Quá trình sấy khóm bằng phương pháp chân không vi sóng đã được nghiên cứu theo các mức năng lượng vi sóng 200 và 235 W với áp suất chân không là 90, 111 và 120 mbar được chia ra làm 11 thí nghiệm ứng với độ dày lát khóm là 5 mm. Tất cả các dữ liệu được phân tích từ những giây đầu tiên của quá trình sấy để xác định được giá trị khuếch tán từ giai đoạn tốc độ sấy giảm. Mô hình toán học được sử dụng trong nghiên cứu này là mô hình Lewis . Kết quả cho thấy áp suất chân không và cường độ phát vi sóng ảnh hưởng đáng kể đến thời gian sấy, tốc độ sấy, hệ số khuyếch tán của vật liệu. Hệ số khuếch tán dao động từ 7.61× 1010 đến 2.54 × 109 m2 s.
MƠ HÌNH HĨA TỐN HỌC ĐỘNG HỌC Q TRÌNH SẤY KHĨM BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY CHÂN KHƠNG VI SĨNG Trần Tấn Hậu Abstract Q trình sấy khóm phương pháp chân khơng vi sóng nghiên cứu theo mức lượng vi sóng 200 235 W với áp suất chân không 90, 111 120 mbar chia làm 11 thí nghiệm ứng với độ dày lát khóm mm Tất liệu phân tích từ giây trình sấy để xác định giá trị khuếch tán từ giai đoạn tốc độ sấy giảm Mơ hình toán học sử dụng nghiên cứu mơ hình Lewis Kết cho thấy áp suất chân khơng cường độ phát vi sóng ảnh hưởng đáng kể đến thời gian sấy, tốc độ sấy, hệ số khuyếch tán vật liệu Hệ số khuếch tán dao động từ 7.61× 10-10 đến 2.54 × 10-9 m2/ s Keywords: Khóm sấy; hệ số khuếch tán; mơ hình sấy; sấy chân khơng vi sóng… INTRODUCTION Sấy trình tách nước sản phẩm vật liệu bên nhằm ức chế hoạt động vi sinh vật, enzyme hay men vật liệu để kéo dài thời gian tồn trữ Bên cạnh phải giữ cho sản phẩm lâu hư việc trì chất lượng cảm quan chất dinh dưỡng bên sản phẩm cần thiết, đòi hỏi phải sử dụng phương pháp sấy tiên tiến vừa có giá trị cảm quan vừa mang lại giá trị dinh dưỡng cao Một phương pháp nhắc đến thí nghiệm phương pháp sấy cơng nghệ chân khơng vi sóng Như biết khóm (Ananas comosus), loại nhiệt đới trồng phổ biến từ lâu đời hương vị hấp dẫn giàu chất dinh dưỡng Với sản lượng sản xuất khóm giới 18 triệu năm 2009 (FAO, 2011), có khoảng 70% tiêu thụ dạng tươi, 30% lại xuất chế biến thành sản phẩm có giá trị kinh tế cao điển hình khóm sấy (Loeillet, 1997) Theo nghiên cứu (Bala et al., 2001) khóm sấy sử dụng phương pháp lượng mặt trời cho sản phẩm sấy khô hơn, chất lượng tốt giảm đáng kể thời gian sấy so với phơi nắng Ở Malaysia, nhà sản xuất ứng dụng công nghệ sấy chân khơng vi sóng ngun liệu khóm với lát cắt dày – mm sấy đến độ ẩm 7%, sản phẩm bảo quản 12 tháng bao bì carton chất lượng cao (đóng gói hút chân không) Ở Trung Quốc, Huang (2012) nghiên cứu đặc tính sấy chân khơng vi sóng chất lượng khóm cắt lát, kết cho thấy mức độ ảnh hưởng áp suất chân không cường độ vi sóng tác động lên sản