Nghiên cứu thiết kế thiết bị sấy thóc giống sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại

Luận văn, thạc sĩ, tiến sĩ, khóa luận, cao học, đề tài

1 Mở đầu Sản xuất lơng thực ở nớc ta đã đạt đợc những thành tựu to lớn, góp phần vào sự nghiệp xóa đói giảm nghèo và đảm bảo an ninh lơng thực, Việt Nam trở thành một trong những nớc xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới. Đóng góp vào thành tựu trên, ngành giống cây lơng thực, thực phẩm đã ứng dụng có hiệu quả nhiều giống mới. Đồng thời một số công nghệ và thiết bị chế biến hạt giống cũng đợc chuyển giao vào sản xuất. Tuy nhiên, nhiều cơ sở chế biến hạt giống vẫn sử dụng phơng pháp chế biến đơn giản với công nghệ và thiết bị cha phù hợp. Việc áp dụng công nghệ và thiết bị tiên tiến để chế biến hạt giống không những nâng cao chất lợng hạt giống mà còn giúp tăng cờng năng lực sản xuất, giảm tổn thất sau thu hoạch và chi phí lao động. Hàng năm, ở nớc ta nhu cầu về giống cho cây trồng rất lớn, khoảng 1 triệu tấn thóc giống. Theo đánh giá của chơng trình giống cây trồng quốc gia, ngoài số nhập khẩu (khoảng 30 - 40 %) chất lợng giống của Việt Nam còn thấp, làm cho hàng hoá nông sản kém sức cạnh tranh trên thị trờng khu vực và thế giới. Có nhiều nguyên nhân, trong đó công nghệ chế biến là nguyên nhân quan trọng ảnh hởng trực tiếp đến chất lợng thóc giống. Trong quy trình công nghệ chế biến hạt giống thì sấy là khâu quan trọng nhất. Sấy là một biện pháp để làm giảm độ ẩm của hạt sau khi thu hoạch đến độ ẩm an toàn phù hợp cho chế độ bảo quản ở khâu tiếp theo. Vì vậy, sấy đợc coi là nền tảng cho khâu bảo quản đợc tiến hành thuận lợi. Tuy nhiên, sấy phải đợc tiến hành ở những chế độ phù hợp nhằm đảm bảo cho hạt giống duy trì đợc chất lợng trong quá trình bảo quản [2]. Chất lợng giống không tốt sẽ gây ảnh hởng lớn không chỉ đến mất mát về số lợng hạt giống [16] mà còn đến năng suất và chất lợng cây trồng trong quá trình sản xuất từ hạt giống đó. Vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu đa công nghệ mới vào khâu sấy để nâng cao chất lợng hạt giống. 2 Mặc dù kỹ thuật sấy đã phát triển từ lâu đời, song các nhà khoa học vẫn tiếp tục tìm kiếm và ứng dụng các kỹ thuật mới vào lĩnh vực sấy nông sản nói chung và sấy hạt giống nói riêng. Một trong những kỹ thuật mới đáng chú ý hiện nay trên thế giới là kỹ thuật sấy bằng công nghệ gốm bức xạ hồng ngoại. Công nghệ mới này không những có khả năng làm khô ở nhiệt độ thấp, bảo toàn các tính chất nh màu sắc, vitamin, các khoáng chất mà còn có tác dụng diệt khuẩn, làm tăng thời gian bảo quản hơn so với các công nghệ sấy thông thờng. Đặc biệt, đối với hạt giống, tỷ lệ nẩy mầm và sức nẩy mầm đợc cải thiện rõ rệt. ở Việt Nam, công nghệ sấy bằng gốm bức xạ hồng ngoại mới đợc nghiên cứu bớc đầu [26] cha đợc sử dụng rộng rãi. Vì vậy, việc "Nghiên cứu thiết kế thiết bị sấy thóc giống sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại" là rất cần thiết. Những đóng góp của luận án: - Đã lựa chọn đợc công nghệ và thiết bị sấy sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại. Mẫu thiết bị có cấu tạo đơn giản phù hợp với khả năng chế tạo ở Việt Nam. - Kết quả nghiên cứu lý thuyết đã xác định