(Đồ án hcmute) nghiên cứu quá trình lạnh đông tinh bột nghệ sử dụng cho quá trình sấy thăng hoa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM NGHIÊN CỨU Q TRÌNH LẠNH ĐƠNG TINH BỘT NGHỆ SỬ DỤNG CHO QUÁ TRÌNH SẤY THĂNG HOA GVHD: TS NGUYỄN TẤN DŨNG SVTH: LÊ THỊ THANH LONG MSSV: 12116045 SKL 0 4 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2016 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP MÃ SỐ: 2016-12116045 NGHIÊN CỨU Q TRÌNH LẠNH ĐƠNG TINH BỘT NGHỆ SỬ DỤNG CHO QUÁ TRÌNH SẤY THĂNG HOA GVHD: TS NGUYỄN TẤN DŨNG SVTH: LÊ THỊ THANH LONG MSSV: 12116045 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 07/2016 an i an LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gởi lời cảm ơn chân thành tới Thầy Nguyễn Tấn Dũng, người tận tình hướng dẫn dạy tơi suốt q trình thực đồ án nói riêng thời gian học trường nói chung Tơi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô thuộc môn Công nghệ Thực phẩm truyền đạt kiến thức kinh nghiệm suốt trình học tập Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, đồng thời nhiệt tình hỗ trợ thiết bị tạo điều kiện cần thiết để tơi hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Sau cùng, tơi xin cảm ơn gia đình bạn đồng hành, quan tâm, giúp đỡ động viên suốt trình thực đồ án tốt nghiệp Đặc biệt bạn tập thể lớp giúp tơi q trình làm thí nghiệm Dù cố gắng nhiều để hoàn thành đồ án này, nhiên cịn nhiều chỗ sai sót, chưa hồn chỉnh, mong nhận đóng góp Quý Thầy/Cơ bạn để đồ án hồn thiện Xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, Ngày 17 Tháng Năm 2016 Sinh viên thực Long Lê Thị Thanh Long ii an LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn nội dung trình bày khóa luận tốt nghiệp riêng tơi Tôi xin cam đoan nội dung tham khảo khóa luận tốt nghiệp trích dẫn xác đầy đủ theo qui định Ngày 17 tháng 08 năm 2016 Ký tên Long Lê Thị Thanh Long iii an iv an v an vi an vii an viii an Te (0C): Nhiệt độ trung bình tinh nghệ cuối trình lạnh đông, Te ≤ Tkt Tkt (0C): Nhiệt độ kết tinh nước tinh bột nghệ lạnh đông, Tkt = (-1,15 ÷ -1,5) C T0 (0C): Nhiệt độ ban đầu tinh bột nghệ khay inox (T0 > Tkt) Tf (0C): Nhiệt độ môi trường lạnh đông (Tf < Te)  = 2R (m): Bề dày lớp tinh nghệ cần nghiên cứu 0 (m): Bề dày khay inox ρ (kg/m3): Khối lượng riêng dung dịch tinh bột nghệ lạnh đông Cn (kJ/(kgK)): Nhiệt dung riêng ẩm (nước) có tinh bột nghệ Cnd (kJ/(kgK)): Nhiệt dung riêng ẩm đóng băng (nước đá) bên lớp tinh bột nghệ Cck (kJ/(kgK)): Nhiệt dung riêng chất khô tuyệt đối tinh bột nghệ  (W/(m.K)): Hệ số dẫn nhiệt lớp đóng băng vùng (I) 0 (W/(m.K)): Hệ số dẫn nhiệt lớp inox tb = [0,1]: Tỷ lệ nước đóng băng trung bình theo nhiệt động lạnh đơng