Nghiên cứu một số thông số làm cơ sở thiết kế thiết bị làm khô màng hạt gấc bằng phương pháp sấy thăng hoa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI



ðỖ MINH CHIẾN





NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ
LÀM CƠ SỞ THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÀM KHÔ MÀNG HẠT GẤC
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY THĂNG HOA


LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT



Chuyên ngành ñào tạo: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá
nông nghiệp và nông thôn
Mã số: 62 52 14 01


Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. TRẦN NHƯ KHUYÊN
2. PGS.TS. NÔNG VĂN VÌN

HÀ NỘI – 2012

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

i

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan: Luận án “Nghiên cứu một số thông số làm cơ sở
thiết kế thiết bị làm khô màng hạt gấc bằng phương pháp sấy thăng hoa” là
công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những số liệu, kết quả nêu trong luận án
này là trung thực, khách quan và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Tôi xin cam ñoan rằng mọi sự giúp ñỡ trong quá trình thực hiện luận án
này ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án ñều ñược chỉ rõ
nguồn gốc.
Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2012
Tác giả luận án



ðỗ Minh Chiến

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

ii

LỜI CẢM ƠN
ðể hoàn thành luận án, tác giả ñã nhận ñược rất nhiều sự giúp ñỡ nhiệt
tình và tạo ñiều kiện của các cá nhân và tập thể, ñể ñáp lại sự giúp ñỡ ñó sau
ñây là lời cảm ơn chân thành của tác giả:
Với sự kính trọng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần
Như Khuyên và PGS.TS Nông Văn Vìn – Trường ðại học Nông nghiệp Hà
Nội ñã tận tình hướng dẫn, giúp ñỡ tôi trong nhiều năm tháng học tập cũng
như trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể bộ môn Thiết bị bảo quản và chế biến
nông sản, Ban lãnh ñạo khoa Cơ ñiện, Viện ðào tạo Sau ñại học và Ban Giám
hiệu Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã luôn quan tâm giúp ñỡ cũng
như ñóng góp các ý kiến ñể tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, các thầy giáo khoa Cơ khí và
các phòng ban trong Trường Cao ñẳng Công nghiệp và Xây dựng ñã quan tâm
và tạo ñiều kiện thuận lợi ñể tôi hoàn thành ñề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm Kiểm nghiệm vệ sinh an toàn thực
phẩm, thuộc Viện Dinh Dưỡng (48B Tăng Bạt Hổ, Hai Bà Trưng, Hà Nội) ñã
giúp tôi trong việc làm thực nghiệm và ñánh giá kết quả nghiên cứu của ñề tài.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, bạn bè, ñồng nghiệp, gia
ñình ñã luôn quan tâm, ñộng viên giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá
trình học tập và hoàn thành bản luận án này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Tác giả luận án



ðỗ Minh Chiến

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

iii

MỤC LỤC

Lời cam ñoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục chữ viết tắt vii

Danh mục các ký hiệu toán học viii

Danh mục bảng xii

Danh mục hình xiii

MỞ ðẦU 1

1

Tính cấp thiết của ñề tài 1

2

Mục tiêu nghiên cứu 2

3

Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4

ðối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4.1

ðối tượng nghiên cứu 2

4.2

Phạm vi nghiên cứu 3

5

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài 3

6

Những ñóng góp mới 3

7

Cấu trúc nội dung luận án 4

Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 5

1.1

ðặc ñiểm, thành phần hóa học và công dụng của gấc 5

1.1.1

ðặc ñiểm của gấc 5

1.1.2

Thành phần hóa học của gấc 6

1.1.3

Công dụng của gấc 8

1.1.4

Các sản phẩm từ gấc 10

1.2

Tình hình sản xuất và tiêu thụ sản phẩm gấc 13

1.2.1

Tình hình sản xuất 13


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

iv

1.2.2

Tình hình tiêu thụ sản phẩm gấc 14

1.3

Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy gấc 14

1.3.1

Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy gấc trên thế
giới 14

1.3.2

Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy gấc ở Việt
Nam 18

1.4

Phương pháp và thiết bị sấy thăng hoa 24

1.4.1

Bản chất của quá trình sấy thăng hoa 24

1.4.2

Các giai ñoạn của quá trình sấy thăng hoa 26

1.4.3

Các thiết bị sấy thăng hoa 34

1.4.4

So sánh phương pháp sấy thăng hoa với các phương pháp sấy
khác 39

Kết luận chương 1 42

Chương 2 NGUYÊN VẬT LIỆU, ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU 44

2.1

Nguyên vật liệu nghiên cứu 44

2.2

ðối tượng nghiên cứu 44

2.3

Phương pháp nghiên cứu 46

2.3.1

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 46

2.3.2

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 51

2.3.3

Phương pháp xác ñịnh một số thông số của quá trình sấy 58

2.3.4

Phương pháp xử lý số liệu nghiên cứu 64

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN QUÁ TRÌNH TRUYỀN
NHIỆT TRUYỀN CHẤT TRONG THIẾT BỊ SẤY THĂNG HOA 65

