Khóa luận Nghiên cứu công nghệ sấy chuối bằng phương pháp sấy lạnh (Phần 1)

Nội dung text: Khóa luận Nghiên cứu công nghệ sấy chuối bằng phương pháp sấy lạnh (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẤY CHUỐI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY LẠNH GVHD: ThS. NGUYỄN TẤN DŨNG SVTH: LÊ THỊ THANH CHÂU MSSV: 11116007 S K L 0 0 3 9 3 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Lê Thị Thanh Châu Nghành: Công Nghệ Thực Phẩm 1. Tên đồ án: Nghiên Cứu Công Nghệ Sấy Chuối Bằng Phƣơng Pháp Sấy Lạnh 2. Nhiệm vụ đồ án: Phân tích đối tƣợng công nghệ xác định các yếu tố ảnh hƣởng đến hàm mục tiêu cần quan tâm. Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hƣởng đến hàm mục tiêu. Thiết lập và giải bài toán tối ƣu của công nghệ sấy bằng phƣơng pháp sấy lạnh. Xác lập chế độ công nghệ và xây dựng quá trình sấy. Đánh giá chất lƣợng sản phẩm. 3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 20/1/2015 4. Ngày hoàn thành đồ án: 20/7/2015 5. Họ tên ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Nguyễn Tấn Dũng Phần hƣớng dẫn: toàn bộ đồ án Nội dung và yêu cầu khóa luận tốt nghiệp đã đƣợc thông qua bởi Trƣởng Bộ môn Công nghệ Thực phẩm TP.HCM, ngày tháng năm 2015 Trƣởng bộ môn Ngƣời hƣớng dẫn chính (Kí và ghi rõ họ tên) ( Kí và ghi rõ họ tên) i
3. LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đồ án, chúng tôi đã gặp không ít khó khăn, nhƣng luôn nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình từ phía thầy cô, gia đình và bạn bè, chúng tôi xin chân thành cám ơn tất cả mọi ngƣời. Chúng tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến: Ban giám hiệu nhà trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật, quý thầy cô đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi trong suốt quá trình làm đồ án, quá trình học tập, tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian theo học tại trƣờng. Các thầy, cô quản lý phòng thí nghiệm của trƣờng Sƣ Phạm Kỹ Thuật đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian thực hiện đồ án. Thầy Nguyễn Tấn Dũng đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn những kinh nghiệm cũng nhƣ kiến thức chuyên ngành để chúng tôi có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình. Chúng tôi cũng xin cám ơn đến gia đình và bạn bè luôn giúp đỡ và động viên trong suốt thời gian chúng tôi học tập và thực hiên đồ án tốt nghiệp. Một lần nữa chúng tôi xin chân thành cám ơn và kính chúc mọi ngƣời sức khỏe, học tập và làm việc tốt. Tp.HCM, ngày tháng năm 2015 Sinh viên thực hiện Lê Thị Thanh Châu ii
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đƣợc trình bày trong khóa luận tốt nghiệp là của riêng tôi. Tôi xin cam đoan các nội dung đƣợc tham khảo trong khóa luận tốt nghiệp đã đƣợc trích dẫn chính xác và đầy đủ theo qui định. Ngày tháng năm 2015 Ký tên iii
5. MỤC LỤC NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i LỜI CẢM ƠN ii LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH vii DANH MỤC BẢNG viii MỞ ĐẦU xi TÓM TẮT ĐỒ ÁN xiii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1 1.1. Cơ sở lý thuyết quá trình sấy 1 1.1.1. Cơ sở quá trình sấy 1 1.1.2. Động học của quá trình sấy 1 1.1.3. Khái niệm sấy 2 1.1.4. Bản chất quá trình sấy 2 1.1.5. Đặc điểm của quá trình sấy 2 1.1.6. Mục đích quá trình sấy 3 1.1.7. Phân loại quá trình sấy 4 1.2. Cơ sở lý thuyết sấy lạnh và hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt 5 1.2.1. Sấy lạnh 5 1.2.2. Hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt 6 1.2.3. Ƣu và nhƣợc điểm 7 1.2.4. Các biến đổi trong quá trình sấy 8 1.3. Nguyên liệu chuối 9 1.3.1. Đặc điểm sinh học 9 1.3.2. Thành phần hóa học và dinh dƣỡng 13 1.3.3. Giá trị sử dụng 15 1.4. Tình hình sản xuất và tiêu thụ chuối trong nƣớc và thế giới 16 1.4.1. Tình hình ngoài nƣớc 16 1.4.2. Tình hình trong nƣớc 18 1.5. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 20 iv
