1.6.1. Phân tích lựa chọn thông số tối ƣu
1.6.1.1. Nhiệt độ
Trong điều kiện độ ẩm không khí, vận tốc gió…không đổi thì tăng nhiệt độ của không khí sẽ làm tăng tốc độ làm khô. Nhiệt độ càng cao, lƣợng nƣớc trong nguyên liệu giảm càng nhiều, do đó nhiệt độ dấy cao thì tốc độ khô sẽ nhanh hơn. Vì vậy, chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nhiệt t1 và nguyên liệu t2 là động lực làm bay hơi nƣớc trong quá trình sấy:
d dw = K (t1 – t2) Trong đó: dW: Là lƣợng nƣớc bay hơi dτ: Thời gian sấy
K: Hệ số bay hơi
t1, t2: Nhiệt độ sấy và nhiệt độ nguyên liệu
Khi tăng nhiệt độ cũng chỉ tăng trong một giới hạn cho phép. Vì nhiệt độ làm khô cao sẽ ảnh hƣởng lớn tới chất lƣợng của sản phẩm, dễ làm cho sản phẩm nứt nẻ, tạo màng cứng ở bề mặt cản trở sự di chuyển của nƣớc từ trong ra ngoài.
Nhƣng nếu nhiệt độ quá thấp, dƣới giới hạn cho phép sẽ làm kéo dài thời gian sấy gây ra sự biến đổi trong vật liệu sấy, quá trình thối rửa sẽ sảy ra. Nhiệt độ làm khô thích hợp đƣợc xác định dựa vào nhiều yếu tố khác nhau, trong đó loại nguyên liệu tác động rất lớn đến việc lựa chọn chế độ sấy thích hợp.
6.1.1.2. Vận tốc chuyển động của không khí
Tốc độ chuyển động của không khí có ảnh hƣởng lớn đến quá trình làm khô, tốc độ gió quá lớn hoặc quá nhỏ sẽ không có lợi cho quá trình làm khô. Nếu tốc độ chuyển động không khí lớn khó giữ đƣợc nhiệt lƣợng trên nguyên liệu để cân bằng quá trình sấy. Ngƣợc lại tốc độ nhỏ sẽ làm cho quá trình làm khô chậm lại, dẫn đến sự hƣ hỏng sản phẩm do quá trình biến đổi của vi sinh, cũng hƣ các enzyme nội tại.
Hƣớng gió cũng ảnh hƣởng lớn tới quá trình làm khô, khi hƣớng gió thổi song song với bề mặt nguyên liệu thì tốc độ khô nhanh nhất. Nếu hƣớng gió thổi tới nguyên liệu với góc 50 độ thì quá trình làm khô tƣơng đối chậm, còn thẳng góc thì hiệu quả làm khô kém.
1.6.1.3. Độ ẩm không khí
Độ ẩm của không khí qua buồng sấy ảnh hƣởng quyết định đến quá trình làm khô. Độ ẩm không khí càng lớn thì quá trình làm khô sẽ chậm do tốc độ khuếch tán ngoại chậm, gây ra sự biến đổi chất lƣợng dƣới tác động của vi sinh vật. Độ ẩm không khí 80% thì quá trình làm khô sẽ dừng lại và xảy ra hiện tƣợng trái ngƣợc, tức là nguyên liệu sẽ hút ẩm.
Làm khô tự nhiên khó đạt đƣợc độ ẩm tƣơng đối của không khí (50%- 60%), để làm cho không khí có độ ẩm thích hợp cần tiến hành tách ẩm bằng cách hạ nhiệt độ không khí xuống dƣới nhiệt độ đọng sƣơng, hơi nƣớc sẽ ngƣng tụ, đồng thời hàm ẩm tuyệt đối của không khí cũng hạ xuống thấp. Nhƣ vậy để làm khô không khí ngƣời ta áp dụng phƣơng pháp.
