Sấy thăng hoa nấm Đông trùng

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA- ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNGKHOA CÔNG NGHỆ NHIỆT – ĐIỆN LẠNH

ĐỒ ÁN MÔN HỌCTHIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY NẤM ĐÔNG TRÙNG HẠ

THẢO NĂNG SUẤT 10 kg/mẻ

Đà Nẵng, 2024MỤC LỤC

1.1.1 Khái quát về nấm đông trùng hạ thảo 1

1.1.2 Phân loại đông trùng hạ thảo 2

1.1.2.1 Phân loại theo xuất xứ 2

1.1.2.2 Phân loại theo trạng thái 2

1.2 Quy trình sản xuất đông trùng hạ thảo nhân tạo 3

1.3 Cơ sở khoa học của sấy thăng hoa 5

1.3.1 Những khái niệm ban đầu về sấy thăng hoa 5

1.3.2 Biến đổi trạng thái vật chất theo giản đồ P-t 5

1.4 Ý nghĩa của việc sấy nấm đông trùng hạ thảo 7

1.5 Quy trình sấy nấm đông trùng hạ thảo 7

1.5.1 Chuẩn bị và xử lý đông trùng hạ thảo 7

1.5.2 Cấp đông đông trùng hạ thảo 8

1.5.3 Sấy khô sơ cấp đông trùng hạ thảo 8

1.5.4 Sấy khô thứ cấp đông trùng hạ thảo 8

1.5.5 Đóng gói sản phẩm 8

1.6 Tác dụng của đông trùng hạ thảo 8

1.7 Các thông số đặc trưng cơ bản của vật ẩm 9

1.7.1 Độ ẩm toàn phần 9

1.7.2 Độ ẩm tuyệt đối 9

1.7.3 Độ ẩm cân bằng 9

1.8 Tính chất nhiệt vật lý của đông trùng hạ thảo liên quan đến quá trình sấy 10

1.8.1 Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm 10

1.8.2 Hệ số dẫn nhiệt 10

1.8.3 Hệ số dẫn nhiệt độ của vật liệu ẩm 10

1.8.4 Thành phần và tính chất của đông trùng hạ thảo 11

1.8.5 Ẩm liên kết 13

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN NHIỆT THIẾT BỊ SẤY 14

2.1 Giới thiệu về hệ thống sấy thăng hoa 14

2.1.1 Phân loại hệ thống sấy thăng hoa 14

2.1.2 Đặc điểm của quá trình sấy thăng hoa 15

2.1.2.1 Giai đoạn làm lạnh đông 16

2.1.2.2 Giai đoạn thăng hoa 17

2.1.2.3 Giai đoạn sấy chân không làm bay hơi ẩm còn lại 17

2.1.3 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa 18

2.2 Tính toán nhiệt thiết bị sấy thăng hoa 19

2.2.1 Tính toán cân bằng vật chất 19

2.2.2 Tính toán nhiệt lý thuyết 20

2.2.2.1 Tốc độ thăng hoa của băng 20

2.2.2.2 Thể tích và kích thước buồng sấy 21

2.3 Tính toán phụ tải lạnh (hay năng suất) cho quá trình lạnh đông sản phẩm 23

2.4 Chi phí lạnh của quá trình làm đông sản phẩm 24

2.4.1 Lượng nhiệt để làm giảm nhiệt độ sản phẩm từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ đóng băng của nước ở trong sản phẩm Q1 24

2.4.2 Lượng nhiệt để làm toàn bộ nước trong sản phẩm đóng băng Q2 25

2.4.3 Lượng nhiệt để làm giảm nhiệt độ của băng đến nhiệt độ cuối cùng của quá trình lạnh đông Q3 26

2.4.4 Lượng nhiệt để làm giảm nhiệt độ của thành nước không đóng băng trong sản phẩm Q4 26

2.4.5 Tính lượng nhiệt để làm giảm nhiệt độ của thành phần chất khô Q5 26

2.5 Tính lượng nhiệt từ khay chứa sản phẩm 27

2.6 Lượng nhiệt để làm lạnh không khí trong buồng sấy thăng hoa 28

2.6.1 Entalpy của không khí trước khi làm lạnh đông đông trùng hạ thảo 28

2.6.2 Khối lượng không khí khô trong buồng sấy thăng hoa 28

2.7 Lượng nhiệt tổn thất qua vách và cửa buồng sấy thăng hoa 30

2.7.1 Diện tích của vách buồng sấy thăng hoa FV 30

2.7.2 Độ chênh nhiệt độ trước và sau khi lạnh đông 31

2.7.3 Hệ số truyền nhiệt qua vách buồng sấy thăng hoa KV 31

2.8 Lượng nhiệt tổn thất của hơi môi chất lạnh hút về máy nén 32

2.8.1 Năng suất lạnh của buồng lạnh đông 33

2.8.2 Lưu lượng thực tế môi chất lạnh tuần hoàn qua máy nén 33

2.8.3 Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh ở thiết bị bay hơi to 33

2.8.4 Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất ở thiết bị ngưng tụ tk 33

2.8.5 Chu trình lạnh làm việc của hệ thống lạnh 34

2.8.6 Nhiệt độ quá nhiệt của hơi môi chất lạnh ra khỏi thiết bị bay hơi trước khi máy nén hút về t1’ 35

CHƯƠNG 3 TÍNH CHỌN THIẾT BỊ3.1 Tính chọn máy nén 37

3.2 Quy trình lạnh tiêu chuẩn 37

3.3 Tính chọn động cơ kéo máy nén 38

3.4 Tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ 40

3.5 Tính toán thiết kế thiết bị bay hơi 49

3.6 Tính toán chọn van tiết lưu 53

3.7 Tính toán bình tách lỏng (bình tách lỏng kiểu khô) 54CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ

4.1 Tính toán chọn bơm chân không 55

4.1.1 Năng suất hút của bơm chân không 55

4.1.2 Công suất điện của bơm chân không 55

4.2 Tính toán, lựa chọn điện trở gia nhiệt cho vật liệu sấy 56

CHƯƠNG 5 BẢN VẼ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ SẤY…5.1 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa 59

5.1.1 Tên và vị trí thiết bị 59

5.1.2 Nhiệm vụ của các thiết bị 60

5.1.2.1 Buồng thăng hay buồng lạnh đông 60

5.1.2.2 Máy nén 60

5.1.2.3 Bình tách lỏng 60

5.1.2.4 Thiết bị ngưng tụ 60

5.1.2.5 Van tiết lưu 60

5.1.2.6 Bơm chân không 60

5.1.2.7 Phin lọc ẩm 60

5.1.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy thăng hoa 60

5.2 Cấu tạo chi tiết của thiết bị chính 61

5.2.1 Cấu tạo buồng thăng hoa hay lạnh đông 61

5.2.2 Cấu tạo thiết bị ngưng tụ 63

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT BỊ SẤY6.1 Bản vẽ và nguyên lý mạch điện điều khiển 64

6.1.1 Bản vẽ 64

6.1.2 Nguyên lý làm việc 65TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Quy trình sản xuất nấm đông trùng hạ thảo 3

Hình 1.2 Nấm đông trùng hạ thảo được thu sau quá trình nuôi cấy 4

Hình 1.3 Giản đồ trạng thái pha của nước 6

Hình 2.1 Hệ thống sấy thăng hoa với thiết bị cấp đông riêng 14

Hình 2.2 Hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông 15

Hình 2.3 Cấu tạo bình thăng hoa 19

Hình 2.5 Mặt cắt của buồng thăng hoa 23

Hình 2.7 Hai nắp chỏm cầu của bồn sấy thăng hoa 31

Hình 2.7 Vỏ buồng sấy thăng hoa 32

Hình 2.8 Chu trình máy lạnh một cấp 34

Hình 2.9 Đồ thị chu trình nhiệt động của hệ thống lạnh một cấp 35

Hình 3.1 Cấu tạo của ống trao đổi nhiệt 40

Hình 3.2 Phân bố nhiệt độ qua vách ống 42

Hình 3.2 Bố trí ống trong dàn ngưng tụ 43

Hình 3.3 Hình chiếu bằng thiết bị ngưng tụ có búp chia 48

Hình 3.4 Hình chiếu cạnh của thiết bị ngưng tụ 49

Hình 3.5 Phân bố nhiệt độ giữa buồng sấy và ống đồng 51

Hình 3.6 Bố trí dàn ống thiết bị bay hơi quanh thân trụ 53

Hình 3.1 Hình ảnh cấu tạo bình tách lỏng O&F – FA2-208 54

Hình 4.1 Bơm chân không HanBell PX-40(7.5kW) 56

Hình 5.1 Tổng thể hệ thống sấy thăng hoa 59

Nằm ở đường trích hơi làm khô hơi hút về bơm chân không 59

Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy thăng hoa 61

Hình 5.3 Hình chiếu đứng và hình chiếu cạnh buồng thăng hoa 62

Hình 5.4 Cấu tạo buồng thăng hoa 62

Hình 5.5 Hình chiếu cạnh và hình chiều đứng dàn ống thiết bị ngưng tụ 63

Hình 5.6 Bước ống thiết bị ngưng tụ 63

Hình 6.1 Mạch điểu khiển thiết bị sấy thăng hoa 65

DANH MỤC BẢNGBảng 1.1 Thành phần hóa học của đông trùng hạ thảo 12

Bảng 2.1 Các thông số trạng thái của chu trình hệ thống lạnh cần thiết kế, chế tạo 35