6. 1.6. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình sấy lạnh 21 1.6.1. Yếu tố nguyên liệu 21 1.6.2. Yếu tố công nghệ 22 1.6.3. Yếu tố phụ thuộc 23 1.6.4. Yếu tố thiết bị 23 1.7. Kết luận 23 CHƢƠNG 2: NGUYÊN LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1. Nguyên liệu 25 2.2. Thiết bị và dụng cụ 25 2.2.1. Thiết bị chính 25 2.2.2. Thiết bị phụ và dụng cụ 25 2.2.3. Hóa chất 26 2.3. Sơ đồ nghiên cứu 27 2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu 30 2.4.1. Phương pháp xác định ẩm 30 2.4.2. Phương pháp xác định hàm lượng tro TCVN 1456 – 83 30 2.4.3. Phương pháp xác định đường khử 31 2.4.4. Phương pháp xác định vitamin C 31 2.4.5. Phương pháp xác định acid tổng 32 2.4.6. Phương pháp xác định chi phí năng lượng. 33 2.5. Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ƣu hóa 33 2.5.1. Thiết lập bài toán tối ƣu cho các hàm mục tiêu thành phần 33 2.5.2. Thiết lập bài toán tối ƣu cho đa mục tiêu 36 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 39 3.1. Xác định chỉ tiêu đầu vào của nguyên liệu 39 3.2. Kết quả thực nghiệm 40 3.3. Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ ảnh hƣởng với các hàm mục tiêu. 41 3.3.1. Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ ảnh hƣởng tới hàm mục tiêu độ ẩm. 41 3.3.2. Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ ảnh hƣởng tới hàm mục tiêu vitamin C. 46 v
7. 3.3.3. Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ ảnh hƣởng tới mục tiêu hàm lƣợng đƣờng 51 3.3.4. Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ ảnh hƣởng tới hàm mục tiêu chi phí năng lƣợng. 56 3.4. Xây dựng và giải bài toán tối ƣu một mục tiêu 62 3.4.1. Giải bài toán tối ƣu một mục tiêu hàm độ ẩm 62 3.4.2. Giải bài toán tối ƣu một mục tiêu hàm lƣợng vitamin C 62 3.4.3. Giải bài toán tối ƣu một mục tiêu hàm lƣợng đƣờng 63 3.4.4. Giải bài toán tối ƣu một mục tiêu hàm chi phí năng lƣợng 63 3.5. Xây dựng và giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu 63 3.6. Xác lập chế độ công nghệ và xây dựng quy trình sấy 65 3.7. Kết quả cảm quan sản phẩm với các sản phẩm chuối sấy 67 3.8. Thảo luận 69 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 4.1. Kết luận 71 4.2. Kiến nghị 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 vi
8. DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1. Động học quá trình sấy 2 Hình 1. 2. Hệ thống sấy lạnh DSL-P-T-02 6 Hình 1. 3. Sơ đồ nguyên lí hoạt động 6 Hình 1. 4. Đồ thị trạng thái t-d 6 Hình 1. 5. Hình ảnh cây chuối 9 Hình 1. 6. Các giai đoạn chín của chuối 12 Hình 1. 7. Các sản phẩm từ chuối 16 Hình 1. 8. Tỷ lệ về xuất khẩu chuối của các nƣớc trên thế giới giai doạn 2003-2007[5] 18 Hình 1. 9. Tỷ lệ nhập khẩu chuối của các nƣớc trên thế giới 2002-2006 [5] 18 Hình 1. 10. Một số sản phẩm chuối sấy trên thị trƣờng 21 Hình 2. 1. Hình ảnh chuối nguyên liệu 25 Hình 2. 2. Thiết bị sấy lạnh và cấu tạo bên trong 26 Hình 2. 3. Sơ đồ nghiên cứu 27 Hình 2. 4. Sơ đồ sấy chuối dự kiến 28 Hình 2. 5. Sơ đồ bài toán tối ƣu hóa 33 Hình 2. 6. Bài toán đa mục tiêu 36 Hình 3. 1. Sản phẩm chuối sấy lạnh 65 Hình 3. 2. Quy trình sấy chuối 66 Hình 3. 3. Các mẫu cảm quan theo thứ tự từ trái qua phải 67 Hình 3. 4. Biểu đồ đánh giá sự yêu thích các sản phẩm theo các chỉ tiêu màu sắc, mùi, vị và độ dẻo 67 Hình 3. 5. Biểu đồ đánh giá sự yêu thích giữa các sản phẩm 68 vii
9. DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1. Hàm lƣợng các thành phần dinh dƣỡng(trong 100g) của chuối chín và một số loại trái cây khác 14 Bảng 1. 2. Giá trị dinh dƣỡng trong 100g chuối tƣơi. 15 Bảng 1. 3. Sản xuất chuối hàng năm trên thế giới so với các loại trái cây và rau quả khác (theo cơ sở dữ liệu thống kê 16 Bảng 1. 4. Sản lƣợng chuối trồng theo vùng 19 Bảng 2. 1. Chỉ tiêu vi sinh 29 Bảng 2. 2. Các mức yếu tố ảnh hƣởng 34 Bảng 2. 3. Các biến của ma trận quy hoạch 34 Bảng 2. 4. Các thí nghiệm ở tâm 35 Bảng 3. 1. Hàm lƣợng chỉ tiêu nguyên liệu đầu vào 39 Bảng 3. 2. Kết quả thực nghiệm 40 Bảng 3.3 a. Kết quả xử lý thục nghiệm hàm mục tiêu độ ẩm theo ma trận trực giao cấp 2 41 Bảng 3.3 b. Hệ số của PTHQ cho độ ẩm 43 Bảng 3.3 c. Phƣơng sai tái hiện cho độ ẩm 43 Bảng 3.3 d. Sai số của phƣơng trình trong PTHQ của độ ẩm 44 Bảng 3.3 e. Kiểm tra tính ý nghĩa của hệ số theo tiêu chuẩn Student của độ ẩm 44 Bảng 3.3 f. Kết quả tính và ( - của độ ẩm 44 Bảng 3.3 g. Kiểm định Fisher của PTHQ hàm độ ẩm 45 Bảng 3.4 a. Kết quả xử lý hàm mục tiêu Vitamin C theo ma trận trực giao cấp 2 46 Bảng 3.4 b. Hệ số của PTHQ cho vtamin C 48 Bảng 3.4 c. Phƣơng sai tái hiện cho vitamin C 49 Bảng 3.4 d. Sai số của hệ phƣơng trình trong PTHQ của vitaminC 49 Bảng 3.4 e. Kiểm tra tính ý nghĩa của hệ số theo tiêu chuẩn Student của vitamin 49 Bảng 3.4 f. Kết quả tính và ( - của vitaminC 50 Bảng 3.4 g. Kiểm định Fisher của PTHQ hàm vitamin C 50 Bảng 3.5 a. Kết quả xử lý thực nghiệm hàm mục tiêu hàm lƣợng đƣờng theo ma trận trực giao cấp 2 51 Bảng 3.5 b. Hệ số của PTHQ cho hàm lƣợng đƣờng 54 Bảng 3.5 c. Phƣơng sai tái hiện cho hàm lƣợng đƣờng 54 viii
10. Bảng 3.5 d. Sai số của hệ phƣơng trình trong PTHQ của lƣợng đƣờng 54 Bảng 3.5 e. Kiểm tra ý nghĩa của hệ số theo tiêu chuẩn Student của lƣợng đƣờng 54 Bảng 3.5 f. Kết quả tính và ( - của lƣợng đƣờng 55 Bảng 3.5 g. Kiểm định Fisher của PTHQ hàm lƣợng đƣờng 55 Bảng 3.6 a. Kết quả xử lý thực nghiệm hàm mục tiêu chi phí năng lƣợng theo ma trận trực giao cấp 2 57 Bảng 3.6 b. Hệ số của PTHQ cho hàm chi phí năng lƣợng 59 Bảng 3.6 c. Phƣơng sai tái hiện cho hàm chi phí năng lƣợng 59 Bảng 3.6 d. Sai số trong PTHQ của hàm chi phí năng lƣợng 60 Bảng 3.6 e. Kiểm tra hệ số ý nghĩa theo tiêu chuẩn Student chi phí năng lƣợng 60 Bảng 3.6 f. Kết quả tính và ( - chi phí năng lƣợng 61 Bảng 3.6 g. Kiểm định Fisher của PTHQ hàm chi phí năng lƣợng 61 Bảng 3.7 1. Yếu tố ảnh hƣởng và hàm mục tiêu sau khi tối ƣu hóa 65 Bảng 3.8 1. Bảng kết quả chỉ tiêu vi sinh 66 ix
11. DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Chữ viết tắt PTHQ Phƣơng Trình Hồi Quy TCVN Tiêu Chuẩn Việt Nam x
12. MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Kĩ thuật sấy đóng vai trò vô cùng quan trọng trong công nghiệp và đời sống hiện nay. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và nhu cầu đời sống của con ngƣời mà trong quy trình công nghệ của nhiều sản phẩm có công đoạn sấy khô để giúp bảo quản thực phẩm dài ngày và tránh sự xâm nhập của vi sinh vật. Chính vì vậy mà ngày nay có rất nhiều phƣơng pháp sấy khác nhau ra đời. Việt Nam là một trong những nƣớc có nền nông nghiệp rất phát triển, đồng thời nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa nên các sản phẩm nông sản và rau củ quả phát triển tƣơi tốt quanh năm, nông sản thực phẩm đa dạng, phong phú và có sản lƣợng rất lớn. Vì vậy, nghiên cứu phát triển công nghệ sấy các loại nông sản thực phẩm đƣợc coi là nhiệm vụ, chiến lƣợc quan trọng trong việc phát triển kinh tế. Công nghệ sấy phát triển tạo ra những sản phẩm có giá trị, chất lƣợng và xuất khẩu có giá trị kinh tế nhƣ chuối sấy, mít sấy, sầu riêng sấy, khoai lang sấy Kĩ thuật sấy lạnh là một trong những kĩ thuật tiên tiến. So với nhiều phƣơng pháp sấy khác, sấy lạnh là một phƣơng pháp có thể đáp ứng các yêu cầu chất lƣợng khắt khe nhƣ hình dáng kích thƣớc, màu sắc, mùi vị, thành phần dinh dƣỡng và là phƣơng pháp rút ngắn đƣợc thời gian sấy một cách đáng kể. Việt Nam với rất nhiều trái cây ngon, rẻ nhƣng cũng rất bổ dƣỡng và không thể không kể đến trái chuối Việt Nam. Chuối đƣợc coi là một trong những nguồn cung cấp nhiều năng lƣợng, chuối chứa hàm lƣợng đƣờng cao, tinh bột, lipit và một số vitamin quan trọng( vitamin C, B1 ) có tác dụng ngăn chặn các cơn co thắt cơ bắp, chống lại bệnh ung thƣ. Trên các cơ sở đó chúng tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu quy trình sấy chuối bằng công nghệ sấy lạnh” với mục đích xây dựng quy trình sấy chuối mới góp phần đa dạng hóa sản phẩm. Với phƣơng pháp sấy lạnh thì sản phẩm chuối sấy sẽ giữ đƣợc các yêu cầu về chất lƣợng nhƣ hình dạng, màu sắc, mùi vị nhƣ ban đầu. 2. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu quá trình sấy chuối bằng phƣơng pháp sấy lạnh để nhằm tạo sản phẩm có chất lƣợng tốt, đạt độ ẩm yêu cầu với chi phí năng lƣợng nhỏ nhất. Nâng cao giá trị sử dụng và giá trị dinh dƣỡng của trái chuối. xi
13. 3. Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng: vật liệu sấy là chuối mốc( chuối lùn) là nguyên liệu chính để sấy thực nghiệm. Đốí tƣợng nghiên cứu là máy sấy lạnh hoạt động theo kiểu bơm nhiệt. Giới hạn: Tiến hành nghiên cứu trong quy mô phòng thí nghiệm, với các loại máy móc, thiết bị, cơ sở vật chất sẵn có. Xây dựng quy trình sấy chuối bằng phƣơng pháp sấy lạnh. Nghiên cứu ba yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình sấy là nhiệt độ, tốc độ sấy và thời gian sấy. 4. Nội dung nghiên cứu Tổng quan về nguyên liệu chuối, công nghệ sấy, công nghệ sấy lạnh. Phân tích đối tƣợng công nghệ xác định các yếu tố ảnh hƣởng đến hàm mục tiêu cần quan tâm. Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hƣởng đến hàm mục tiêu. Thiết lập và giải bài toán tối ƣu của công nghệ sấy bằng phƣơng pháp sấy lạnh. Xác lập chế độ công nghệ và xây dựng quá trình sấy. Tổng kết và kết luận kết quả thí nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn  Ý nghĩa khoa học: Xây dựng đƣợc quy trình sấy lạnh chuối, làm cơ sở lí luận phân tích các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình sấy lạnh chuối. Làm cơ sở, nền tảng cho việc nghiên cứu sấy lạnh cho các loại nông sản có cấu trúc và thành phần tƣơng tự nhƣ mít, khoai lang  Ý nghĩa thực tiễn: Tạo ra sản phẩm chuối sấy có tính ứng dụng cao. Sản phẩm có thể sử dụng thay thế sản phẩm chuối tƣơi hoặc nhƣ một món ăn giải trí nhƣng vẫn giữ đƣợc giá trị dinh dƣỡng cao. Đồng thời, sản phẩm chuối sấy có hàm lƣợng nƣớc thấp giúp kéo dài thời gian bảo quản, giảm chi phí vận chuyển. Do đó, sản phẩm có thể xuất khẩu đi xa, kéo dài thời gian sử dụng và giới thiệu đƣợc với bạn bè thế giới về trái chuối của Việt Nam, tăng giá trị xuất khẩu. xii
14. TÓM TẮT ĐỒ ÁN Với đề tài “Nghiên cứu quy trình sản xuất chuối sấy bằng phƣơng pháp sấy lạnh”, đầu tiên, chúng tôi đã xây dựng quy trình công nghệ dự kiến cho quá trình sấy, xác định công đoạn chính của quá trình là công đoạn sấy và chọn phƣơng pháp sấy lạnh để thực hiện. Tiếp theo, chúng tôi thực hiện theo quy trình và xác định sơ bộ các yếu tố ảnh hƣớng đến quá trình sấy lạnh và các yếu tố nào ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản phẩm. Do bản thân nguyên liệu chuối là thức ăn giàu giá trị dinh dƣỡng và cung cấp nhiều năng lƣợng, đồng thời sau khi sấy sản phẩm chuối trở nên ngọt và thơm hơn nên chúng tôi đã đặt chỉ tiêu đầu ra là độ ẩm, hàm lƣợng đƣờng, hàm lƣợng vitamin C và chi phí năng lƣợng sau sấy, và yếu tố đầu vào là nhiệt độ, tốc độ sấy và thời gian sấy. Sau đó chúng tôi tiến hành sấy khảo sát sơ bộ để chọn khoảng nhiệt độ, tốc độ và thời gian sấy thích hợp, chúng tôi tiến hành xây dựng mô hình và thực hiện tối ƣu hóa với ba yếu tố đầu vào và bốn hàm mục tiêu đã nói trên. Kết quả của quá trình tối ƣu hóa chúng tôi chọn đƣợc chế độ sấy thích hợp cho công nghệ sấy chuối này là 38,62(0C) với tốc độ sấy là 9,172 (m/s) trong 29,21 (h). xiii
15. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. NGUYỄN TẤN DŨNG CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Cơ sở lý thuyết quá trình sấy 1.1.1. Cơ sở quá trình sấy Sấy là quá trình loại bỏ bất kỳ chất lỏng nào ra khỏi vật liệu, kết quả là tăng hàm lƣợng chất khô. Thực tế đối với chất lƣợng lƣơng thực và thực phầm là loại bỏ nƣớc ra khỏi sản phẩm. Sấy vật liệu ẩm nhằm mục đích: giảm khối lƣợng, tăng độ bền, tăng nhiệt cháy, tăng độ ổn định khi bảo quản (nông sản). Sấy là quá trình công nghệ phức tạp. Về nguyên tắc, có nhiều phƣơng pháp sấy vật liệu khác nhau. Theo dấu hiệu về năng lƣợng ta có hai phƣơng pháp chính: Loại bỏ ẩm nƣớc ra khỏi vật liệu, không làm thay đổi trạng thái liên kết: vẫn ở dạng lỏng. Loại bỏ ẩm khi thay đổi trạng thái liên kết: lỏng biến thành hơi. Loại đầu có thể đƣợc thể hiện bằng phƣơng pháp cơ học (ép, ly tâm, lọc). Loại thứ hai liên quan đến chi phí nhiệt để hâm nóng vật liệu ẩm, bốc hơi nƣớc trên bề mặt vật liệu và làm sôi lỏng trên bề mặt vật liệu và dần thoát ra ngoài [7], [21] 1.1.2. Động học của quá trình sấy Tất cả các vật liệu rắn ẩm đều có khả năng hút ẩm từ môi trƣờng xung quanh hoặc nhả ẩm ra ngoài môi trƣờng. Sự chuyển động hơi nƣớc theo chiều nào phụ thuộc vào trạng thái môi trƣờng xung quanh hoặc tính chất nguyên liệu. Điều kiện để nƣớc bay hơi từ vật liệu ẩm vào môi trƣờng xung quanh là PA( áp suất hơi của nƣớc trên bề mặt vật liệu) lớn hơn pA( áp suất riêng phần của hơi nƣớc trong môi trƣờng xung quanh). Áp suất hơi nƣớc trên bề mặt PA phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu, nhiệt độ và dạng liên kết ẩm với vật liệu. Khi nhiệt độ và độ ẩm tăng thì PA tăng, khi lực liên kết ẩm với vật liệu càng lớn thì PA càng giảm. Với độ ẩm tƣơng đối φ = 1, khi đó PA = pA = Pbão hòa (áp suất hơi bão hòa), đƣợc gọi là điểm hút nƣớc, độ ẩm vật liệu tƣơng ứng với điều kiện trên đƣợc gọi là độ ẩm hút nƣớc. Lƣợng ẩm ứng với vật liệu có độ ẩm lớn hơn độ ẩm hút nƣớc gọi là ẩm không liên kết. Quá trình sấy thƣờng chỉ bốc đƣợc ẩm không liên kết và một phần lƣợng ẩm liên kết. Lƣợng ẩm bốc hơi gọi là ẩm tự do [16],[21]. Trang 1
16. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. NGUYỄN TẤN DŨNG Hình 1. 1. Động học quá trình sấy AB – giai đoạn đốt nóng K – điểm tới hạn BC – giai đoạn sấy Wcb – độ ẩm cân bằng 1.1.3. Khái niệm sấy Sấy là quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi nƣớc ra khỏi vật liệu sấy. Với mục đích giảm bớt khối lƣợng vật liệu, tăng độ bền, tăng giá trị cảm quan cho sản phẩm và nhằm tránh hƣ hỏng trong quá trình bảo quản trong thời gian dài. Dƣới thời đại công nghiệp, sấy đƣợc xem là một quá trình công nghệ đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, nông nghiệp. 1.1.4. Bản chất quá trình sấy Sấy là sự bốc hơi nƣớc của sản phẩm bằng nhiệt, ở nhiệt độ thích hợp hay ở bức xạ ở bƣớc sóng thích hợp, là quá trình khuếch tán do chênh lệch ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu sấy. Hay nói cách khác là do chênh lệch áp suất hơi riêng phần ở bề mặt vật liệu và môi trƣờng xung quanh [6]. 1.1.5. Đặc điểm của quá trình sấy Đặc điểm của quá trình sấy đối với vật thể có độ ẩm tƣơng đối cao, nhiệt độ sấy và tốc độ chuyển động của không khí không quá lớn, xảy ra theo ba giai đoạn đó là: Giai đoạn làm nóng vật, giai đoạn sấy tốc độ không đổi, giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. Đối với các trƣờng hợp sấy với điều kiện khác, thì quá trình sấy cũng xảy ra ba giai đoạn, nhƣng các giai đoạn có thể đan xen khó phân biệt hơn.  Giai đoạn làm nóng vật Giai đoạn này bắt đầu từ khi đƣa vật vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng, cho tới khi nhiệt độ vật đạt đƣợc bằng nhiệt độ kế ƣớc. Trong quá trình sấy này toàn bộ vật đƣợc gia nhiệt. Ẩm trong vật đƣợc gia nhiệt cho đến khi đạt đƣợc nhiệt độ sôi ứng với phân áp suất hơi nƣớc trong môi trƣờng không khí trong buồng sấy. Do đƣợc làm nóng, nên độ ẩm của vật có giảm chút ít do nƣớc tự do trong vật bay hơi, còn nhiệt độ vật tăng Trang 2
17. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. NGUYỄN TẤN DŨNG dần cho tới khi bằng nhiệt độ kế ƣớc. Tuy vậy, sự tăng nhiệt độ trong quá trình xảy ra không đều ở phần ngoài và phần trong vật. Vùng trong vật đạt đến nhiệt độ kế ƣớc chậm hơn. Đối với vật dễ sấy thì giai đoạn làm nóng vật xảy ra nhanh.  Giai đoạn sấy tốc độ không đổi Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng nhiệt độ kế ƣớc. Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sẽ hóa hơi, còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt cung cấp chỉ để hóa hơi nƣớc. Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt, nƣớc tự do ở bên trong vật sẽ di chuyển ra ngoài bề mặt để hóa hơi. Do nhiệt độ không khí nóng trong vật sẽ di chuyển ra ngoài bề mặt vật để hóa hơi. Nhiệt độ không khí nóng không đổi nên nhiệt độ vật sấy cũng không đổi, chênh lệch nhiệt độ giữa vật và môi trƣờng cũng không đổi. Điều này làm cho độ chứa hơi của vật theo thời gian cũng không đổi, có nghĩa là tốc độ sấy không đổi. Trong giai đoạn này biến thiên của độ chứa hơi theo thời gian là tuyến tính. Ẩm đƣợc thoát ra trong giai đoạn này là ẩm tự do. Khi độ ẩm của vật đạt tới trị số tới hạn Uk = Ucbmax thì giai đoạn sấy tốc độ không đổi chấm dứt. Đồng thời, cũng là lúc chấm dứt giai đoạn thoát ẩm tự do chuyển sang giai đoạn sấy tốc độ giảm.  Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi, ẩm tự do đã bay hơi hết, còn lại trong vật là ẩm liên kết. Năng lƣợng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn ẩm tự do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ. Do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc độ không đổi, có nghĩa là tốc độ sấy trong giai đoạn này nhỏ hơn và càng giảm đi theo thời gian sấy. Quá trình sấy càng tiếp diễn, độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho đến khi độ ẩm trong vật liệu sấy cân bằng với độ ẩm của hông khí ẩm trong buồng sấy. Lúc này, quá trình thoát ẩm của vật dừng lại, có nghĩa là tốc độ sấy tại thời điểm này bằng không. 1.1.6. Mục đích quá trình sấy Chuẩn bị: là sự tách bớt nƣớc để ngăn tẩm các dung dịch, ƣớp hƣơng, sấp để giảm khối lƣợng chuyên chở. Khai thác: tăng hàm lƣợng chất khô, nhƣ các sản phẩm: sấy sữa bột, bột hòa tan, đƣờng các loại, chè, cafe, sấy men bánh mì, các loại rau quả, Chế biến: Qúa trình sấy làm biến đổi các chỉ tiêu của nguyên liệu theo hƣớng tạo ra sản phẩm có giá trị cảm quan nhƣ mong muốn. Trang 3
18. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. NGUYỄN TẤN DŨNG Hoàn thiện: sấy khô vật liệu trƣớc khi dùng bị ƣớt, sấy để đảm bảo màu sắc sản phẩm và độ sáng bóng (các sản phẩm dạng hạt, tinh thể rắn) tăng độ bền sản phẩm Bảo quản: quá trình sấy làm giảm hàm lƣợng ẩm trong nguyên liệu, nhằm mục đích bảo quản. Đồng thời, tiêu diệt một phần lớn các vi sinh vật và ức chế enzyme. Đây cũng là một ƣu điểm quan trọng của quá trình sấy. 1.1.7. Phân loại quá trình sấy Sấy tự nhiên: nhờ tác nhân chính là nắng, gió Phƣơng pháp này thời gian sấy dài, tốn diện tích sân phơi, khó chủ động điều chỉnh các nhân tố, độ ẩm cuối cùng của vật liệu còn khá lớn, phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết khí hậu nên năng suất thƣờng không cao. Sấy nhân tạo: quá trình cần cung cấp nhiệt, nghĩa là phải dùng đến các tác nhân sấy nhƣ không khí nóng, hơi quá nhiệt Đối với phƣơng pháp này, thời gian sấy đƣợc rút ngắn, dễ điều khiển và triệt để hơn sấy tự nhiên nên năng suất thƣờng rất cao. Hiện nay, khoa học kỹ thuật càng phát triển thì phƣơng pháp sấy nhân tạo ngày càng đổi mới và nâng cao [7]. . Phân loại theo phƣơng pháp sấy nhân tạo, gồm có:  Phân loại theo phương thức truyền nhiệt: Phƣơng pháp sấy đối lƣu Phƣơng pháp sấy bức xạ Phƣơng pháp sấy tiếp xúc Phƣơng pháp sấy bằng điện trƣờng dòng cao tần Phƣơng pháp sấy thăng hoa Phƣơng pháp sấy tầng sôi Phƣơng pháp sấy phun  Phân loại theo tính chất xử lý vật liệu ẩm qua buồng sấy: Sấy mẻ Sấy liên tục  Phân loại theo sự chuyển động tương đối giữa dòng khí và vật liệu ẩm: Loại thổi qua bề mặt Loại thổi xuyên vuông góc với vật liệu Trang 4
19. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. NGUYỄN TẤN DŨNG 1.2. Cơ sở lý thuyết sấy lạnh và hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt 1.2.1. Sấy lạnh Phƣơng pháp sấy lạnh là ứng dụng công nghệ sấy ở nhiệt độ thấp để chế biến và bảo quản nông sản, thực phẩm. Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện bằng cách giảm độ ẩm tƣơng đối trong không khí để tạo ra chênh lệch áp suất giữa hơi nƣớc trong không khí và trong nông sản, thực phẩm. Bằng cách này hơi nƣớc sẽ tách khỏi thực phẩm, nông sản và đi vào trong không khí. Khi làm lạnh không khí trong thiết bị trao đổi nhiệt xuống thấp hơn nhiệt độ đọng sƣơng, không khí bão hòa sẽ ngƣng đọng và tách ra khỏi không khí. Không khí sau đó đi qua dàn nóng sẽ sấy khô nông sản, thực phẩm. Quá trình truyền nhiệt thực hiện đƣợc thông qua sự thay đổi pha làm việc của môi chất lạnh. Môi chất lạnh trong giàn bay hơi hấp thu nhiệt và bay hơi ở nhiệt độ và áp suất thấp. Khi hơi môi chất lạnh ngƣng tụ ở nhiệt độ cao, áp suất cao tại dàn ngƣng tụ, nó thải nhiệt ở áp suất cao hơn. Khi sử dụng trong quá trình sấy, hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt làm lạnh không khí của quá trình đến điểm bão hòa và sau đó ngƣng tụ( khử ẩm), do đó làm tăng khả năng sấy của không khí. Trong quá trình này chỉ tuần hoàn mức nhiệt thấp ( nhiệt hiện và nhiệt ẩn) từ không khí. Dựa vào nhiệt độ sấy, ngƣời ta chia làm 2 loại [6],[7]: Hệ thống sấy lạnh có nhiệt độ t<00C Hệ thống sấy thăng hoa Hệ thống sấy chân không 0 Hệ thống sấy lạnh có nhiệt độ 0 C < t < tmt Phƣơng pháp sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hợp với mấy lạnh Phƣơng pháp sử dụng bơm nhiệt có nhiệt độ thấp. Vì các thí nghiệm trong đồ án sử dụng máy sấy lạnh DSL-P-L-T-02 của khoa CNHH & TP tại Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kĩ Thuật Tp.HCM. Nên chúng tôi xin trình bày về hệ thống sấy lạnh có sử dụng bơm nhiệt. Trang 5
20. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. NGUYỄN TẤN DŨNG 1.2.2. Hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt  Giới thiệu Hình 1. 2. Hệ thống sấy lạnh DSL-P-T-02 Hình 1. 3. Sơ đồ nguyên lí hoạt động Hình 1. 4. Đồ thị trạng thái t-d Trang 6
21. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. NGUYỄN TẤN DŨNG  Nguyên lý hoạt động Không khí ngoài khi đi vào máy sấy sẽ đƣợc đốt nóng lên khi đi qua Calorifer và khi đi qua vật liệu sấy trong buồng sấy tại đây xảy ra quá trình trao đổi nhiệt và ẩm làm cho nhiệt độ không khí giảm xuống, hàm lƣợng ẩm trong không khí tăng lên. Không khí đƣợc máy nén hút, sau đó nén lại và đƣa lên thiết bị ngƣng tụ để làm lạnh xuống dƣới nhiệt độ đọng sƣơng nên ẩm sẽ ngƣng tụ và tách khỏi không khí. Không khí sau khi ra khỏi thiết bị ngƣng tụ sẽ đi qua bình chứa cao áp để chứa chất lỏng ngƣng tụ, giải phóng điện tích trao đổi nhiệt cho thiết bị ngƣng tụ, môi chất lạnh tiếp tục đi qua phin lọc để loại bỏ chất ẩm ƣớt và bụi bẩn có trong môi chất lạnh, tiếp tục vào ống mao để điều tiết lƣu lƣợng gas lỏng cho thiết bị bay hơi và duy trì áp suất hơi hợp lý, phù hợp với nhiệt độ bay hơi yêu cầu trong dàn lạnh. Môi chất lạnh đi vào thiết bị bay hơi để hóa hơi, thu nhiệt từ vật liệu trong buồng sấy lạnh. Không khí sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi sẽ tiếp tục đi vào thiết bị ngƣng tụ để hạ thấp nhiệt độ xuống đến nhiệt độ yêu cầu rồi đi vào buồng sấy. Không khí ra khỏi buồng sấy sẽ đi vào thiết bị bay hơi để bay hơi ẩm vừa nhận từ vật liệu sấy rồi đi vào thiết bị ngƣng tụ. Chu trình cứ thế tiếp tục. Sau một thời gian hoạt động theo chu trình trên, nhiệt độ sấy sẽ giảm xuống, máy nén đƣợc bật lên để nâng nhiệt lên bằng nhiệt độ yêu cầu. 1.2.3. Ƣu và nhƣợc điểm Ở phƣơng pháp sấy lạnh, thời gian thoát ẩm lâu hơn các phƣơng pháp sấy thông thƣờng hay sấy chân không, nhƣng các chỉ tiêu nhƣ màu sắc, khả năng bảo toàn các chất dinh dƣỡng và vitamin là cao hơn hẳn.  Ƣu điểm Nhiệt độ sấy thấp, chế độ sấy phù hợp cho các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ nhƣ dƣợc liệu, các sản phẩm từ rau quả Có khả năng tự động hóa cao, dễ vận hành, an toàn. Tiết kiệm năng lƣợng nhờ sử dụng cả năng lƣợng dàn nóng và dàn lạnh, hiệu quả sử dụng nhiệt cao. Chi phí đầu tƣ hệ thống thấp hơn so với các phƣơng pháp sấy lạnh khác. Khả năng giữ lại màu sắc, mùi vị và các thành phần dinh dƣỡng tƣơng đối cao. Quá trình sấy không cần loại bỏ tác nhân sấy nên đảm bảo rất vệ sinh [6].  Nhƣợc điểm Thời gian sấy lâu. Trang 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4