phẩm sấy lớn, giá trị cảm quan hàm lượng vitamin C biến đổi chọn áp suất chân khơng cường độ vi sóng khơng thích hợp, với nghiên cứu tác giả xác định chế độ tối ưu phương pháp sấy chân không vi sóng khóm với cường độ phát vi sóng 6.5 W/g, áp suất chân không 90 kPa độ dày lát cắt mm Ester Rodrigues et al., nghiên cứu mơ hình động học sấy khóm cắt lát khay đồng thời so sánh kết mơ hình mơ thực nghiệm Q trình sấy thực nhiệt độ 60, 65 70ºC với vận tốc khơng khí 0,50; 0,75 1,00 m/s-1, với độ ẩm ban đầu khóm 86% sử dụng mơ hình Thompson et al., 1968 làm thực nghiệm Santana et al., nghiên cứu trình sấy khóm phương pháp đối lưu khơng khí nóng sau thẩm thấu tách nước, nhiệt độ sấy đối lưu 60, 70oC vận tốc khơng khí 0,7 m/s, kết thu dựa vào định luật Fick’s thứ phần mềm Statistica 9.0 Alexandre et al., 2009 nghiên cứu động học q trình sấy khóm CV Pearl cắt lát với vận tốc gió 1,4 m/s -1, kết trình sấy thực ba mơ hình tốn học Page, Henderson & Pabis and Lewis mơ hình Page cho kết tốt MATERIALS AND METHODS 2.1 Vật liệu Khóm sử dụng thí nghiệm khóm trồng vùng Cầu Đúc thuộc tỉnh Hậu Giang mua làm thí nghiệm thị trường Cần Thơ Các mẫu thí nghiệm lưu trữ ± 0.5 oC trước sử dụng thí nghiệm Khóm rửa vòi nước để loại bỏ tạp chất sau sử dụng dao thép không gỉ sắt bén để gọt bỏ vỏ mắt, bỏ lõi, cắt lát mỏng với độ dày đường kính mm Độ ẩm ban đầu trung bình mẫu khóm xác định 82.6% 2.2 Phương pháp Thiết bị sử dụng nghiên cứu thiết bị sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc (Püschner – Đức) Với tần số phát vi sóng 2450 MHz, mẫu thí nghiệm đưa vào bàn quay có loadcell, q trình sấy chân khơng vi sóng thực hình điều khiền PLC Thí nghiệm thực mức cường độ phát vi sóng 200 235 W với áp suất chân không 90, 111 120 mbar chia làm 11 thí nghiệm Thời gian lấy mẫu ghi nhận 60s giây thay đổi thông số nhiệt độ, áp suất chân không, khối lượng ẩm đi, hiển thị hình PLC sản phẩm đạt đến độ ẩm cân (5.1%) Các liệu sấy thí nghiệm sử dụng để tính tốn tỷ lệ độ ẩm (MR) cách sử dụng phương trình sau đây: MR = Mt − Me M0 − Me (1) Trong đó: Mt độ ẩm suốt thời gian sấy t (kg nước/kg kkk), M o độ ẩm ban đầu (kg nước/kg kkk), Me độ ẩm trạng thái cân (kg nước/kg kkk) Mơ hình tốt sử dụng thí nghiệm mơ hình Lewis (Roberts et al., 2008) (bảng 1), để mô tả đường cong sấy khơ lát khóm Để xác định phù hợp mơ hình, hệ số xác định (R2) tiêu chí để lựa chọn mơ tả đường cong sấy mẫu N R2 = − ∑ (MR i =1 N ∑ (MR i =1 pre ,i − MRexp,i ) pre ,i − MRexp,i ) (2) Trong đó: MRpre: tỉ lệ ẩm dự báo, MRexp: tỉ lệ ẩm thực nghiệm , N: số điểm liệu thử nghiệm, Z: số mơ hình Bảng Mơ hình sấy khóm Tên mơ hình Mơ hình Tài liệu tham khảo Lewis MR = exp(-kt) Roberts et al., 2008 Ghi chú: k số tốc