đợc qui luật phân bố năng lợng trên bề mặt vật liệu sấy dựa trên cơ sở nghiên cứu trờng bức xạ hồng ngoại với bộ gia nhiệt IR dạng ống, đảm bảo năng lợng phân bố đồng đều trên bề mặt vật liệu sấy. Đã xác định đợc năng lợng cần thiết chi phí cho quá trình sấy. - Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố và đa yếu tố đã xác định đợc giá trị tối u của một số thông số chính: chiều dày lớp thóc sấy, khoảng cách từ các thanh gốm hồng ngoại đến bề mặt lớp thóc sấy, khoảng cách giữa các thanh gốm. - Đã thiết kế, chế tạo và ứng dụng có hiệu quả thiết bị sấy thóc giống tại một số cơ sở sản xuất thóc giống ở các tỉnh phía Bắc. 3 Chơng I. Tổng quan 1.1. Các tính chất của hạt thóc 1.1.1. Thành phần và cấu trúc chung của hạt thóc Nông sản dạng hạt bao gồm các loại ngũ cốc (lúa, ngô, cao lơng, đại mạnh, lúa mì) các loại họ đậu: đậu xanh, đậu tơng, đậu đen có thuộc tính của một cơ thể sống. Sau khi thu hoạch, ngoài quá trình chín tiếp tục (chín sau thu hoạch) trong khối hạt còn nhiều biến đổi khác có thể xảy ra làm h hỏng hạt. Những biến đổi ấy thờng do sự hô hấp của hạt, tác động của enzym, vi sinh vật có hại hoặc do các phản ứng hoá học. Tuỳ theo điều kiện và phơng pháp bảo quản mà các biến đổi này có thể xảy ra hoặc không, hoặc ở những mức độ khác nhau. Xét về cấu trúc thực vật, hạt có thể chia làm 3 phần chính: vỏ, phôi, nội nhũ hình 1.1. Vỏ là phần bao bọc bên ngoài, cấu tạo chủ yếu bằng xenlulo và các hemixenlulo, tơng đối bền vững về cơ học, gồm nhiều lớp khác nhau. Các hạt ngũ cốc nh lúa, lúa mì, ngô, đại mạch v.v. có lớp vỏ ngoài cùng chỉ là lớp vỏ mỏng bao quanh hạt - dới lớp vỏ đó là lớp alơron (lớp cám) rất mỏng. Ngoài hai lớp vỏ nói trên, các hạt ngũ cốc còn có lớp vỏ trấu, lớp vỏ này rất chắc. Nhìn chung vỏ chứa một lợng không đáng kể chất dinh dỡng, chức năng chủ yếu của vỏ là bảo vệ cho hạt khỏi những tác động cơ học, hoá lý và sự xâm nhập của các vi sinh vật từ bên ngoài. Phôi là cơ quan sinh trởng của hạt, có chứa các chất giàu dinh dỡng nh protit, lipit, vitamin và phần lớn enzym. Phôi cấu tạo từ những tế bào mềm, là môi trờng rất thích hợp cho nấm mốc, sâu mọt thâm nhập phát triển và phá hoại. Nội nhũ là phần chính của hạt, chứa các chất dinh dỡng dự trữ. Với hạt có dầu chất dự trữ đó là lipit, hạt họ đậu là protit, các hạt ngũ cốc là gluxit 4 (dới dạng amidon). Nội nhũ của hạt ngũ cốc còn đợc xác định bởi 2 miền ngoài và trong khác nhau về hình dạng, cấu trúc tế bào và thành phần hoá học. Miền ngoài dạng trong, đặc nh sừng (gọi là miền sừng) chạy vòng quanh dới lớp alơron. Miền trong hơi xốp, nhiều gluxit, ít protit (còn gọi là miền bột). Hạt lúa có chiều dài 5 - 12mm, chiều rộng 1,5 - 5mm. Đờng kính 4,2 - 4,6 mm. Ngời ta phân loại hạt lúa làm 3 loại: hạt dài, hạt trung bình và hạt ngắn. Cách sắp xếp đợc tính theo tỉ lệ chiều dài trên chiều rộng. Ba loại hạt ngũ cốc chính nh lúa, ngô, lúa mì khi thu hoạch độ ẩm tơng đối trong khoảng 18 - 35%. Để bảo quản lâu dài, tránh h hỏng, độ ẩm của các hạt này không đợc quá 13%. Hình 1.1 Cấu tạo hạt thóc 1.1.2. Sự hô hấp, trạng thái ngủ và khả năng sống của hạt Hạt thóc là một cơ thể sống nên có sự hô hấp và ngủ, nghỉ. Theo các công trình nghiên cứu