3.1

Mô hình hóa quá trình trao ñổi nhiệt ẩm trong buồng sấy thăng hoa 65

3.1.1

Mô hình kết cấu của buồng sấy thăng hoa 65

3.1.2

Quá trình trao ñổi nhiệt ẩm trong buồng sấy thăng hoa 66


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

v

3.2

Mô phỏng quá trình trao ñổi nhiệt ẩm trong buồng sấy thăng hoa 69

3.2.1

Hệ phương trình trạng thái quá trình nhiệt ẩm trong buồng sấy 70

3.2.2

Xác ñịnh ñiều kiện ñầu và ñiều kiện biên của hệ phương trình
vi phân 72

3.2.3

Xác ñịnh một số tham số của hệ phương trình vi phân 75

3.3

Khảo sát quá trình nhiệt ẩm trong buồng sấy và lựa chọn các
thông số của thiết bị sấy 79

3.3.1

Thuật giải hệ phương trình vi phân 79

3.3.2

Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số ñến quá trình sấy 82

3.3.3

Lựa chọn các thông số cơ bản của thiết bị và chế ñộ sấy 84

Kết luận chương 3 84

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 85

4.1

Kết quả khảo sát chế ñộ sấy màng ñỏ hạt gấc trong thực tiễn sản xuất 85

4.2

ðề xuất cải tiến qui trình công nghệ sấy màng ñỏ hạt gấc bằng
phương pháp sấy thăng hoa 86

4.3

Thí nghiệm xác ñịnh ñộ giảm ẩm của vật liệu trong quá trình sấy
thăng hoa 87

4.3.1

Giai ñoạn sấy thăng hoa 89

4.3.2

Giai ñoạn sấy ẩm liên kết 90

4.4

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ñơn yếu tố 90

4.4.1

Ảnh hưởng nhiệt ñộ lạnh ñông T
vl
(
o
C) 90

4.4.2

Ảnh hưởng của nhiệt ñộ nguồn bức xạ T
bx
(
o
C) 92

4.4.3

Ảnh hưởng của chiều dày lớp vật liệu S (mm) 93

4.5

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ña yếu tố 94

4.6

Kết quả nghiên cứu tối ưu tổng quát 103

4.7

Kết quả thí nghiệm ứng với giá trị tối ưu của các yếu tố vào 104

4.8

Hoàn thiện quy trình công nghệ sấy màng ñỏ hạt gấc 105


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vi

4.8.1

Sơ ñồ quy trình công nghệ sấy màng ñỏ hạt gấc 105

4.8.2

Thuyết minh qui trình công nghệ 105

4.9

Ứng dụng các kết quả nghiên cứu ñể hoàn thiện thiết kế hệ
thống sấy màng ñỏ hạt gấc STH-50 106

4.9.1

Hoàn thiện thiết kế hệ thống sấy thăng hoa STH-50 106

4.9.2

Xác ñịnh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của thiết bị sấy STH-50A 107

4.9.3

ðánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của thiết bị sấy STH-50A 110

Kết luận chương 4 110

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112

KẾT LUẬN 112

KIẾN NGHỊ 113

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ðà CÔNG BỐ 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

PHỤ LỤC 125












Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Diễn giải
CO
2
CNSTH
Cacbon ñioxit
Công nghệ sau thu hoạch

FAO Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên hiệp quốc
GMP WHO Thực hành tốt sản xuất thuốc
HPLC Sắc ký lỏng cao áp
H
2
S Khí hidro sunfua
LCD
LC – 20AD
Màn hình tinh thể lỏng
Nhãn hiệu máy ño sắc khí lỏng hiệu năng cao
Lyfaten Thực phẩm chức năng ñược sản xuất từ gấc và cà chua
NH
3
Khí amoniắc
NNVN Nông nghiệp Việt Nam
N
2
Nitơ
NO Niơ monoxit
NO
2
Nitơ ñioxit
O
2
Khí ôxy
RS232 Cổng giao tiếp nối tiếp
SO
2
Lưu huỳnh ñiôxit
SPK Sản phẩm khô

STH-50 Thiết bị sấy thăng hoa năng suất 50kg màng ñỏ hạt gấc/mẻ
Torr ðơn vị ño áp suất có giá trị bằng 1mmHg
USD ðồng ñô la Mỹ
VCK Vật chất khô
VTYT Vật tư y tế


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

Ký hiệu ðơn vị Giải thích
C
pg
kJ/kg.
o
K Nhiệt dung riêng của khí trơ trong lớp khô
C
pk
kJ/kg.
o
K Nhiệt dung riêng của vật liệu lớp khô
C
t
mg/100g
Hàm lượng Carotenoid
C
1

-
Hằng số phụ thuộc vào ñộ xốp của lớp
khô và
tỷ số giữa ñộ khuếch tán của hơi nước v
à khí
trơ trong l
ớp khô so với ñộ khuếch tán của
chúng ở ñiều kiện tự do
C
2
m
2

