Nghiên cứu một số thông số làm cơ sở thiết kế thiết bị làm khô màng hạt gấc bằng phương pháp sấy thăng hoa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ðỖ MINH CHIẾN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ LÀM CƠ SỞ THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÀM KHÔ MÀNG HẠT GẤC BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY THĂNG HOA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành ñào tạo: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá nông nghiệp và nông thôn Mã số: 62 52 14 01 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. TRẦN NHƯ KHUYÊN 2. PGS.TS. NÔNG VĂN VÌN HÀ NỘI – 2012 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan: Luận án “Nghiên cứu một số thông số làm cơ sở thiết kế thiết bị làm khô màng hạt gấc bằng phương pháp sấy thăng hoa” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực, khách quan và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam ñoan rằng mọi sự giúp ñỡ trong quá trình thực hiện luận án này ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2012 Tác giả luận án ðỗ Minh Chiến Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… ii LỜI CẢM ƠN ðể hoàn thành luận án, tác giả ñã nhận ñược rất nhiều sự giúp ñỡ nhiệt tình và tạo ñiều kiện của các cá nhân và tập thể, ñể ñáp lại sự giúp ñỡ ñó sau ñây là lời cảm ơn chân thành của tác giả: Với sự kính trọng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Như Khuyên và PGS.TS Nông Văn Vìn – Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã tận tình hướng dẫn, giúp ñỡ tôi trong nhiều năm tháng học tập cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể bộ môn Thiết bị bảo quản và chế biến nông sản, Ban lãnh ñạo khoa Cơ ñiện, Viện ðào tạo Sau ñại học và Ban Giám hiệu Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã luôn quan tâm giúp ñỡ cũng như ñóng góp các ý kiến ñể tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, các thầy giáo khoa Cơ khí và các phòng ban trong Trường Cao ñẳng Công nghiệp và Xây dựng ñã quan tâm và tạo ñiều kiện thuận lợi ñể tôi hoàn thành ñề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm Kiểm nghiệm vệ sinh an toàn thực phẩm, thuộc Viện Dinh Dưỡng (48B Tăng Bạt Hổ, Hai Bà Trưng, Hà Nội) ñã giúp tôi trong việc làm thực nghiệm và ñánh giá kết quả nghiên cứu của ñề tài. Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, bạn bè, ñồng nghiệp, gia ñình ñã luôn quan tâm, ñộng viên giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập và hoàn thành bản luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Tác giả luận án ðỗ Minh Chiến Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iii MỤC LỤC Lời cam ñoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt vii Danh mục các ký hiệu toán học viii Danh mục bảng xii Danh mục hình xiii MỞ ðẦU 1 1 Tính cấp thiết của ñề tài 1 2 Mục tiêu nghiên cứu 2 3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2 4 ðối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 4.1 ðối tượng nghiên cứu 2 4.2 Phạm vi nghiên cứu 3 5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài 3 6 Những ñóng góp mới 3 7 Cấu trúc nội dung luận án 4 Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 5 1.1 ðặc ñiểm, thành phần hóa học và công dụng của gấc 5 1.1.1 ðặc ñiểm của gấc 5 1.1.2 Thành phần hóa học của gấc 6 1.1.3 Công dụng của gấc 8 1.1.4 Các sản phẩm từ gấc 10 1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sản phẩm gấc 13 1.2.1 Tình hình sản xuất 13 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iv 1.2.2 Tình hình tiêu thụ sản phẩm gấc 14 1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy gấc 14 1.3.1 Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy gấc trên thế giới 14 1.3.