TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA SẢN PHẨM NẤM ĐÔNG TRÙNG HẠ THẢO NĂNG SUẤT 200 KG SẢN PHẨM MẺ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM
******

ĐỒ ÁN MƠN HỌC
CÁC Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THĂNG
HOA SẢN PHẨM NẤM ĐÔNG TRÙNG HẠ THẢO NĂNG SUẤT
200 KG SẢN PHẨM / MẺ

GVHD:

TS. NGUYỄN TẤN DŨNG

SV THỰC HIỆN:

HUỲNH NGỌC HỒNG NHUNG

MSSV:

14116112

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
1. Đặt vấn đề ................................................................................................................... 1
2. Mục tiêu đồ án ............................................................................................................ 1

3. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................. 2
4. Nội dung nghiên cứu .................................................................................................. 2
5. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 2
6. Ý nghĩa khoa học của đề tài ....................................................................................... 2
7. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ........................................................................................ 3
Chương 1: TỔNG QUAN .............................................................................................. 4
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGỒI NƯỚC VỀ CƠNG NGHỆ SẤY THĂNG
HOA................................................................................................................................ 4
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VỀ CƠNG NGHỆ SẤY THĂNG
HOA................................................................................................................................ 4
1.3. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA SẤY THĂNG HOA .................................................... 5
1.1.1. Những khái niệm ban đầu về sấy thăng hoa ..................................................... 5
1.1.2. Biến đổi trạng thái vật chất theo giản đồ P-t .................................................... 7
1.1.3. Phương trình động học quá trình chuyển pha của vật chất .............................. 8
1.1.4. Đồ thị động học của quá trình sấy thăng hoa ................................................... 9
1.1.5. Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa ...................................................................... 12
1.4. NGUYÊN LIỆU SẤY THĂNG HOA ..................................................................... 14
1.4.1. Nguyên liệu vô cơ và hữu cơ ............................................................................. 14
1.4.2. Nguyên liệu khô tuyệt đối và nguyên liệu ẩm .................................................... 14
1.4.3. Các đặc tính của nước trong nguyên liệu ................................................................ 16
1.4.4. Các tính chất nhiệt vật lý quan trọng của nguyên liệu sinh học ảnh hưởng đến q trình
lạnh đơng và sấy thăng hoa. .......................................................................................... 18
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TỐN ........................................ 21
2.1. QUY HOẠCH MẶT BẰNG, XÂY DỰNG NHÀ XƯỞNG VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG.
...................................................................................................................................... 21
2.1.1. Những lưu ý khi thiết kế và xây dựng mặt bằng nhà xưởng..................................... 21
2.1.2. Thiết kế mặt bằng phân xưởng – nhà máy ............................................................. 22
2.1.3. Thiết kế mặt bằng nhà xưởng và lắp đặt hệ thống. .................................................. 23
2.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TỐN........................................................ 23
2.2.1. Tổng quan về nguyên liệu nấm đông trùng hạ thảo ............................................ 23

2.2.2. Các đặc điểm sinh học của nấm đông trùng hạ thảo ........................................... 24
2.2.3. Giá tri ̣ dược liê ̣u của nấ m Cordyceps militaris ................................................... 27
2.3. SƠ ĐỒ NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TỐN.................................................................. 30
2.4. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ......................................................... 32
Chương 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA VÀ THẢO
LUẬN............................................................................................................................ 34
3.1. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................................... 34
3.1.1. Các thông số cần thiết cho q trình tính tốn .................................................... 34
2.4.1. Tính tốn cho hệ thống lạnh .............................................................................. 34
3.1.2. Tính cân bằng vật chất. ..................................................................................... 35
3.1.3. Tính cân bằng năng lượng ................................................................................. 35
3.1.4. Tính toán hệ thống thiết bị sấy thăng hoa tự lạnh đơng ....................................... 35
3.1.4.1. Tính tốn, thiết kế hệ thống lạnh đông sản phẩm ngay trong buồng thăng hoa
của hệ thống sấy thăng hoa. ................................................................................... 35
3.1.4.2. Tính tốn, thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt của hệ thống lạnh đông sản
phẩm ..................................................................................................................... 53
3.1.4.3. Tính tốn thiết kế thiết bị bình trung gian ............................................... 63
3.1.4.4. Tính tốn chọn van tiết lưu ...................................................................... 67
3.1.4.5. Tính tốn chọn đường ống....................................................................... 68
3.1.5. Tính tốn thiết kế hệ thống sấy thăng hoa ...................................................... 70
3.1.5.1. Tính tốn thiết kế buồng thăng hoa ......................................................... 70
3.1.5.2. Tính tốn thiết bị ngưng tụ- đóng băng ................................................... 74
3.1.5.3. Tính tốn hệ bơm chân không ................................................................. 77
3.1.5.4. Xác định thời gian xả băng ..................................................................... 79
3.2. KẾT QUẢ .............................................................................................................. 80


MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề
Đông trùng hạ thảo là một loại dược liệu quý, có tác dụng và giá trị rất lớn trong
y học cũng như bổ sung dinh dưỡng cho cơ thể.
Ngày nay, cuộc sống con người ngày càng được nâng cao, từ đó nhu cầu cũng
ngày một tang. Con người ln tìm hiểu, mong muốn và đáp ứng cho bản thân và gia
đình mình những loại thực phẩm, dược liệu tốt nhất cho sức khỏe. Song, có thể nói
Đơng trùng hạ thảo là một loại thực phẩm chức năng, dược phẩm được nhiều người
quan tâm và mong muốn được sử dụng dù chỉ một lần vì những cơng dụng thần kỳ của
nó. Tuy nhiên, chính vì những thành phần q giá mà đơng trùng hạ thảo có được mà
q trình bảo quản cũng như sử dụng chúng địi hỏi cần có những u cầu cơng nghệ
cao.
Việc bảo quản Đông trùng hạ thảo được lâu mà không làm mất đi màu sắc cũng
như thành phần dinh dưỡng bên trong của nó nhằm đảm bảo chất lượng của sản phẩm
Đơng trùng hạ thảo là điều đáng lưu tâm và cần phải có biện pháp giải quyết tối ưu.
Hiện nay, các phương pháp sấy để bảo quản thực phẩm là những phương pháp
được áp dụng phổ biến và rộng rãi nhất. Tuy nhiên, việc đảm bảo chất lượng dinh dưỡng,
thành phần hóa học cũng như các tính chất cảm quan của sản phẩm sau quá trình sấy
thì phương pháp “sấy thăng hoa” là lựa chọn hàng đầu. Sấy thăng hoa là phương pháp
sấy có nhiều đặc điểm nổi trội hơn so với những phương pháp sấy khác, đặc biệt là khả
năng hồn ngun của sản phẩm sau sấy.
Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu sản xuất cũng như nhu cầu ngày càng cao của con
người, “sấy thăng hoa” là lựa chọn tốt nhất cho sản phẩm “Đông trùng hạ thảo sấy khơ”.
Chính điều đó đã mang lại yếu tố tiên quyết, cần thiết cho đề tài “Tính tốn và thiết kế
hệ thống lạnh sấy thăng hoa sản phẩm nấm đông trùng hạ thảo năng suất 200kg / mẻ”.
2. Mục tiêu đồ án
Sau khi hồn thành đồ án với đề tài “Tính toán và thiết kế hệ thống lạnh sấy
thăng hoa sản phẩm nấm đông trùng hạ thảo năng suất 200kg / mẻ”, đồ án có thể cung
cấp các thơng tin cần thiết về chế độ sấy tối ưu đối với sản phẩm nấm đông trùng hạ