Bảng 3.1 Quy trình lạnh tiêu chuẩn 37

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của ống trao đổi nhiệt 41

Bảng 5.1 Tên và vị trí các thiết bị 59

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ẨM (CÁC THÔNG SỐ

NHIỆT, ẨM)

Mục tiêu của chương này là để tổng hợp những thông số nhiệt, ẩm quan trọng của nấmđông trùng hạ thảo Đưa ra cách phân loại nấm, những giai đoạn chính của quá trình nuôitrồng, thu hoạch, sấy và bảo quản thực phẩm để phục vụ cho quá trình tín toán thiết kế

1.1 Đặc tính vật liệu ẩm1.1.1 Khái quát về nấm đông trùng hạ thảo

Đông trùng hạ thảo là một loài nấm thảo dược quý và đặc biệt Bởi chúng được xemnhư là "con lai" giữa động vật và thực vật Nấm đông trùng hạ thảo Ophiocordycepssinensis (hay còn gọi là Cordyceps sinensis) là một loại nấm dược liệu có phân bố rất hạnchế trong tự nhiên và được nuôi trồng trong điều kiêṇ hoang dã, loài nấm này hiện tại vẫnchưa được nuôi trồng thành công trong môi trường nhân tạo, do đó sản lượng nấm thuđược không đáp ứng đủ nhu cầu của thị trường

Loài đông trùng hạ thảo Cordyceps militaris (thường được gọi nấm cam sâu bướm),chứa các hợp chất hóa học tương tự như của O Sinensis, nhưng có thể dễ dàng nuôi trồngtrong môi trường nhân taọ Hiêṇ nay, đã có nhiều nghiên cứu về quy trı̀nh nuôi trồng nấmC militarisis nhằm thay thế cho loài O Sinensis và có nhiều nghiên cứu quan trọng vềgen, nhu cầu dinh dưỡng, môi trường nuôi cấy, các đặc tính sinh hóa và dược lý của nấmC militaris Gần đây, bộ gen hoàn chỉnh của C Militaris cũng được giải trình tự làm cơsở cho nhiều nghiên cứu sâu hơn về loại nấm này

Có hơn 400 phân loài Cordycepss đã tìm thấy và mô tả, tuy nhiên chỉ có khoảng 36loài được nuôi trồng trong điều kiện nhân tạo để sản xuất quả thể Trong số những loàinày, chỉ có loài C Militaris đã được trồng ở quy mô lớn do nó có dược tính rất tốt và cóthời gian sản xuất ngắn Quả thể của nấm Cordyceps militaris dùng làm thực phẩm, dùngtrong các món hầm, súp, trà ở các nước Đông Nam Á như Hongkong, Đài Loan, TrungQuốc Quả thể và sinh khối nấm cũng được sử duṇg làm thuốc và bồi bổ sức khỏe nhưnước uống, viên nhôṇg, rượu, dấm, trà, yogurt, và nước chấm Các loại thuốc từ nấm nàydùng duy trì chức năng thận, phổi, chống lão hóa, điều hòa giấc ngủ, viêm phế quản mãntı́nh Hiện có hơn 30 loại sản phẩm chăm sóc sức khỏe từ C Militaris trên thi ̣trường

Hình dạng bên ngoài khi đông trùng hạ thảo còn tươi trông giống như những con sâu,đuôi sâu là một cành nhỏ có lá Phần "lá" được tạo thành do sợi nấm mọc dính liền vào

đầu sâu non, nhìn giống như ngón tay dài từ 4-11 (cm) Mặt khác, đầu sâu non dài chừng3÷5 (cm), giống như con tằm.

Khi đông trùng hạ thảo được sấy khô sẽ có màu vàng nâu, vàng sậm hoặc màu cà phêtùy thuộc vào phương pháp sấy Chúng có mùi tanh như mùi cá biển, vị đắng nhẹ, nếuđốt lên thì có mùi thơm dìu dịu

Tuy nhiên, do giá trị kinh tế mà đông trùng hạ thảo mang lại rất cao khiến các hoạtđộng khai thác tràn lan, không có kế hoạch làm cho loài nấm này đang có nguy cơ tuyệtchủng Hiện nay, ở nhiều nơi trên thế giới và ở Việt Nam, người ta đã áp dụng thànhcông những phương pháp nuôi cấy đông trùng hạ thảo Quá trình sản xuất chỉ mất khoảng3 tháng để cho ra những sản phẩm đông trùng hạ thảo nhân tạo có công dụng đạt 70÷80%so với sản phẩm tự nhiên và giá thành thấp hơn rất nhiều Vì vậy, đông trùng hạ thảonhân tạo trở thành một mặt hàng được rất nhiều khách hàng ưa chuộng, tin dùng vàthường được làm món quà biếu sang trọng hoặc thực phẩm bồi bổ sức khỏe hiệu quả

1.1.2 Phân loại đông trùng hạ thảo 1.1.2.1 Phân loại theo xuất xứ

Xuất xứ từ tự nhiên: Nấm đông trùng hạ thảo tại vùng cao nguyên Tây Tạng là một

trong những dòng sản phẩm giá trị, quý hiếm và chất lượng nhất.Xuất xứ nhân tạo: Các quốc gia như Hàn Quốc, Nhật Bản, Việt Nam đều thành côngtrong việc nuôi cấy đông trùng hạ thảo trên cơ thể ấu trùng nhộng tằm hoặc trên các vậtchủ khác như hỗn hợp đậu xanh, vỏ trứng, gạo lứt và nhộng tằm xay nhỏ

1.1.2.2 Phân loại theo trạng thái

Theo trạng thái dạng tươi (nguyên con): Là đông trùng hạ thảo tươi, bảo toàn hìnhdạng tự nhiên kí sinh trên vật chủ, mới được khai thác trong vòng 1 tháng trở lại, hàmlượng dinh dưỡng và hoạt tính sinh học được giữ tối đa Tuy nhiên, dạng nguyên con cầnđược bảo quản ở nhiệt độ -50 ᵒC

Theo trạng thái dạng khô: Hơi nước trong đông trùng hạ thảo tươi sẽ được bay hơi thông qua phương pháp sấy đối lưu hoặc sấy lạnh, sao cho độ ẩm cuối còn lại là 4% Việcsấy khô giúp đông trùng hạ thảo có thể vận chuyển đi nhiều nơi, giữ được lâu và sử dụng thuận tiện hơn

1.2 Quy trình sản xuất đông trùng hạ thảo nhân tạo

Đông trùng hạ thảo là loại dược liệu quý, hiệu quả kinh tế cao nhưng rất khó nuôitrồng Để trồng đông trùng hạ thảo hiệu quả được sản xuất theo quy trình khép kín (Hình

1.1) từ khâu phân lập, lai tạo chủng giống Sau đó nhân sinh khối, đưa vào nuôi trồng, thuhoạch, sấy thăng hoa và bảo quản ở điều kiện thích hợp.

