Thiết bị cô đặc mật ong kiểu chân không dạng nồi có cánh khuấy

Phần 5 Kết luận và kiến nghị

2.11. Thiết bị cô đặc mật ong kiểu chân không dạng nồi có cánh khuấy

2.4.2.3. Thiết bị cô đặc mật ong kiểu chân không dạng nồi có piston chuyển động

Thiết bị cơ đặc mật ong kiểu chân khơng dạng nồi có piston chuyển động của Trung tâm Công nghệ và thiết bị lạnh Trường Đại học Nơng lâm thành phố Hồ Chí Minh chế tạo hình 2.12(Nguyễn Hay & cs., 2012).

a) Hình ảnh thiết bị b) Sơ đồ nguyên lý cấu tạo

1- Máy nén khí; 2- Van điện từ 3 ngã; 3- Thùng dự trữ; 4- Bơm ly tâm; 5- Bơm chân khơng; 6- Bình tách lỏng; 7- Dàn nóng; 8- Máy nén lạnh; 9- Dàn lạnh; 10- Dàn ống ngưng tụ ẩm; 11- Tủ điện; 12- Điện trở;

13- Van cấp nước; 14- Piston khí nén; 15- Buồng cơ đặc; 16- Đường ống cấp khí nén; 17- Van phao; 18- Ống thủy quan sát mật; 19- Lớp cách nhiệt; 20- Ống thủy quan sát mực nước; 21- Khay đảo mật;

22- Van điện từ; 23- Ống dẫn nước.

Hình 2.12. Thiết bị cơ đặc mật ong kiểu chân khơng dạng nồi có piston chuyển động

Nguồn: Nguyễn Hay & cs. (2012)

Mật ong được đưa vào buồng cơ đặc, lớp áo nước bên ngồi gia nhiệt cho mật ong đúng nhiệt độ đã chọn, piston khí nén có nhiệm vụ đưa mật ong từ đáy thùng đi lên và tản ra nhờ khay có đột lỗ tạo thành màng mỏng, giọt nhỏ để tăng diện tích thốt ẩm (q trình này được lặp lại trong suốt q trình cơ đặc). Bơm chân khơng có nhiệm vụ đưa hơi ẩm ra ngồi thơng qua chùm ống ngưng tụ và bình tách lỏng. Mật sau khi đạt độ ẩm yêu cầu sẽ được xả ra ngoài.

Ưu điểm: Dùng nhiệt độ cô đặc thấp nên hàm lượng HMF không bị tăng cao, chất lượng mật ong đảm bảo, giữ được hương vị và màu sắc.

2.5. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM VỀ CÔ ĐẶC MẬT ONG VỀ CÔ ĐẶC MẬT ONG

2.5.1. Các cơng trình nghiên cứu ở trên thế giới

(Schellart, 2011) đã nghiên cứu tính lưu biến và tỷ trọng của đường trong xi-rô và mật ong. Kết quả đã xác định được hệ số giãn nở thể tích αv do nhiệt là:

2 1 v 1 2 1 V V 1 . V T T     (2.1)

Trong đó: V1, V2- thể tích, m3; ở nhiệt độ T1, T2 (oC), tương ứng; Hoặc: 1 2 v 2 1 2 1 . T T        (2.2)

Với ρ1 và ρ2 là khối lượng riêng ở nhiệt độ T1, T2 (oC), tương ứng.

Bakier (2007) đã nghiên cứu tính chất lưu truyền của mật ong ở trạng thái lỏng và kết tinh. Nghiên cứu được thực hiện trên vài trăm mẫu mật ong trong một phạm vi nhiệt độ rộng từ 260330 K đã xác định được sự phụ thuộc của độ nhớt động lực học  với nồng độ và nhiệt độ dung dịch mật ong theo phương trình:

22

1, 27.10 .exp( 38,363.W 0,1398.T)

   

Trong đó: - độ nhớt động lực học của dung dịch, N.s/m2 ; W- nồng độ dung dịch, %;

T- nhiệt độ dung dịch, K.