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy gấc ở Việt Nam 18 1.4 Phương pháp và thiết bị sấy thăng hoa 24 1.4.1 Bản chất của quá trình sấy thăng hoa 24 1.4.2 Các giai ñoạn của quá trình sấy thăng hoa 26 1.4.3 Các thiết bị sấy thăng hoa 34 1.4.4 So sánh phương pháp sấy thăng hoa với các phương pháp sấy khác 39 Kết luận chương 1 42 Chương 2 NGUYÊN VẬT LIỆU, ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 44 2.1 Nguyên vật liệu nghiên cứu 44 2.2 ðối tượng nghiên cứu 44 2.3 Phương pháp nghiên cứu 46 2.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 46 2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 51 2.3.3 Phương pháp xác ñịnh một số thông số của quá trình sấy 58 2.3.4 Phương pháp xử lý số liệu nghiên cứu 64 Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT TRONG THIẾT BỊ SẤY THĂNG HOA 65 3.1 Mô hình hóa quá trình trao ñổi nhiệt ẩm trong buồng sấy thăng hoa 65 3.1.1 Mô hình kết cấu của buồng sấy thăng hoa 65 3.1.2 Quá trình trao ñổi nhiệt ẩm trong buồng sấy thăng hoa 66 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… v 3.2 Mô phỏng quá trình trao ñổi nhiệt ẩm trong buồng sấy thăng hoa 69 3.2.1 Hệ phương trình trạng thái quá trình nhiệt ẩm trong buồng sấy 70 3.2.2 Xác ñịnh ñiều kiện ñầu và ñiều kiện biên của hệ phương trình vi phân 72 3.2.3 Xác ñịnh một số tham số của hệ phương trình vi phân 75 3.3 Khảo sát quá trình nhiệt ẩm trong buồng sấy và lựa chọn các thông số của thiết bị sấy 79 3.3.1 Thuật giải hệ phương trình vi phân 79 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số ñến quá trình sấy 82 3.3.3 Lựa chọn các thông số cơ bản của thiết bị và chế ñộ sấy 84 Kết luận chương 3 84 Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 85 4.1 Kết quả khảo sát chế ñộ sấy màng ñỏ hạt gấc trong thực tiễn sản xuất 85 4.2 ðề xuất cải tiến qui trình công nghệ sấy màng ñỏ hạt gấc bằng phương pháp sấy thăng hoa 86 4.3 Thí nghiệm xác ñịnh ñộ giảm ẩm của vật liệu trong quá trình sấy thăng hoa 87 4.3.1 Giai ñoạn sấy thăng hoa 89 4.3.2 Giai ñoạn sấy ẩm liên kết 90 4.4 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ñơn yếu tố 90 4.4.1 Ảnh hưởng nhiệt ñộ lạnh ñông T vl ( o C) 90 4.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ nguồn bức xạ T bx ( o C) 92 4.4.3 Ảnh hưởng của chiều dày lớp vật liệu S (mm) 93 4.5 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ña yếu tố 94 4.6 Kết quả nghiên cứu tối ưu tổng quát 103 4.7 Kết quả thí nghiệm ứng với giá trị tối ưu của các yếu tố vào 104 4.8 Hoàn thiện quy trình công nghệ sấy màng ñỏ hạt gấc 105 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vi 4.8.1 Sơ ñồ quy trình công nghệ sấy màng ñỏ hạt gấc 105 4.8.2 Thuyết minh qui trình công nghệ 105 4.9 Ứng dụng các kết quả nghiên cứu ñể hoàn thiện thiết kế hệ thống sấy màng ñỏ hạt gấc STH-50 106 4.9.1 Hoàn thiện thiết kế hệ thống sấy thăng hoa STH-50 106 4.9.2 Xác ñịnh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của thiết bị sấy STH-50A 107 4.9.3 ðánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của thiết bị sấy STH-50A 110 Kết luận chương 4 110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112 KẾT LUẬN 112 KIẾN NGHỊ 113 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ðà CÔNG BỐ 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 PHỤ LỤC 125 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải CO 2 CNSTH Cacbon ñioxit Công nghệ sau thu hoạch FAO Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên hiệp quốc GMP WHO Thực hành tốt sản xuất thuốc HPLC Sắc ký lỏng cao áp H 2 S Khí hidro sunfua LCD