Hình 1.1 Quy trình sản xuất nấm đông trùng hạ thảo

Đối với nấm đông trùng hạ thảo nhân tạo cần có một môi trường thích hợp Phòngnuôi cấy chính là yếu tố quan trọng và cần đặt lên hàng đầu quyết định sự thành công củathành phẩm đông trùng hạ thảo có chất lượng hay không Bởi Tây Tạng là nơi có khí hậukhắc nghiệt nhưng cũng là nơi có điều kiện tự nhiên lý tưởng nhất cho đông trùng hạ thảonên phòng nuôi cần đảm bảo các điều kiện về ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm… thích hợp đểđông trùng hạ thảo phát triển tối ưu

Việc lựa chọn giống gốc đạt chuẩn là bước quan trọng nhất trong sản xuất đông trùnghạ thảo Các tiêu chí của một giống gốc tốt có thể kể đến như: có tơ xốp, màu vàng đậm,không mốc hay nhiễm khuẩn

Giống nấm được cấy trong các bình cơ chất trong tủ cấy vô trùng Môi trường nuôi cấygiống là môi trường lỏng gồm có glucozo, các vitamin và nguyên tố vi lượng Cấy vàomôi trường dịch thể rồi tiến hành nuôi lắc ở tốc độ 150 vòng/phút với nhiệt độ là 22oC, độẩm 80% và ở trong phòng tối

Bước đầu tiên chúng ta sẽ cấy cây giống đông trùng hạ thảo vào các lọ cơ chất.Chuyển tới phòng tối và đảm bảo điều kiện môi trường có độ ẩm dao động từ 75÷80%,nhiệt độ từ 17÷20 ᵒC và cần phải ủ kín Sau khoảng 10 ÷12 ngày, các sợi nấm sẽ ăn kíntoàn bộ bề mặt của môi trường sinh khối Lúc này ta sẽ đưa tất cả lọ cơ chất sang giaiđoạn tạo quả thể

01Nhà kính sạch

tiêu chuẩn

02Hệ thống lọc khí nhiệt độ

03Chuẩn bị giá

thể hấp tiệt trùng

04Cấy giống

05Nuôi sợi06

Tạo quả thể07

Nuôi quả thể08

Thu hoạch

09Sấy thăng hoa

10Đóng gói

Sau khi kết thúc giai đoạn nuôi sợi, các lọ cơ chất sẽ được đưa tới phòng chiếu sáng đểkích thích tạo quả thể Lúc này cần điều chỉnh nhiệt độ khoảng từ 18 ÷ 20 ᵒC và độ ẩmdao động từ 75 ÷ 80 % Mỗi ngày cần chiếu sáng 12 giờ với cường độ 1000 Lux Cần mởcửa phòng mỗi ngày 2 lần, mỗi lần ít nhất 30 phút vào sáng sớm và chiếu tối để khôngkhí trong phòng nuôi được lưu thông Sau thời gian 2 tuần, các sợi nấm sẽ dần xuất hiệntrên bề mặt môi trường sinh khối Lúc này tiếp tục sang giai đoạn thứ 3.

Ở giai đoạn tiến hành nuôi trồng cá thể ta cần thay đổi môi trường cũng như điều kiệnlưu trữ ở các lọ cơ chất Nhiệt độ được giữ nguyên, tăng độ ẩm lên khoảng 80÷85% Mỗingày vẫn cần chiếu sáng 12 giờ nhưng giảm cường độ chiếu xuống còn 700 Lux

Khi ngọn có màu vàng đậm hơn phần thân nấm, lúc đó bào tử bắt đầu xuất hiện, tiếnhành thu hoạch đông trùng hạ thảo Mở nắp bình, dùng kéo cong cắt ngọn xuống sát mặtcơ chất hoặc dùng panh kẹp lấy từng cụm nấm ra (Hình 1.2)

dùng nilon bịt kính lại miệng bình tiếp tục đưa vào phòng nuôi để thu hoạch lần.Để đảm bảo nuôi trồng nấm đông trùng hạ thảo thành công, phòng nuôi trồng phảiđảm bảo các điều kiện như vô trùng, có độ sáng và thoáng tự nhiên, có bổ sung hệ thống

chiếu sáng và giàn giá để đặt bình nuôi Bên cạnh đó, cần trang bị thêm hệ thống phunsương (tự động) tạo độ ẩm cần thiết (70÷85%) và hệ thống làm lạnh để giữ nhiệt độ ổnđịnh (18÷200C).

1.3 Cơ sở khoa học của sấy thăng hoa1.3.1 Những khái niệm ban đầu về sấy thăng hoa

Nguyên tắc của sấy thăng hoa liên quan đến việc loại bỏ nước từ thực phẩm bằng cáchthăng hoa, do đó cung cấp một sản phẩm chất lượng cao (Bird.1964) Quá trình sấy thănghoa là quá trình tách nước ra khỏi thực phẩm nhờ sự chuyển pha trực tiếp từ trạng tháirắn sang trạng thái hơi ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất chân không Nhiệt độ và ápsuất này phải nhỏ hơn nhiệt độ và áp suất của trạng thái ba thể O (0,0098°C:4,58mmHg)

Nhờ sấy ở nhiệt độ thấp và áp suất chân không nên thực phẩm tránh được sự oxy hóado không khí và nhiệt độ, tránh được những phản ứng thủy giải, phản ứng nhiệt phân,protein và acid amine không bị biến tính, vitamin không bị phá hủy Cấu trúc phân tử củasản phẩm hầu như được bảo toàn, sản phẩm có độ xốp, tính chất lưu biến rất tốt, màu sắc,mùi vị hình dạng và các chất có hoạt tính sinh học được giữ ở mức cao 6 nhất so với cácphương pháp sấy khác Sản phẩm có độ xốp cao nên có tính chất hoàn nguyên khi chosản phẩm vào nước Sản phẩm sấy thăng hoa có rất nhiều tính chất ưu việt như: bảo quảndài hạn ở nhiệt độ thường (khác với trữ đông nhiệt dộ dưới -18°C liên tục), vận chuyểndễ dàng và sử dụng tiện lợi hơn so với sản phẩm đông lạnh

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

Nước trong thực phẩm tự nhiên luôn có thể tồn tại ở ba thể bao gồm thể lỏng, rắn, khí.Sấy thực phẩm là làm cách nào đó để lấy lượng nước trong thực phẩm ra khỏi nguyênliệu để làm tăng độ khô, giảm độ ẩm từ đó kéo dài thời gian sử dụng Theo nguyên tắcnày có hai phương pháp sấy

Phương pháp 1: Chuyển nước ở thể lỏng trực tiếp sang thể hơi, phương pháp này làsấy nhiệt bình thường làm thay đổi rất nhiều đến đặc tính dinh dưỡng của thực phẩm

Phương pháp 2: Chuyển nước ở thể lỏng sang thể rắn sau đó tạo điều kiện cho thể rắnthăng hoa, phương pháp này là sấy thăng hoa ở nhiệt độ thấp, đây là một trong nhữngphương pháp tiên tiến nhất hiện nay, bởi vì nó giữ lại toàn bộ đặc tính tự nhiên cũng nhưvề phẩm chất dinh dưỡng của thực phẩm

Trên đồ thị P-t cho thấy, đường OA là đường đóng băng nóng chảy, đường OB làđường thăng hoa hóa tuyết (ngưng tụ đóng băng), đường OK là đường bay hơi ngưng tụ

Điều kiện tiên quyết để nước đá thăng hoa là khi chúng được đặt trong môi trường cónhiệt độ và áp suất nhỏ hơn điểm ba thể O (0,0098ᵒC; 4,58mmHg) Hình 1.3.