vật liệu ẩm  = Gnb/Gn = [0,1]: Tỷ lệ ẩm (nước) đóng băng ẩm dung dịch tinh bột nghệ Gnb, Gn, G [kg]: Khối lượng ẩm (nước) đóng băng tổng khối lượng ẩm (nước) có dung dịch tinh bột nghệ W0 = Gn/G = (0,1): Tỷ lệ ẩm (hay độ ẩm tương đối) có tinh bột nghệ phân bố L (kJ/kg): Ẩn nhiệt đông đặc nước l (m): Là chiều dài phẳng (l >> 2R) τ (h): Là thời gian làm lạnh đông tinh bột nghệ dạng phẳng dz: Bề dày lớp nước đóng băng vùng (I) nhiệt độ Tkt F (m2): Tiết diện trao đổi nhiệt lớp tinh bột nghệ dạng phẳng α (W/(m2.K)): Hệ số tỏa nhiệt môi trường làm lạnh đơng 3.2.2 Tỉ lệ nước đóng băng Tỉ lệ nước đóng băng dung dịch tinh bột nghệ dạng phẳng lạnh đông thời điểm xác định theo biểu thức sau: M = dG nb dG nb dG nb dG nb    dG n d  W0 G  d  W0 .V  W0 .dV 47 an [6] (3.2) Trong đó: dV = F.dx [28] Vậy: 3.2.3 M  dG nb dG nb   dG nb  M W0 .F.dz W0 .dV W0 .F.dz Xây dựng giải tốn xác định tỷ lệ nước đóng băng Phương trình cân nhiệt trình lạnh đông viết sau: dQ = dQ1 + dQ2 [3] (3.3) Trong đó: dQ1 (J): lượng nhiệt lấy để làm hạ nhiệt độ tinh bột nghệ khay inox từ T0 xuống Tkt trước làm đóng băng nước tinh bột nghệ, chúng xác định theo phương trình sau: dQ1 = dQ1 + dQ1 = 2dQ1 [3] dQ1 =  C nd M W0  C n 1  M  W0  C ck 1  W0    T0  Tkt  .F.dz = M W0  C nd  C n   C n W0  C ck 1  W0    T0  Tkt  .F.dz (3.4) dQ2 (J): lượng nhiệt lấy để làm đóng băng nước có tinh bột nghệ nhiệt độ Tkt, chúng xác định theo phương trình sau: dQ2 = dQ2 + dQ2 = dQ2 = L.dGnb [3] (3.5) Thay phương trình (3.2) vào (3.5) ta viết lại: dQ2 = 2.L.dGnb = 2.L.M.W0..F.dz (3.6) dQ (J): tổng nhiệt lượng trao đổi nhiệt với mơi trường để thực q trình làm lạnh lạnh đông sản phẩm Chúng xác định theo phương trình sau: dQ = dQ0 + dQ’0 = F Hay:  Tkt  Tf  d  F  Tkt  Tf  d z    0 z  0  [29] (3.7) dQ = dQ0 + dQ’0 =   1 F  Tkt  Tf     d 1/   z /  0 /   z /   Thay (3.6), (3.7) (3.4) vào (3.3) nhận được:   M W0  C nd  C n   C n W0  Cck 1  W0    T0  Tkt   L.W0 M .F.dz   1  = F  Tkt  Tf    d 1/   z /  0 /   z /   48 an (3.8) Đặt: 1  2.W0  C nd  C n  T0  Tkt  ; 2   C n W0  C ck 1  W0    T0  Tkt  ; 3  2.L.W0 ; r1  1/  ; r2  0 / 0 ; x  z /  Vậy: dx = dz/ suy dz = dx; thay tất vào (10) nhận được:     M   2x  r1  r2  3   2  ..dx =  Tkt  Tf    d x  r  r x  r r   2   (3.9) Như vậy:   M  1  3   2  .   x   r1  r2  x  r1r2  d     dx 2x  r1  r2  Tkt  Tf      (3.10) Điều kiện biên: Khi  = z = hay x = z/ = Khi  = e z = R hay x = R/ Từ phương trình (12) suy ra: e R /  e   d   Hay   M  1  3   2  .   x   r1  r2  x  r1r2     dx 2x  r1  r2  Tkt  Tf      (3.11)   M  1  3   2  .  