1

thảo ở một năng suất nhất định, cũng như có thể trở thành bước đầu, là tiền đề cho việc
xây dựng một hệ thống sấy thăng hoa dành riêng cho sản phẩm nấm đông trùng hạ thảo.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là phần nấm đã được tách bỏ phần xác sâu non
trong tổng thể nguyên con đông trùng hạ thảo ban đầu.
4. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan những đặc điểm về nguyên liệu nấm đông trùng hạ thảo.
- Tổng quan nghiên cứu về sấy thăng hoa.
- Phương pháp nghiên cứu và tính tốn
+ Thiết lập sơ đồ nghiên cứu, tính tốn.
+ Các phương pháp sử dụng trong tính tốn và thiết kế
- Tính tốn và thiết kế hệ thống
+ Các thơng số cần thiết cho tính tốn
+ Các định luật cần sử dụng trong tính tốn.
+ Tính tốn hệ thống và thiết bị
+ Thiết kế hệ thống.
- Kết luận, bàn luận về đề tài.
5. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu, giải quyết các vấn đề liên quan đến quá trình sấy thăng hoa từ đó
đưa ra những thơng số cụ thể cho q trình sấy và thiết kế hệ thống sấy.
6. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa nấm đông trùng hạ thảo bước
đầu làm tiền đề cho việc sấy thăng hoa các sản phẩm thảo dược khác, và có ý nghĩa
khoa học sau đây:
- Làm cơ sở khoa học về các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống sấy thăng hoa nấm
đông trùng hạ thảo và một số loại nấm, thảo dược khác.
- Làm nền tảng cho các nghiên cứu xây dựng hệ thống thiết bị sấy thăng hoa ở
một số thực phẩm khác

2


7. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Ứng dụng rộng rãi các sản phẩm từ công nghệ sấy thăng hoa, một trong những
công nghệ chế biến tiên tiến nhất hiện nay.
Sấy thăng hoa nấm đông trùng hạ thảo tạo ra sản phẩm với nhiều ưu điểm. Tạo
màu sắc đặc trưng cho sản phẩm giữ được màu sắc, mùi vị protein khơng bị biến tính,
khơng làm hao hụt các chất dinh dưỡng và khả năng hoàn nguyên của sản phẩm rất tốt,
từ đó đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người về các loại dược liệu quý hiếm ở
thị trường Việt Nam cũng như nước ngoài.

3


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGỒI NƯỚC VỀ CƠNG NGHỆ SẤY THĂNG
HOA
Lịch sử cơng nghệ sấy thăng hoa luôn gắn liền với lịch sử phát triển của ngành công
nghệ nhiệt – lạnh và ngành vật lý chân không.
Sấy thăng hoa đã được sử dụng trong nhiều năm để bảo quản các chất sinh học.
Một đánh giá tốt của sự phát triển sớm của quá trình này được đưa ra bởi Flosdorf (1949).
Năm 1950 – 1960, các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo thành công hệ thống máy sấy
thăng hoa hoàn chỉnh nhưng năng suất rất thấp, sau đó là Nga, Pháp, Anh, Đức...,cũng chế
tạo thành cơng hệ thống sấy thăng hoa này với nhiều dạng khác nhau. Lúc này công nghệ
sấy thăng hoa chỉ được áp dụng trong ngành công nghệ dược, công nghệ enzyme, công
nghệ sinh học.
Cho đến năm 1970, công nghệ sấy thăng hoa mới bắt đầu trong ngành công
nghệ thực phẩm, bước đầu nghiên cứu chế biến thức ăn cho các nhà du hành vũ trụ.

Năm 1980, các nhà cơ khí chế tạo của Đức đã thiết kế, chế tạo thành công hệ
thống sấy thăng hoa công nghiệp hiện đại bậc nhất thế giới với hệ điều khiển thơng minh
và nó được trưng bày tại Hội chợ triễn lãm thương mại quốc tế ở Paris (Pháp).
Cho đến nay, công nghệ sấy thăng hoa đã phát triển tương đối hoàn thiện và nhiều
quốc gia trên thế giới chế tạo thành công do chuyển giao và mua cơng nghệ của các nước
có nền cơng nghiệp tiên tiến.
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VỀ CƠNG NGHỆ SẤY
THĂNG HOA
Ở Việt Nam, khi người Mỹ đặt chân lên đất nước Việt Nam họ đã mang theo công
nghệ này vào Việt Nam với mục đích là phục vụ cho chiến tranh, tuy nhiên sau này đất
nước công nghệ này vẫn không được nghiên cứu và phát triển, chúng chỉ được ứng dụng
trong một số trung tâm, việc nghiên cứu phục vụ cho nghiên cứu khoa học trong các lĩnh
vực cơng nghệ sinh học, y dược, phân tích,...
Máy sấy thăng hoa xuất hiện ở Việt Nam đã khá lâu nhưng chủ yếu phục vụ cho
ngành y tế để sấy và bảo quản các loại thuốc có giá trị như vacxin, sấy thăng hoa huyết
tương, huyết thanh ở viện Pasteur.
4


Trong giai đoạn hiện nay, cùng với sự hòa nhập vào nền kinh tế thế giới, việc
ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa ngày càng trở nên cần thiết để đáp ứng được nhu cầu
sấy thăng hoa ở các cơ sở trong nước nhằm giảm bớt chi phí ngoại tệ và tạo điều kiện phát
triển mạnh kỹ thuật sản xuất công nghiệp các sản phẩm sấy thăng hoa trong nước. Bước
đầu trường Đại học Tổng Hợp cho ra đời một loại máy nhỏ để thử nghiệm năm 1985. Năm
1986 chế tạo một máy thứ hai với quy mô sản xuất công nghiệp nhỏ, máy thứ 3 được sản
xuất năm 1988. Thầy Nguyễn Tấn Dũng trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ
Chí Minh cùng nhóm nghiên cứu cho ra đời máy sấy thăng hoa DS1, DS2, DS3, DS4, DS5,
DS6, DS7, DS8, DS9, DS10. Đặc biệt, hệ thống sấy thăng hoa DS10 được tối ưu hóa về
mặt năng lượng khi sử dụng bơm cấp nhiệt cho quá trình sấy trong điều kiện thăng hoa,
ứng dụng IOL trong quá trình điều khiển và kiểm sốt q trình; chế tạo thiết bị hồi