1.6.1.4. Khoảng cách từ nguồn bức xạ tới vật liệu sấy
Ở cùng nhiệt độ sấy và các điều kiện sấy khác thì khi khoảng cách từ nguồn bức xạ tới vật liệu sấy tăng lên thì sự biến đổi hàm chậm hơn, tốc độ sấy cũng nhỏ hơn vì vậy thời gian sấy kéo dài làm ảnh hƣởng chất lƣợng sản phẩm sấy, hoạt động của vi sinh vật và enzyme nội tại. Do khoảng cách xa thì khả năng xuyên thấu kém, sự hấp thụ năng lƣợng bức xạ kém nên vật liệu sấy chậm tăng nhiệt độ làm cho quá trình thoát ẩm diễn ra chậm chạp.
Khi ở khoảng cách gần thì hấp thụ năng lƣợng bức xạ tốt hơn, làm tăng nhiệt độ của vật liệu sấy nhanh hơn làm cho quá trình bốc hơi ẩm mãnh liệt, dẫn đến tốc độ sấy nhanh, thời gian sấy giảm. Tuy nhiên, nếu khoảng cách quá gần thì trƣờng nhiệt độ không đều, làm giảm khả năng hấp thụ của vật, làm chai bề mặt cục bộ, ảnh hƣởng tới chất lƣợng cảm quan của sản phấm.
1.6.2. Hàm mục tiêu và xác định miềm tối ƣu của các thông số 1.6.2.1. Hàm mục tiêu 1.6.2.1. Hàm mục tiêu
Tối ƣu hóa chế độ sấy có các mục tiêu là: tìm ra chế độ sấy tối ƣu mà ở đó ta đạt đƣợc các hiệu quả nhƣ: thời gian sấy ngắn, khối lƣợng ẩm tách ra trên một đơn vị thời gian lớn nhất, chất lƣợng sản phẩm cao. Mà chế độ sấy phụ thuộc vào sự thay đổi của các yếu tố nhƣ nhiệt độ, khoảng cách từ nguồn bức xạ tới nguyên liệu, vận tốc gió trong buồng sấy, kích thƣớc nguyên liệu sấy,…Nhƣng trong phạm vi nghiên cứu, ta chỉ nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ tác nhân sấy, vận tốc tác nhân sấy, khoảng cách bức xạ hồng ngoại và bề dày của nguyên liệu sấy trên cùng một điều kiện đó là cùng kích thƣớc nguyên liệu, độ ẩm không khí và đƣợc tiến hành trên máy sấy hồng ngoại kết hợp sấy lạnh bơm nhiệt. Bốn yếu tố đƣợc tiến hành nghiên cứu là các thông số quyết định đến hàm mục tiêu của quá trình sấy
Hàm mục tiêu của đối tƣợng nghiên cứu đƣợc biểu diễn nhƣ sau: W = f(tTNS, v TNS, hBX, dVLS)
1.6.2.2. Miền tối ƣu của các thông số
Giá trị tối ƣu của các thông số, vận tốc không khí trong buồng sấy, khoảng cách từ nguồn bức xạ tới nguyên liệu sẽ nằm trong một miềm giá trị nhất định của dải thông số làm việc. Để hạn chế số thí nghiệm và tăng độ chính xác của kết quả tìm thông số tối ƣu ta sẽ phân tích lý thuyết và tiến hành thí nghiệm để xác định miền giá trị mà các thông số tối ƣu rơi vào càng hẹp càng tốt.
Tiến hành thí nghiệm để xác định miền thông số tối ƣu dựa vào một số đề tài nghiên cứu trƣớc liên quan đến sấy bức xạ, sấy lạnh từ đó đƣa ra miền nghiên cứu.
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Vị trí trong hệ thống phân loại khoa học nhƣ sau: Giới: Plantae
Bộ: Asparagales Họ: Alliaceae Chi: Allium
Loài: A. tuberosum
Tên tiếng Anh: Sweet leek, Fragrant – flowered garlic, Chinese chives
Tên tiếng việt: Hẹ
2.2. THIẾT BỊ SẤY HỒNG NGOẠI KẾT HỢP SẤY LẠNH. 2.2.1. Cấu tạo 2.2.1. Cấu tạo
1: Quạt ly tâm 2: Đèn hồng ngoại 3: Sản phẩm
4: Giá đỡ nguyên liệu 5: Quạt gió
6: Dàn ngƣng 7: Dàn lạnh 8: Chân thiết bị
Hình 2.2: Sơ đồ máy sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại
Tủ sấy kết hợp gồm hai phần chính:
Phần máy lạnh có nhiệm vụ tạo ra không khí lạnh có độ ẩm tuơng đối thấp. Sau đó không khí đƣợc quạt hút thổi vào tủ tăng cƣờng khuếch tán ngoại từ bề mặt vật sấy vào không khí.
