1.3.1.1 Một số kết quả nghiắn cứu lý thuyết về quâ trình ĩp của một số tâc giả nước ngoăi
a) Nghiắn cứu chuyển động của khối nguyắn liệu trong quâ trình ĩp
Quâ trình ĩp lấy nước dứa lă quâ trình phâ vỡ liắn kết của khối nguyắn liệu để tâch nước ra khỏi hỗn hợp bê - dịch quả dưới tâc dụng của âp suất
trong bộ phận ĩp. Thông số liắn quan đến chuyển động của vật liệu vă quâ trình thoât dịch quả đó lă độ nhớt vă ứng suất tới hạn của nó. Câc thông số
năy phụ thuộc văo câc điều kiện: nhiệt độ, độ ẩm, loại nguyắn liệu, Ầ. Đối
với dứa đê được băm nhỏ, chuyển động của khối nguyắn liệu trong bộ phận
ĩp có thể coi như chuyển động của chất lỏng nhớt có độ nhớt cao vă thay đổi theo tỷ lệ nước quả có trong hỗn hợp nguyắn liệu khi ĩp.
Xâc định quy luật chuyển động của vật liệu thực phẩm trong quâ trình ĩp, một số tâc giả coi khối vật liệu thực phẩm lă chất lỏng có độ nhớt cao, khi chuyển động ổn định trong ống tuđn theo quy luật của chất lỏng lưu biến
(Nguyễn Bin, 2008) [2], vì vậy có thể sử dụng mối liắn hệ giữa ứng suất vă độ
nhớt theo định luật Newton (1686) (Lắ Danh Liắn, 2007) [27], (Frank M.W., 1999) [53]: = dy dv (1.1) Trong đó: - ứng suất, N/m2;
- độ nhớt của khối nguyắn liệu, N.s/m2;
dy dv
gradien tốc độ trượt, s-1.
Công thức trắn dùng để xâc định quy luật phđn bố âp suất, vận tốc
Năm 1919 E.Bingham vă Kh.Grin (Nguyễn Doên Ý, 2005) [43], (Fellows P., 1996) [52], khi nghiắn cứu về chất lỏng dẻo quânh (về sau được
gọi lă chất lỏng phi Newton) như: bùn, bơ, kem đânh răng, mật đường, vvẦ
lại cho rằng quâ trình dịch chuyển nguyắn liệu trong buồng ĩp giống như vật
liệu dẻo, nhớt, đăn hồi lă sự kết hợp của quâ trình biến dạng dẻo vă quâ trình chảy nhớt, trong đó quan hệ giữa ứng tiếp, độ nhớt, ứng suất tới hạn tuđn theo định luật Bingham (Nguyễn Bin, 2008) [2]:
T dy dv (1.2) Trong đó:
T - ứng suất bền hay ứng suất trượt tới hạn, N/m2.
Phương trình (1.2) chỉ ra rằng: trong quâ trình ĩp, sự dịch chuyển của
khối nguyắn liệu chỉ bắt đầu khi âp suất ĩp lớn hơn ứng suất tới hạn hay lực liắn kết giữa câc phần tử, sau đó quâ trình dịch chuyển diễn ra giống như chất lỏng có độ nhớt cao, vì vậy có thể sử dụng câc quy luật dòng chảy của chất lỏng để
tắnh toân cho quâ trình dịch chuyển của chất dẻo quânh (chất lỏng Bingham).
Phương phâp tắnh toân đối với chất lỏng phi Newton chuyển động ổn định có khâ nhiều nhưng phổ biến lă:
* Phương phâp Metsne vă Rid (Nguyễn Bin vă ctv, 2006) [1]: chế độ
chuyển động của chất lỏng được xâc định bằng trị số của chuẩn số Rđynôn.
Hệ số ma sât của tất cả câc chất lỏng phi Newton ở chế độ chảy dòng
được xâc định theo công thức:
'e e
64 R
(1.3)
Trong đó: RỖe- chuẩn số Rđynôn, xâc định theo công thức:
n ' 2n '' ' e n ' 1 d R k '.8 (1.4) Trong đó: d- đường kắnh ống, m;
- vận tốc trung bình của chất lỏng, m/s;
- khối lượng riắng của chất lỏng, kg/m3; kỖ- chỉ số bền vững; nỖ- chỉ số bậc.