Không phải loại thực phẩm nào cũng sấy thăng hoa được, tùy thuộc vào tính chất lý,hóa của thực phẩm, tùy thuộc vào dạng liên kết giữa nước với thực phẩm và khả nănghòa tan của thực phẩm trong nước Chẳng hạn như những dung dịch mật ong, siro rấtkhó sấy thăng hoa, những thực phẩm có thành phần lipid lớn cũng rất khó sấy thăng hoa,bởi vì lipid có khả năng hạn chế sự truyền nhiệt, mặt khác lipid có thể tạo màng vữngchắc bảo vệ không cho nước từ bên trong thực phẩm thoát ra ngoài Áp suất và nhiệt độtrong quá trình sấy thăng hoa có mối quan hệ với nhau, khi áp suất càng thấp thì nhiệt độ

thăng hoa càng bé Do đó, khi cấp nhiệt cho vật liệu sấy (thực phẩm sấy) ở áp suất càngthấp thì độ chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nhiệt, môi trường sấy và thực phẩm sấy càngtăng Đứng về mặt truyền nhiệt thì đây là ưu điểm của quá trình sấy thăng hoa so với sấychân không thông thường

1.4 Ý nghĩa của việc sấy nấm đông trùng hạ thảo

Nghiên cứu khoa học chỉ ra rằng, sử dụng đông trùng hạ thảo tươi thì mới giữ đượctrọn vẹn 100% dược tính và dưỡng chất Tuy nhiên, để bảo quản được đông trùng tươi rấtkhó khăn và thời gian bảo quản không được lâu Cho nên sấy khô đang là giải pháp để cóthể kéo dài thời gian lưu trữ Và cũng dễ dàng cho công tác vận chuyển Tránh được cácyếu tố môi trường như hơi ẩm, vi khuẩn, nấm mốc Dễ dàng bảo quản và bảo quản đượclâu hơn

Hiện nay có rất nhiều phương pháp sấy đông trùng hạ thảo phổ biến như là sấy nhiệtđối lữu, sấy lạnh và sấy thăng hoa Nhưng đối với đông trùng hạ thảo có hàm lượng chấtdinh dưỡng cao thì cầm phải giữ nguyên 100% chất dinh dưỡng của nó nên phương phápsấy thăng hoa là phù hợp nhất Bằng cách cấp đông cho đông trùng hạ thảo ở nhiệt độâm Sau đó, đưa vào buồng chân không để làm thăng hoa nước trong đông trùng hạ thảo.Thực hiện sấy khô ở nhiệt độ âm sâu và trong môi trường chân không Nên sản phẩm sấythăng hoa sẽ giữ được màu sắc, hình dạng, dưỡng vốn có

Đông trùng hạ thảo tươi giữ được gần như nguyên vẹn dưỡng chất Đây chính là điềulàm nhiều người sử dụng dạng tươi thay vì dạng dùng khác Độ tươi của đông trùng, tạođược mùi vị thơm ngon hơn Giá thành rẻ hơn so với dạng khô Tuy nhiên nhược điểmcủa nấm đông trùng hạ thảo tươi có thời gian sử dụng ngắn, chỉ được 45 ngày khi ở ngănđông tủ lạnh, và tối đa 2 tuần ở ngăn mát Bảo quản đông trùng hạ thảo tươi cần đảm bảođủ độ lạnh và sạch Nếu không rất dễ bị biến chất và hư hỏng

1.5 Quy trình sấy nấm đông trùng hạ thảo1.5.1 Chuẩn bị và xử lý đông trùng hạ thảo

Đông trùng hạ thảo sau ít nhất là 55 ngày nuôi trồng và thu hoạch cần đảm bảo về kíchcỡ quả thể, màu đậm đẹp sẽ được kiểm duyệt kỹ càng để đưa vào công đoạn sấy thănghoa Thông thường sản phẩm đông trùng hạ thảo được nuôi cấy sẽ được cắt bỏ phầnđế và lấy lại phần quả thể Trong quá trình tách đế và quả thể những cọng đông trùng hạthảo dập nát, nấm mốc sẽ được loại bỏ để không bị ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩmsau khi sấy thăng hoa

1.5.2 Cấp đông đông trùng hạ thảo

Đông trùng hạ thảo sau khi qua quá trình sơ chế sẽ được xếp vào từng khay Sau đó,đông trùng hạ thảo lúc này được cấp đông nhanh với mục đích làm các dung môi trongđông trùng hạ thảo thường là nước sẽ chuyển sang thể rắn Để đảm bảo quá trình sấy diễnra đúng tiêu chuẩn, đảm bảo chất lượng khi sấy, yêu cầu nhà sản xuất phải đầu tư máymóc thiết bị hiện đại, kỹ thuật vận hành tốt

1.5.3 Sấy khô sơ cấp đông trùng hạ thảo

Khi thực hiện sấy khô sơ cấp sẽ làm thăng hoa lớp băng trong vật liệu trong môitrường chân không với áp suất thấp Các tinh thể đá trong đông trùng hạ thảo sẽ thănghoa mà không cần qua giai đoạn hóa lỏng Từ đó có tác dụng giữ nguyên được hàmlượng dinh dưỡng quý giá không bị mất đi Kết thúc quá trình sấy khô sơ cấp đã lấy điđược 90% độ ẩm trong đông trùng hạ thảo tươi

1.5.4 Sấy khô thứ cấp đông trùng hạ thảo

Bước vào giai đoạn này, đông trùng hạ thảo sẽ được sấy bằng cách tăng nhiệt độ Điềunày mang đến tác dụng giúp lượng nước trong đông trùng hạ thảo được bốc hơi gần nhưhoàn toàn Thành phẩm thu được dù đã trải qua quá trình sấy khô nhưng vẫn giữ được giátrị dinh dưỡng cao không thua kém đông trùng hạ thảo khi ở dạng tươi

1.5.5 Đóng gói sản phẩm

Có thể thấy sấy thăng hoa đông trùng hạ thảo là phương pháp tốt nhất để bảo quảnđông trùng hạ thảo ở thời điểm hiện tại Điểm cộng lớn nhất của phương pháp này là cóthể giữ được 90% hàm lượng dinh dưỡng khi còn ở thể tươi Hơn nữa, khi áp dụng côngnghệ sấy thăng hoa sản phẩm cho ra là những quả thể to tròn, không bị biến dạng hoặcthay đổi quá nhiều so với hình dáng ban đầu

1.6 Tác dụng của đông trùng hạ thảo

Nấm đông trùng hạ thảo là một loại dược liệu quý hiếm được sử dụng từ lâu đời trongy học cổ truyền Theo y học cổ truyền, nấm đông trùng hạ thảo có vị ngọt, tính ôn, quyvào hai kinh phế và thận, có tác dụng bổ tinh tủy, chữa thần kinh suy nhược, ho kéo dài,lưng gối đau mỏi, liệt dương Ngoài ra nấm đông trùng hạ thảo con mang lại những lợiích sau:

- Giúp tập thể dục hiệu quả hơn - Có khả năng chống lão hóa

- Ức chế sự phát triển của khối u - Hỗ trợ điều trị bệnh tiểu đường - Có lợi cho tim mạch.

- Giảm viêm nhiễm - Tăng cường đề kháng, điều hòa hệ miễn dịch của cơ thể - Điều hòa lipid máu, làm giảm cholesterol, lipoprotein, phòng ngừa xơ vữa độngmạch

- Cải thiện hệ hô hấp giúp tập thể dục hiệu quả hơn

1.7 Các thông số đặc trưng cơ bản của vật ẩm1.7.1 Độ ẩm toàn phần

Độ ẩm toàn phần hay còn được gọi là độ ẩm tương đối là số phần trăm khối lượngnước chứa trong một kilogam vật liệu ẩm

G .100(%)

(1.1)

Trong đó: G là khối lượng toàn bộ vật ẩm (đông trùng hạ thảo), G = Ga + Gk.

Ga là khối lượng nước chứa trong vật ẩm Gk là khối lượng vật khô tuyệt đối

Đối với đông trùng hạ thảo thì có độ ẩm ban đầu là: 80÷95% [TL1] Chọn 85%

1.7.2 Độ ẩm tuyệt đối

Độ ẩm tuyệt đối là tỷ lệ giữa khối lượng nước chứa trong vật ẩm và khối lượng vật khôtuyệt đối

w0=GaGk.100(%)

trường không khí xung quanh

Ở trạng thái cân bằng ẩm giữa đông trùng hạ thảo và môi trường không khí xungquanh, độ ẩm của vật không đổi (đông trùng hạ thảo không hút ẩm, cũng không thải ẩm).Độ ẩm của vật ở trạng thái cân bằng với môi trường không khí bao quanh vật ẩm gọi làđộ ẩm cân bằng Wcb Như vậy nếu độ ẩm của đông trùng hạ thảo W > Wcb thì sẽ thải ẩmđể đạt trạng thái cân bằng và ngược lại nếu W < Wcb thì sẽ hút ẩm để đạt trạng thái cânbằng.

1.8 Tính chất nhiệt vật lý của đông trùng hạ thảo liên quan đến quá trình sấy1.8.1 Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm

Nhiệt dung riêng của vật ẩm phụ thuộc vào bản chất của vật và độ ẩm: C=3,84 kJ/kgK

(PL1, tr346, sách tính toán thiết kế hệ thống sấy)

1.8.2 Hệ số dẫn nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm nói chung phụ thuộc không những vào bản chất vậtkhô, độ ẩm của nó mà còn phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc, đường kính của vật liệu ẩm Hệsố dẫn nhiệt của đông trùng hạ thảo,  = 0,23 W/mK (PL1, tr346, sách tính toán thiết kếhệ thống sấy)

1.8.3 Hệ số dẫn nhiệt độ của vật liệu ẩm

Hệ số dẫn nhiệt độ là một trong những đại lượng quan trọng đặc trưng cho quán tínhnhiệt của vật thể Khi biết hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và khối lượng riêng của vậtliệu thì hệ số dẫn nhiệt độ được xác định theo công thức sau

Trong đó: a là hệ số dẫn nhiệt độ (Wm2/kJ)

λ là hệ số dẫn nhiệt (W/mK) C là nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm (kJ/kgK)

ρ là mật độ của vật liệu (kg/m3) (PL1, tr346, sách tính toán thiết kế hệ thốngsấy)

Hệ số dẫn nhiệt độ

a = λC.ρ

= 0.233.84.771 = 7,8 10

-5

(1.5)

1.8.4 Thành phần và tính chất của đông trùng hạ thảo

Thành phần của đông trùng hạ thảo rất đa dạng và dồi dào dưỡng chất Đông trùng hạthảo có chứa tới 17 loại axit amin gồm: axit glutamic, histidin, valin, alanin, arginine,prolin, oxyvalin, trong đó có loại axit amin đặc biệt axit cocdixepic 3-4-5tetraoxyhexahyd robenzoic có hàm lượng lên tới 7%.

Cordycepin: là một hoạt chất quý giá có trong đông trùng hạ thảo, chất này có tác dụngchống oxy hóa và ức chế viêm, cải thiện các triệu chứng và hỗ trợ cải thiện các bệnh liênquan đến tim mạch, ngoài ra còn chống viêm, giảm đau, tang cường chứng năng của cáctế bào miễn dịch và chống virus.Adenosine: là chất đóng vai trò quyết định tác dụng dượclý, chất này có thể hỗ trợ điều trị các triệu chứng mất ngủ, căng thẳng, rối loạn nhịp tim,suy thận mãn tính, đồng thời giúp bảo vệ chức năng của tim và thận

Selen có vai trò ngăn chạn rối loạn chuyển hóa, phòng chống một số bệnh mãn tính vàlàm chậm quá trình lão hóa Ngoài ra, nếu thiếu Selen, cơ thể sẽ dễ bị mắc các chứngbệnh về tim mạch, gan, bệnh đái tháo đường và cả bệnh ung thư

D-mannitol là chất này giúp làm giãn nở mạch máu và cơ tim, từ đó hạn chế tối đanguy cơ bị mắc bệnh nhồi máu cơ tim

Polysaccharide là hoạt chất có tác dụng như tấm khiên tăng cường hệ miễn dịch và cókhả năng hấp thụ rất cao Bên cạnh đó, Polysaccharide còn giúp hỗ trợ điều trị bệnh ungthư, phục hồi chức năng phổi, bảo vệ gan khỏi độc tố, giảm đường huyết và mỡ máu cũngnhư thúc đẩy quá trình tạo máu

Polyphenols được tìm thấy nhiều từ các loại thực vật trong tự nhiên, có đặc tính chốngoxy hóa, giúp các tế bào khỏi tổn thương do sự thoái hóa mô

Các vitamin và khoáng chất khác: - Vitamin E: Có vai trò duy trì sự sống và hoạt động của các tế bào thần kinh, cơ, tim,

gan và tinh hoàn.- Vitamin K: Tham gia vào quá trình kích hoạt protein xương, giúp canxi hoạt động tốt

hơn Ngoài ra, vitamin K cũng cần thiết để các chức năng máu hoạt động bìnhthường

- Vitamin B1, B2 và B12: Những loại vitamin này có tác dụng cải thiện hoạt động củahệ tiêu hóa, hệ thần kinh, quá trình chuyển hóa năng lượng và hình thành, phát triểntế bào

- Natri: Đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa khoáng chất

- Canxi: Đảm bảo sức khỏe của hệ xương, duy trì chức năng của dây thần kinh và cơbắp.

- Sắt: Điều hòa sự phát triển của tế bào và vận chuyển oxy

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của đông trùng hạ thảo

Nghiên cứu cơ chế của nước liên kết với nguyên liệu nói chung và trên một bề mặtnguyên liệu nói riêng có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật sấy Chế độ sấy tối ưu làchế độ cung cấp vừa đủ năng lượng cho nước trong nguyên liệu thắng các lực liên kết cơ,lý, hóa giữa nước và nguyên liệu ra bề mặt và bốc hơi vào môi trường

CHƯƠNG 2: TÍN H TOÁN NHIỆT THIẾT BỊ SẤY

Mục đích của chương này là giới thiệu về hệ thống sấy thăng hoa, các giai đoạn để sấythăng hoa Tính toán nhiệt trong hệ thống sấy thăng hoa, thơi gian sấy cũng như tốc độsấy Tính phụ tải lạnh cũng như lượng nhiệt tổn thất trong hệ thống sấy thăng hoa

2.1 Giới thiệu về hệ thống sấy thăng hoa

Nguyên tắc của sấy thăng hoa liên quan đến việc loại bỏ nước từ thực phẩm bằng cáchthăng hoa, do đó cung cấp sản phẩm chất lượng cao Quá trình sấy thăng hoa là quá trìnhtách nước ra khỏi thực phẩm nhờ sự chuyển pha trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng tháihơi ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất chân không Nhiệt độ và áp suất này phải nhỏhơn nhiệt độ và áp suất của trạng thái ba thể O (0.0098°C; 4,58mmHg)

2.1.1 Phân loại hệ thống sấy thăng hoa

Hệ thống sấy thăng hoa với thiết bị cấp đông riêng như hình 2.1 Máy sấy này có hệthống kệ để chứa các khay nguyên liệu, tuy nhiên các kệ này không có khả năng gia nhiệttại chỗ bên trong buồng sấy Nguyên liệu phải được cấp đông trước bên ngoài bằng tủđông hoặc phòng cấp đông, sau đó mới được đưa vào buồng sấy trong giai đoạn thănghoa

Hình 2.1 Hệ thống sấy thăng hoa với thiết bị cấp đông riêng.

Hệ thống sấy thăng hoa với thiết bị cấp đông chung như hình 2.2 Bộ phận cấp đôngsẽ đông lạnh nguyên liệu, cấp đông nhanh ở nhiệt độ thấp từ -30oC đến -50oC, khi thựcphẩm đông đá hoàn toàn và đạt nhiệt độ cấp đông yêu cầu sẽ được chuyển qua hút chânkhông.

Hình 2.2 Hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông

2.1.2 Đặc điểm của quá trình sấy thăng hoa

Trong ba giai đoạn của quá trình đông khô (làm lạnh đông, thăng hoa, làm bay hơi ẩmcòn lại,), có thể phân biệt sáu hiện tượng vật lý chính có tác động đáng kể đến quá trình,chất lượng của vật liệu thu được và tổng thể

Đông khô là một quá trình trao đổi khối lượng đòi hỏi phải vận chuyển nhiệt Nhiệtthăng hoa là 2885 kJ/kg Nếu cung cấp quá ít nhiệt, quá trình sẽ diễn ra chậm, điều này sẽlàm tăng chi phí Nếu thông lượng nhiệt được cung cấp quá cao, nó sẽ gây ra sự tích tụnhiệt trong vật liệu và làm tăng nhiệt độ của vật liệu, dẫn đến khả năng xuất hiện nướclỏng Do đó, nó là cực kỳ quan trọng để duy trì sự cân bằng giữa lượng nhiệt được cungcấp và sử dụng

Việc duy trì nhiệt độ thấp, ổn định (theo áp suất trong buồng) trong suốt thời gianthăng hoa chứng tỏ sự cân bằng giữa lượng nhiệt cung cấp và sử dụng cho quá trìnhthăng hoa được duy trì Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là quá trình này diễn ra ở tốc

độ thăng hoa tối đa có thể trong các điều kiện nhất định Giá trị của dòng nhiệt được cungcấp quá thấp có thể hạn chế tốc độ thăng hoa Mặt khác, nhiệt độ tăng có thể cho thấylượng nhiệt đầu vào quá cao Nó cũng có thể là kết quả của việc tiêu thụ nhiệt có thể dothăng hoa do tăng khả năng cản truyền nhiệt Vì vậy, để kiểm soát hoàn thiện hơn, nhữngthay đổi về hàm lượng nước cần cũng được theo dõi đồng thời.

Sấy thăng hoa gồm 3 giai đoạn.Giai đoạn 1: Là giai đoạn cấp đông sản phẩm (hay lạnh đông sản phẩm) để chuyểntoàn bộ ẩm trong thực phẩm từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn

Giai đoạn 2: Là giai đoạn thăng hoa, ẩm trong thực phẩm từ trạng thái rắn thăng hoaqua trạng thái hơi không qua trạng thái lỏng

Giai đoạn 3: Là giai đoạn sấy bốc hơi ẩm còn lại chưa thăng hoa hết hoặc không đóngbăng trong giai đoạn lạnh đông cho đến khi thực phẩm khô có độ ẩm đạt yêu cầu

2.1.2.1 Giai đoạn làm lạnh đông

Trong giai đoạn này, sản phẩm được làm lạnh đông từ nhiệt độ của sản phẩm (20÷25)

oC xuống đến nhiệt độ từ (-35 ÷ -30) oC, ở nhiệt độ này, nước trong thực phẩm đóng bănggần như hoàn toàn Mỗi loại thực phẩm sẽ có một nhiệt độ lạnh đông khác nhau, có loạithực phẩm khi ở nhiệt độ (-22 ÷ -20) oC thì nước bên trong đã kết tinh hoàn toàn Vì vậy,nhiệt độ lạnh đông có thể thay đổi tùy theo loại nguyên liệu lạnh đông, miễn là sau quátrình lạnh đông phải đảm bảo 100% nước trong nguyên liệu đã kết tinh hoàn toàn

Những lợi ích bổ sung do việc chuyển đổi nước thành đá trong vật liệu trước khi đôngkhô như sau:

- Cố định các thành phần trong dung dịch và ngăn chặn sự tạo bọt xảy ra trong quá trìnhgiảm áp suất trong buồng đông khô

- Hạn chế những thay đổi về mặt hóa học, sinh hóa, vi sinh diễn ra trong nguyên liệu - Tạo ra cấu trúc cụ thể của các tinh thể băng trong sản phẩm đông lạnh, trong bước tiếptheo sẽ tạo điều kiện hoặc hạn chế sự di chuyển của hơi nước từ vật liệu khô; cấu trúc củabăng hình thành trong quá trình đóng băng xác định cường độ chuyển động của khối vàdo đó định hình hình thái cuối cùng của vật liệu khô

- Làm cứng cấu trúc, chống lại sự co lại của các tế bào mô thực vật hoặc động vật do loạibỏ nước khỏi chúng, điều này có thể xảy ra do sự dẻo hóa vật liệu bởi nước lỏng

2.1.2.2 Giai đoạn thăng hoa

Sau khi sản phẩm đạt tới nhiệt độ lạnh đông thích hợp, ngừng quá trình làm lạnh sảnphẩm và kết thúc giai đoạn lạnh đông, lúc này bơm hút chân không bắt đầu làm việc, ápsuất buồng sấy hạ rất nhanh tạo môi trường sấy là môi trường chân không, áp suất biếnthiên hầu như không đổi (Pm = 0.001 ÷ 1) mmHg Do sự chênh lệch áp suất riêng phầnhơi nước ở sản phẩm Pn và áp suất hơi nước trong môi trường sấy Pnm quá lớn, đồng thờidòng nhiệt bức xạ từ các tấm kim loại thoát ra để đốt nóng làm cho sự chênh lệch nhiệtđộ giữa môi trường sấy và sản phẩm sấy khá lớn Kết quả giai đoạn này, nước trong sảnphẩm lạnh đông bắt đầu thăng hoa mãnh liệt, độ ảm giảm rất nhanh và gần như tuyếntính Thực tế thì nhiệt độ sản phẩm sấy có tăng nhưng tốc độ rất chậm, ở thời gian cuốicủa giai đoạn này, nhiệt độ sản phẩm sấy tăng dần đến nhiệt độ kết tinh của ẩm trong sảnphẩm (Tkt = 0.0098oC), tại đây kết thúc giai đoạn thăng hoa

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

Cuối quá trình thăng hoa, nhiệt độ thực phẩm sấy đạt tới Tkt, áp suất môi trường sấychân không vẫn không thay đổi dao động trong khoảng từ (0,001 ÷ 1) mmHg, nhưng ápsuất riêng phần của ẩm còn lại trong thực phẩm lớn hơn 4,58mmHg (áp suất của điểm 3thể), vì vậy trạng thái của ẩm trong thực phẩm về trạng thái lỏng

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

Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại trong thực phẩm sấy kết thúc khi nhiệt độ giữa các tấmgia nhiệt bức xạ, môi trường không gian sấy và thực phẩm sấy bằng nhau Tại điểm nàysẽ xảy ra sự cân bằng nhiệt và cân bằng ẩm, lượng ẩm trong thực phẩm sấy không thể bốchơi được nữa và gần cuối giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại này hầu như lượng ẩm còn lạitrong thực phẩm không đổi, đường độ ẩm thực phẩm sấy gần như nằm ngang

Quá trình dịch chuyển ẩm trong sấy thăng hoa khác với hệ thống dịch chuyển ẩm trongcác hệ thống sấy khác làm việc ở áp suất khí quyển (P = 760 mmHg = 1at) Khi thăng

hoa, các phân tử nước không va chạm nhau bởi vì môi trường chân không tồn tại trườnglực đàn hồi của không khí, các phân tử nước liên kết với nhau bởi lực đẩy ra xa nênkhông thể va chạm điều này được chứng minh trong thuyết chuyển động các hạt vật chấttrong môi trường chân không của Plank R Nhờ đó mà sấy thăng hoa có một ưu điểm rấtlớn là bảo toàn được chất lượng sinh học của sản phẩm sấy Ngoài ra trong môi trườngchân không các sản phẩm sấy không bị oxy hóa.

2.1.3 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa2.1.3.1 Buồng thăng hoa

Yêu cầu kỹ thuật chung của buồng thăng hoa gồm: - Buồng thăng hoa phải kín tuyệt đối khi hút chân không - Không gian đặt sản phẩm sấy phải có mật độ sản phẩm là lớn nhất và cường độ bay

hơi là lớn nhất - Khả năng truyền nhiệt trong quá trình sấy thăng hoa và sấy nhiệt trong môi trường

chân không là lớn nhất - Sử dụng phương pháp truyền nhiệt phải đạt hiệu quả nhất để rút ngắn thời gian sấy

thăng hoa và sấy nhiệt.Như đã biết, hệ thống sấy thăng hoa có ba loại là sấy thăng hoa lạnh đông riêng, sấythăng hoa tự lạnh đông và sấy thăng hoa liên tục Tùy vào mỗi loại hệ thống sấy thănghoa mà buồng thăng hoa có cấu tạo khác nhau Dưới dây là cấu tạo của hệ thống sấythăng hoa tự lạnh đông

Hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông là hệ thống sấy thăng hoa phức tạp nhất trong 3loại hệ thống kể trên vì buồng thăng hoa cũng là buồng lạnh đông như hình 2.3 Phíadưới các tấm gia nhiệt đặt song song nhau trong không gian sấy phải bố trí các đườngống trao đổi nhiệt của dàn lạnh, đồng thời phải gắn các đường ống gia nhiệt để gia nhiệttrong quá trình sấy

Hình 2.3 Cấu tạo bình thăng hoa

2.2 Tính toán nhiệt thiết bị sấy thăng hoa2.2.1 Tính toán cân bằng vật chất

G1(100 - W1) = G2(100 - W2)

Trong đó: G1 (kg/mẻ): Khối lượng nguyên liệu / mẻ

G2=10(kg/mẻ): Khối lượng sản phẩm sau sấy / mẻ

W1 = 85 (%): Độ ẩm ban đầu của nguyên liệu [TL]

2.2.2.1 Tốc độ thăng hoa của băng.

G = piw- paRd+ Rs+ RI [TL3]