Crapiste & Lozano (1988) đã nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ và áp suất

đến điểm sôi. Một quy trình thử nghiệm được nghiên cứu để đo điểm sôi của dung dịch đường sucrose, đường chuyển hóa. Độ tăng điểm sôi của các dung dịch glucose, fructose và sucrose đã được xác định ở các áp suất và nồng độ khác nhau, nằm trong khoảng từ 72700 mbar và 1782° Brix tương ứng. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng cả nồng độ và áp suất đều ảnh hưởng đáng kể đến độ tăng điểm sơi. Phương trình thực nghiệm có dạng:

r

T W exp( W)p 

    (2.3)

Trong đó: ΔTr – độ tăng điểm sôi, oC;

W- nồng độ khối lượng của chất rắn hòa tan, (oBrix); p- áp suất chân không (mbar);

Bảng 2.7. Giá trị của các hệ số thực nghiệm để đánh giá độ tăng điểm sôi của các dung dịch đường

α.102 β γ.102 δ r2 σ

Đường sucrose 3,0612 0,09417 5,329 0,1356 0,999 0,083

Đường chuyển hóa 2,2271 0,5878 3,593 0,1186 0,997 0,078

Nước táo 1,3602 0,7489 3,390 0,1054 0,998 0,062

Nguồn: Crapiste & Lozano (1988)

r2 = hệ số tương quan (bình phương) σ = sai số chuẩn

Heldman & cs. (2019) đã nghiên cứu q trình truyền nhiệt để làm nóng và làm lạnh nước trái cây, dung dịch đường, sữa và mật ong. Tác giả mơ tả tốn học về cả truyền nhiệt ở trạng thái ổn định và trạng thái khơng ổn định. Mơ tả về các đặc tính nhiệt quan trọng của thực phẩm bằng các mơ hình tốn học. Bảng 2.8 giới thiệu tính chất nhiệt vật lý của các thành phần của dung dịch đường phụ thuộc vào nhiệt độ.

Bảng 2.8. Tính chất nhiệt vật lý của các thành phần trong dung dịch đường phụ thuộc vào nhiệt độ

Tính chất nhiệt

Thành phần

chính Điều kiện nhiệt độ T(oC)

k(W/m.oC) Đạm 1 3 6 2 k1, 7881.10 1,1958.10 T 2, 7178.10 T   Đường 1 3 6 2 k2, 0141.10 1,3874.10 T 4,3312.10 T   Xơ 1 3 6 2 k1,8331.10 1, 2497.10 T 3,1683.10 T   Tro k3, 2962.1011, 4011.10 T 2,9069.10 T3  6 2 α(mm2/s) Đạm 2 4 6 2 6,8714.10 4, 7578.10 T 1, 4646.10 T      Đường 2 4 6 2 8, 0842.10 5,3052.10 T 2,3218.10 T      Xơ 2 4 6 2 7,3976.10 5,1902.10 T 2, 2202.10 T      Tro  1, 2461.1013, 7321.10 T 1, 2244.10 T4  6 2 ρ(kg/m3) Đạm 3 1 1,3299.10 5,1840.10 T    Đường 3 1 1,5991.10 3,1046.10 T    Xơ 3 1 1,3115.10 3, 6589.10 T    Tro  2, 4238.1032,8063.10 T1 Cp(kJ/kg.oC) Đạm 3 6 2 p C 2, 0082 1, 2089.10 T 1,3129.10 T   

Tính chất nhiệt

Thành phần

chính Điều kiện nhiệt độ T(oC)

Đường 3 6 2 p C 1,54488 1,9625.10 T 5,9399.10 T    Xơ 3 6 2 p C 1,8459 1,8306.10 T 4,6509.10 T    Tro Cp 1,0926 1,8896.10 T 3,6817.10 T 3  6 2

Hàm nhiệt độ của nước

Nước 1 3 6 2 w k 5, 7109.10 1, 7625.10 T 6, 7036.10 T   1 4 6 2 w 1, 3168.10 6, 2477.10 T 2, 0422.10 T     2 3 3 2 w 9, 9718.10 3,1439.10 T 3, 7574.10 T     

Cpw1 trong khoảng nhiệt độ từ - 40  0oC.