nhiệt để thu nhận nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ sau đó cấp cho q trình sấy. Tiết kiệm
được năng lượng, giảm chi phí sản xuất, giảm giá thành sản phẩm, tạo lợi thế cạnh tranh
trong sản xuất thương mại.
Hiện nay,công nghệ sấy thăng hoa đã được nhiều nhà khoa học Việt Nam quan tâm nghiên
cứu và phát triển, bởi vì hướng ứng dụng của cơng nghệ này không chỉ trong các nghành
công nghệ sinh học, y dược, phân tích,.. mà cịn cả trong ngành cơng nghệ chế biến thực
phẩm.(Nguyễn Tấn Dũng,2008).
1.3. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA SẤY THĂNG HOA
1.1.1. Những khái niệm ban đầu về sấy thăng hoa
Nguyên tắc của sấy thăng hoa liên quan đến việc loại bỏ nước từ một thực phẩm
bằng cách thăng hoa, do đó cung cấp một sản phẩm chất lượng cao (Bird.1964). Quá
trình sấy thăng hoa là quá trình tách nước ra khỏi thực phẩm nhờ sự chuyển pha trực
tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất chân không
nhiệt độ, và áp suất này phải nhỏ hơn nhiệt độ và áp suất của trạng thái ba thể O (
0.0098°C; 4.58mHg).
Nhờ sấy ở nhiệt độ thấp và áp suất chân không nên thực phẩm tránh được sự
oxy hóa do khơng khí và nhiệt độ, tránh được những phản ứng thủy giải, phản ứng nhiệt
phân, protein và acid amine không bị biến tính, vitamin khơng bị phá hủy. Cấu trúc
phân tử của sản phẩm hầu như được bảo tồn, sản phẩm có độ xốp, tính chất lưu biến
rất tốt, màu sắc, mùi vị hình dạng và các chất có hoạt tính sinh học được giữ ở mức cao
5


nhất so với các phương pháp sấy khác. Sản phẩm có độ xốp cao nên có tính chất hồn
ngun khi cho sản phẩm vào nước. Sản phẩm sấy thăng hoa có rất nhiều tính chất ưu
việt như: bảo quản dài hạn ở nhiệt độ thường (khác với trữ đông nhiệt dộ dưới -18°C
liên tục), vận chuyển dễ dàng và sử dụng tiện lợi hơn so với sản phẩm đơng lạnh.
Tóm tắt cơng nghệ sấy thăng hoa có những ưu điểm sau:
- Phương pháp sấy thăng hoa được xem là phương pháp tốt nhất cho việc sản
xuất các sản phẩm khô chất lượng cao, cho sản phẩm có cấu trúc ổn định, ít bị co rút,

mà có thể hồn ngun dễ dàng trước khi sử dụng, đồng thời lưu giữ được các chất dinh
dưỡng và hương thơm của thực phẩm tươi (Ratti2001). Tuy nhiên chi phí sản xuất cao,
tiêu hao năng lượng lớn và lưu lượng thấp (Caparino 2000; Ratti 2001, HSU et al_2003).
- Sấy ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ ẩm. Nhiệt độ cuối q trình sấy bằng nhiệt độ
mơi trường
- Hàm hượng nước còn lại chứa trong thực phẩm rất ít, chỉ khoảng 2- 4%, thực
phẩm rất khơ.
- Bảo tồn các tính chất sinh hóa, hóa lí của thực phẩm ở mức cao nhất so với
tất các công nghệ chế biến khác.
- Rút gắn thời gian hoàn nguyên của thực phẩm khi cho nước vào.
- Thực phẩm sau khi sấy xong bao gói kín và bảo quản ở nhiệt độ thường trong
một thời gian dài mà không gây hư hỏng (có thể bảo quản từ 3 – 6 năm). Dẫn đến giảm
tối thiểu chi phí bảo quản
- Thực phẩm sấy thăng hoa cung cấp sự ổn định tuyệt với và thời gian bảo quản
lâu dài mà không cần làm lạnh (American Meat Institute Foundation 1962).
Để được các ưu điểm trên thì yêu cầu kỹ thuật chế tạo máy và cơng nghệ sấy
địi hỏi được tính tốn thiết kế, chế tạo khá khắt khe.
Hệ thống sấy thăng hoa phải được tính tốn, chế tạo đúng theo các u cầu một
cách chính xác, q trình lạnh đơng phải nhanh (càng nhanh càng tốt), q trình thăng
hoa địi hỏi buồng sấy phải có độ chân khơng gần như tuyệt đối.
Q trình tự động hóa hệ thống sấy điều khiển theo chương trình hệ thơng minh
là tốt nhất. Quy trình cơng nghệ sấy thực phẩm địi hỏi phải chặt chẽ và chính xác, mỗi
loại sản phẩm khác nhau sẽ có loại cơng nghệ riêng. Vì thực phẩm sau khi sấy khơ, có
6


hệ trương nở cao, nên chúng là những chất hấp phụ nước rất tốt, do đó kỹ thuật bao gói
phải đảm bảo để bảo quản sản phẩm.
1.1.2. Biến đổi trạng thái vật chất theo giản đồ P-t
Nước trong thực phẩm tự nhiên ln có thể tồn tại ở ba thể, thể lỏng – rắn – khí,

sấy thực phẩm là làm cách nào đó để lất lượng nước trong thực phẩm ra khỏi nguyên
liệu để làm tăng độ khô, giảm độ ẩm kéo dài thời gian sử dụng. Theo nguyên tắc này có
hai phương pháp sấy.
Phương pháp 1: Chuyển nước ở thể lỏng trực tiếp sang thể hơi, phương pháp
này là sấy nhiệt bình thường làm thay đổi rất nhiều đến đặc tính dinh dưỡng của thực
phẩm.[1]
Phương pháp 2: Chuyển nước ở thể lỏng sang thể rắn sau đó tạo điều kiện cho
thể rắn thăng hoa, phương pháp này là sấy thăng hoa ở nhiệt độ thấp, đây là một trong
những phương pháp tiên tiến nhất hiện nay, bởi vì nó giữ lại tồn bộ đặc tính tự nhiên
cũng như về phẩm chất dinh dưỡng của thực phẩm.[1]
Trên đồ thị P-t (hình)
cho thấy, đường OA là đường
đóng băng nóng chảy, đường OB
là đường thăng hoa hóa tuyết
(ngưng tụ đóng băng), đường OK
là đường bay hơi ngưng tụ. [1]
Điều kiện tiên quyết để
nước đá thăng hoa là khi chúng
được đặt trong môi trường có
nhiệt độ và áp suất nhỏ hơn điểm
ba thể O (0,00980C; 4,58mmHg)
(Peng S.W. 1997).[1]