độ sấy (1/s), t thời gian sấy mẫu (s) Trong suốt trình sấy, khuếch tán nước bề mặt vật liệu bên xác định dựa vào định luật Fick’s thứ sau : ∂M ∂2 M = Deff ∇2 M = Deff ∂t ∂2 x (3) Bằng cách sử dụng giá trị ban đầu điều kiện biên thích hợp, Crank (1975) đưa phân tích giải pháp hình học khác giải pháp cho vật liệu dạng phẳng vô hạn sau : 2n -1 π2 D t ( ) ∞ eff MR = exp ∑ 2 π n=1 ( 2n -1) 4L ÷ ÷ (4) Trong Deff hệ số khuếch tán ẩm (m 2/s), t thời gian sấy (s), L độ dày mẫu (m) Đối với thời gian sấy lâu, xác định giá trị (n = 0) hàng loạt mở rộng bên trên, phương trình cung cấp cho ước lượng tốt giải pháp, thể dạng logarit sau : π2 Deff ln(MR) = ln( ) −( )t π L2 (5) Các hệ số khuếch tán thường xác định cách vẽ đồ thị liệu ln(MR) so với thời gian sấy (t) kết cung cấp cho đường thẳng có độ dốc (k) sau: π2 Deff K = L2 (6) Tất số liệu thí nghiệm thực ba lần lặp lại ANOVA kiểm tra tác động cường độ vi sóng áp suất chân không động học sấy khô lượng tiêu thụ Phần mềm Statgraphics Excel sử dụng để tổng hợp thống kê thu thập số liệu, mức ý nghĩa cố định mức 95% RESULTS AND DISCUSSION Tỷ lệ độ ẩm theo thời gian sấy cho lát khóm mức lượng vi sóng áp suất chân khơng thể (hình 1) Tổng thời gian sấy đạt độ ẩm cuối cho mẫu khóm 55 70 phút mẫu 2, mẫu 4, mẫu mẫu 1, mẫu 3, mẫu 5, mẫu 6, mẫu 7, mẫu 9, mẫu 10, mẫu 11 tương ứng Rõ ràng, phạm vi định cường độ vi sóng áp suất chân khơng thay đổi ảnh hưởng đến trình sấy rút ngắn thời gian sấy (lên đến 21%) Như thấy (hình 1) tất đường cong có hai giai đoạn Tốc độ sấy thời gian đầu chậm dần sau tăng lên nhanh chóng q trình giảm ẩm Kết thống kê từ mơ hình tóm tắt (bảng 2) Mơ hình tốt mơ tả khóm sấy cắt lát lựa chọn ứng với R2 cao Bảng Kết phân tích thống kê mơ hình độ ẩm thời gian sấy khơ cho cường độ vi sóng áp suất chân khơng sấy khóm cắt lát Mẫu sấy Chế độ Pck, MW Hệ số mơ hình (k) R2 Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu 10 Mẫu 11 120 mbar, 200 W 90 mbar, 250 W 90 mbar, 200 W 111 mbar, 235 W 90 mbar, 200 W 111 mbar, 235 W 90 mbar, 200 W 111 mbar, 235 W 90 mbar, 200 W 111 mbar, 235 W 90 mbar, 200 W 0.0006 0.0010 0.0006 0.0006 0.0006 0.0005 0.0006 0.0008 0.0006 0.0003 0.0008 0.78 0.77 0.66 0.83 0.73 0.69 0.77 0.72 0.81 0.83 0.73 Các hệ số khuếch tán ẩm sấy khóm cắt lát chân khơng vi sóng thể (bảng 3) Các giá trị dao động từ 7.61× 10 -10 đến 2.54 × 10-9 m2/s Trong bảng 3, hệ số khuếch tán (Deff) tăng lên tăng cường độ phát vi sóng Điều giải thích lượng nhiệt tăng làm tăng hoạt động phân tử nước dẫn đến hệ số khuếch tán ẩm cao mẫu thí nghiệm sấy khơ mức lượng vi sóng cao Bảng Giá trị hệ số khuếch tán sấy khóm với mức lượng vi sóng áp suất chân không khác Mẫu sấy Chế độ Pck, MW Deff (m2/s) Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu 10 Mẫu 11 120 mbar, 200 W 90 mbar, 250 W 90 mbar, 200 W 111 mbar, 235 W 90 mbar, 200 W 111 mbar, 235 W 90 mbar, 200 W 111 mbar, 235 W 90 mbar, 200 W 111 mbar, 235 W 90 mbar, 200 W 1.52E-09 2.54E-09 1.52E-09 1.52E-09 1.52E-09 1.27E-09 1.52E-09 2.03E-09 1.52E-09 7.61E-10 2.03E-09 CONCLUSIONS Thí nghiệm sấy khóm phương pháp sấy chân khơng vi sóng thự 11 mẫu thí nghiệm hệ số khuếch tán ẩm thu dựa định luật Fick’s thứ hai cho giá trị dao động từ 7.61× 10 -10 đến 2.54 × 10-9 m2/s Mơ hình Lewis sử dụng thí nghiệm cho phù hợp mẫu mẫu 10 với hệ số xác định R đạt giá trị cao REFERENCES Audirene A Santana, Luiz Gabriel P Martin, Rosa H Aguiar, Rafael A de Oliveira, Kil J Park Convective Drying of Pineapple after Osmotic Dehydration Bala, B.K, Mondol, M.R.A, Biswas, B.K and Das Chowdury, B.L Solar Drying of Pineapple Using Solar Tunnel Drier 4th International Conference on Mechanical Engineering, December 26-28, 2001, Dhaka, Bangladesh/pp I 47-51 Crank J; The Mathematics of Diffusion 2nd ed Oxford (UK): Clarendon Press; 1975 Ester Rodrigues, Jadir N da Silva, Modesto A Chaves Modelling the Drying Kinetics of Pineapple Slices in a Tray Dryer FAO, 2011 FAOSTAT Food and Agriculture Organization of the United Nations Hofsky V Alexandre, Josivanda P Gomes, André Luiz Barros Neto, Flávio Luiz Honorato da Silva, Francisco de Assis Cardoso Almeida, 2009 Drying Kinetics of Sliced Pineapple Cv Pearl Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.11, n.2, p.123-128 Huang Z.J., 2012 Study On The Microwave Vacuum Drying Characteristics And Quality Of Pineapple Slices Food Science China Loeillet, D., 1997 Panorama du marché mondial de l’ananas: l’importance de l’Europe (The world pineapple market: the importance of Europe) Acta Horticulturae, 425, 37– 48 Roberts J.S, Kidd D.R & Padilla-Zakour O., 2008 Drying kinetics of grape seeds Journal of Food Engineering 89: 460-465 Thompson, T.L., Peart, R.M., Foster, G.H., 1968 Mathematical simulation of corn drying A new model Transaction of the ASAE, 11, 582-586 ... et al., 2009 nghiên cứu động học q trình sấy khóm CV Pearl cắt lát với vận tốc gió 1,4 m/s -1, kết trình sấy thực ba mơ hình tốn học Page, Henderson & Pabis and Lewis mơ hình Page cho kết tốt MATERIALS... số mơ hình Bảng Mơ hình sấy khóm Tên mơ hình Mơ hình Tài liệu tham khảo Lewis MR = exp(-kt) Roberts et al., 2008 Ghi chú: k số tốc độ sấy (1/s), t thời gian sấy mẫu (s) Trong suốt trình sấy, khuếch... mơ hình tóm tắt (bảng 2) Mơ hình tốt mơ tả khóm sấy cắt lát lựa chọn ứng với R2 cao Bảng Kết phân tích thống kê mơ hình độ ẩm thời gian sấy khơ cho cường độ vi sóng áp suất chân khơng sấy khóm