3 4 2

pw1

C 4,1289 5,3062.10 T 9,9516.10 T   

Cpw2 trong khoảng nhiệt độ từ 0 150oC

5 6 2

pw2

C 4,1289 9, 0864.10 T 5, 4731.10 T   

Nguồn: Heldman & cs. (2019)

2.5.2. Các cơng trình nghiên cứu ở trong nước

Nguyễn Hay & cs. (2012) đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm thiết bị cô đặc mật ong theo nguyên lý chân không với năng suất 20 kg/mẻ.

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ cô đặc và tần số đảo trộn của bộ phận đảo trộn mật trong quá trình cơ đặc đến hàm lượng HMF của mật ong sau cơ đặc và chi phí năng lượng riêng cho kết quả như sau:

HMF = 91,5774 - 3,86516.t + 0,553626.f + 0,0595.T2 - 0,03625.T.f +

0,0382812.f2 (2.4)

Ar=0,796893-0,0296074.T-4,98077.10-3.f+3,275.10-1.T2+2,61719.10-4.f2 (2.5) Với T (nhiệt độ); f (tần số đảo trộn).

Các thông số hoạt động tối ưu và các chỉ tiêu tối ưu của thiết bị cô đặc mật ong xác định là HMFmin=27 mg/kg và Armin=0,114 kWh/kg tại nhiệt độ 39,9oC và tần số đảo trộn 10 lần/phút.

Vũ Kế Hoạch & cs. (2010) đã nghiên cứu thiết kế chế tạo và khảo nghiệm xác

Kết quả khảo nghiệm đã xác định được phương trình biểu diễn sự ảnh hưởng của nhiệt độ sấy, vận tốc sấy và đường kính lỗ sàng đến hàm lượng HMF trong mật ong sau khi sấy và mức chi phí điện năng riêng theo phương án thực nghiệm bậc hai:

Ar = 4,61613 – 0,0911846.T - 0,999206.v – 0,833025.d + 2,25.10-3.T.d + 0,04375.v.d + 7,87531.10-4 + 0,425915.v² + 0,0858241.d² (2.6) HMF = 20,438 - 0,288468.T - 3,85298.v – 5,39652.d + 0,0375.T.v + 2,62943.10-3T + 1,06887.v2 + 0,665994.d2 (2.7)

Với T (nhiệt độ sấy); v (tốc độ sấy); d (đường kính lỗ sàng).

Bài tốn tối ưu đa mục tiêu được lập trên cơ sở hai chỉ tiêu HMF và chi phí điện năng riêng được giải bằng phần mềm Excel. Kết quả giải bài toán tối ưu đã xác định được chế độ làm việc tối ưu của máy như sau: nhiệt độ tác nhân sấy 48,3°C, tốc độ tác nhân sấy 0,95 m/s và đường kính lỗ sàng 4 mm.

2.6. SỰ KẾT TINH CỦA ĐƯỜNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KẾT TINH ĐƯỜNG TRONG MẬT ONG TINH ĐƯỜNG TRONG MẬT ONG

2.6.1. Sự kết tinh của đường mật ong trong q trình tồn trữ

Mật ong có thuộc tính tự nhiên sẽ kết tinh trong quá trình bảo quản. Điều này không đáp ứng được thị hiếu của người tiêu dùng (Tosi & cs., 2004). Ngoài ra, sự kết tinh sẽ dẫn đến sự lên men và sự phát triển của nấm do độ ẩm cao. Để hạn chế được quá trình kết tinh tự nhiên và giảm hàm lượng nước trong mật ong trong quá trình bảo quản, mật ong thường được chế biến trước khi đưa ra thị trường. Cho đến nay, phương pháp phổ biến nhất trong chế biến mật ong là phương pháp sấy bơm nhiệt, hấp,... (Tosi & cs., 2004). Sự gia nhiệt sẽ giúp phá kết tinh, giảm hàm lượng nước và diệt nấm men trong mật ong. Tuy nhiên, gia nhiệt được chứng minh gây ảnh hưởng không tốt tới chất lượng mật ong như phá huỷ dinh dưỡng, làm giảm hoạt động của enzym, và làm tăng hàm lượng HMF (Tosi & cs., 2004; D’Arcy, 2007). Do đó, các phương pháp chế biến mật ong không dùng nhiệt đã được đề xuất.

Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các tạp chất trong mật ong như các phần của con ong, sáp ong và phấn hoa góp phần rất lớn vào việc tạo mầm đẩy nhanh quá trình kết tinh trong mật ong. Do đó, nếu mật ong được lọc kỹ sẽ làm giảm quá trình kết tinh trong mật ong. Dựa trên cơ sở này, các phương pháp vi lọc đã

được giới thiệu vào quá trình chế biến mật ong. Phương pháp vi lọc phổ biến là sử dụng đất xốp từ tảo cát. Đất xốp từ tảo cát được sử dụng để chế tạo màng lọc với kích thước lỗ từ 0,51,0µm. Màng lọc từ loại đất đặc biệt này cho lọc tất cả các tạp chất như phấn hoa, sáp ong và đặc biệt có thể lọc được một số loại vi khuẩn và bất kỳ tạp chất có kích thước từ µm. Trong phương pháp này, mật ong được hâm nóng nhẹ để có thể đi qua được lỗ lọc có kích thước µm.

2.6.2. Các phương pháp phá kết tinh mật ong quá trình tồn trữ

2.6.2.1. Phá kết tinh mật ong bằng phương pháp cơ lý

a. Phá kết tinh mật ong theo phương pháp sử dụng nhiệt kết hợp cánh khuấy

Quá trình phá kết tinh mật ong được thực hiện theo nguyên lý gia nhiệt làm nóng mật và tiến hành khuấy đảo trong q trình xử lý. Nhiệt lượng được cung cấp bằng gas hoặc hơi q nhiệt thơng qua lớp áo nước bên ngồi thùng chứa mật có cánh khuấy. Nhiệt độ mật ong bên trong thùng được cấp nhiệt khoảng 55oC kết hợp khuấy liên tục trong khoảng 1,5 giờ góp phần phá tan các tinh thể trong mật ong. Tuy nhiên, phương pháp xử lý này sẽ làm cho mật không đồng đều và lớp mật tiếp xúc với đáy thùng có nhiệt độ cao hơn nên dễ làm thay đổi chất lượng mật.

b. Phá kết tinh mật ong theo nguyên lý chân không ở nhiệt độ thấp

Mật ong được đun nóng ở nhiệt độ thấp trong điều kiện chân khơng làm nóng chảy các tinh thể đường trong mật. Trong điều kiện chân không nên mật ong được đun nóng kết hợp với cánh khuấy phù hợp đến điểm các tinh thể bị nóng chảy nhưng chất lượng mật ong đảm bảo. Tuy nhiên, chi phí đầu tư và độ phức tạp của thiết bị chân không là trở ngại lớn cho phương pháp phá kết tinh này.

c. Phá kết tinh mật ong bằng phòng ủ

Để phá kết tinh theo nguyên lý phịng ủ, mật được cho vào thùng chứa có hệ số dẫn nhiệt lớn như kim loại để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt từ phòng ủ với mật bên trong. Nhiệt độ bên trong phịng ủ duy trì ở 40÷45oC. Tuy nhiên, phương pháp này mất rất nhiều thời gian.

2.6.2.2. Phương pháp phá kết tinh mật ong bằng sóng siêu âm

a. Cơ chế hoạt động sóng siêu âm

Sóng âm thanh là sự rung động truyền qua môi trường, chẳng hạn như khơng khí, nước và kim loại. Sóng siêu âm được định nghĩa là “âm thanh khơng

nghe được với tần số cao đối với con người”, tần số thường vượt quá 20 kHz (hình 2.13) (Sonotec, 2022).