Hình 1. Giản đồ biến đổi pha của nước

Q trình biến đổi pha của nước ln phụ thuộc vào hai thơng số cơ bản đó là
nhiệt độ và áp suất, ứng với một giá trị áp suất xác định sẽ có một giá trị nhiệt độ thăng
hoa xác định (hình). Việc chọn áp suất mơi trường sấy thăng hoa phù hợp với nhiệt độ

7

thăng hoa nước đá sẽ quyết định đến thời gian thăng hoa của nước đá, nếu áp suất môi
trường sấy thăng hoa không phù hợp sẽ kéo dài thời gian thăng hoa.[1]
Không phải loại thực phẩm nào cũng sấy thăng hoa được, tùy thuộc vào tính
chất lý – hóa của thực phẩm, tùy thuộc vào dạng liên kết giữa nước với thực phẩm và
khả năng hòa tan của thực phẩm trong nước. Chẳng hạn như những dung dịch mật ong,
siro... rất khó sấy thăng hoa, những thực phẩm có thành phần lipid lớn cũng rất khó sấy
thăng hoa, bởi vì lipid có khả năng hạn chế sự truyền nhiệt, mặt khác lipid có thể tạo màng
vững chắc bảo vệ khơng cho nước từ bên trong thực phẩm thốt ra ngồi. [1]
Áp suất và nhiệt độ trong quá trình sấy thăng hoa có mối quan hệ với nhau, khi
áp suất càng thấp thì nhiệt độ thăng hoa càng bé. Do đó, khi cấp nhiệt cho vật liệu sấy (thực
phẩm sấy) ở áp suất càng thấp thì độ chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nhiệt, môi trường sấy
và thực phẩm sấy càng tăng. Đứng về mặt truyền nhiệt thì đây là ưu điểm của quá trình sấy
thăng hoa so với sấy chân không thông thường. Bảng dưới đây cho thấy quan hệ giữa áp
suất và nhiệt độ thăng hoa của nước.[1]
Bảng 1. Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đá.
Áp suất
(mmHg)

Nhiệt độ
(0C )

Áp suất
(mmHg)

Nhiệt độ
( 0C )

4,58

4
3
2
1

0,0098
-1,7
-5,1
-9,8
-17,5

0,5
0,1
0,05
0.01
0,001

-24,4
-39,3
-45,4
-57,6
-66,70

1.1.3. Phương trình động học quá trình chuyển pha của vật chất
Phương trình Clapeyron là phương trình được thiết lập bởi kỹ sư và nhà vật lý
học người Pháp Benoit Paul Émile Clapeyron (1799-1864) cho phép tính năng lượng
chuyển pha L theo thể tích mol của một chất tinh khiết ở hai pha cân bằng của chất này.
Nói chung, chúng ta thường xét đến cân bằng giữa hai pha lỏng – khí (q trình bay
hơi) hoặc rắn – khí (q trình thăng hoa) và thu được một biểu thức thể hiện sự biến
thiên giữa áp suất theo nhiệt độ của hệ như sau [1]

8


𝜕𝑃
𝐿
=
𝜕𝑇
𝑇(𝑉2 − 𝑉1 )
Với:

P (N/m2)

Áp suất của quá trình chuyển pha

T (K)

Nhiệt độ của quá trình chuyển pha

L (kJ/kmol)

Ẩn nhiệt chuyển pha

V2 – V1 (m3/mol)

Hiệu thể tích mol của chất tinh khiết ở hai pha
cân bằng đang xét.

Dựa vào phương trình (1), ta có thể tính tốn và tìm ra ẩn nhiệt của quá trình
bay hơi cũng như ẩn nhiệt của quá trình thăng hoa vật chất. Trên cơ sở đó cho phép tính

tốn nhiệt lượng cần thiết cho q trình thăng hoa trong quá trình sấy thăng hoa vật liệu
ẩm.
1.1.4. Đồ thị động học của quá trình sấy thăng hoa
Kỹ thuật sấy thăng hoa có nhiều ưu điểm, tuy nhiên khá phức tạp, nó gồm có ba giai
đoạn nối tiếp nhau:
- Giai đoạn 1: là giai đoạn cấp đông sản phẩm (hay lạnh đơng sản phẩm) để chuyển
tồn bộ ẩm trong thực phẩm từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn.[3]
- Giai đoạn 2: là giai đoạn thăng hoa, ẩm trong thực phẩm từ trạng thái rắn thăng
hoa qua trạng thái hơi không qua trạng thái lỏng [4]
- Giai đoạn 3: là giai đoạn sấy chân không, bốc hơi ẩm cịn lại chưa thăng hoa
hết hoặc khơng đóng băng trong giai đoạn lạnh đông cho đến khi thực phẩm khơ
có độ ẩm đạt u cầu.
 Giai đoạn làm lạnh đông

9


Trong giai đoạn này, sản phẩm được làm lạnh đông từ nhiệt độ của sản phẩm (20 ÷
25)oC xuống đến nhiệt độ từ (-35 ÷ -30)oC, ở nhiệt độ này, nước trong thực phẩm đóng băng
gần như hồn tồn. Mỗi loại thực phẩm sẽ có một nhiệt độ lạnh đơng khác nhau, có loại thực
phẩm khi ở nhiệt độ (-22 ÷ -20)oC thì nước bên trong đã kết tinh hồn tồn. Vì vậy, nhiệt độ
lạnh đơng có thể thay đổi tùy theo loại nguyên liệu lạnh đông, miễn là sau q trình lạnh
đơng phải đảm bảo 100% nước trong ngun liệu đã kết tinh hồn tồn.[1]

Chú thích:
(I) - Lạnh đơng
(II) - Sấy thăng hoa
(III) - Sấy chân không.
1-Nhiệt độ môi trường lạnh
đông;

2 - Nhiệt độ vật liệu;
3 - Độ ẩm vật liệu;
4 - Nhiệt độ môi trường sấy;
5 - Áp suất môi trường sấy;
6 - Nhiệt độ tấm gia nhiệt;
7 - Nhiệt độ cửa ra của buồng
thăng hoa;

Hình 2. Đồ thị làm việc của buồng sấy thăng hoa
(Sử dụng nguồn nhiệt bức xạ)
Hình 2 cho ta thấy, đường (2) là nhiệt độ của vật liệu sấy, đồng thời trong giai đoạn
này, áp suất của buồng sấy thăng hoa (đường (5)) cũng như buồng lạnh đông sản phẩm hầu
như không thay đổi và bằng áp suất khí quyển, thực tế nó có xê dịch một chút nhưng xem
như khơng đáng kể, bởi vì q trình làm lạnh, nhiệt độ khơng khí giảm, dẫn đến áp suất giảm
(thể tích buồng sấy thăng hoa khơng thay đổi và kín), ở giai đoạn này, lượng ẩm thốt ra rất
ít, chủ yếu là sự bay hơi và thăng hoa nước trên bề mặt thực phẩm. sự thoát ẩm là do sự chênh
lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường sấy thăng hoa và lớp khơng khí sát bề
mặt thực phẩm. Ngồi ra, sự chênh lệch nhiệt độ thực phẩm lạnh đông với nhiệt độ môi
trường lạnh đông cũng là nguyên nhân làm bay hơi ẩm để có xu hướng đạt trạng tháng cân
bằng nhiệt.[1]
10