Phần tủ chứa các bóng đèn hồng ngoại dùng để nung nóng nƣớc trong sản phẩm tạo điều kiện khuếch tán nội và tăng nhiệt độ không khí. Trong tủ gồm 4 bóng đèn hồng ngoại, công suất mỗi bóng là 250W. Tủ sấy dùng dòng điện xoay chiều 220V.
2.2.2. Nguyên lý hoạt động
Không khí đi qua dàn lạnh đƣợc làm lạnh tách ẩm, nƣớc ngƣng tụ đƣợc thải ra ngoài. Không khí trƣớc khi đƣợc quạt ly tâm thổi vào tủ thì nó đƣợc đốt nóng sơ bộ nhờ dàn nóng để không khí giảm đi độ ẩm. Sau đó không khí đƣợc thổi vào tủ sấy tại đây không khí tiếp tục nhận nhiệt từ bức xạ đèn hồng ngoại và nóng lên độ ẩm tƣơng đối giảm đi. Không khí có độ ẩm thấp tiếp xúc với vật liệu sấy để lấy ẩm đi. Còn bức xạ từ đèn hồng ngoại chiếu lên sản phẩm để nung nóng nƣớc trong sản
Bảng điều khiển 3 3 4 2 1 6 5 7 8
phẩm, nƣớc dịch chuyển ra bề mặt sản phẩm, hoá hơi và đƣợc không khí mang đi. Không khí nóng đƣợc quạt ở trên hút ra ngoài.
2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để tìm đƣợc chế độ tối ƣu và đảm bảo chất lƣợng sản phẩm tốt nhất thì phải áp dụng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, qua các thí nghiệm, tính toán để tìm ra cách tốt nhất, đơn giản nhất.
2.3.1. Bố trí thí nghiệm tìm chế độ sấy tối ƣu
Để đánh giá đƣợc độ chính xác, đánh giá đƣợc khả năng làm khô của phƣơng pháp sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh, đồng thời tìm ra đƣợc quy trình tối ƣu, ta cần tiến hành thí nghiệm tìm ra các thông số, miền của thông số, đƣợc thể hiện qua bố trí thí nghiệm sau.
Hình 2.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm tìm chế độ sấy tối ưu
Hẹ
Rửa
Cắt (3 – 5mm)
Sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại ở tTNS= 45-55oC, vTNS= 0.5-1.0m/s, hBX= 30 – 40cm, dNLS= 0.5-1.0cm Mẫu sấy lạnh Đánh giá các chỉ tiêu Lƣợng ẩm thoát ra trên một đơn vị thời gian Tỷ lệ hút nƣớc phục hồi Điểm chất lƣợng cảm quan Hàm lƣợng vitamin C Vi sinh vật
Nguyên liệu sau khi xử lý xong tiến hành sấy bức xạ bức xạ hồng ngoại kết hợp sấy lạnh bơm nhiệt ở các chế độ: tTNS= 45-55oC, vTNS = 0.5 – 1.0cm/s, hBX =30 - 40cm, dNLS = 0.5 – 1cm, cho tới độ ẩm đạt 3 -5% thì dừng lại, số liệu thiếp thu đƣợc tiến hành xử lý theo phƣơng pháp thống kê toán học để tìm chế độ tối ƣu và tiến hành đánh giá các chỉ tiêu của mẫu tối ƣu so với mẫu sấy lạnh.
2.3.2. Bố trí thí nghiệm thăm dò miền tối ƣu các thông số 2.3.2.1. Bố trí thí nghiệm tìm miền tối ƣu nhiệt độ tác nhân sấy
Hẹ sau khi xử lý, cắt, đem đi sấy ở nhiệt độ tTNS = 35oC – 55oC, vận tốc tác nhân sấy là vTNS = 1m/s, khoảng cách từ đèn bức xạ đến nguyên liệu là hBX = 40cm, độ dày nguyên liệu sấy là dNLS = 1cm. Hẹ đƣợc sấy đến độ ẩm 3 – 5% thì dừng và tiến hành đánh giá kết quả.