* Phương phâp tắnh gần đúng của Dot vă Metsne (Nguyễn Bin vă ctv, 2006) [1]:
= C(RỖe)-m (1.5)
Trong đó:
C, m- hăm số của nỖ tra trong bảng có sẵn.
Câc phương phâp năy được giới hạn khi tắnh toân đối với đường ống dẫn
dăi, trong quâ trình tắnh toân vận tốc dòng chảy được lấy bằng vận tốc trung
bình, trong khi chất lỏng quânh khi chuyển động trong ống thường có vận tốc thay đổi theo tiết diện dòng chảy. Câc chỉ số kỖ, nỖ yắu cầu phải xâc định
chắnh xâc theo từng loại chất lỏng.
* Phương phâp xâc định âp suất trong dòng chảy của chất lỏng phi
Newton của E.K. Latưnovưtr vă B.C. Philatovưm (ứĩắĩịĩđ Đ.Ỉ., 1973) [72]:
0 0 Q pd /(128 ) 1 (4 / 3)(d / d) (1/ 3)(d / d) (1.6) 0 ( pd /128 )f (d / d) Trong đó:
do,d- đường kắnh dòng nhđn vă đường kắnh ống dẫn; Khó khăn của phương phâp năy lă xâc định tỷ số do/d.
Quâ trình chuyển động của hỗn hợp nguyắn liệu dứa lă hỗn hợp bê - dịch
quả trong buồng ĩp lă quâ trình rất phức tạp do tỷ lệ nước được thoât dần ra
qua lỗ săng, độ nhớt thay đổi. Hiện nay chưa có nhiều công trình nghiắn cứu lý
thuyết về quâ trình ĩp nguyắn liệu dứa được công bố, vì vậy việc âp dụng câc
nghiắn cứu lý thuyết trắn đđy đối với nguyắn liệu dứa cũng còn nhiều hạn chế.
b) Nghiắn cứu về mây ĩp vắt
Khi nghiắn cứu về mây ĩp vắt dùng để sản xuất thực phẩm, A.Ia. Xokolov (Xokolov A.Ia., 1976) [42], (ứĩắĩịĩđ A.ư, 1973) [71] đê nghiắn
cứu mô hình mẫu trong đó nguyắn liệu được nạp đầy trong buồng ĩp vă được
coi lă vật thể không chịu nĩn, sự liắn kết giữa trục vắt với khối nguyắn liệu
giống như sự liắn kết giữa cặp vắt, đai ốc có ren hình chữ nhật, trong đó vắt đẩy lă vật thể rắn còn khối nguyắn liệu chuyển động trong đó lă Ộđai ốc dẻoỢ.
Để xâc định công suất ĩp vă lượng nhiệt sinh ra trong buồng ĩp, A.Ia.
Xokolov đê sử dụng sự phụ thuộc giữa lực toăn phần P vă lực động Q trong cơ cấu ren vắt vă coi Ộđai ốc dẻoỢ chỉ dịch chuyển trong buồng ĩp theo phương dọc trục.
Quan hệ giữa lực động Q vă lực toăn phần P theo công thức:
tb
QP.tg( ) (1.7)
Trong đó:
Q- lực tâc dụng lắn trục vắt tại đường kắnh trung bình , N; P- lực toăn phần do âp suất ĩp gđy nắn, N;
tb- góc nđng cânh vắt tại đường kắnh trung bình, độ;
- góc ma sât giữa nguyắn liệu vă bề mặt cânh vắt, độ.
Trong quâ trình lăm việc khi trục vắt quay thì Ộđai ốc dẻoỢ chuyển động
tịnh tiến dọc trục, do vậy có sự trượt tương đối giữa nguyắn liệu vă cânh vắt, giữa nguyắn liệu vă bề mặt buồng ĩp sinh ra lực ma sât có thể lăm nóng khối
nguyắn liệu vă lăm giảm chất lượng sản phẩm.