 Giai đoạn thăng hoa.
Sau khi sản phẩm đạt tới nhiệt độ lạnh đơng thích hợp, ngừng q trình làm lạnh sản
phẩm và kết thúc giai đoạn lạnh đông, lúc này bơm hút chân không bắt đầu làm việc, áp suất
buồng sấy hạ rất nhanh tạo môi trường sấy là môi trường chân không, áp suất biến thiên hầu
như không đổi (Pm = 0.001 ÷ 1) mmHg, được biểu diễn ở đường (5). Do sự chênh lệch áp
suất riêng phần hơi nước ở sản phẩm Pn và áp suất hơi nước trong mơi trường sấy Pnm q
lớn, đồng thời dịng điện bức xạ từ các tấm kim loại thoát ra để đốt nóng làm cho sự chênh

lệch nhiệt độ giữa môi trường sấy và sản phẩm sấy khá lớn. Kết quả giai đoạn này, nước
trong sản phẩm lạnh đông bắt đầu thăng hoa mãnh liệt, độ ảm giảm rất nhanh và gần như
tuyến tính (đường (3)). Thực tế thì nhiệt độ sản phẩm sấy có tăng nhưng tốc độ rất chậm, ở
thời gian cuối của giai đoạn này, nhiệt độ sản phẩm sấy tăng dần đến nhiệt độ kết tinh của
ẩm trong sản phẩm (Tkt = 0.0098oC), tại đây kết thúc giai đoạn thăng hoa.[1]
 Giai đoạn sấy chân không làm bay hơi ẩm cịn lại
Cuối q trình thăng hoa, nhiệt độ thực phẩm sấy đạt tới Tkt, áp suất môi trường
sấy chân không vẫn không thay đổi dao động trong khoảng từ (0,001 ÷ 1) mmHg, nhưng
áp suất riêng phần của ẩm còn lại trong thực phẩm lớn hơn 4,58mmHg (áp suất của
điểm 3 thể), vì vậy trạng thái của ẩm trong thực phẩm về trạng thái lỏng.
Do áp suất không gian sấy là áp suất chân không (0,001 ÷ 1) mmHg và nó được
duy trì bởi bơm chân không và thực phẩm sấy vẫn tiếp tục gia nhiệt bằng bức xạ nhiệt
nên ẩm không ngừng biến đổi pha từ dạng lỏng sang dạng hơi khuếch tán hoặc bay hơi
vào mơi trường sấy trước khi đi về bình ngưng tụ - đóng băng. Như vậy giai đoạn làm
bay hơi lượng ẩm cịn lại chính là giai đoạn sấy chân khơng bình thường. Động lực cho
q trình bay hơi khuếch tán vẫn là sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước và
nhiệt độ giữa thực phẩm và môi trường sấy.
Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại trong thực phẩm sấy kết thúc khi nhiệt độ giữa
các tấm gia nhiệt bức xạ, môi trường không gian sấy và thực phẩm sấy bằng nhau, xem
hình 2 thì sẽ thấy đường 2, 4 và 6 giao nhau tại một điểm. Tại điểm này sẽ xảy ra sự cân
bằng nhiệt và cân bằng ẩm, lượng ẩm trong thực phẩm sấy không thể bốc hơi được nữa
và gần cuối giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại này hầu như lượng ẩm còn lại trong thực phẩm
không đổi, đường độ ẩm thực phẩm sấy gần như nằm ngang (xem đường 3 của hình 2).

11


Quá trình dịch chuyển ẩm trong sấy thăng hoa khác với hệ thống dịch chuyển
ẩm trong các hệ thống sấy khác làm việc ở áp suất khí quyển (P = 760 mmHg = 1at).
Khi thăng hoa, các phân tử nước khơng va chạm nhau bởi vì mơi trường chân khơng

tồn tại trường lực đàn hồi của khơng khí, các phân tử nước liên kết với nhau bởi lực đẩy
ra xa nên không thể va chạm điều này được chứng minh trong thuyết chuyển động các
hạt vật chất trong môi trường chân khơng của Plank R. Nhờ đó mà sấy thăng hoa có
một ưu điểm rất lớn là bảo tồn được chất lượng sinh học của sản phẩm sấy. Ngoài ra
trong môi trường chân không các sản phẩm sấy không bị oxy hóa.[1]
1.1.5. Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa
Các thiết bị chính trong hệ thống sấy thăng hoa
 Buồng thăng hoa
Yêu cầu kỹ thuật chung của buồng thăng hoa:
- Buồng thăng hoa phải kín tuyệt đối khi hút chân khơng.
- Khơng gian đặt sản phẩm sấy phải có mật độ sản phẩm là lớn nhất và cường
độ bay hơi là lớn nhất.
- Khả năng truyền nhiệt trong quá trình sấy thăng hoa và sấy nhiệt trong môi
trường chân không là lớn nhất.
- Sử dụng phương pháp truyền nhiệt phải đạt hiệu quả nhất để rút ngắn thời
gian sấy thăng hoa và sấy nhiệt.[1]
Như đã biết, hệ thống sấy thăng hoa có ba loại là sấy thăng hoa lạnh đơng riêng,
sấy thăng hoa tự lạnh đông và sấy thăng hoa liên tục. Tùy vào mỗi loại hệ thống sấy
thăng hoa mà buồng thăng hoa có cấu tạo khác nhau. Dưới dây là cấu tạo của hệ thống
sấy thăng hoa tự lạnh đông.
Hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông là hệ thống sấy thăng hoa phức tạp nhất
trong 3 loại hệ thống kể trên vì buồng thăng hoa cũng là buồng lạnh đơng. Phía dưới
các tấm gia nhiệt đặt song song nhau trong khơng gian sấy phải bố trí các đường ống
trao đổi nhiệt của dàn lạnh, đồng thời phải gắn các đường ống gia nhiệt để gia nhiệt
trong quá trình sấy.[1]

12


Hình 3. Cấu tạo buồng sấy thăng hoa tự lạnh

đơng
 Thiết bị ngưng tụ - đóng băng (thiết bị hóa tuyết hay thiết bị ngưng ẩm)
Thông thường trong hệ thống sấy thăng hoa, cấu tạo thiết bị ngưng tụ - đóng băng
thường được chế tạo ở hai dạng cơ bản:
- Thiết bị đóng băng có bộ phận cào – nạo tuyết
- Thiết bị đóng băng khơng có bộ phận cào – nạo tuyết.
Vai trò của thiết bị này trong hệ thống sấy thăng hoa rất quan trọng. Hơi ẩm bốc ra
từ sản phẩm được làm lạnh để hóa tuyết trước khi bơm chân khơng hút ra ngồi. Nó đảm bảo
cho bơm chân không làm việc ổn định, không gây va đập thủy lực dẫn đến làm bơm hư hỏng.
Ngoài ra nó cịn làm nhiệt độ bơm chân khơng ổn định, cường độ bay hơi trong quá trình sấy
thăng hoa ổn định, bởi vì nhiệt độ thiết bị ngưng tụ - đóng băng ln ổn định.
Ngồi ra, cịn có các thiết bị khác như: Bơm chân không, hệ thống đường ống,
tấm truyền nhiệt (tấm lắc).