e      Tkt  Tf     R2  r  r  R   r1  r2    2R   (r1  r2 )           r1r2     ln       (r1  r2 )    2      R2  r  r  R   r1  r2    2R   (r1  r2 )   Đặt A         r1r2     ln       (r1  r2 )    2     Cuối xác định mơ hình tốn xác định tỉ lệ nước đóng băng sau:  2.  T  Tf    M   e kt  2   ..A    1  3  3.3 (3.12) THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH MƠ HÌNH TỐN LẠNH ĐƠNG TINH BỘT NGHỆ Từ kết thực nghiệm xác định biến thiên nhiệt độ T(oC) theo thời gian lạnh đông τ (phút) bảng 3.4 Chúng tơi tiến hành tính tốn ẩn nhiệt đóng băng L(J/Kg) theo phương trình trình bày bảng 3.3, đồng thời tiến hành tính tốn thông số vật lý 49 an nhiệt dung riêng Cn, Cnd, Cck (J/Kg.K) thông số phụ ∅1, ∅2, ∅3 Kết nhận được, trình bày bảng 3.4 bảng 3.5 Bảng 3.4: Kết thực nghiệm tính tốn thơng số τ, Ts, Tc, Ta, L tinh bột nghệ Thời gian(p) Td Tc T L -0,49 -2,05 -1.27 333600,16 12 -4,6 -5,1 -4,85 333596,34 17 -6,5 -7,6 -7,05 333594,07 21 -8,2 -9,9 -9,05 333591,96 24 -10,5 -11,3 -10,9 333590,01 27 -12,5 -13,1 -12,8 333588,01 30 -15,6 -16,7 -16,15 333584,48 32 -19,4 -20,1 -19,75 333580,68 33 -21,4 -21,8 -21,6 333578,73 36 -22,6 -23,8 -23,2 333577,04 Bảng 3.5: Kết thực nghiệm tính toán giá trị Cn, Cnd, Cck, ∅1, ∅2, ∅3 tinh bột nghệ Cn Cnd Cck ø1 ø2 ø3 4087,44 2054,58 1797,50 -9749,58 30575,29 293568,14 4106,44 2032,83 1790,34 -9945,02 30622,71 293564,82 4118,11 2019,46 1785,87 -10065,13 30651,40 293562,78 4128,72 2007,30 1781,75 -10174,32 30677,17 293560,93 4138,54 1996,06 1777,90 -10275,31 30700,75 293559,21 4148,62 1984,52 1773,91 -10379,04 30724,72 293557,45 4166,40 1964,16 1766,76 -10561,93 30766,33 293554,34 4185,50 1942,28 1758,93 -10758,47 30810,14 293551,00 4195,31 1931,04 1754,84 -10859,46 30832,29 293549,29 4203,80 1921,32 1751,28 -10946,81 30851,25 293547,80 3.3.1 Xây dựng mối quan hệ nhiệt độ thời gian lạnh đông Xây dựng hàm τe = f(T): thể mối quan hệ thời gian nhiệt độ vật liệu q trình đóng băng điều kiện T0= -45oC= số Nhiệt độ kết tinh tinh bột nghệ Tkt= -1,27 xác định thực nghiệm Ta xây dựng hàm τe = f(T) Excel phương trình xác định : τ = f(T) = y = -0,0621T2 – 2,966T – 0,427 (3.13) 50 an Hình 3.2: Đồ thị thể mối quan hệ thời gian nhiệt độ lạnh đông Dựa vào đồ thị ta thấy quy luật thay đổi thời gian τ [h] nhiệt độ vật liệu T [oC] q trình lạnh đơng quy luật hàm đa thức Parabol: τ = f(T) = a1T2 + b1T + c1 với độ tương quan R2> 99% theo quy luật hàm mũ Kết thực nghiệm cho thấy rằng, phương trình (3.13) hồn tồn tương thích với số liệu thực nghiệm Do đó, ứng dụng để tính tỷ lệ nước đóng băng, xác lập lập chế độ công nghệ lạnh đông Sau xác định mối quan hệ thời gian theo nhiệt độ ta tiến hành tính tốn thơng số cịn lại để có kết cuối 3.3.2 Xác định tỷ lệ nước đóng băng Thay phương trình (3.13) số liệu tính tốn bảng 3.4 bảng 3.5 