Lý thuyết về ĩp trục vắt xoắn đối với nguyắn liệu dứa lă vấn đề rất phức
tạp. Để nghiắn cứu vấn đề đó, câc tâc giả đê phải đặt ra nhiều giả thiết, có giả
thiết gần đúng với thực tế, có giả thiết còn chưa đúng với thực tế, phụ thuộc
rất nhiều văo loại nguyắn liệu vă cấu tạo của bộ phận ĩp. Vì vậy kết quả thu được chỉ phản ânh đúng một phần câc hiện tượng xảy ra trong quâ trình ĩp. Từ đó khả năng ứng dụng câc kết quả nghiắn cứu năy văo việc xâc định câc
thông số về cấu tạo vă chế độ lăm việc để nđng cao năng suất vă chất lượng
1.3.1.2 Tình hình nghiắn cứu công nghệ sản xuất nước dứa trắn thế giới
Hiện nay ở câc nước tiắn tiến trắn thế giới, việc chế biến câc sản phẩm
từ dứa thường được thực hiện theo quy trình công nghệ tiắn tiến trắn câc dđy chuyền sản xuất hiện đại, mức độ cơ giới hóa vă tự động hóa cao. Sản phẩm
chế biến từ dứa bao gồm nhiều loại, trong đó nước dứa được sản xuất với số lượng lớn nhất do tiện lợi trong sử dụng vă bảo quản (Bertuzzi Food Processing, 2011) [45], (Keweijixie J.S.C, 2011) [73].
Quy trình sản xuất nước dứa ở mỗi quốc gia, mỗi nhă mây có thể có một
số đặc điểm khâc nhau nhưng đều tuđn theo quy trình chung (hình 1.7) (Vincent Corporation, 2002) [67], (USDA, 2011) [68].
Hình 1.7 Quy trình công nghệ sản xuất nước dứa
Sản phẩm nước dứa gồm có: nước dứa tươi vă nước dứa cô đặc. Nước
dứa tươi được ĩp từ quả dứa tươi sau đó lọc vă đồng hóa, có nồng độ chất khô
từ 14 160Brix được sử dụng để uống trực tiếp không cần pha chế. Nước dứa cô đặc sau khi ĩp, lọc được cô đặc đến nồng độ từ 60 650Brix để bảo quản, sai đó được pha chế thănh nhiều loại sản phẩm khâc nhau trước khi sử dụng (Dennis
SX nước dứa tươi SX nước dứa cô đặc Dứa nguyắn liệu Rửa,
phđn loại Trắch ĩp Gia nhiệt Lọc thô
Cô đặc Thanh
trùng
Chiết rót,
đóng gói Bảo quản
Thanh trùng Bảo quản Phối trộn Chiết rót, đóng gói Đồng hóa Lọc tinh
R.H., Richard W.H., 1997) [48].
Quy trình sản xuất nước dứa tươi vă nước dứa cô đặc về cơ bản lă giống nhau từ công đoạn rửa, phđn loại, đến trắch ĩp, gia nhiệt vă lọc thô, câc
công đoạn sau đó có sự khâc biệt. Quy trình bao gồm câc công đoạn như sau: - Rửa, phđn loại: Dứa tươi được thu hâi vă tập kết về bêi nguyắn liệu, được kiểm tra để loại bỏ những quả không đủ kắch cỡ, dập nât, bẻ hoa, bẻ
cuống còn sót lại, sau đó qua bể ngđm vă vòi phun nước âp suất cao để rửa
sạch câc tạp chất. Quâ trình năy thực hiện hoăn toăn tự động ngay trắn băng
truyền của nhă mây (Timothy G. Conley, Christopher R. Udry, 2010) [64]. - Trắch ĩp: Công đoạn trắch ĩp lă tâch nước dứa ra khỏi bê dứa, thường dùng phương phâp nạo - ĩp hoặc băm - ĩp trắn mây tự động. Trong đó quả
dứa được vă tâch hết vỏ, nạo hoặc băm nhỏ, sau đó đưa văo mây ĩp kiểu trục
xoắn, vỏ dứa được thâo ra mâng phế liệu. Quâ trình trắch ĩp thực hiện hoăn toăn tự động, bê dứa sau khi ĩp có thể được phun nước thẩm thấu vă ĩp lại lần
nữa để nđng cao hiệu suất thu hồi dịch quả.
- Gia nhiệt: Nước dứa sau khi ĩp còn nhiều tạp chất, thịt quả, bê vụn,
câc chất dạng keo nhớt cần phải lọc ra khỏi dung dịch (Van der Meeren P., 2003) [65], trước khi lăm lắng keo cần phải phâ vỡ măng keo bằng phương phâp
gia nhiệt, đun nóng hỗn hợp đến nhiệt độ 60 70oC để lăm kết tủa câc chất keo.
Quâ trình gia nhiệt có thể được thực hiện nhiều lần, trước mỗi lần lọc thô hoặc
lọc tinh. Quâ trình gia nhiệt được tiến hănh trong câc thiết bị gia nhiệt dùng năng lượng nhiệt từ hơi nước được cung cấp từ bộ phận cấp hơi.
- Lọc: Sau khi gia nhiệt câc chất keo kết tủa kĩo theo câc tạp chất. Dịch
quả được đưa qua thiết bị lọc thô kiểu lưới săng vă sau đó qua thiết bị lọc tinh để loại bỏ hoăn toăn câc tạp chất không mong muốn (Crank J., 1975) [46], dịch quả được gia nhiệt trước mỗi lần lọc.
Sau công đoạn lọc thô, tùy theo loại sản phẩm nước dứa tươi hay nước
Đối với nước dứa cô đặc, quy trình sản xuất tiếp theo gồm câc khđu: - Cô đặc: Nước dứa ĩp có nồng độ chất khô trong khoảng 12 đến 14
0
Brix, cần phải cô đặc đến nồng độ 60 đến 650Brix mới đạt tiắu chuẩn nước
dứa cô đặc . Quâ trình cô đặc được tiến hănh trong câc nồi cô chđn không để lăm tăng tốc độ bốc hơi nước vă giảm nhiệt độ của dung dịch cô đặc nhằm
hạn chế quâ trình biến đổi hóa thănh phần học của nước dứa cô đặc.
- Thanh trùng: Nước dứa sau khi cô đặc được đưa văo thùng chứa để
chờ chiết rót văo bao bì, trước khi chiết rót được đưa qua thiết bị thanh trùng bằng phương phâp nhiệt ở nhiệt độ từ 90 đến 100oC trong thời gian khoảng 30 đến 60 giđy nhằm tiắu diệt những vi khuẩn có khả năng lăm hư hỏng sản phẩm để có thể bảo quản lđu dăi (Department of Food Engineering, 2005) [49].
- Chiết rót, đóng gói: Để bảo quản, vận chuyển đến nơi tiắu thụ, nước
dứa cô đặc được đóng văo câc thùng chứa có khối lượng chứa từ 200 đến
300kg/1 thùng hoặc đóng văo bao bì bằng chất dẻo có khối lượng từ 15 đến
30kg/1 bao. Quâ trình chiết rót vă đóng bao được thực hiện trong thiết bị vô
trùng hoặc thiết bị đóng bao chđn không để đảm bảo không cho vi khuẩn xđm
nhập văo sản phẩm.
- Bảo quản: Nước dứa cô đặc sau khi đóng gói được kiểm tra lần cuối,
dân nhên kiểm tra, in ngăy sản xuất vă hạn dùng rồi được vận chuyển văo kho bảo quản trước khi xuất đi tiắu thụ.
Đối với nước dứa tươi, quy trình sản xuất tiếp theo gồm câc khđu:
- Đồng hóa: Thịt quả chứa nhiều chất dinh dưỡng vă vitamin tạo nắn mùi vị thơm ngon của nước dứa, nhưng thịt quả có kắch thước hạt khâ lớn vă
không đồng nhất nắn dễ bị lắng xuống tạo nắn sự phđn tầng lăm mất mỹ quan
vă gđy bất tiện khi sử dụng. Để khắc phục điều đó người ta tiến hănh đồng
hóa bằng câch nĩn dịch quả dưới âp suất cao hăng trăm kG/cm2 sau đó phun
đến kắch thước rất nhỏ, tạo nắn sự đồng nhất trong dịch quả.
- Lọc tinh: Dịch quả sau khi đồng hóa được đưa thiết bị lọc tinh để loại bỏ
hết câc chất rắn lơ lửng nhằm lăm trong dịch quả. Thiết bị lọc tinh thường dùng kiểu lắng lọc hoặc kết hợp lắng với ly tđm để lọc (George D.S., Kostaropoulos A.E., 2002) [55]. Dịch quả được gia nhiệt từ 80 đến 900C trước khi đưa văo lọc tinh để lăm giảm độ keo nhớt của dung dịch.
- Phối trộn: Để nđng cao giâ trị dinh dưỡng, giâ trị cảm quan vă mùi vị thơm ngon của sản phẩm, người ta thường pha chế thắm đường, hương liệu vă câc axit hữu cơ, thường dùng axit xitric để sản phẩm đạt độ axit từ 0,5 0,6%. Sau khi pha chế, nồng độ chất khô tổng số của sản phẩm đạt từ 14 160Brix.
- Chiết rót, đóng gói: Nước dứa sau khi phối trộn được đưa văo thiết bị
chiết rót văo chai, lon hoặc đóng văo câc túi bằng chất dẻo. Thiết bị chiết rót, đóng bao tự động trong môi trường vô trùng hoặc chđn không.
- Thanh trùng: Nước dứa sau khi đóng văo bao bì được đưa qua thiết bị
thanh trùng ở nhiệt độ khoảng 900C trong thời gian 1 phút để tiắu diệt câc vi
khuẩn có thể lăm hư hỏng sản phẩm trong quâ trình bảo quản.
- Bảo quản: Nước dứa sau khi thanh trùng được kiểm tra lần cuối, dân
nhên sau đó được đưa văo kho bảo quản.
1.3.1.3 Thiết bị ĩp nước dứa trắn thế giới
Trắn thế giới, công nghiệp sản xuất nước dứa đê hình thănh vă phât triển
nhiều thế kỷ qua. Tại câc nước có ngănh công nghiệp chế biến dứa phât triển, hầu như tất cả câc khđu trong dđy chuyền công nghệ sản xuất nước dứa đê được cơ khắ hóa vă tự động hóa, trong đó khđu ĩp nước dứa thường được thực hiện
trắn thiết bị ĩp kiểu vắt xoắn.
Hình ảnh một dđy chuyền sản xuất nước dứa cô đặc của hêng Tetra Pak (Thụy Điển) có năng suất 10t/h (hình 1.8).
Hình 1.8 Dđy chuyền sản xuất nước dứa cô đặc (Thụy Điển)
Quâ trình sản xuất nước dứa cô đặc thực hiện một câch liắn tục từ khđu đầu tiắn (nhập liệu) đến khđu cuối cùng (thănh phẩm), có thiết bị kiểm tra
giâm sât chặt chẽ câc thông số công nghệ của từng khđu trong quy trình sản
xuất. Điểm chú ý trong dđy chuyền thiết bị năy, nguyắn liệu trước khi đưa văo ĩp được nạo thănh câc mảnh vụn rất nhỏ, thuận lợi cho quâ trình ĩp nhưng lượng xơ lẫn theo dịch quả nhiều gđy khó khăn cho quâ trình lọc.
Hình 1.9 lă một dđy chuyền sản xuất nước dứa cô đặc Model C.I.P-10 của hêng Bertuzzi (Italy) có năng suất 10t/h.
Hình 1.9 Dđy chuyền sản xuất nước dứa cô đặc (Italy)
Dđy chuyền thiết bị sản xuất nước dứa cô đặc (hình 1.9) lă dđy chuyền
sản xuất dứa cô đặc hiện đại khâc. Quâ trình sản xuất được tự động hóa hoăn toăn (Bertuzzi Food Processing, 2011) [45]. Trong dđy chuyền thiết bị năy, nguyắn liệu được băm trước khi ĩp, vì thế hạn chế được lượng bê vụn lẫn văo