Hình 2.13. Các dãy tần số sóng siêu âm

Nguồn: Sonotec (2022)

Sóng siêu âm là sóng cơ học hình thành do sự lan truyền dao động của các phần tử trong khơng gian có tần số lớn hơn giới hạn trên ngưỡng nghe của con người. Sóng siêu âm có bản chất là sóng kéo và sóng nén, nghĩa là trong trường siêu âm các phần tử dao động theo phương cùng với phương truyền của sóng (Blog, 2022; Villamiel & Montilla, 2017). Trong q trình phát sóng siêu âm đã tạo ra chu trình kéo và nén, khi nén các phân tử ở gần nhau hơn tạo nên các bọt khí nhỏ, khi kéo sẽ làm cho các phân tử tách nhau tạo ra áp suất âm, khí và hơi nước xâm nhập vào trong bọt làm cho các bọt khí - hơi nước lớn dần (hình 2.14). Sau một số chu trình kéo-nén, kích thước của bọt tăng đến trị số tối đa, bọt sẽ bị vỡ, khí và hơi được thốt ra ngồi. Ngồi ra, sóng siêu âm truyền vào trong lòng chất lỏng sẽ gây nên sự kích thích mãnh liệt. Tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha lỏng- rắn hay khí-rắn, sóng siêu âm gây nên sự hỗn loạn cực độ do tạo thành những vi xoáy. Hiện tượng này làm giảm ranh giới giữa các pha, tăng cường sự chuyển khối đối lưu và thúc đẩy quá trình khuếch tán, nhờ đó đã làm tăng nhanh sự đồng nhất giữa pha lỏng và pha rắn mà ở một vài trường hợp quá trình khuấy trộn thông thường không đạt được (Ye, 2015; Villamiel & Montilla, 2017).

Hình 2.14. Quá trình hình thành và phá vỡ bọt khí

Nguồn: Blog (2022)

Sóng siêu âm phân thành 3 loại: Siêu âm tần số thấp (20÷100kHz): Ứng dụng trong điều khiển quá trình kết tinh, loại khí khỏi thực phẩm dạng lỏng, vơ hoạt enzyme. Siêu âm tần số cao (100kHz÷MHz): Xác định tính chất hóa lý của thực phẩm cũng như thành phần cấu trúc và trạng thái vật lý của thực phẩm. Siêu âm chẩn đốn (5÷10MHz): Phần lớn, những nghiên cứu về sóng siêu âm trong thực phẩm thường giới hạn trong khoảng 20÷40kHz (Pmg, 2021).

b. Thiết bị phát sóng siêu âm

Thiết bị phát sóng siêu âm gồm 3 bộ phận chính: máy phát điện, bộ chuyển đổi và bộ phận phát sóng.

Máy phát điện là một nguồn cung cấp năng lượng cho hệ thống siêu âm, làm cho bộ chuyển đổi hoạt động sinh ra dòng điện với một mức năng lượng được xác định và hiệu chỉnh một cách gián tiếp qua việc cài đặt hiệu điện thế (V) và cường độ dòng điện (I). Hiệu điện thế biểu thị bằng thế năng, cường độ dịng điện biểu thị bằng điện tích của các electron di chuyển qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. Thông thường các máy phát điện được thiết kế trong khoảng tần số (2040 kHz).

Bộ chuyển đổi: xem như một chi tiết trung tâm, vai trị của nó dùng để phát sóng siêu âm, chuyển đổi điện năng thành cơ năng, năng lượng âm thanh bằng việc rung động cơ học tại những tần số siêu âm, thường tạo ra tiếng huýt trong chất lỏng.

Bộ phận phát có nhiệm vụ phát ra sóng siêu âm từ bộ chuyển đổi vào trong mơi trường. Bộ phận phát có hai dạng chính: bộ phận phát gắn cố định vào mặt dưới của bể siêu âm và bộ phận phát dạng thanh gắn trực tiếp vào bể siêu âm.

Trong sóng siêu âm, rung động âm thanh thường được tạo ra bởi một bộ chuyển đổi áp điện, bao gồm hai phần tử gốm ln thay đổi kích thước của chúng một cách chính xác và có thể lập lại để đáp ứng với điện trường. Vì vậy, nếu một điện trường xoay chiều được đặt vào, các phần tử gốm di chuyển lên, xuống và có thể lập đi, lập lại ở mức độ cao hình 2.15 (Bermudez-Aguirre, 2017).

a) Gắn cố định vào mặt ngoài của bể siêu âm

b) Gắn trực tiếp vào trong bể siêu âm

Hình 2.15. Bộ phận phát sóng siêu âm