Hằng số phụ thuộc vào ñộ xốp của lớp khô v
à
liên quan ñến ñộ thấm D’Arcy
C
3
m
Hằng số phụ thuộc vào ñộ xốp của lớp khô v
à
liên quan ñến ñộ thấm Knudsen
D
w,ino
kg.m/s
3
ðộ khuếch tán lẫn nhau của hỗn hợp hơi nư
ớc
và khí trơ ở thời ñiểm ban ñầu
G

w
kg/kg mol

Khối lượng phân tử của hơi nước
G
in
kg/kg mol Khối lượng phân tử của khí trơ
G
k
kg Khối lượng sản phẩm khô thu ñược sau khi sấy
k
d
h
-1
Hệ số thoát ẩm của giai ñoạn sấy ẩm liên kết
k
s
h
-1
Hệ số thoát ẩm của giai ñoạn sấy thăng hoa
k
1
m
2
/s Hằng số khuếch tán của hơi nước
k
3
m
2
/s Hằng số khuếch tán của khí trơ

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

ix

Ký hiệu ðơn vị Giải thích
k
2
, k
4
m
4
/N.s Hằng số khuếch tán hỗ hợp của hơi nước và
khí trơ
K
in
m
2
/s ðộ khuếch tán Knudsen của khí trơ
K
mx
m
2
/s ðộ khuếch tán Knudsen trung bình của hỗn hợp khí
K
w
m
2
/s ðộ khuếch tán Knudsen của hơi nước
L m Chiều dày lớp vật liệu sấy

M
v
kg ẩm/kg VCK ðộ ẩm vật liệu sấy
M
vo
kg ẩm/kg VCK ðộ ẩm ban ñầu của vật liệu sấy
M
ve
kg ẩm/kg VCK ðộ ẩm cân bằng tương ứng
M
vlk
kg ẩm/kg VCK ðộ ẩm vật liệu ở giai ñoạn sấy ẩm liên kết
N
o

-
Số thí nghiệm ở mức cơ sở
N
in

kg/s Lưu lượng dòng khí trơ thoát ra từ vật liệu sấy
N
r
kWh/kg SPK Chi phí năng lượng riêng
N
t

kg/s
Lưu lượng dòng chất tương ứng trong vật liệu sấy
N

w
kg/s Lưu lượng dòng hơi nước thoát ra từ vật liệu sấy
N
α

-
Số thí nghiệm ở mức phụ
p
in
N/m
2
Áp suất riêng phần của khí trơ
p
w
N/m
2
Áp suất riêng phần của hơi nước trong không
gian buồng sấy
q
b
J/kg
Nhiệt lượng nguồn bức xạ truyền qua thành
khay sấy

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

x

Ký hiệu ðơn vị Giải thích
q

d
J/kg Nhiệt lượng nguồn bức xạ truyền phía dưới
khay sấy
q
t
J/kg Nhiệt lượng nguồn bức xạ truyền phía trên
khay sấy
R J/mol.
o
K Hằng số khí lý tưởng
t s Thời gian sấy
T
b

o
C Nhiệt ñộ không gian buồng sấy
T
vk
o
K Nhiệt ñộ của lớp khô
T
ld
T
vl
o
K
o
C
Nhiệt ñộ của lớp lạnh ñông
Nhiệt ñộ lạnh ñông sản phẩm

V
e
mg/100g Hàm lượng vitamin E
x
i
-
Giá trị mã hóa của yếu tố thứ i
z m
Hệ trục không gian
α
k
m
2
/s

Hệ số khuếch tán nhiệt của lớp khô
α
ld
m
2
/s Hệ số khuếch tán nhiệt của lớp lạnh ñông
δ
m
Chiều dày lớp lạnh ñông
ε
- ðộ rỗng trong lớp khô
ε
i
- Khoảng biến thiên của yếu tố thứ i
λ

k
λ
ld
µ
mx

kW/(m.
o
K)
kW/(m.
o
K)
kg/m.s
Hệ số dẫn nhiệt của lớp khô
Hệ số dẫn nhiệt của lớp lạnh ñông
ðộ nhớt của hỗn hợp hơi nước và khí trơ

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

xi

Ký hiệu ðơn vị Giải thích
ρ
k

kg/m³ Khối lượng riêng của lớp khô
ρ
ld

kg/m³ Khối lượng riêng của lớp lạnh ñông

σ
kW/m
2
.K
4
Hằng số Stefan – Boltzmann
∇
-
Toán tử gradient
∇T
- Toán tử divergence
∆H
s
kJ/kg
Entanpi của nước ñóng băng
∆H
v

kJ/kg
Entanpi của hơi nước

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

xii

DANH MỤC BẢNG

STT Tên bảng Trang

1.1 Thành phần cấu tạo quả gấc 6

1.2 Các thành phần trong màng tươi của quả gấc chín 7

1.3 Quan hệ giữa áp suất và nhiệt ñộ thăng hoa của nước ñá 26

1.4 Lượng nước và ñiểm kết ñông của một số thực phẩm 27

3.1 Thông số vào của chế ñộ tính toán mô phỏng 79

3.2 Mối quan hệ giữa thời gian sấy ứng với ñộ dày lớp vật liệu sấy 83

4.1 Kết quả phân tích hóa học mẫu sản phẩm sấy 86

4.2 Kết quả thí nghiệm xác ñịnh ảnh hưởng của nhiệt ñộ lạnh ñông 90

4.3 Kết quả thí nghiệm xác ñịnh ảnh hưởng của nhiệt ñộ nguồn bức xạ 92

4.4 Kết quả thí nghiệm xác ñịnh ảnh hưởng của chiều dày lớp vật liệu 93

4.5 Mức biến thiên và giá trị mã hoá của các yếu tố x
i
95

4.6 Các hệ số hồi qui có nghĩa của các hàm Y
j
95

4.7 Kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán 96

4.8 Giá trị tối ưu của các yếu tố vào x

i
và các hàm thành phần Y
j
. 96

4.9 Các hệ số hồi qui dạng thực 97

4.10 Kết quả thí nghiệm sấy tại các thông số tối ưu 104

4.11 ðặc tính kỹ thuật của hệ thống sấy gấc STH – 50A: 107

4.12 Một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của các hệ thống sấy gấc 109



Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

xiii

DANH MỤC HÌNH

STT Tên hình Trang

1.1 Giống gấc ñược trồng ở Việt Nam 5

1.2 Giải phẫu quả gấc 6

1.3 Hàm lượng Lycopene trong một số loại rau quả 7

1.4 Hàm lượng β-carotene trong một số loại rau quả 8

1.5 Các sản phẩm từ gấc 11

1.6 Thiết bị sấy bằng không khí nóng 16
1.7 Thiết bị sấy phun LabPlant SD-05 16
1.8 Thiết bị sấy chân không Gallenkamp 17
1.9 Thiết bị sấy thăng hoa Virtis 25EL 18
1.10 Qui trình công nghệ sấy màng ñỏ hạt gấc 19
1.11 Sự biến ñổi carotenoid của màng gấc trong quá trình sấy 20
1.12 Hệ thống sấy màng gấc thủ công dùng trực tiép khói lò 21
1.13 Sơ ñồ nguyên lý cấu tạo thiết bị sấy cải tiến SVQ-1 22
1.14 Thiết bị sấy rau quả SRQ – 12 23
1.15 ðồ thị pha p – t của nước 25
1.16 Quan hệ giữa thời gian và nhiệt ñộ trong quá trình lạnh ñông 28
1.17 Ảnh hưởng của lạnh ñông tới mô tế bào thực vật 32
1.18 Sơ ñồ nguyên lý cấu tạo thiết bị sấy thăng hoa gián ñoạn 34
1.19 Sơ ñồ nguyên lý thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu khay 36
1.20 Sơ ñồ nguyên lý của thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu dao ñộng 36
1.21 Sơ ñồ nguyên lý của thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu băng tải 37
1.22 Hệ thống thiết bị STH liên tục hãng Virtis Gadiner 38
2.1 Sơ ñồ cấu tạo thiết bị sấy thăng hoa STH - 50 44
2.2 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa STH - 50 45

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

xiv

2.3 Hệ thống lưới chia hai chiều 48
2.4 Các yếu tố ñầu vào và ra của thiết bị 51
2.5 ðồ thị hàm mong muốn thành phần dj khi Yj bị chặn một phía 57

2.6 Thiết bị ño nhiệt ñộ 58
2.7 Thiết bị ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm trong buồng sấy (Fox 301A) 58
2.8 ðồng hồ ño áp suất 59
2.9 Sơ ñồ lấy mẫu màng ñỏ hạt gấc trong buồng sấy 59
2.10 Sơ ñồ vị trí lấy mẫu sản phẩm trên khay sấy 60
2.11 Thiết bị ño ñộ ẩm 61
2.12 Máy ño sắc ký lỏng LC – 20AD (Nhật Bản) 61
2.13 Thiết bị ño chi phí ñiện năng EM-306 62
2.14 Cân phân tích ñiện tử SA510 63
2.15 Thiết bị ño thể tích lỗ rỗng 64
2.16 Thiết bị xác ñịnh thành phần khí VRAE 64
3.1 Kết cấu mặt cắt ngang của buồng sấy thăng hoa 65
3.2 Sơ ñồ tính toán quá trình trao ñổi nhiệt ẩm 66
3.3 Quy luật thay ñổi nhiệt ñộ và ñộ ẩm của vật liệu sấy theo thời
gian sấy 80
3.4 Ảnh hưởng của chiều dày lớp vật liệu sấy ñến nhiệt ñộ và thời
gian sấy 83
4.1 Hình ảnh màng gấc khô sau khi sấy 86
4.2 Thiết bị sấy thăng hoa thí nghiệm Labconco (Mỹ) 87
4.3 ðồ thị ñặc tính sấy màng ñỏ hạt gấc 88
4.4 ðồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt ñộ lạnh ñông Tvl(oC) 91
4.5 ðồ thị ảnh hưởng của nhiệt ñộ nguồn bức xạ Tbx (oC) 92
4.6 ðồ thị ảnh hưởng của chiều dày lớp vật liệu sấy S (mm) 94