13


1.4. NGUYÊN LIỆU SẤY THĂNG HOA
1.4.1. Nguyên liệu vô cơ và hữu cơ
Nguyên liệu sấy thăng hoa được hiểu theo nghĩa hẹp là các loại vật liệu sinh học
(thực phẩm, dược phẩm, các chế phẩm sinh học,…) mà cơ thể có khả năng hấp thụ được
[5][6]. Trong thực tế, nguyên liệu tồn tại ở hai dạng: vô cơ và hữu cơ.
- Dạng vơ cơ thường là các loại muối khống, khoáng; chúng bổ sung các chất
khoáng cần thiết cho cơ thể sống sinh trưởng và phát triển.
- Dạng hữu cơ và các hợp chất sinh học như protein lipid, glucid, các hoạt chất sinh
học,…có vai trị rất quan trọng cung cấp các chất dinh dưỡng và các chất cần thiết cho cơ thể
sống sinh trưởng và phát triển.
Quá trình sấy thăng hoa được tiến hành ở môi trường nhiệt độ và áp suất thấp, dưới
điểm ba thể O (0.0098oC; 4.58mmHg) là nhiệt độ kết tinh của nước trong nguyên liệu, có
nghĩa là nhiệt độ của nguyên liệu sấy dưới điểm kết tinh, áp suất môi trường sấy dưới 4.58

mmHg.
Mặc dù sản phẩm sau sấy thăng hoa giữ được các tính chất ban đầu của ngun liệu:
protein khơng bị biến tính, lipid khơng bị oxy hóa và thủy phân; glucid khơng bị nhiệt phân,
khơng bị hồ hóa; các hoạt chất sinh học, vitamin không bị phá hủy; màu sắc, mùi vị không
thay đổi, độ co rút thấp, sản phẩm tạo được độ xốp, sản phẩm hồn ngun rất tốt… nhưng
q trình sấy thăng hoa tốn rất nhiều năng lượng, vì thế chỉ thích hợp sấy các loại ngun
liệu có giá trị dinh dưỡng, giá trị dược phẩm, giá trị kinh tế cao, mà các giá trị này dễ dàng bị
mất đidưới tác dụng của nhiệt và khơng khí. Chẳng hạn phương pháp sấy thăng hoa thích
hợp sấy các nguyên liệu chứa các thành phần dinh dưỡng quý hiếm như sữa ong chúa, tổ
yến,…, các loại dược liệu như nấm linh chi, nhân sâm,…
1.4.2. Nguyên liệu khô tuyệt đối và nguyên liệu ẩm
 Nguyên liệu khô tuyệt đối
Nguyên liệu không chứa ẩm và hơi ẩm gọi là vật liệu rắn khô tuyệt đối. Trong thực
tế có muối khan được coi là nguyên liệu khô tuyệt đối. Các hợp chất sinh học sấy đến khối
lượng không đổi cũng được xem là nguyên liệu khô tuyệt đối.[7]

14


 Nguyên liệu ẩm
Các loại hợp chất hữu cơ là sản phẩm trong các lĩnh vực y học, công nghệ sinh học,
công nghệ enzyme, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm. trong công nghệ thực
phẩm, thường không tồn tại dạng vật rắn khơ tuyệt đối, bởi vì khi chúng tiếp xúc với khơng
khí ẩm, chính các vật liệu hữa cơ này rất ưa nước và háu nước sẽ hút hơi ẩm từ bên ngoài
vào bên trong và liên kết dưới dạng cơ, lý, hóa với vật liệu. Mặt khác, bản thân các loại vật
liệu này luôn tồn tại một lượng ẩm nhỏ liên kết dưới dạng liên kết hóa học rất khó tách trong
q trình sấy. Vật liệu rắn, có chứa ẩm bên trong, bản thân của chúng ở các dạng cơ, lý, hóa,
gọi là vật liệu ẩm.[7][1]
Đối với các loại thực phẩm: thịt gia súc, gia cầm, tôm, cá, rau quả, các loại dược
liệu, các chế phẩm sinh học là các loại nguyên liệu có hàm lượng ẩm chiếm tỷ lệ rất lớn, liên

kết ẩm với chất khơ tuyệt đối ở các dạng cơ, lý, hóa rất phức tạp. Vì thế, các thơng số nhiệt
vật lý sẽ thay đổi theo quy luật phức tạp, ảnh hưởng lớn đến việc trao đổi nhiệt tách ẩm trong
các quá trình sấy nói chung và sấy thăng hoa nói riêng mà hiện nay chưa có số liệu.[7][1]
Khi đánh giá đặc tính ẩm có trong ngun liệu chúng ta thường quan tâm đến hai
vấn đề: số lượng (hàm lượng nước có trong nguyên liệu) và chất lượng (dạng liên kết giữa
ẩm với nguyên liệu và năng lượng liên kết của chúng). Các đặc tính cơ, lý, hóa của vật liệu
ẩm khơng những phụ thuộc vào bản chất nhiệt – vật lý của vật liệu khơ tuyệt đối mà cịn cả
độ ẩm và các dạng năng lượng liên kết. Vì vậy ứng với loại nguyên liệu khác nhau nếu thực
hiện quá trình sấy tách ẩm sẽ có thời gian sấy khác nhau.[7][1]
Hàm lượng ẩm có trong nguyên liệu được đánh giá qua hai thông số cơ bản sau: độ
ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối. Sự biến thiên hàm ẩm theo thời gian hay sự biến thiên tốc
độ bay hơi ẩm theo thời gian cho phép chúng ta xây dựng đường cong sấy và đường cong
tốc độ sấy.[1]
Độ ẩm tương đối: cịn gọi là độ ẩm tồn phần là phần trăng khối lượng nước chứa
trong một đơn vị khối lượng nguyên liệu , được xác định theo biểu thức 𝑊 =

𝐺𝑛
𝐺

𝑥 100%

Độ ẩm tuyệt đối là phần trăm nước chứa trong một đơn vị khối lượng nguyên liệu
khô, xác định theo biểu thức U =