của Kretorich và Prokhorova [50], [51], [52] thì hô hấp của hạt tuỳ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ. Cờng độ hô hấp của hạt tăng đạt giá 5 trị cực đại theo sự tăng ẩm ở điểm tới hạn (w = 14 - 14,5%). Khi có nớc tự do trong hạt, quá trình sinh hoá diễn ra trong hạt rất mạnh. Khi tăng nhiệt độ sẽ làm tăng cờng độ hô hấp của hạt nhng chỉ đến giới hạn nhiệt độ (khoảng 45 - 50 0 C), sau đó sự sống và cờng độ thở của hạt sẽ giảm. Sự hô hấp của hạt sinh ra nhiệt, nớc và khí CO 2 . Chất khô của hạt bị mất đi dới hình thức thoát khí CO 2 [33], [61], [62]. Quá trình diễn ra theo phản ứng sau: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 > 6CO 2 + 6H 2 O + 677,2 Cal Vi khuẩn và nấm làm cho hạt giảm độ nảy mầm, có mùi hôi, giảm giá trị thơng phẩm của hạt. Khả năng sống của hạt giống đợc xác định trong những điều kiện thuận lợi [36]. Nhng trong khi chế biến mà sấy ở nhiệt độ quá cao làm các enzyme trong protein giảm, làm giảm khả năng sống của hạt. Nhiệt độ an toàn tối đa tuỳ thuộc vào độ ẩm của hạt và thời gian hạt tiếp xúc với nhiệt độ đó. Bảng 1.1 trình bày ảnh hởng của độ ẩm tới nhiệt độ an toàn tối đa của hạt giống với thời gian tiếp xúc nhiệt là 1 giờ. Các thông số nh nhiệt độ hạt , thời gian sấy T g , độ ẩm hạt W có ảnh hởng lớn đối với khả năng sống của hạt. Nếu hạt có độ ẩm ban đầu cao khi tăng nhiệt độ sấy lên cao thì tỉ lệ nảy mầm sẽ giảm [74] Bảng 1.1. ảnh hởng của độ ẩm hạt trên nhiệt độ tối đa cho quá trình sấy hạt giống trong 1 h Độ ẩm hạt (%) Nhiệt độ hạt ( 0 C) 18 67 26 59 30 56 Nguồn Nellít [74] 6 1.1.3. Đặc điểm của hạt giống lúa lai F1 hạt giống lúa lai F1: Khối lợng hạt giống lúa lai F1 thờng là thấp hơn lúa thuần (thờng), thời gian trung bình cho tất cả các giống tính từ khi bắt đầu trổ đến thu hoạch (bông lúa chín toàn bộ) là 30 - 31 ngày. Với hạt giống lúa lai thời gian này chỉ khoảng 24-25 ngày. Với đặc tính vỏ trấu của hạt giống lúa lai thờng không khép kín nh lúa thuần (phải thu hoạch sớm hơn tránh bị ma ẩm dẫn đến nảy mầm trên bông), nhiễm nấm mốc, bệnh trên hạt (mục tiêu là chất lợng hạt giống chứ không chạy theo năng suất hạt). Khối lợng hạt giống lúa lai F1 nằm trong khoảng 25-29 g/1000 hạt. Tỷ lệ lép của giống lúa lai F1 thờng rất cao: thấp nhất là 20%, tỷ lệ lép này tuỳ thuộc vào chất lợng giống bố mẹ, kỹ thuật canh tác v.v. Qua tham khảo tài liệu nớc ngoài và kết quả nghiên cứu thăm dò một số rau quả, hạt nh cà phê, ngô, thóc v.v. cho thấy sấy bằng bức xạ hồng ngoại cho hiệu quả cao với nguyên liệu ở giai đoạn liên kết ẩm vật lý (dới 17%) và chất lợng sản phẩm sấy ổn định hơn. Vì vậy, trớc khi đa vào sấy bằng bức xạ hồng ngoại, chúng tôi phải xử lý bằng cách làm khô sơ bộ: phơi, sấy và hong mát sao cho thóc có độ ẩm vào thiết bị sấy là 17% sau đó theo dõi quá trình sấy cho đến khi kết thúc quá trình độ ẩm cuối là 13%. 1.2. Chế biến thóc giống 1.2.1. Thực trạng chế biến thóc giống ở Việt Nam Hàng năm ở nớc ta nhu cầu hạt thóc giống là rất lớn, khoảng 1.000.000 tấn thóc giống. Hiện tại, thóc giống qua sơ chế của nớc ta chỉ chiếm khoảng 5% tổng lợng giống. Chất lợng hạt giống phải đảm bảo chỉ tiêu: cấp và loại độ nguyên chủng, độ sạch, độ đồng đều, tỷ lệ nảy mầm và độ ẩm bảo quản. Để đạt đợc tỷ lệ hạt giống qua sơ chế là 40%, thì riêng đối với thóc giống cần phải trang bị khoảng 150 dây chuyền có năng suất 1ữ1,5 tấn/ giờ [17]. 