(2.3)Trong đó:

Áp suất bão hòa tương ứng với bề mặt thăng hoa Piw= 260 (Pa).Tra theo

nhiệt độ thăng hoaÁp suất bão hòa tương ứng với bề mặt Pa (Pa).Điện trở bên trong lớp khô Rd (Pa.m2 s/kg).Lực cản chuyển động khối lượng từ bề mặt khô sang bề mặt tái thănghoa RS(Pa.m2 s/kg)

Khả năng chống thăng hoa của băng RI (Pa.m2 s/kg) Với

RI=√Ti

Kl [TL3]

(2.4)Nhiệt độ bề mặt thăng hoa Ti(K)

Kl=0,018 là trọng lượng phân tử của chất thăng hoa (nước) [TL3]

RI=√Ti

2630.018=901(Pa m

2

Giả sử băng nguyên chất thăng hoa (không có điện trở lớp khô), Nhiệt độ thiết bị bayhơi Ta thấp tương ứng với áp suất bão hòa pa thấp hơn nhiều so với piw (pa << piw) bề mặtthăng hoa cũng là bề mặt của băng nên Rd = 0 Cũng có thể giả định rằng lực cản của quátrình vận chuyển khối lượng đối lưu từ bề mặt bay hơi đến bề mặt tái thăng hoa là khôngđáng kể

Vậy tốc độ thăng hoa của băng là

G = piw- paRd+ Rs+ RI =

260 901 = 0.29 (kg/ m

ρ = 771(kg/m3) là khối lượng riêng trung bình của nấm chứa trong buồng lạnhđông [TL9]

2.2.2.2 Thể tích và kích thước buồng sấy

Số khay chứa đông trùng hạ thảo để lạnh đông và sấy thăng hoa được lựa chọn banđầu như sau

Diện tích đông trùng hạ thảo chứa trong 1 khay

t = WA G n

¿ 64.475,64.0,289.3600=20,36 (giờ )

Chọn chiều dài thân hình trụ là L1 =1,5 (m)Hai nắp buồng sấy hình trụ là hai chỏm cầu có chiều cao là hc=0,2 (m).Vậy chiều dài của hình trụ của buồng sấy thăng hoa là

¿2.0,2+1,5=1,9 (m)

Với mỗi tấm truyền nhiệt chứa 5 khay đựng sản phẩm nên số tấm truyền nhiệt trongbuồng sấy thăng hoa

Nttn=475

= 9,4 (tấm)Chọn số tầm truyền nhiệt Nttn=10 (tấm)

Khoảng cách giữa 2 tấm truyền nhiệt chọn h = 0,03 (m).Tổng chiều cao để bố trí 5 tấm truyền nhiệt là

=9,4.0,03 = 0,395 (m)Vậy chiều rộng của tấm truyền nhiệt đuợc chọn sao cho có giá trị của nó lớn hơn chiềurộng cua khay để đảm bảo khay có thể lọt vào Chọn a=0, 75 (m) Mặt cặt của buồngthăng hoa được thể hiện trên hình 2.5

Đường kính trong của buồng lạnh đông hay buồng sấy thăng hoa là

= 0,75.√2 = 1,06 (m)Chọn bề dày của thành buồng sấy thăng hoa là σtr=0,01(m) nên đường kính ngoài đượcxác định

D2 = D1+2 σ tr [TL2] (2.16)

= 1,06 + 2.0,01 = 1,08 (m)

Hình 2.5 Mặt cắt của buồng thăng hoa

Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt lạnh đông, cũng như cấp nhiệt sấy thăng hoa là

= 2.1,5.0,75.10 = 22,5 (m2)

2.3 Tính toán phụ tải lạnh (hay năng suất) cho quá trình lạnh đông sản phẩm

Khi tính toán thiết kế lắp đặt hệ thống máy lạnh cho buồng lạnh đông sản phẩm phảiđảm bảo công suất của hệ thống lạnh sao cho tải hết một lượng nhiệt Q (kW) tỏa ra từ sảnphẩm trong quá trình lạnh đông thải ra ngoài môi trường

Q = (Qsp+Qk+Qkk

Trong đó:

Q sp (kJ) là chi phí lạnh của quá trình cấp đông

Q k (kJ) là nhiệt lượng từ khay

Q k k(kJ) là nhiệt lượng làm lạnh không khí

Q mt(kw) là nhiệt lượng từ môi trường qua vách buồng sấy thăng hoa

Q qn (kw) là nhiệt lượng môi trường đường ống làm quá nhiệt hơi về máy nén

τ (s) là thời gian làm đông một mẻ

β là hệ số tải an toàn

2.4 Chi phí lạnh của quá trình làm đông sản phẩm

Lượng nhiệt cần tải đi trong suốt quá trình làm đông được tính theo công thức sau

Qsp=Q1+ Q2+ Q3+Q4+ Q5 (kJ) [TL2] (2.19)

Trong đó

Q1 (kJ) là lượng nhiệt để làm giảm nhiệt độ sản phẩm từ nhiệt độ ban đầu đếnnhiệt độ đóng băng của nước ở trong sản phẩm

Q2 (kJ) là lượng nhiệt để làm toàn bộ nước trong sản phẩm đóng băng

Q3 (kJ) là lượng nhiệt để làm giảm nhiệt độ của băng đến nhiệt độ cuối cùng củaquá trình lạnh đông

Q4 (kJ) là lượng nhiệt để làm giảm nhiệt độ của thành nước không đóng băngtrong sản phẩm

Q5 (kJ) là lượng nhiệt để làm giảm nhiệt độ của thành phần chất khô.Nhiệt độ ban đầu của nấm đông trùng hạ thảo t1=25 (°C ) Nhiệt độ của nấm đông trùnghạ thảo cuối quá trình lạnh đông để nước kết tinh hoàn toàn t2 = -20 (°C ) Nhiệt độ kếttinh của nước trong đông trùng hạ thảo tkt = 0( °C )

2.4.1 Lượng nhiệt để làm giảm nhiệt độ sản phẩm từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ

Lượng nhiệt Q1 được tính theo công thức sau

Q1= C1.G.( t1 – tkt) (kJ) [Tr239 TL2] (2.20)Trong đó:

C1 là nhiệt dung riêng của sản phẩm trước khi nước đóng băng (kJ/ (kg K))

C1= Cn Wa Cck.(1- Wa) (J/kgK) [TL2] (2.21)

Cn là nhiệt dung riêng của nước trong đông trùng hạ thảo được xác định theo côngthức

Cn = 4167,2 - 9086,4.10-5.T+5473,1.10-6 T2[TL2] (2.22) =4167,2−9086,4.10−5.(20+273 )+5473,1.10−6.(20+273)2

= 4610,5 (J/kg K)Trong đó

T = 20 (⁰C) là nhiệt độ ban đầu của nước trong đông trùng hạ thảo

Cck là nhiệt dung riêng chất khô của đông trùng hạ thảo

Cck = 827,8 (J/kgK) [TL2]

Wa là lượng nước trung bình trong đông trùng hạ thảo

Wa = 0,85 [TL2] G là khối lượng sản phẩm đầu vào

G = Gsp= 64 (kg)

Từ đó ta tính được C1

C1= 4610,42 0,85 + 827,8 (1-0,85) = 4043,5(J/kgK)Như vậy ta tính được Q1theo công thức (2.20)

Q1 = 4043,04.64.(25-0)

= 6468878,7 (J) = 6468,8(kJ)

Lượng nhiệt Q2 được tính theo công thức Q2=L.G Wa.ω (kJ) [TL2] (2.23)Trong đó

L (kJ/kg) là nhiệt ẩn đông đặc của nước trong đông trùng hạ thảo

L = 333601,5 + 1054.10-3 T - 21.10-6 202 [TL2] (2.24) = 333601,5 + 1054.10-3 20 - 21.10-6 202 = 333622,5 (J/kg)

Với T = 20 (⁰C) là nhiệt độ ban đầu của nước trong đông trùng hạ thảo

G = Gsp= 64 (kg) là khối lượng sản phẩm cấp đông Wa = 0,85 tỉ lệ lượng nước trung bình trong 1(kg) đông trùng hạ thảo

 = 1,0 là tỉ trọng lượng nước đóng băng trong đông trùng hạ thảo Như vậy ta tính được

Q2=333622.64 0,85 1=18149067 (J) = 18149 (kJ)