𝐺𝑛
𝐺𝑐𝑘

x 100%

15

(Trong đó: Gn, Gck, G (kg) là khối lượng ẩm, khối lượng chất khô, khối lượng nguyên
liệu ẩm)
1.4.1.3. Sự liên kết ẩm trong vật liệu ẩm
 Đặc trưng vật lý cơ bản của nước trong VLA
Tại mỗi chỉ số áp suất và nhiệt độ khác nhau (điều kiện môi trường khác nhau) thì
nước trong VLA có thể tồn tại ở trạng thái rắn, lỏng, hơi.
Ở điều kiện bình thường, nhiệt độ mơi trường và áp suất khí quyển (Pkq = 1at) ẩm
trong vật liệu thường ở trạng thái lỏng, nhưng khi hạ thấp nhiệt độ xuống dưới điểm đóng
băng thì ẩm từ thể lỏng chuyển sang thể rắn.
 Đặc tính hấp phụ và mao dẫn
Nghiên cứu cơ chế của nước liên kết với VLS nói chung và trên một bề mặt vật rắn
nói riêng có ý nghĩa đặc biệt quan trong trong kỹ thuật sấy. Chế độ sấy tối ƣu là chế độ sấy
cho phép vừa đủ năng lƣợng cho nước thắng các lực liên kết để dịch chuyển từ trong
VLS ra bề mặt và đi vào tác nhân để thải vào môi trường. Bản chất các liên kết giữa nước
và vật liệu là hiện tượng hấp phụ, hiện tượng mao dẫn.
Việc hấp phụ nước vào vật liệu được chia làm hai loại: hấp phụ hóa học và hấp
phụ vật lý.
- Hấp phụ hóa học: Hiện tượng liên kết bền vững giữa các phân tử nước và các phân
tử hấp phụ thơng qua việc trao đổi điện tử vịng ngồi (hay cịn gọi là tính ngậm nước nên
rất bền vững.
- Hấp phụ vật lý: Hiện tượng liên kết giữa các phân tử của nước và các phân tử vật
hấp phụ khơng có sự trao đổi ion mà chỉ do sức căng bề mặt ngoài (hệ quả của sức căng bề
mặt ngoài là do lực mao quản gây ra). Nước và vật rắn là các hệ độc lập với nhau về mặt hóa
học. Nước có trong vật liệu sấy chủ yếu do hấp thụ vật lý.
1.4.3. Các đặc tính của nước trong nguyên liệu
 Các thông số nhiệt vật lý quan trọng của nước
Đã có nhiều nghiên cứu quan trọng về tính chất nhiệt vật lý của nước (H2O) trong các quá
trình biến đổi pha của nước từ các trạng thái khí, lỏng, rắn khác nhau. Dưới đây là bảng tổng hợp

các thông số nhiệt vật lý quan trọng của nước, mơ tả động học cho q trình sấy.

16


Bảng 2: Các thông số nhiệt vật lý của nước [1]
Ký hiệu Đơn vị đo Thông số nhiệt vật lý

Tkt
Ts

Nhiệt độ kết tinh

o

C

Nhiệt độ sơi (bay hơi)

o

C

Phương trình hay giá trị
0 (tại áp suất 760 mmHg)

Ts = 1004√Ps – 0.06.Ps
Ps = 1 kg/cm2 thì Ts = 99.94oC

rhh

rdd

rth

kJ/kg

Ẩn nhiệt hóa hơi
Ẩn nhiệt đông đặc

J/kg

kJ/kg

Ẩn nhiệt thăng hoa

rhh = (2509,64 – 2.51.T).103 với T(oC)
rdd = L = 333601,5 + 1054.10-3.T – 21.10-6.T2
Với T(oC)

rth = (0,0024T2 + 3.0606.T + 3287.074).103
Với T(oC)
Nước

𝜌n

3

kg/m

Khối lượng riêng

Nước đá

cn

J/(kg.K)

Nhiệt dung riêng của
nước nguyên chất

Nước

W/(m.K)

Với 3,986oC ≤ T ≤ 100oC

𝜌n = 917.(1 – 0,000155.T)
Với T ≤ 0oC

cn = 4184,7 + 1,74.T

Nước đá cnd = 2090 + 7,79.T
Nước

𝜆n

𝜌n = 1001,75 – 0,4375.T

Hệ số dẫn nhiệt
Nước đá

𝜆 = 0,551 + 0,0034.T
Với T > 0oC

𝜆 = 2,326.(1 – 0,00156.T)
Với T ≤ 0oC

 Sự liên kết nước trong nguyên liệu ẩm
Ẩm trong nguyên liệu được chia thành hai loại cơ bản là ẩm tự do và ẩm liên kết.
Ẩm tự do
Là loại ẩm không tham gia cấu tạo nên cấu trúc tế bào của nguyên liệu, chúng liên kết
với nguyên liệu chủ yếu ở dạng liên kết cơ – lý (hấp phụ vật lý và mao dẫn).

17


Đối với các loại thực phẩm, dạng ẩm tự do chiếm hàm lượng lớn, năng lượng dung để
tách lượng ẩm này ra nhỏ và dễ dàng tách ra để kết tinh trong quá trình làm lạnh cũng như bốc
hơi trong quá trình sấy và sấy thăng hoa. Đây là đối tượng ẩm chính, cần tách ra khỏi nguyên liệu
trong quá trình sấy.[1]
Ẩm liên kết
Là loại ẩm tham gia vào cấu trúc tế bào của nguyên liệu, chúng liên kết với nguyên liệu
ở dạng liên kết hóa học (liên kết ion, cộng hóa trị,…hấp phụ hóa học…).
Đối với các loại thực phẩm, dạng ẩm liên kết chiếm hàm lượng nhỏ, năng lượng dùng
để cắt đứt liên kết dạng này rất lớn và khó tách ra trong q trình lạnh đơng và sấy hay sấy thăng
hoa thực phẩm.[1]
Nghiên cứu cơ chế của nước liên kết với nguyên liệu nói chung và trên một bề mặt
nguyên liệu nói riêng có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật sấy. Chế độ sấy tối ưu là chế độ
cung cấp vừa đủ năng lượng cho nước trong nguyên liệu thắng các lực liên kết cơ – lý – hóa giữa
nước và nguyên liệu ra bề mặt và bốc hơi vào mơi trường. Hay nói rõ hơn là các liên kết giữa
nước và nguyên liệu (chủ yếu là liên kết hấp phụ vật lý) là những liên kết cần được loại bỏ sau

quá trình sấy.
1.4.4. Các tính chất nhiệt vật lý quan trọng của nguyên liệu sinh học ảnh hưởng đến q
trình lạnh đơng và sấy thăng hoa.
 Độ nhớt và quan hệ giữa độ nhớt với chất lượng của nguyên liệu sinh học
Điều cần lưu ý đầu tiên khi nói về độ nhớt đó là đại lượng này chỉ đặc trưng cho các
nguyên liệu sinh học ở dạng dung dịch. Theo định luật ma sát của Newton, độ nhớt của dung dịch
chất lỏng phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ và đặc biệt là sự liên kết giữa dung môi và chất tan. Tại
một giá trị nồng độ và nhiệt độ xác định, sự liên kết giữa dung môi và chất tan của dung dịch giảm
thì độ nhớt của dung dịch giảm và ngược lại.
Có thể nói, xác định độ nhớt của nguyên liệu sinh học có thể xác định chất lượng của
nguyên liệu sinh học vì độ nhớt của nguyên liệu sinh học đặc trưng cho sự liên kết giữa các phân
tử nước và các thành phần chất khô, nhất là các phân tử protein. Nếu như sau q trình sấy, protein
bị biến tính thì khả năng hồn ngun của ngun liệu sinh học sẽ giảm đi, hay nói cách khác,
nguyên liệu sinh học đã trải qua q trình sấy sau khi hồn ngun có độ nhớt khác với độ nhớt
ban đầu của chúng thì chất lượng của ngun liệu đó bị giảm sau quá trình sấy.[1]
18