7 1.2.2. Quy trình công nghệ chế biến thóc giống làm sạch, phân loại phơi, sấy đập Gặt bảo quản đóng gói xử lý Đối với khâu xử lý mới chỉ thực hiện cho hạt ngô, rau, đậu, hạt thóc giống hiện nay bắt đầu nghiên cứu áp dụng khâu xử lý. Trong qui trình công nghệ trên thì sấy là khâu quan trọng nhất có ảnh hởng lớn đến chất lợng hạt giống và thời gian bảo quản. Vì vậy, cần nghiên cứu đa công nghệ mới vào khâu sấy nhằm nâng cao chất lợng và thời gian bảo quản. 1.3. Các phơng pháp làm khô 1.3.1. Một số khái niệm cơ bản về sấy Công việc sấy bị ảnh hởng mạnh mẽ bởi sự phân tán độ ẩm trong vật thể rắn. Độ ẩm trong vật thể rắn thông thờng không chỉ hiện diện ở bề mặt mà còn hiện diện ở những lỗ xốp bên trong vật thể rắn, hoặc ở những lỗ hổng giữa những vùng rắn của vật thể cần sấy. Hình 1.2 giới thiệu nguyên tắc lu giữ độ ẩm ở những chỗ hoàn toàn ớt và ở cả những lỗ hổng của chất rắn đã đợc sấy khô phần nào [63]. Hình dạng, kích thớc và phơng hớng của những lỗ hổng đó có sự khác nhau rất lớn giữa vật thể này với vật thể khác, dẫn đến sự khác nhau rất rõ ràng của từng cách sấy. ẩm có thể đợc thể hiện dới dạng tự do hoặc liên kết. Nớc liên kết trong một chất rắn vì bị giữ lại trong những mao mạch, hoà lẫn trong cấu trúc tế bào, hoà lẫn trong chất rắn, hoặc thông qua sự hấp thụ hoá học hoặc vật lý trên bề mặt của chất rắn. Độ ẩm tự do là độ ẩm d thừa của độ ẩm liên kết. Nó không kết hợp với chất rắn và có áp suất bốc hơi của chất lỏng thuần tuý. Chất 8 lỏng liên kết có áp suất bốc hơi thấp hơn áp suất bốc hơi của chất lỏng thuần tuý. Vì vậy, những sản phẩm rất ẩm ớt có áp suất bốc hơi gần với áp suất bốc hơi bão hoà. Khi hàm lợng ẩm thấp, sự liên kết của ẩm với chất rắn sẽ dẫn đến kết quả là áp suất bốc hơi giảm đi rõ rệt. Với một hàm lợng ẩm cụ thể ở khí quyển bên ngoài, hàm lợng ẩm của một vật thể rắn có thể chỉ bị giảm tới một giá trị cân bằng nào đó, sau đó không còn có động lực nào để chuyển tải ẩm ra khỏi vật thể rắn. a) b) Hình 1.2. Phác hoạ một vật thể rắn xốp a) Hạt với độ ẩm cao b) Hạt đã đợc sấy khô Hàm lợng ẩm cân bằng của một vật thể rắn, đợc đo bằng thực nghiệm ở một nhiệt độ nào đó, so với độ ẩm tơng đối của không khí, đợc gọi là đờng đẳng nhiệt hấp thụ của vật thể rắn đó. Đờng đẳng nhiệt hấp thụ cho thấy sấy khô vật thể đó khó khăn nh thế nào và hàm lợng ẩm ở mức nào thì nên ngừng, không sấy nữa. Khi độ ẩm đã xuống tới hàm lợng cân bằng trong điều kiện bảo quản trong kho, việc sấy thêm nữa cũng chẳng có lợi ích gì, bởi vì vật sau khi sấy sẽ bị ẩm trở lại do hút ẩm từ ẩm của không khí. Khi nớc kết hợp với vật thể rắn, cần có năng lợng để làm cho nớc bốc hơi. Do đó cần gia nhiệt cho sự bốc hơi để khắc phục lực hấp dẫn giữa các phân tử trong pha lỏng. Nớc liên kết cũng cần có năng lợng để phá vỡ những mối liên kết giữa nó và mạng lới các lỗ xốp. Năng lợng cần gia tăng 9 này đợc gọi là nhiệt để giải hấp. Trên cơ sở điều kiện nhiệt động năng lợng tự do của các Gibbs phân tử dành cho hai pha đang ở thế cân bằng phải bằng nhau, có mối quan