LC – 20AD Màn hình tinh thể lỏng Nhãn hiệu máy ño sắc khí lỏng hiệu năng cao Lyfaten Thực phẩm chức năng ñược sản xuất từ gấc và cà chua NH 3 Khí amoniắc NNVN Nông nghiệp Việt Nam N 2 Nitơ NO Niơ monoxit NO 2 Nitơ ñioxit O 2 Khí ôxy RS232 Cổng giao tiếp nối tiếp SO 2 Lưu huỳnh ñiôxit SPK Sản phẩm khô STH-50 Thiết bị sấy thăng hoa năng suất 50kg màng ñỏ hạt gấc/mẻ Torr ðơn vị ño áp suất có giá trị bằng 1mmHg USD ðồng ñô la Mỹ VCK Vật chất khô VTYT Vật tư y tế Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu ðơn vị Giải thích C pg kJ/kg. o K Nhiệt dung riêng của khí trơ trong lớp khô C pk kJ/kg. o K Nhiệt dung riêng của vật liệu lớp khô C t mg/100g Hàm lượng Carotenoid C 1 - Hằng số phụ thuộc vào ñộ xốp của lớp khô và tỷ số giữa ñộ khuếch tán của hơi nước v à khí trơ trong l ớp khô so với ñộ khuếch tán của chúng ở ñiều kiện tự do C 2 m 2 Hằng số phụ thuộc vào ñộ xốp của lớp khô v à liên quan ñến ñộ thấm D’Arcy C 3 m Hằng số phụ thuộc vào ñộ xốp của lớp khô v à liên quan ñến ñộ thấm Knudsen D w,ino kg.m/s 3 ðộ khuếch tán lẫn nhau của hỗn hợp hơi nư ớc và khí trơ ở thời ñiểm ban ñầu G w kg/kg mol Khối lượng phân tử của hơi nước G in kg/kg mol Khối lượng phân tử của khí trơ G k kg Khối lượng sản phẩm khô thu ñược sau khi sấy k d h -1 Hệ số thoát ẩm của giai ñoạn sấy ẩm liên kết k s h -1 Hệ số thoát ẩm của giai ñoạn sấy thăng hoa k 1 m 2 /s Hằng số khuếch tán của hơi nước k 3 m 2 /s Hằng số khuếch tán của khí trơ Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… ix Ký hiệu ðơn vị Giải thích k 2 , k 4 m 4 /N.s Hằng số khuếch tán hỗ hợp của hơi nước và khí trơ K in m 2 /s ðộ khuếch tán Knudsen của khí trơ K mx m 2 /s ðộ khuếch tán Knudsen trung bình của hỗn hợp khí K w m 2 /s ðộ khuếch tán Knudsen của hơi nước L m Chiều dày lớp vật liệu sấy M v kg ẩm/kg VCK ðộ ẩm vật liệu sấy M vo kg ẩm/kg VCK ðộ ẩm ban ñầu của vật liệu sấy M ve kg ẩm/kg VCK ðộ ẩm cân bằng tương ứng M vlk kg ẩm/kg VCK ðộ ẩm vật liệu ở giai ñoạn sấy ẩm liên kết N o - Số thí nghiệm ở mức cơ sở N in kg/s Lưu lượng dòng khí trơ thoát ra từ vật liệu sấy N r kWh/kg SPK Chi phí năng lượng riêng N t kg/s Lưu lượng dòng chất tương ứng trong vật liệu sấy N w kg/s Lưu lượng dòng hơi nước thoát ra từ vật liệu sấy N α - Số thí nghiệm ở mức phụ p in N/m 2 Áp suất riêng phần của khí trơ p w N/m 2 Áp suất riêng phần của hơi nước trong không gian buồng sấy q b J/kg Nhiệt lượng nguồn bức xạ truyền qua thành khay sấy [...]... c hi n ñ tài Nghiên c u m t s thông s làm cơ s thi t k thi t b làm khô màng h t g c b ng phương pháp s y thăng hoa 2 M c tiêu nghiên c u Nghiên c u xác ñ nh m t s thông s t i ưu làm cơ s hoàn thi n qui trình công ngh và thi t k , ch t o thi t b làm khô màng h t g c b ng phương pháp s y thăng hoa nh m nâng cao năng su t và ch t lư ng s n ph m, gi m chi phí cho quá trình s y 3 Nhi m v nghiên c u - Xác... ki n b o qu n, phương pháp phân tích Nh m ñánh giá s nh hư ng c a các phương pháp s y khô khác nhau ñ n hàm lư ng carotenoid trong màng h t g c tác gi (Kha, T.C., 2009) [70] ñã có nh ng th c nghi m so sánh ch t lư ng s n ph m sau khi s d ng các phương pháp s y b ng không khí nóng, s y phun, s y chân không, s y thăng hoa màng ñ h t g c K t qu cho th y phương pháp s y thăng hoa là phương pháp t t nh t,... 1.7) S y chân không: thi t b bao g m m t bu ng chân không, m t ngu n cung c p nhi t, m t bơm chân không ñ duy trì áp su t chân không trong bu ng s y và m t b ph n thu hơi nư c b c hơi t v t li u (hình 1.8) So v i phương pháp s y thăng hoa thì trong s y chân không v t li u s y không ph i ñông l nh và ñ chân không trong bu ng s y là không cao S y chân không ñư c th c hi n trong môi trư ng không có ôxy,... s y màng ñ h t g c b ng phương pháp s y thăng hoa 105 4.20 S n ph m màng h t g c s y băng phương pháp thăng hoa 109 Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n án ti n sĩ khoa h c k thu t ………………………… xv M 1 ð U Tính c p thi t c a ñ tài G c có tên khoa h c Momordica cochinchinensis tr ng vùng ðông Nam châu Á t mi n Nam Trung Qu c ñ n ðông B c Australia g c ñư c tr ng r i rác Vi t Nam h u h t các ñ a phương. .. m vi nghiên c u 4.1 ð i tư ng nghiên c u ð i tư ng nghiên c u c a ñ tài là các thông s công ngh c a thi t b s y màng ñ h t g c: nhi t ñ l nh ñông v t li u s y, nhi t ñ t m gia nhi t b c x , chi u dày l p v t li u s y, Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n án ti n sĩ khoa h c k thu t ………………………… 2 4.2 Ph m vi nghiên c u Nghiên c u mô hình thi t b s y màng ñ h t g c b ng phương pháp s y thăng hoa năng... th c ph m d b bi n ñ i c a quá trình ôxy hóa Như v y, s y chân không phù h p ñ s y các lo i s n ph m nh y c m v i nhi t và quá trình ôxy hóa mà phương pháp s y không khí nóng không ñáp ng ñư c Hình 1.8 Thi t b s y chân không Gallenkamp S y thăng hoa: Khác v i các phương pháp trên, s y thăng hoa ñư c th c hi n ñi u ki n dư i áp l c chân không cao (dư i 4,58 torr ho c 0,61kPa) Khi s y, v t li u s y ph... vi c xác ñ nh các thông s hình h c và ch ñ làm vi c c a h th ng thi t b s y Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n án ti n sĩ khoa h c k thu t ………………………… 3 - B ng phương pháp nghiên c u th c nghi m ñơn và ña y u t ñã xác ñ nh ñư c các thông s t i ưu c a quá trình s y làm cơ s hoàn thi n thi t k và ch t o các c thi t b s y thăng hoa có năng su t khác nhau phù h p v i quy mô c a các cơ s s n xu t 7 C... t o thi t b s y thăng hoa gián ño n 34 1.19 Sơ ñ nguyên lý thi t b s y thăng hoa liên t c ki u khay 36 1.20 Sơ ñ nguyên lý c a thi t b s y thăng hoa liên t c ki u dao ñ ng 36 1.21 Sơ ñ nguyên lý c a thi t b s y thăng hoa liên t c ki u băng t i 37 1.22 H th ng thi t b STH liên t c hãng Virtis Gadiner 38 2.1 Sơ ñ c u t o thi t b s y thăng hoa STH - 50 44 2.2 H th ng thi t b s y thăng hoa STH - 50 45... y h t có màng nh y m u ñ , dàn m ng lên khay men hay mâm nhôm, ñem phơi n ng ho c s y nhi t ñ 50÷60oC cho se màng ñ n khi s không dính tay Dùng dao tách màng ra kh i h t Ti p t c phơi ho c s y cho màng khô ñ n ñ m yêu c u công ngh và b o qu n Trong qui trình công ngh trên thì khâu làm khô thư ng áp d ng phương pháp phơi n ng ho c s d ng các lò s y th công dùng khói lò làm tác nhân s y Do không ki m... cho ch t lư ng màu sáng nh t và hàm lư ng β-caroten cao nh t ðây là cơ s ñ l a ch n phương pháp s y thăng hoa cho quá trình làm khô màng ñ h t g c, nó s góp ph n nâng cao ch t lư ng s n ph m c v ch t lư ng và c m quan s n ph m Dư i ñây là m t s thi t b mà tác gi (Kha, T.C., 2009) [70] l a ch n cho vi c s y khô màng ñ h t g c: S y b ng không khí nóng: thi t b ñư c s d ng có c u t o ñơn gi n (hình 1.6), . NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ LÀM CƠ SỞ THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÀM KHÔ MÀNG HẠT GẤC BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY THĂNG HOA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành ñào tạo: Kỹ thuật máy và thiết bị. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xác ñịnh một số thông số tối ưu làm cơ sở hoàn thiện qui trình công nghệ và thiết kế, chế tạo thiết bị làm khô màng hạt gấc bằng phương pháp sấy thăng hoa nhằm. ñề cấp thiết. Xuất phát từ tình hình thực tiễn trên, chúng tôi thực hiện ñề tài Nghiên cứu một số thông số làm cơ sở thiết kế thiết bị làm khô màng hạt gấc bằng phương pháp sấy thăng hoa .