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

xv

4.7 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt ñộ lạnh ñông Tvl(oC) và nhiệt
ñộ bức xạ Tbx(oC) 98

4.8 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt ñộ lạnh ñông Tvl(oC) và chiều
dày lớp vật liệu S(mm) 98
4.9 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt ñộ bức xạ T
bx
và chiều dày lớp vật liệu sấy
S (mm) 98
4.10 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt ñộ lạnh ñông T
vl
và nhiệt ñộ bức xạ T
bx
(
o
C) 99
4.11 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt ñộ lạnh ñông T
vl
(
o
C) và chiều dày lớp vật
liệu S(mm) 99
4.12 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt ñộ bức xạ T
bx
và chiều dày lớp vật liệu sấy
S (mm) 100
4.13 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt ñộ lạnh ñông T
vl
(
o
C) và nhiệt ñộ bức xạ
T
bx

(
o
C) 100
4.14 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt ñộ lạnh ñông T
vl
(
o
C) và chiều dày lớp vật
liệu S(mm) 101
4.15 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt ñộ bức xạ T
bx
và chiều dày lớp vật liệu sấy
S (mm) 101
4.16 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt ñộ lạnh ñông T
vl
(
o
C) và nhiệt ñộ bức xạ
T
bx
(
o
C) 102
4.17 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt ñộ lạnh ñông T
vl
(
o
C) và chiều dày lớp vật
liệu S(mm) 102
4.18 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt ñộ bức xạ T

bx
và chiều dày lớp vật liệu sấy
S (mm) 102
4.19 Quy trình công nghệ sấy màng ñỏ hạt gấc bằng phương pháp sấy thăng hoa 105
4.20 Sản phẩm màng hạt gấc sấy băng phương pháp thăng hoa 109


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

1

MỞ ðẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài
Gấc có tên khoa học Momordica cochinchinensis trồng ở vùng ðông
Nam châu Á từ miền Nam Trung Quốc ñến ðông Bắc Australia. Ở Việt Nam
gấc ñược trồng rải rác ở hầu hết các ñịa phương nhưng tập trung chủ yếu ở
các tỉnh Hải Dương, Hải Phòng, Hà Nội, Màng hạt gấc là thành phần có giá
trị nhất gồm có: protein, lipid, glucide và rất nhiều vi chất như: carotenoids,
licopene, các vitamin và khoáng chất, trong ñó hàm lượng β- carotene cao gấp
1,8 lần so với dầu gan cá thu, gấp 15 lần so với củ cà rốt và gấp 68 lần so với
cà chua”. Vì vậy, màng hạt gấc ngoài việc sử dụng làm thực phẩm mà còn
ñược dùng làm dược phẩm và mỹ phẩm rất có giá trị như: viên nang, thuốc
mỡ, tinh dầu, kem dưỡng da,…(Bùi Minh ðức, 2004) [10], (ðỗ Tất Lợi,
1991) [24], (Lê Hồng Phúc, 2010) [33], (Nguyễn Công Suất, 2002) [35].
Do gấc quả tươi thu hoạch theo mùa và rất dễ bị hư hỏng nên ñể dự trữ
nguồn nguyên liệu người ta tiến hành tách màng ñỏ hạt gấc, mang sấy khô
ñến ñộ ẩm an toàn ñể bảo quản. Hiện nay, việc sấy màng ñỏ ở nước ta ñược
thực hiện theo phương pháp sấy nhiệt thường ở nhiệt ñộ cao (50÷70
o

C) trong
các thiết bị sấy vỉ ngang, thậm chí trong các lò sấy thủ công, sử dụng khói lò
làm tác nhân sấy nên chất lượng sản phẩm sấy không cao, ñặc biệt là các hàm
lượng vitamin, caroten, lycopen dễ phân huỷ duới tác ñộng của nhiệt (Hoàng
Kim Anh, 2008) [1]. Phương pháp sấy ở nhiệt ñộ thấp (0÷50
o
C) trong các
thiết bị: sấy chân không, sấy bơm nhiệt và ñặc biệt là phương pháp sấy thăng
hoa (sấy lạnh ñông ở nhiệt ñộ -20÷-40
o
C) ñã khắc phục ñược hoàn toàn
những nhược ñiểm của phương pháp sấy nhiệt nên ñã giữ gần như nguyên vẹn
chất lượng sản phẩm tươi ban ñầu.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

2

Thực tế ở nước ta hiện nay phương pháp sấy thăng hoa chưa ñược triển
khai và ứng dụng phổ biến do thiết bị nhập ngoại có giá thành rất cao, chi phí
vận hành và chi phí năng lượng khá lớn. Vì vậy, việc nghiên cứu thiết
kế chế tạo hệ thống thiết bị sấy thăng hoa nhằm tạo ra sản phẩm sấy có chất
lượng cao, giảm chi phí cho quá trình sấy nhằm triển khai ứng dụng rộng rãi
trong sản xuất là vấn ñề cấp thiết.
Xuất phát từ tình hình thực tiễn trên, chúng tôi thực hiện ñề tài “Nghiên
cứu một số thông số làm cơ sở thiết kế thiết bị làm khô màng hạt gấc bằng
phương pháp sấy thăng hoa”.
2 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu xác ñịnh một số thông số tối ưu làm cơ sở hoàn thiện qui trình
công nghệ và thiết kế, chế tạo thiết bị làm khô màng hạt gấc bằng phương pháp

sấy thăng hoa nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm chi phí cho
quá trình sấy.
3 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Xác ñịnh một số tính chất cơ lý hóa của màng ñỏ hạt gấc liên quan ñến
quá trình sấy.
- Xây dựng mô hình quá trình truyền nhiệt truyền chất trong vật liệu
sấy nhằm ñịnh hướng cho việc thiết kế thiết bị sấy.
- Nghiên cứu thực nghiệm xác ñịnh một số thông số tối ưu làm cơ sở cho
việc hoàn thiện quy trình công nghệ và thiết kế, cải tiến thiết bị sấy.
- Nghiên cứu ứng dụng thiết bị sấy trong thực tiễn sản xuất nhằm xác
ñịnh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của thiết bị sấy ñể có thể triển khai áp dụng
rộng rãi trong thực tiễn sản xuất.
4 ðối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1 ðối tượng nghiên cứu
ðối tượng nghiên cứu của ñề tài là các thông số công nghệ của thiết bị
sấy màng ñỏ hạt gấc: nhiệt ñộ lạnh ñông vật liệu sấy, nhiệt ñộ tấm gia nhiệt
bức xạ, chiều dày lớp vật liệu sấy,

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

3

4.2 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu mô hình thiết bị sấy màng ñỏ hạt gấc bằng phương pháp
sấy thăng hoa năng suất 50kg màng gấc tươi/mẻ.
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài
- ðã ứng dụng phương pháp mô hình hoá và mô phỏng ñể xác ñịnh các
thông số cơ bản về cấu tạo và chế ñộ làm việc của thiết bị sấy nhằm ñịnh
hướng cho việc thiết kế, chế tạo máy. Kết quả nghiên cứu trên là tài liệu tham
khảo cần thiết khi thiết kế các hệ thống sấy có năng suất khác nhau với các

loại vật liệu sấy khác nhau.
- ðã thiết kế chế tạo thành công thiết bị sấy thăng hoa ñể làm khô màng
ñỏ hạt gấc nói riêng và các loại nông sản thực phẩm nói chung. ðây là thiết bị
sấy tạo ra sản phẩm sấy có chất lượng cao, hoàn toàn có thể chế tạo ñược ở
trong nước thay cho thiết bị sấy nhập ngoại ñắt tiền, nhờ ñó có thể triển khai
áp dụng rộng rãi cho các cơ sở sản xuất.
6 Những ñóng góp mới
- ðã thiết kế chế tạo thành công thiết bị sấy thăng hoa STH-50A, có 2 bình
ngưng - ñóng băng làm việc lệch pha nhau và xả băng trong bình ngưng-ñóng
băng bằng nhiệt của hơi môi chất lạnh sau máy nén nên tiết kiệm ñược thời
gian và chi phí nhiệt năng cho quá trình sấy.
- ðã ứng dụng phương pháp tách màng hạt gấc bằng cách chà sát, lạnh ñông
cực nhanh vật liệu sấy bằng cách phun N
2
lỏng nên ñã giảm thời gian và chi phí
lao ñộng, tạo ñiều kiện thuận lợi cho việc cơ khí hóa và tự ñộng hóa dây chuyền
chế biến màng hạt gấc.
- Bằng phương pháp mô hình hoá và mô phỏng ñã xây dựng ñược mô
hình toán biểu diễn quá trình truyền nhiệt truyền chất trong vật liệu sấy, làm
cơ sở khoa học cho việc xác ñịnh các thông số hình học và chế ñộ làm việc
của hệ thống thiết bị sấy.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

4

- Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ñơn và ña yếu tố ñã xác
ñịnh ñược các thông số tối ưu của quá trình sấy làm cơ sở hoàn thiện thiết kế
và chế tạo các cỡ thiết bị sấy thăng hoa có năng suất khác nhau phù hợp với
quy mô của các cơ sở sản xuất.

7 Cấu trúc nội dung luận án
Ngoài phần mở ñầu, kết luận, kiến nghị các phụ lục, luận án gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu.
Chương 2: Nguyên vật liệu, ñối tượng và phương pháp nghiên cứu.
Chương 3: Xây dựng mô hình toán quá trình truyền nhiệt truyền chất
trong thiết bị sấy thăng hoa.
Chương 4: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm.


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

5

Chương 1
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 ðặc ñiểm, thành phần hóa học và công dụng của gấc
1.1.1 ðặc ñiểm của gấc
Cây Gấc có tên khoa học Momordica cochinchinensis (Lour) Spreng,
thuộc họ Bí Cucurbitaceae, giống Momordica, ñược trồng ở vùng ðông Nam
châu Á từ miền Nam Trung Quốc ñến ðông Bắc Australia. Ở Việt Nam gấc
ñược trồng rải rác ở hầu hết các ñịa phương nhưng tập trung chủ yếu ở các
tỉnh Hải Dương, Hải Phòng, Hà Nội, với hai loại giống gấc ñược trồng phổ
biến là gấc nếp và gấc tẻ (Lê Hồng Phúc, 2010) [33].

a) Gấc nếp



b) Gấc tẻ

Hình 1.1. Giống gấc ñược trồng ở Việt Nam
Gấc nếp: trái to, nhiều hạt, gai to, ít gai. Khi chín chuyển sang màu ñỏ
cam rất ñẹp. Bổ trái ra, bên trong cơm vàng tươi, màng bao bọc hạt có màu ñỏ
tươi rất ñậm.
Gấc tẻ: trái nhỏ, có ít hạt, gai nhọn. Trái chín bổ ra bên trong cơm có
màu vàng và màng bao bọc hạt thường có màu ñỏ nhạt hoặc màu hồng không
ñược ñỏ tươi như gấc nếp.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

6

Do ñó, ta thường chọn gấc nếp ñể chế biến thực phẩm vì gấc nếp trái to,
khi chín nhiều cơm và có màu sắc ñẹp, chất lượng tốt.
Gấc ra hoa vào tháng 6, chín vào tháng 9, tháng 10 Âm lịch. Quả gấc có
hình bầu dục, ñít nhọn, bề mặt vỏ có nhiều gai nhỏ mềm, ngắn, khi chín có
màu ñỏ tươi, chiều dài trung bình của quả 15÷20cm, khối lượng 0,7÷5,0kg
tùy theo giống gấc và ñiều kiện gieo trồng (Lê Hồng Phúc, 2010) [33].
Cấu tạo quả gấc gồm các lớp: vỏ quả, hạt, màng ñỏ bao ngoài hạt, dịch
quả (hình 1.2).

Hình 1.2. Giải phẫu quả gấc
Bảng 1.1. Thành phần cấu tạo quả gấc
Thành phần Tỷ lệ, %
Vỏ quả
63
Hạt 17
Màng ñỏ bao ngoài hạt 12
Dịch quả 8

1.1.2 Thành phần hóa học của gấc
Trong các thành phần cấu tạo nên quả gấc thì màng hạt gấc là thành
Vỏ quả
Hạt
Cùi
Màng ñỏ

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

7

phần có giá trị nhất, theo bản kê của Viện dinh dưỡng - Bộ Y Tế, màng ñỏ
của hạt quả gấc chín có các thành phần (g%) (bảng 1.2):
Bảng 1.2 Các thành phần trong màng tươi của quả gấc chín
Số thứ tự Thành phần Giá trị (%)
1 Nước 77
2 Protein 2,1
3 Lipide 7,9
4 Glucide 10,5
5 Xơ 1,8
6 Muối khoáng 0,7
7
β
- Caroten
0,046
8 Lycopen 0,038
Khi sấy khô ở nhiệt ñộ 60-70
0
C, có thành phần g%: Nước 7,1; protein
9,0; glucide 40,4; lipid 27,8; xơ 12,1; và muối khoáng 3,6; Thành phần vi

lượng (mg%) carotenoid (tổng số) 356; beta-caroten trên 26,5; alpha-
tocopherol 490,5; lycopen 304 (Ngô Thị Thủy, 2004) [39], (Bauernfeind, J.
C., 1972)

[53].


Bưởi ðu ñủ Dưa hấu Ổi Cà chua (Mỹ) Pintago Tầm xuân Gấc
Hình 1.3. Hàm lượng Lycopene trong một số loại rau quả
Theo tác giả (Trần Công Khanh, 2004) [18] có viết: “khi vào cơ thể,
một phân tử betacaroten, chất tiền vitamin A sẽ ñược enzim của gan và tụy
thủy phân thành 2 phân tử vitamin A tùy theo nhu cầu, vì vậy khi dùng dầu

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

8

gấc không có hiện tượng thừa vitamin A. Trong dầu gấc vitamin A cao gấp
1,8 lần so với dầu gan cá thu, gấp 15 lần so với củ cà rốt và gấp 68 lần so với
cà chua”. (Kandlakunta, B., 2008) [69], (Singh, G., 2001) [96], (Vuong, L. T.,
2002) [99] (hình 1.4).


Cà chua Ớt Ớt xanh Bí ngô Ớt ñỏ Cà rốt Spinach Rau mùi Súp lơ Gấc
Hình 1.4. Hàm lượng β
ββ
β-carotene trong một số loại rau quả
1.1.3 Công dụng của gấc
Nhiều nhà khoa học Mỹ ñã thừa nhận gấc là một loại quả sạch, an toàn
nhất và có tác dụng chống oxy hóa cao nhất. Các hãng dược phẩm lớn của

Mỹ, người dân Mỹ hết lời khen ngợi và gọi quả gấc bằng một thuật ngữ ñầy
nghĩa lý “fruit from heaven” (trái cây ñến từ thiên ñường) (Nguyễn Minh
Thủy, 2010) [40]. Ngày nay, gấc ñược sử dụng ñể chế biến thành các chế
phẩm phục vụ cho các lĩnh vực công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm.
Trong công nghiệp thực phẩm: màng hạt gấc ñược sử dụng trong công
nghiệp sản xuất bánh kẹo, thực phẩm chức năng ñể chống suy dinh dưỡng,
chống lão hoá, sản xuất các loại màu thực phẩm tự nhiên,…
Trong công nghiệp dược phẩm: màng hạt gấc ñược sử dụng ñể sản
xuất nhiều loại thuốc mỡ dùng bôi lên các vết thương, vết loét, vết bỏng làm
cho chóng lành, làm thuốc bổ dưỡng giúp cho người bệnh chóng lên cân, tăng
sức chống ñỡ bệnh tật của cơ thể, dùng cho trẻ em chậm lớn, chống bệnh khô
mắt, quáng gà, ñặc biệt là vô hiệu hoá các chất gây ung thư,…

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

9

Trước năm 1940, theo (ðỗ Tất Lợi, 1991) [24], trong sách ðông và Tây
Y chỉ ghi 2 vị thuốc ñược sử dụng từ cây gấc là hạt và rễ ñể chữa mụn nhọt,
trĩ, ñau nhức tê thấp. ðến năm 1941, lần ñầu tiên Bùi ðình Sang và
F.Guichard, trường ðại học Dược Hà Nội, ñã chiết từ màng ñỏ quả gấc và
nhận thấy lượng carotenoid (tiền vitamin A) rất cao, gấp hàng chục lần trong
củ cà rốt, cà chua và dầu cọ ñỏ và ñã dùng dầu gấc ñể chế tạo son môi cho các
“bà ñầm” người Pháp, sau ñó cả phụ nữ Tràng An dùng thì thấy môi ñỏ thắm,
rất “nhuận”, ướt và má hồng tươi, mắt sáng, Sau ñó năm 1942, tác giả Bùi
ðình Oánh ñã sử dụng kỹ thuật công nghiệp ñể ép dầu gấc xuất sang Pháp và
tiếp theo các tác giả Nguyễn Văn ðàn, ðinh Ngọc Lâm, Hà Văn Mạo,… ñã
nghiên cứu phân tích bổ sung thành phần carotenoid trong quả gấc và sử dụng
trong lâm sàng ñể phục vụ nhu cầu phòng bệnh và ñiều trị vết thương, ñề
phòng ung thư gan nguyên phát v.v…

Từ năm 1970, ñược sự chỉ ñạo ñộng viên của ñồng chí Từ Giấy, các tác
giả Hà Huy Khôi, Phan Thị Kim, Bùi Minh ðức, Nguyễn Công Khẩn, Tô Bích
Phượng ñã cùng các cộng sự Nguyễn Văn Chuyển (Nhật Bản), Vương Thúy Lệ
(Hoa Kỳ) Lê Doãn Diên, Phan Quốc Kinh, Lê Văn Nhương, Lâm Xuân Thanh,
Nguyễn Hưng Phúc, Lê Việt Thắng, Bùi Minh Thu, Phạm Thị Trân Châu,…
cùng nhiều tác giả ñã nghiên cứu sâu thêm về thành phần carotenoid, lycopen,
vitamin E, acid béo nhiều nối ñôi omega 3, trong các sản phẩm chế biến từ quả
gấc, ñồng thời theo dõi thực nghiệm tác dụng chống oxy hóa, hạn chế tác ñộng
ñộc hại của dioxin và ñộc tố vi nấm Aflatoxin trên gan chuột và nghiên cứu ứng
dụng trong chăn nuôi ñể sản xuất trứng gà có hàm lượng cao carotenoid, thành
phần beta caroten, retinol và giảm cholesterol. Thực tế, nghiên cứu tại Mỹ cho
thấy các hợp chất của beta caroten, Lycopen, Alphatocopherol… trong dầu gấc
có tác dụng làm vô hiệu hoá 75% các chất gây ung thư nói chung, nhất là ung
thư vú ở phụ nữ, phòng và ñiều trị HIV/AIDS (Bùi Minh ðức, 2004) [10].