Hình 2.4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định miền tối ƣu nhiệt độ tác nhân sấy
Cắt (3 -5mm) Hẹ Rửa Sấy ở hBX = 40cm, vTNS = 1m/s, dNLS = 1cm 35oC 40oC 45oC 50oC 55oC Đánh giá chất lƣợng cảm quan
2.3.2.2. Bố trí thí nghiệm tìm miền tối ƣu vận tốc tác nhân sấy
Hẹ sau khi xử lý, cắt, đem đi sấy ở nhiệt độ tTNS= 45oC, vận tốc tác nhân sấy vTNS= 0.5 – 1.5cm/s, khoảng cách từ đèn bức xạ đến nguyên liệu là hBX= 40cm, độ dày nguyên liệu sấy là dNLS = 1cm. Hẹ đƣợc sấy đến độ ẩm 3 – 5% thì dừng lại và tiến hành đánh giá kết quả.
\\
Hình 2.5: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định miền tối ƣu vận tốc tác nhân sấy 2.3.2.3. Bố trí thí nghiệm tìm miền tối ƣu khoảng cách bức xạ hồng ngoại
Hẹ sau khi xử lý, cắt, đem đi sấy ở nhiệt độ tTNS= 45oC, vận tốc tác nhân sấy vTNS= 1.0cm/s, khoảng cách từ đèn bức xạ đến nguyên liệu là hBX= 20 - 40cm, độ
Hẹ Rửa Cắt (3 – 5mm) Sấy ở tTNS = 45oC, hBX= 40cm, dNLS = 1cm 0.5m/s 0.8m/s 1.0m/s 1.3m/s 1.5m/s Đánh giá chất lƣợng cảm quan
dày nguyên liệu sấy là dNLS = 1cm. Hẹ đƣợc sấy đến độ ẩm 3 – 5% thì dừng lại và tiến hành đánh giá kết quả.
Hình 2.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định miền tối ƣu khoảng cách bức xạ hồng ngoại
2.3.2.4. Bố trí thí nghiệm tìm miền tối ƣu độ dày nguyên liệu sấy
Hẹ sau khi xử lý, cắt, đem đi sấy ở nhiệt độ tTNS= 45oC, vận tốc tác nhân sấy vTNS= 1.0cm/s, khoảng cách từ đèn bức xạ đến nguyên liệu là hBX= 40cm, độ dày nguyên liệu sấy là dNLS = 0.5 – 1.5cm. Hẹ đƣợc sấy đến độ ẩm 3 – 5% thì dừng lại và tiến hành đánh giá kết quả.
20cm 25cm 30cm 35cm 40cm Hẹ Rửa Cắt (3 - 5mm) Sấy ở tTNS = 45oC, vTNS= 1.0m/s, dNLS = 1cm Đánh giá chất lƣợng cảm quan Chọn miền khoảng cách bức xạ phù hợp
Hình 2.7: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định miền tối ƣu độ dày nguyên liệu sấy 2.3.3. Thiết bị nghiên cứu
Thiết bị nghiên cứu là máy sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại. Ngoài ra còn một số máy và thiết bị khác.
2.4. PHƢƠNG PHÁP THU THẬP, TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU
- Xác định độ ẩm ban đầu của nguyên liệu bằng phƣơng pháp sấy đến khối lƣợng không đổi ở nhiệt độ 105oC.
-Tính toán hàm ẩm biến đổi trong quá trình sấy bằng phƣơng pháp cân trọng lƣợng và áp dụng công thức thực nghiệm: W2 = 100 - 1 2 (100 W) G * G1 (%) Nguyên liệu Rửa Cắt (3 – 5mm) Sấy ở tTNS = 45oC, vTNS= 1.0m/s, hBX= 40cm 0.5cm 0.8cm 1.0cm 1.3cm 1.5cm Đánh giá chất lƣợng cảm quan
Trong đó:
- G1: Khối lƣợng mẫu ban đầu (g) - G2: Khối lƣợng mẫu sau khi sấy (g) - W1: Độ ẩm ban đầu của nguyên liệu (%) - W2: Độ ẩm sau khi sấy (%)
- Xác định tốc độ sấy theo công thức: S =
d dw
(% /h)
- Xác định tỷ lệ hút nƣớc phục hồi sau khi sấy bằng phƣơng pháp ngâm vào nƣớc cất đến khi trọng lƣợng nguyên liệu không đổi. Lƣợng nƣớc thẩm thấu trở lại đƣợc tính bằng công thức: W = 1 1 2 G G G * 100% Trong đó:
G1: Trọng lƣợng sản phẩm khô trƣớc khi ngâm vào nƣớc (g) G2: Trọng lƣợng sản phẩm sau khi ngâm nƣớc (g)
- Xác định hàm lƣợng vitamin C bằng phƣơng pháp chuẩn độ iod.