2.4.3 Lượng nhiệt để làm giảm nhiệt độ của băng đến nhiệt độ cuối cùng của quá

t2= -20 (℃) là nhiệt độ trung bình của đông trùng hạ thảo cuối quá trình lạnh

Như vậy ta tính được Q3 Q3=2062,3.6 0,85 1[0−(−20 )]

G = Gsp= 64 (kg): Khối lượng sản phẩm cấp đông Wa = 0,85 tỉ lệ phần trăm lượng nước trung bình trong 1kg đông trùng hạ thảo tkt= 0 (℃) là nhiệt độ trung bình của nước trong đông trùng hạ thảo đóng băng

nhóm giả sử vật liệu đóng băng hoàn toàn nên  = 1 cho nên Q4= 0

Lượng nhiệt Q5 được tính theo công thức sau:

Q5= Cck.G(1- Wa).( tkt- t2) (kJ) [TL2] (2.28)Trong đó

Cck= 827,85 J/ (kg K) là nhiệt dung riêng của phần chất khô trong đông trùng hạthảo

Các thông số bao gồm Wa,G,tkt và t2giống như ở phần tính lượng nhiệt Q3.Như vậy ta tính được Q5 theo công thức (2.28)

Q5= 827,85.64 (1-0,85).[0- (-20)]

= 158927,5 (J) = 158,9 (kJ)Vậy chi phí lạnh của quá trình cấp đông sản phẩm được tính theo công thức (2.19) là

Qsp= Q1+ Q2+Q3+ Q4+ Q5 = 6468,87 + 18149 + 2243,78 + 0 + 158,9 = 27020,6 (kJ)

2.5 Tính lượng nhiệt từ khay chứa sản phẩm

Vì sản phẩm đông trùng hạ thảo cần có yêu cầu đảm bảo về an toàn vệ sinh thực phẩmcho nên vật liệu khay được chọn là thép vi sinh không rỉ SS316

Khối lượng mỗi khay

mk=0,144 (kg) [TL2]Tổng khối lượng khay chứa sản phẩm

Gk = n mk (2.29) = 47 0.144

= 6,768 (kg)Trong đó n là số khay

Xem nhiệt độ của khay khi đưa vào tủ đông bằng nhiệt độ phòng chế biến tkl=25℃

Nhiệt độ khay cuối quá trình làm đông bằng nhiệt độ không khí trong buồng lạnh đông

2.6 Lượng nhiệt để làm lạnh không khí trong buồng sấy thăng hoa

Lượng nhiệt để làm lạnh không khí trong buồng sấy thăng hoa hay buồng lạnh đôngđược tính theo công thức sau

Qk k= Gkk.( h1- h2) (kJ) [TL2] (2.31)Trong đó

Gkk(kg) là lượng không khí khô ứng với lượng không khí trong thể tích buồng lạnhđông hay buồng sấy thăng hoa

h1(kJ/kg) là entalpy của không khí lúc bắt đầu quá trình làm lạnh đông sản phẩm

h2(kJ/kg) là entalpy của không khí lúc kết thúc quá trình làm lạnh đông sản phẩm

2.6.1 Entalpy của không khí trước khi làm lạnh đông đông trùng hạ thảo

Entalpy của không khí ở trong buồng sấy thăng hoa trước quá trình lạnh đông là h1

được tính theo công thức sau

h1=1,006 t1+(2501+1,86 t1).ω1 (kJ/kg) [TL2] (2.32) Không khí vào tủ đông trước quá trình lạnh đông là không khí từ phòng chế biến có t1,

φ1lần lượt là t1=25 (℃)và φ1= ( 85%)

Tra trạng thái có giá trị nhiệt độ t1 và 1 trên đồ thị h-d, khi không khí ẩm được đưa đến nhiệt độ cuối quá trình lạnh đông sản phẩm t2 = -20 (oC) thì độ ẩm không khí đạt tới trạng thái bão hòa (φ=100%) Từ đó ta tính được h1.

h1=1,006.25+(2501+1,86.25) 0,017 = 68,45 (kJ/kg)

Entalpy của không khí cuối quá trình lạnh đông sản phẩm h2=1,006 t2+(2501+1,86 t2) ω2 [TL2] (2.33) = 1,006 (-20) + (2501 + 1,86 (-20)).0,00063 = -18,5 (kJ/kg)

Trong đó, ω2là dung ẩm cuối của quá trình lạnh đông Ở trạng thái t=-20 (℃)và độ ẩm100 (%) tra đồ thị, khi không khí ẩm được đưa đến nhiệt độ cuối quá trình lạnh đông sảnphẩm t2=-20 (℃)thì độ ẩm không khí đạt tới trạng thái bão hòa (φ=100%)

2.6.2 Khối lượng không khí khô trong buồng sấy thăng hoa

¿286,6(J /kg K )

(2.35)

Tkk là nhiệt độ tuyệt đối của không khí khô

Tkk=25+273=298 (K)

Vkk là thể tích không khí khô trong buồng sấy thăng hoa

Pn là áp suất riêng phần của hơi nước Tra bảng h-d ứng với t1=25 (℃) vàφ=85 (% ) ta có Pn=2610 (N/m2) Theo kinh nghiệm trong quá trình thiết kế thì thểtích không khí trong buồng được xác định theo công thức

¿2 π 0 22 (0,530−0,2

3 )+π 0,5302.1,9

= 1,79 (m3)Sau khi xác định được giá trị của VT, khi đó thể tích không khí trong buồng sấy thăng hoa

Vkk=23 1,79

= 1,19 (m3)Như vậy ta sẽ tính được khối lượng không khí khô ở trong buồng sấy thăng hoa

Gkk=(9,81 104-2,61 103)286,68.298 1,196= 1,34 (kg)

Từ các thông số ở trên ta tính được lượng nhiệt để làm lạnh không khí trong buồng sấythăng hoa hay buồng lạnh đông là

Qk k= Gkk.( h1- h2)

¿1,34.[68.48−(−18.5)]

¿116,36(kJ)

2.7 Lượng nhiệt tổn thất qua vách và cửa buồng sấy thăng hoa

Buồng lạnh đông có hình dạng là hình trụ, có hai nắp là hình chỏm cầu tiếp xúc vớikhông khí trong buồng sấy, có nhiệt độ là tkk = 25 (0C), nhiệt độ bên trong buồng sấy khilạnh đông phải duy trì tf2 = -20 (0C) Lượng nhiệt đi vào từ môi trường bên ngoài vào bêntrong buồng sấy thăng hoa được tính theo công thức sau

Trong đó

KV (W/ (m2.K)) là hệ số truyền nhiệt qua vách buồng sấy thăng hoa

FV (m2) là diện tích của vách buồng sấy thăng hoa.t (oC) là độ chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường trước và sau khi lạnh đông

Diện tích của vách buồng lạnh đông hay buồng sấy thăng hoa xác định như sau

Bán kính của chỏm cầu thể hiện ở hình 2.6 được xác định bằng công thức

Rc=R12+ hc22 hc [Tr 246 TL2]

(2.39)

¿(D1

2 )2+ hc22 hc =

2.0,2 =0,8 (m)

Sinα=R1Rc=0,94 Vậy α=70,33(ᵒ C)

Diện tích của vách buồng lạnh đông hay buồng sấy

Hình 2.7 Hai nắp chỏm cầu của bồn sấy thăng hoa

2.7.2 Độ chênh nhiệt độ trước và sau khi lạnh đông

Nhiệt độ không khí trong buồng sấy thăng hoa tf2=-20 (℃), nhiệt độ của không khí

trước khi lạnh đông là tkk=25 (℃) Như vậy, ta xác định được.

t = 25 – (-20) = 45 (0C)

Vỏ buồng sấy thăng hoa hay lạnh đông được cấu tạo bởi ba lớp bao gồm inox,polyurethan, inox như trên hình 2.7

Độ dày lớp inox trong cùng là σ1= 0,001 (m) [Tr246 TL2]Độ dày lớp polymethan là σpoly=0,1 (m) [TL2]Độ dày lớp inox ngoài cùng là σinox= 0,0015 (m) [TL2]Hệ số dẫn nhiệt của inox là inox = 21,5 W/ (m.K) [TL5]Hệ số dẫn nhiệt của polymethan là poly = 0,025 (W/ (m.K) [TL2]