Hệ số cấp thực tế: λtt = 

Năng suất lạnh quy đổi [33]:

 tc tc tc tc tt v h h v h h

Chọn máy nén piston của hãng Tecumseh với thông số:

3.3.2 Tính chọn thiết bị ngưng tụ

Nhiệt độ không khí đầu vào: tv = tf = 30 o C

Nhiệt độ không khí đầu ra: tr = 33 o C

Nhiệt độ ngưng tụ: tk= 35 o C

Diện tích trao đổi nhiệt: Fk . k 1 k tb

Trong đó: kk = (23 W/m 2 K 35 W/m 2 K): Hệ số truyền nhiệt của dàn nóng [33]

Hình 3.2: Sơ đồ dòng lưu chất trao đổi nhiệt tại dàn nóng

∆ttb1: Hiệu nhiệt độ trung bình logarit, o C

Hiệu nhiệt độ trung bình logarit: max min tb1 max min t t t t ln t

Vậy diện tích trao đổi nhiệt dàn nóng:

Chọn dàn trao đổi nhiệt của hãng Kewely với thông số:

- Diện tích trao đổi nhiệt: 5,4 m 2

3.3.3 Tính toán chế tạo thiết bị bay hơi

Nhiệt độ ban đầu trong buồng: tb = 30 o C

Nhiệt độ sau quá trình cấp đông: tb’ = -25 o C

Chế tạo TBBH dạng dàn ống đồng quấn quanh bên ngoài buồng sấy giúp tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt Sử dụng ống đồng với đường kính trong 10 mm, đường kính ngoài 11 mm và độ dày 0,5 mm để đảm bảo hiệu suất làm nóng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

 - Hệ số tiếp xúc của ống đồng với buồng Giả sử:  = 0,1 ko – Hệ số truyền nhiệt của dàn lạnh, W/m 2 K

Hình 3.3: Sơ đồ dòng lưu chất trao đổi nhiệt tại dàn lạnh

∆ttb2 – Hiệu nhiệt độ trung bình logarit; o C

Hiệu nhiệt độ trung bình logarit: min max min max 2 ln t t t t tb t

Hệ số trao đổi nhiệt qua vách trụ [4]:

D1 = 400 mm: đường kính trong của buồng sấy

D2 = 406 mm: đường kính ngoài của buồng sấy

i= 64W/mK: Hệ số dẫn nhiệt của inox [33]

d= 380W/mK: Hệ số dẫn nhiệt của đồng [33]

1= (25)W/m 2 K: Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên bên trong buồng

2 - Hệ số trao đổi nhiệt khi sôi của môi chất, W/m 2 K

 kg/kmol: Phân tử lượng của R404A

A 0,238 to: Nhiệt độ sôi của R404A trong dàn lạnh ttc = -40,84 o C: Nhiệt đội sôi tiêu chuẩn của R404A

,kg/m 2 s : Tốc độ khối lượng (3.18)

G = m = 0,00374 kg/s: Lưu lượng môi chất qua máy nén

Suy ra: F = Chiều dài đoạn ống quấn quanh buồng sấy: L = n x C

Với C: chu vi của buồng sấy (m)

C = = = 0,628 (m) n: Số vòng quấn quanh buồng sấy (vòng) n Chọn số vòng n = 70 (vòng)

Suy ra chiều dài dàn ống: L = 70 = 43.96 (m)

3.3.4 Tính chọn thiết bị phụ

Chọn các thiết bị phụ tương ứng với công suất máy nén 1 HP đã chọn ở trên

- Van tiết lưu nhiệt: TEX2, Danfoss, loại cân bằng ngoài, kim số 0;

- Bình tách lỏng tương ứng công suất máy nén 1HP;

- Bình chứa cao áp tương ứng công suất máy nén 1HP;

- Van chặn, van điện từ: đường kớnh ỉ10 (mm);

- Phin lọc, mắt xem gas: đường kớnh ỉ10 (mm);

- Ống hỳt, ống đẩy: đường kớnh ống hỳt ỉ12 (mm), đường kớnh ống đẩy ỉ10 (mm).

Tính chọn bơm chân không

Để tính toán chọn bơm chân không phù hợp với năng suất của buồng thăng hoa và thể tích buồng thăng hoa, áp dụng phương trình:

Nb: Năng suất hút của bơm chân không, m 3 /h

V: Thể tích của buồng thăng hoa, m 3

d: Thời gian hút hết khí trong buồng thăng hoa chọn  d = 10 phút

B = 760mmHg: Áp suất khí quyển

Pgh = 0,001mmHg: Áp suất giới hạn mà bơm chân không có thể tạo ra

Pth = 0,5mmHg: Áp suất làm việc của buồng thăng hoa

 : Hệ số rò rỉ của buồng thăng hoa Chọn  1 1,3

 : Hệ số an toàn của bơm chân không.Chọn  2 1,15

Chọn bơm chân không của hãng Value với thông số:

 Áp lực giới hạn: 2 Pa

Tính chọn điện trở sấy

Với công suất nhiệt cần cho quá trình sấy: Qth = 0,14 kW Chọn công suất điện trở sấy Qs = 0,2 kW

Chọn điện trở tấm công suất 200 W

Công suất trên mỗi tấm: qr = 40 W

HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

Hệ thống thí nghiệm

4.1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy

Hệ thống sấy thăng hoa bao gồm nhiều thành phần quan trọng như máy nén, dàn nóng, bình chứa cao áp, phin lọc, mắt xem gas, van điện từ, van tiết lưu, buồng sấy, bình tách lỏng và relay áp suất Mỗi bộ phận đóng vai trò thiết yếu trong quá trình sấy, giúp duy trì hiệu suất và chất lượng sản phẩm cuối cùng Sơ đồ nguyên lý của hệ thống này thể hiện cách thức hoạt động đồng bộ của các thành phần, từ việc nén khí đến quá trình tách ẩm, đảm bảo hiệu quả tối ưu trong sấy thăng hoa.

11-Cảm biến nhiệt độ, 12-Bơm chân không

Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Giai đoạn cấp đông trong hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông diễn ra khi thực phẩm được đưa trực tiếp vào buồng sấy mà chưa kích hoạt bơm chân không Trong quá trình này, dàn nóng và máy nén hoạt động, với van điện từ mở ra và van tiết lưu cung cấp môi chất cho dàn lạnh để làm lạnh thực phẩm Khi nhiệt độ trong buồng cấp đông đạt -25°C, thực phẩm sẽ được cấp đông theo đúng yêu cầu trước khi chuyển sang giai đoạn sấy thăng hoa.

Trong giai đoạn sấy thăng hoa, hệ thống bơm chân không hoạt động để loại bỏ không khí trong buồng, đạt áp suất yêu cầu (-1000mbar) Khi áp suất đạt mức này, điện trở bắt đầu gia nhiệt thực phẩm, duy trì nhiệt độ sấy theo tiêu chuẩn kỹ thuật (tb