hệ của áp suất bốc hơi, tức là đẳng nhiệt hấp thụ với năng lợng cần thiết cho sự bốc hơi. Bằng định luật về khí lý tởng và không tính đến khối lợng riêng của chất lỏng so với khối lợng riêng của hơi nớc, ta có thể đi đến phơng trình Clapeyron - Clausius: sorp H RT M T = 2 ln (1.1) trong đó: - Sự thấm hút nhiệt độ bề mặt (J/kg) sorp H M - Khối lợng nớc (kg/mol) R - Hằng số khí thực (J/mol) T - Nhiệt độ (K) - Độ ẩm tơng đối Nh vậy, nếu lấy vi phân của đẳng nhiệt hấp thụ với nhiệt độ, ta có thể xác định đợc nhiệt hấp thụ. Thông thờng, đẳng nhiệt hấp thụ đợc xác định bằng các số đo mức cân bằng ở một số giới hạn các hàm lợng ẩm và nhiệt độ. Sau đó, những dữ liệu này đợc điều chỉnh theo một vài phơng trình bán thực nghiệm nh đờng đẳng nhiệt Langmuir, Henderson hay BET. Việc lấy vi phân phơng trình (1.1) chính là dựa trên một phơng trình đã đợc điều chỉnh. Biện pháp này thờng gặp nhiều trong các tài liệu về sấy. Một phơng pháp mới xuất hiện gần đây, do Wadso [84] đề xuất, cho phép bằng thực nghiệm xác định những đờng biểu diễn liên tục cho những đờng đẳng nhiệt hấp thụ và cả mức nhiệt hấp thụ trong cùng một thí nghiệm. Tuy nhiên, phơng pháp này cha đợc áp dụng cho nhiều loại vật liệu và cho tới nay mới chỉ áp dụng hạn chế cho những nhiệt độ xấp xỉ với nhiệt độ trong phòng. Hy vọng là phơng pháp này sẽ đợc triển khai rộng rãi trong nghiên cứu. Khi nhiệt đợc đa vào một vật thể rắn bị ẩm ớt, áp suất bốc hơi của 10 chất lỏng sẽ tăng lên và tạo ra một động lực chuyển tải độ ẩm từ vật thể rắn ra khí quyển bên ngoài. Nh vậy, quá trình sấy đựơc diễn ra trong sự chuyển tải đồng thời của nhiệt và khối lợng. Giả định rằng một vật thể hoàn toàn ẩm ớt đợc đặt trong điều kiện thờng xuyên có sự truyền dẫn nhiệt và khối lợng bên ngoài. Nếu ghi lại sự biến đổi trọng lợng của vật thể theo thời gian, ta sẽ có một đuờng biểu diễn, từ đó đánh giá đợc tốc độ sấy khô. Đờng biểu diễn của sấy khô là đồ thị tốc độ sấy so với độ ẩm của vật thể. Hình 1.3 trình bày rõ một đờng biểu diễn sấy khô điển hình [63]. Trong một thời gian ngắn lúc đầu, tốc độ sấy tăng lên, nhng sau đó, tốc độ sấy đợc duy trì ở mức ổn định trong một khoảng thời gian trớc khi hạ thấp xuống, khi hàm lợng ẩm đã tụt xuống đủ mức. Quá trình này đợc sử dụng để giải thích quá trình sấy. Trong thời gian ngắn lúc đầu, vật liệu ẩm đợc gia nhiệt và ẩm bắt đầu bốc hơi. Trong khi nhiệt độ tăng dần lên, sản sinh ra một động lực khiến ẩm bị chuyển tải khỏi bề mặt của vật thể. Với một tốc độ sấy khô nào đó, tốc độ bốc hơi cũng cân bằng với nhiệt đợc cung cấp, và sau đó nhiệt độ không tăng thêm nữa. Tốc độ sấy trở nên ổn định. Ngời ta gọi đây là giai đoạn tốc độ không đổi [63]. Hình 1.3. Đờng biểu diễn quá trình sấy khô Giai đoạn tốc độ không đổi Giai đoạn tốc độ sấy giảm Giai đoạn gia nhiệt Thời gian sấy (h) Tốc độ sấy . nghệ sấy bằng gốm bức xạ hồng ngoại mới đợc nghiên cứu bớc đầu [26] cha đợc sử dụng rộng rãi. Vì vậy, việc " ;Nghiên cứu thiết kế thiết bị sấy thóc giống. sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại& quot; là rất cần thiết. Những đóng góp của luận án: - Đã lựa chọn đợc công nghệ và thiết bị sấy sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại.