Phần 5 Kết luận và kiến nghị
2.15. Bộ phận phát sóng siêu âm
34
c. Ý nghĩa và ứng dụng công nghệ siêu âm
Ứng dụng của sóng âm tần số 20kHz trong thực phẩm dùng để bảo quản, chiết xuất và biến đổi các chất chống oxy hóa, hoạt tính sinh học. Siêu âm gây ra sự phá hủy các hạt tinh thể, mơ cơ học bởi chu trình kéo và nén, đồng nhất hóa pha lỏng-rắn hoặc khí-rắn,… Sóng siêu âm tần số trên 20 kHz có thể tiêu diệt vi khuẩn bằng cách làm thủng thành tế bào vi khuẩn và màng tế bào (Mumtaz & cs., 2019).
Mật ong là một dung dịch đường có xu hướng kết tinh. Đây là một q trình khơng mong muốn cần phải tránh trong qui trình sản xuất mật ong. Cơng nghệ siêu âm giúp hịa tan các tinh thể monohydrat D- glucosa (phá kết tinh) đồng thời loại bỏ các tinh thể xuất hiện trong mật ong góp phần làm chậm q trình kết tinh trở lại của mật ong trong quá trình tồn trữ.
Rahima (2014) đã sử dụng phương pháp gia nhiệt và sóng siêu âm có tần số 20 kHz để nghiên cứu phá kết tinh trong mật ong. Kết quả cho thấy sóng siêu âm với tần số 20kHz có thể phá kết tinh trong 150g mật ong với thời gian 3 phút.
Trong khi đó, mặc dù được làm nóng tới 70oC phương pháp gia nhiệt khơng thể
phá huỷ hồn tồn kết tinh trong 150g mật ong sau 34 phút. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, mật ong được xử lý bằng sóng siêu âm khơng bị kết tinh trở lại sau 350 ngày. Nghiên cứu khác đã cho thấy rằng nếu mật ong được xử lý bằng
sóng siêu âm tại tần số 18kHz dưới nhiệt độ từ 10 đến 38oC trong thời gian 5 phút
thì sự kết tinh và lên men trong mật ong sẽ được ngăn chặn hoàn toàn.
Nghiên cứu Tosi & cs. (2004) và Turhan & cs. (2008) cho thấy, việc sử
dụng nhiệt độ cao 80oC trong thời gian ngắn 30÷60 giây làm giảm độ nhớt, nấm,
vi sinh vật, ức chế q trình phát triển kết tinh từ 4÷8 tuần.
Kết quả nghiên cứu của Rahima, (2014) cho thấy mật ong được xử lý siêu
âm ở tần số 40kHz và nhiệt độ 40÷50oC trong thời gian 120 phút có khả năng
tiêu diệt được 50% một số nấm men Saccharomyces cerevisiae. Khả năng tiêu diệt được vi sinh vật cũng như chuyển hóa glucose, hạn chế sẫm màu trong mật ong được xác định có liên quan đến enzyme glucose-oxidase.
Nghiên cứu của Janghu & cs. (2017) cho thấy mật ong được xử lý siêu âm
ở tần số 20kHz và giữ nhiệt độ ổn định 40÷50oC cũng có khả năng kiểm soát một
số vi sinh vật hiếu khí như coliforms, nấm men và nấm mốc; đồng thời tại điều kiện tối ưu hóa khả năng hoạt động của enzyme diastase.
35
Nghiên cứu Kabbani & cs. (2011) cho thấy sóng siêu âm tần số 40 kHz ở
40÷60oC trong thời gian 60 phút có khả năng phá tinh thể và tiêu diệt nấm men
trong mật ong, không làm mật ong sinh ra HMF và duy trì tốt các yếu tố chất lượng. Quá trình phá kết tinh thể hiện rõ ràng và giữ trạng thái lỏng dài hơn so với xử lý nhiệt đơn thuần mà không cần tăng nhiệt độ.
Nghiên cứu Thrasyvoulou & cs. (1994) phá kết tinh mật ong bằng sóng siêu
âm 23kHz ở 60oC trong 30 phút, sự gia tăng trung bình của hàm lượng HMF thấp
hơn đáng kể (86%) so với xử lý nhiệt (129%), giữ ở trạng thái lỏng trong thời gian dài hơn so với mật ong đã qua xử lý nhiệt.
Nghiên cứu Lê Anh Đức (2019), thiết kế chế tạo và khảo nghiệm thiết bị phá kết tinh mật ong ứng dụng sóng siêu âm, tần số 28kHz thời gian 50 phút. Kết quả cho thấy hiệu quả rõ rệt khi ứng dụng sóng siêu âm xử lý mật ong so với phương pháp xử lý dùng nhiệt, thời gian xử lý giảm 45% và năng lượng cho quá trình xử lý phá kết tinh giảm 30%.
Do những hạn chế của những phương pháp phá kết tinh của mật ong theo phương pháp truyền thống là khơng kiểm sốt được sự kết tinh của mật ong, cũng như các điều kiện bảo quản. Do đó, trước nhu cầu thực tế phương pháp phá kết tinh trong mật ong bằng sóng siêu âm đạt được kết quả cao, kiểm soát quá trình lên men và chỉ số HMF trong mật ong. Sóng siêu âm là cơng nghệ được cho hiệu quả nhất trong chế biến mật ong trong giai đoạn hiện nay.
Hiện nay các thiết bị cô đặc mật ong ở Việt Nam chưa có khả năng phá kết tinh trong mật ong triệt để. Phần lớn mật ong sau khi cô đặc bằng bơm nhiệt hoặc cơ đặc khơng khí nóng, trong q trình tồn trữ (khoảng 2÷3 tháng) là có thể bị kết tinh trở lại. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến giá trị của mật ong Việt Nam xuất khẩu trên thị trường thế giới. Do đó, phương pháp sử dụng sóng siêu âm để phá kết tinh là một trong những phương pháp nghiên cứu tiên tiến và rất có chiều hướng pháp triển ở tương lai.
2.7. TỔNG HỢP LUẬN GIẢI NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu tổng quan về cơ đặc mật ong chúng tơi có kết luận nhằm định hướng cho nghiên cứu tiếp theo như sau:
1. Về công nghệ: Áp dụng công nghệ cô đặc mật ong trong điều kiện chân khơng cho phép giảm nhiệt độ cơ đặc nhờ đó đã nâng cao được chất lượng mật ong, đặc biệt là giảm được hàm lượng HMF có thể gây độc ảnh hưởng đến sức
36
bằng sóng siêu âm là cơng nghệ mới giúp cho mật ong không bị kết tinh trở lại trong thời gian tồn trữ đã góp phần làm tăng giá trị cảm quan của sản phẩm.
2. Về thiết bị cô đặc: Hiện nay trong sản xuất mật ong ở Việt Nam, chủ yếu vẫn sử dụng thiết bị cô đặc bằng bơm nhiệt hoặc sấy phun với tác nhân sấy là
khơng khí nóng ở nhiệt độ cao (45÷55oC),... Các thiết bị cơ đặc này có ưu điểm:
cấu tạo thiết bị đơn giản, chi phí đầu tư thiết bị thấp nhưng còn tồn tại nhiều nhược điểm: thời gian cô đặc kéo dài, hàm lượng dinh dưỡng, màu sắc và mùi vị đều bị giảm sút nhiều so với mật ong trước khi đưa vào cô đặc. Các thiết bị cơ đặc ở nước ngồi tiên tiến như thiết bị sấy thăng hoa. thiết bị sấy bơm nhiệt,… tạo ra chất lượng sản phẩm cao nhưng thiết bị có cấu tạo phức tạp, đắt tiền và năng suất thiết bị thấp,… Để nghiên cứu thiết kế thiết bị cô đặc, tác giả cần kế thừa ưu điểm của “Thiết bị cô đặc mật ong kiểu chân khơng dạng ống” (hình 2.6) là: dung dịch được đun nóng trong các ống nhỏ, dài nên nhiệt độ trong dung dịch đều, cường độ tuần hoàn lớn, cường độ bốc hơi cao trong và ưu điểm của thiết bị cô đặc chân khơng dạng nồi (hình 2.11) là: ứng dụng công nghệ siêu âm phá được hiện tượng kết tinh của mật ong trong q trình cơ đặc và kéo dài thời gian kết tinh trở lại trong quá trình tồn trữ, đồng thời tiêu diệt nấm men và vi sinh vật trong mật ong..
3. Về nghiên cứu lý thuyết: Những nghiên cứu lý thuyết về quá trình và thiết bị cơ đặc mật ong cịn q ít. Có một số cơng trình nghiên cứu (mục 2.5.1 và 2.5.2) chủ yếu xác định các thơng số vật lý của q trình cơ đặc mật ong: như nhiệt độ sôi của dung dịch, khối lượng riêng, độ nhớt động học, tính chất nhiệt của các thành phần trong dung dịch,...làm cơ sở hồn thiện cơng nghệ cơ đặc mật ong. Việc nghiên cứu xác định các thông số về cấu tạo và chế độ cơ đặc mật ong cịn rất hạn chế. Với mục tiêu của luận án là thiết kế thiết bị cô đặc, cần thiết phải xây dựng mơ hình tốn q trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng cô đặc nhằm biểu diễn mối quan hệ của các tham số về cấu tạo và chế độ làm việc của thiết bị cơ đặc, từ đó có thể xác định các thông số cơ bản về cấu tạo và chế độ cô đặc nhằm định hướng ban đầu cho việc thiết kế. Vì vậy, các cơng thức xác định các tính chất vật lý nêu trên là cơ sở quan trọng, góp phần hồn thiện mơ hình tốn mà luận án cần kế thừa.
4. Về nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định một số thông số tối ưu làm cơ sở cho việc hồn thiện cơng nghệ và thiết kế cải tiến thiết bị cô đặc nhằm triển khai áp dụng rộng rãi trong sản xuất.
37
PHẦN 3. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU
Địa điểm triển khai đề tài luận án như sau:
Thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm thiết bị cô đặc được thực hiện ở khoa Cơ Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng (Bộ Công thương), Trung tâm nghiên cứu ong và nuôi ong nhiệt đới thuộc Học viện Nông nghiệp Việt Nam.
Phân tích, đánh giá chất lượng sản phẩm mật ong trước và sau khi cô đặc được thực hiện ở Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long.
3.2. THỜI GIAN NGHIÊN CỨU
Các nội dung nghiên cứu chính của đề tài luận án được triển khai theo các mốc thời gian như sau:
Từ 5/2017 ÷ 5/2018 nghiên cứu sinh thực hiện nghiên cứu tổng quan tài liệu, thiết kế tổng thể Thiết bị cô đặc.
Từ 6/2018 ÷ 5/2019 chế tạo và hồn thiện Thiết bị cơ đặc.
Từ 6/2019 ÷ 12/2021 tiến hành các thí nghiệm trong chương trình nghiên cứu thực nghiệm, trong đó 7/2019 nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố, 6/2020 nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố, 3/2021 nghiên cứu thực nghiệm ở chế độ tối ưu, 12/2021 tiến hành thí nghiệm đối chứng với Thiết bị cô đặc được chế tạo trong nước.
3.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
3.3.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các thông số kỹ thuật của thiết bị cô đặc mật ong (ký hiệu CĐ-1) được thiết kế và chế tạo tại khoa Cơ - Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam. Đây là thiết bị cô đặc mật ong kiểu chân không dạng ống phối hợp công nghệ siêu âm, năng suất 16 kg/mẻ.
Sơ đồ nguyên lý cấu tạo thiết bị cô đặc kiểu chân không dạng ống phối hợp cơng nghệ siêu âm trên hình 3.1.
Thiết bị cơ đặc gồm 5 bộ phận chính: bộ phận cơ đặc, bộ phận phân ly dịch mật, bộ phận ngưng tụ hơi thứ, bộ phận phát sóng siêu âm, bộ phận điều khiển:
38
1- bơm chân không; 2- khung máy; 3- buồng ngưng tụ hơi thứ; 4- dàn lạnh; 5- dàn nóng; 6- block máy lạnh; 7- đồng hồ chân không; 8- hộp điều khiển điện; 9- ống dẫn hơi thứ; 10- ống dẫn mật sau khi phân ly
hơi thứ; 11- bộ phận phân ly dịch mật; 12- cảm biến nhiệt độ mật vùng bay hơi; 13- buồng bay hơi; 14- ống quan sát bọt dịch mật; 15- vành dẫn chất lỏng; 16- ống tuần hồn dịch mật; 17- buồng sơi; 18- cảm biến nhiệt độ mật ở buồng sôi; 19- van cấp nước; 20- buồng gia nhiệt bằng nước nóng; 21- ống quan sát mức nước trong buồng gia nhiệt; 22- bộ điện trở nhiệt; 23- van tháo nước; 24- van nạp liệu; 25- cửa lấy mẫu; 26- buồng chứa dịch mật; 27- đầu phát sóng siêu âm; 28- cảm biến nhiệt độ mật; 29- van tháo mật; 30- cửa nối bơm nước rửa; 31- máy bơm nước rửa; 32- thùng chứa nước rửa; 33, 35- cảm biến nhiệt độ buồng
ngưng tụ hơi thứ; 34- van xả nước ngưng; 36, 37- cảm biến nhiệt độ nước.
Hình 3.1. Thiết bị cơ đặc mật ong CĐ-1
Bộ phận cô đặc dạng ống hình trụ, đặt thẳng đứng. Theo chiều cao thiết bị cô đặc, bộ phận cô đặc được phân thành 5 buồng: buồng cấp liệu, buồng cấp nhiệt, buồng sôi bọt, buồng phá bọt, buồng bốc hơi.
Buồng cấp liệu (26) có dạng hình trụ, đáy hình chóp cụt, phía trên có lắp van nạp liệu, phía dưới có van xả mật sau khi cơ đặc, mặt ngồi có lắp các đầu phát sóng siêu âm. Ở vùng này tạo ra rất nhiều bọt chứa khí dưới tác động của
39
sóng siêu âm (gồm khơng khí và các loại khí khác sinh ra khi lên men cịn gọi là khí trơ). Buồng cấp nhiệt (20) dạng hình trụ được giới hạn bởi hai mặt bích trên dưới, trong đó có lắp 6 ống đun sôi (chứa dịch mật) có đường kính Ø21 theo vịng trịn đồng tâm bao quanh ống tuần hồn dịch mật (16) có đường kính Ø42. Bên ngoài các ống chứa đầy nước, được đốt nóng bằng bộ gia nhiệt điện trở. Buồng sơi bọt (17) có dạng hình trụ là nơi phát triển kích thước hạt bọt nhờ nhận thêm hơi nước trong dịch mật. Buồng phá bọt (15) là buồng có lắp vành dẫn chất lỏng. Đây là tổ hợp của các ống hình trụ đồng tâm có đường kính nhỏ dần từ ngoài vào trong nhằm tạo ra các khe hẹp hình vành khăn, phá vỡ hạt bọt để giải phóng hơi nước và khí trong các bọt đồng thời cũng tạo ra nhiều lớp màng mỏng để tăng diện tích bề mặt bốc hơi và tăng tốc độ chuyển động của dịch mật trong các khe hẹp theo hướng từ dưới lên trên. Buồng bốc hơi (13) ở trên vành dẫn chất lỏng là nơi tiếp nhận hơi thứ và phân ly dịch mật.
Bộ phận phân ly dịch mật (11) dạng vít xoắn được nối với phần trên của bộ phận cơ đặc có nhiệm vụ phân riêng hơi thứ để thu hồi tiếp phần dịch mật bị bay theo hơi thứ tránh gây lãng phí, đồng thời làm giảm tải và tránh ngưng tụ nước trong bơm chân không.
Bộ phận ngưng tụ hơi thứ (3) dạng hộp, vỏ ngoài được cách nhiệt với khơng khí mơi trường, một đầu được nối với ống dẫn hơi thứ, một đầu được nối với bơm chân không. Bên trong bộ phận phân ly hơi thứ có lắp 2 dàn lạnh (4) song song có nhiệm vụ ngưng tụ hơi thứ thành dạng lỏng nhằm tạo ra khơng khí khơ trước khi vào bơm chân không để vừa giảm tải cho bơm chân không vừa tránh ngưng tụ nước trong bơm.
Bộ phận phát sóng siêu âm (27) gồm 09 đầu phát sóng có tổng cơng suất 900W, tần số 28kHz được lắp ở phần đáy cơn của bộ phận cơ đặc, có nhiệm vụ tạo ra sóng siêu âm để tiêu diệt các vi sinh vật gây hại đồng thời phá kết tinh trong q trình cơ đặc và ngăn cản hiện tượng kết tinh trở lại của mật ong trong quá trình tồn trữ.
Bộ phận điều khiển (8) có nhiệm vụ điều khiển các thông số công nghệ trong q trình cơ đặc, bao gồm: điều khiển nhiệt độ nước ở vùng đốt nóng được thực hiện nhờ rơ le nhiệt, điều khiển nhiệt độ sôi của dịch mật được thực hiện nhờ điều chỉnh áp suất chân không thông qua việc thay đổi số vịng quay của bơm chân khơng bằng biến tần, điều khiển nhiệt độ ngưng tụ hơi thứ ở bộ phận ngưng tụ được thực hiện nhờ điều chỉnh nhiệt độ dàn lạnh,...
40
Ngoài ra trong thiết bị có lắp các ống quan sát mức nước (21) trong buồng gia nhiệt bằng nước nóng, ống quan sát q trình tạo bọt (14) trong vùng sơi và hệ thống bơm nước rửa máy.
Quá trình làm việc của Thiết bị cô đặc như sau: Khởi động cho thiết bị làm việc, dịch mật được bơm chân không hút vào thiết bị qua van nạp liệu nhờ áp suất chân không với khối lượng quy định vào buồng cấp liệu, qua vùng phát sóng siêu âm, sau đó vào các ống đun sôi nhận nhiệt từ nước nóng ở buồng đun nóng để đạt được nhiệt độ sơi theo u cầu công nghệ cơ đặc. Ở buồng đun sơi, kích thước bọt hơi tăng lên do nhận thêm lượng hơi nước trong dung dịch mật, khi đi vào buồng lỏng-hơi tiếp tục nhận thêm hơi nước làm kích thước bọt hơi tăng lên rất nhanh, dưới tác dụng của sức hút của bơm chân