vào phương trình 3.12, tiến hành tính tốn xác định tỷ lệ nước đóng băng phần mềm Excel 2010 Sau tính tốn xử lý số liệu ta có bảng số liệu thực nghiệm tỷ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ thể bảng 3.6 Từ kết bảng 3.6 ta mơ lên đồ thị thể tỷ lệ nước đóng băng theo thời gian hình 3.3 Dựa vào bảng số liệu đồ thị ta thấy nhiệt độ lạnh đông tinh bột nghệ giảm, tỷ lệ nước đóng băng tăng Ở thời điểm phút thứ 33 tỷ lệ nước đóng băng 100%, q trình lạnh đơng có nhiệt độ lạnh đơng tiếp tực giảm, tỷ lệ nước đóng băng giữ nguyên Xác định nhiệt độ lạnh đông tối ưu: nước tinh bột nghệ bắt đầu đóng băng 91% ứng với nhiệt độ khoảng -16oC, nhiệt độ lạnh đông tối ưu sử dụng cho q trình bảo quản Tại thời điểm nước đóng băng hồn tồn 100%, nhiệt độ khoảng -23,2oC, (nhiệt độ mơi trường lạnh đông -45oC, nhiệt độ bề mặt -23,8oC, nhiệt độ tâm -22,6oC) dùng cho trình sấy thăng hoa 51 an Bảng 3.6: Tỷ lệ nước đóng băng theo thời gian A τe ω ωMH Sai số 0,00 0,00 0,000646676 12,4 0,31 0,34 0,031744077 17,2 0,47 0,45 0,019415267 21,0 0,60 0,56 0,037482367 24,1 0,70 0,71 0,009710872 26,8 0,79 0,74 0,050195992 30.3 0,91 0,91 3,89526.10-5 32,5 0,98 0,99 0,006564833 32,9 1,00 1,00 0,001101666 33,0 1,00 1,00 4,91864.10-5 0,000731114 3,2 Hình 3.3 Đồ thị thể tỷ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ Dựa vào đồ thị 3.3 ta thấy mẫu cấp đông đến nhiệt độ khoảng -13oC, tỷ lệ nước đóng băng 80% phù hợp cho trình bảo quản Nhưng trình sấy thăng hoa yêu cầu tỷ lệ nước đóng băng phải 100% nên nhiệt độ -23,2 phù hợp Nếu ta chọn nhiệt độ thấp tốn chi phí lượng lớn, gây biến đổi cấu trúc sản phẩm Tuy nhiên, nhiệt độ -23,2 chưa đủ để nước đóng băng 100% nên q trình sấy thăng hoa khơng hiệu quả, nước khơng thăng hoa hồn tồn dẫn đến chất lượng sản phẩm khơng đảm bảo 52 an Trong số nghiên cứu khác sản phẩm đông lạnh khác, kết thu là: nhiệt độ lạnh đông tôm sú để tỷ lệ nước đóng băng 100% nhiệt độ mơi trường lạnh đơng -45oC; nhiệt độ bề mặt -35oC, nhiệt độ tâm -12oC [18], nhiệt độ lạnh đông Penaeus monodon -22oC [17], nhiệt độ lạnh đông sữa ong chúa -18,33oC [34] Kết nghiên cứu cho thấy, tỷ lệ nước đóng băng khơng phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian lạnh đông, hệ số tỏa nhiệt môi trường (tùy thuộc tủ cấp đơng gió, cấp đơng tiếp xúc, cấp đơng nhanh) mà cịn phụ thuộc vào bề dày, tính chất nhiệt- vật lý vật liệu 3.3.3 Kiểm tra tính tương thích mơ hình Sau tính tốn tỷ lệ nước đóng băng theo thời gian nhiệt độ Ta kiểm tra tính tương thích mơ hình dựa vào cơng thức tính sai số: Er = Ermax = *100% (3.14) *100% = 3,748% (3.15) Từ công thức (3.15) ta thấy sai số lớn mơ hình tốn so với số liệu thực nghiệm 3,748