- Thiết kế và phân tích số liệu thí nghiệm bằng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm bằng phƣơng pháp quy hoạch trực giao cấp 2, có sự hỗ trợ của phần mềm MS-EXCEL.
Trong phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu ở đây, ta chọn ra ba yếu tố ảnh hƣởng tới thời gian sấy là: Nhiệt độ tác nhân sấy, vận tốc tác nhân sấy, khoảng cách từ nguồn bức xạ tới vật liệu sấy và bề dày của nguyên liệu sấy.
Hoạch định thí nghiệm cho phép biến đối cùng lúc nhiều yếu tố, số thí nghiệm ít, thu đƣợc ƣớc lƣợng định lƣợng các hiệu ứng cơ bản và hiệu ứng tƣơng tác, khối lƣợng tính toán ít.
Số thí nghiệm (N) cần tiến hành đƣợc xác định theo công thức: N = 2k + 2k + no
Trong đó k là số yếu tố ảnh hƣởng tới kết quả thí nghiệm, no là số thí nghiệm tại tâm
Từ các kết quả thực nghiệm, đƣa số liệu vào tính toán để tìm ra phƣơng trình tuyến tính thể hiện sự ảnh hƣởng của các yếu tố tới hàm mục tiêu, sau đó dùng phƣơng pháp thống kê để kiểm định sự tƣơng thích của phƣơng trình.
Sau khi lập đƣợc mô hình toán học, tiến hành chạy phần mềm tối ƣu hóa thực nghiệm tìm ra điều kiện tối ƣu.
- Xác định thông số liên quan đến quá trình sấy.
+ Xác định tốc độ chuyển động của không khí trong tủ bằng thiết bị đo vận tốc gió
+ Xác định khoảng cách chiếu xạ bằng cách đo trực tiếp. + Xác định nhiệt độ trong tủ sấy bằng rơ le nhiệt
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả xác định độ ẩm ban đầu của nguyên liệu
Xác định độ ẩm của nguyên liệu tƣơi bằng phƣơng pháp sấy đến khối lƣợng không đổi ở nhiệt độ 100 – 1050C.
Bảng 3.1: Kết quả xác định độ ẩm của hẹ tƣơi
Khối lƣợng của cốc sấy
Khối lƣợng của cốc sấy + mẫu trƣớc khi
sấy (A)
Khối lƣợng của mẫu (m)
Khối lƣợng của cốc sấy + mẫu sau
khi sấy (B) Độ ẩm (W) 19.7408 24,9908 5.2500 20.1531 92.1467 24.4148 29.6648 5.2500 24.8295 92.1009 22.0391 27.2891 5.2600 22,4466 92.0627
Dựa theo công thức tính độ ẩm ban đầu của mẫu ta tính đƣợc: độ ẩm của nguyên liệu tƣơi là 92.1%.
3.2. Kết quả xác định hàm lƣợng Vitamin C ở nguyên liệu ban đầu (hẹ tƣơi)
Xác định hàm lƣợng vitamin C bằng phƣơng pháp chuẩn độ Iot. Kết quả xác định vitamin C của hẹ tƣơi
Bảng 3.2: Kết quả xác định hàm lƣợng Vitamin C
Mẫu Hàm lƣợng vitamin C ban đầu (%)
Hẹ tƣơi ban đầu 0.044
3.3.Kết quả thăm dò miền tối ƣu của các thông số 3.3.1. Miền tối ƣu nhiệt độ tác nhân sấy
Nguyên liệu hẹ tƣơi sau khi đƣợc xử lý, tiến hành sấy hồng ngoại kết hợp sấy