 Nhiệt dung riêng của nguyên liệu sinh học.
Nhiệt dung riêng của nguyên liệu sinh học là lượng nhiệt cần thêm vào (lấy ra) để làm
thay đổi nhiệt độ 1oC (1K) trên một đơn vị khối lượng của chúng.[1]
Nhiệt dung riêng của nguyên liệu sinh học là thông số nhiệt vật lý quan trọng dùng để
xác định tỷ lệ nước đóng băng động học của q trình lạnh đơng và quá trình sấy thăng hoa bảo
quản sản phẩm thực phẩm.[1]
Tùy vào mỗi loại thực phẩm sẽ có những thành phần chất khô khác nhau. Dưới đây là
bảng thống kê nhiệt dung riêng của một số thành phần chất khơ có thể có trong thực phẩm.
Bảng 3: Nhiệt dung riêng của các thành phần chất khơ.[1]
Phương trình c = f (T)
Chất

Tỷ lệ

(-55oC ≤ T ≤ 75oC, J/(kg.K))

Nước

Xt p1

Xem ở bảng 2

Protein

Xt p2

cp r o = 2008,2 + 1208,9.10-3.T + 1312,9.10-6.T2

Glucid

Xt p3

cg l u = 1548,8 + 1962,5.10-3.T + 5939,9.10-6.T2

Lipid

Xt p4

cl i p = 1984,2 + 1473,3.10-3.T + 4800,8.10-6.T2

Chất khoáng

Xt p5

ca s h = 1092,6 + 1889,6.10-3.T + 3681,7.10-6.T2

Thành phần các hợp chất đa lượng

Xt p6

ci m = 1296,78

 Khối lượng riêng của nguyên liệu sinh học
Khối lượng riêng của nguyên liệu sinh học là một trong những thông số nhiệt vật lý cần
thiết dùng để tính tốn động học cho q trình sấy thăng hoa.

19


Bảng 4: Khối lượng riêng của thành phần chất khô.[1]
𝝆 = f (T)
Chất

Tỷ lệ

(-55oC ≤ T ≤ 75oC, kg/m3)

Protein

Xt p2

𝜌p r o = 1329,9 – 0,5184.T

Glucid

Xt p3

𝜌g l u = 1599,1 – 0,31046.T

Lipid

Xt p4

𝜌l i p = 925,59 – 0,41757.T

Chất khoáng

Xt p5

𝜌a s h = 2423,8 – 0,28063.T

Thành phần các hợp chất đa lượng khác

Xt p6

𝜌i m = 1017,29

 Hệ số dẫn nhiệt của thành phần chất khô
Hệ số dẫn nhiệt của nguyên liệu sinh học là thông số nhiệt vật lý quan trọng dùng để tính
tốn cân bằng nhiệt xác định động học của quá trình sấy thăng hoa và lạnh đông.
Bảng 5: Hệ số dẫn nhiệt của thành phần chất khô.[1]
𝝀 = f (T)

Chất

Tỷ lệ

(-55oC ≤ T ≤ 75oC, W/(m.K))

Protein

Xt p2

𝜆p r o = 0,17881 + 1,1958.10-3.T – 2,7178.10-6.T2

Glucid

Xt p3

𝜆g l u = 0,20414 + 1,3874.10-3.T – 4,3312.10-6.T2

Lipid

Xt p4

𝜆l i p = 0,18071 – 2,7604.10-3.T – 1,7749.10-7.T2

Chất khoáng

Xt p5

𝜆a s h = 0,32962 + 1,4011.10-3.T – 2,9096.10-6.T2

Xt p6

𝜆i m = 0,18437

Thành phần các hợp
chất đa lượng khác

Qua phân tích và tổng hợp các kết quả nghiên cứu về các đặc tính hóa, lý của các thành
phần trong ngun liệu sinh học thì việc xác định các thơng số nhiệt vật lý của nguyên liệu sinh
học ảnh hưởng đến q trình sấy thăng hoa là vơ cùng quan trọng, nó là các thơng số cần thiết để
tính tốn tỷ lệ nước đóng băng, nhiệt độ lạnh đơng tối ưu của nguyên liệu sinh học trước khi sấy
thăng hoa và dùng để tính tốn mơ tả động học q trình sấy thăng hoa.
20


Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TỐN
2.1. QUY HOẠCH MẶT BẰNG, XÂY DỰNG NHÀ XƯỞNG VÀ LẮP ĐẶT HỆ
THỐNG.
2.1.1. Những lưu ý khi thiết kế và xây dựng mặt bằng nhà xưởng
Trước khi quyết định xây dựng một phân xưởng hay nhà máy, các chủ doanh nghiệp
cần có sự tìm hiểu, nghiên cứu cũng như chuẩn bị kỹ lưỡng về tất cả các yếu tố liên quan đến sản
xuất, nhân công, điều kiện tự nhiên, con người,…cùng rất nhiều yếu tố khác. Một số lưu ý khi
thiết kế mặt bằng nhà máy như sau:
 Đặc điểm thiên nhiên:
- Đặc điểm mặt bằng nhà máy cần phù hợp với cấu tạo địa chất nơi xây dựng nhà máy:
nơi xây dựng nhà máy cần là nơi bằng phẳng, hạn chế gần vùng đồi núi hay thung lũng, nơi
thường xuyên có thiên tai, sạc lở đất,…
- Hướng gió: quyết định tổng mặt bằng nhà máy, nên xây nhà máy theo hướng chắn gió.
- Các số liệu, thơng tin về khí tượng, thủy văn: nhiệt độ, độ ẩm, mực nước ngầm,…
 Đặc điểm kinh tế

Cần xây dựng nhà máy ở những nơi có nền cơng nghiệp ổn định, gần lưới điện quốc gia,
giao thông thuận tiện, dân cư tập trung đông đúc thuận tiện cho việc tìm kiếm nhân sự.
 Vùng nguyên liệu:
Nhà máy xây dựng tại nơi gần nguồn cung cấp nguyên liệu, nhiên liệu là một thuận lợi,
có thể cắt giảm chi phí vận chuyển, các loại thuế, giúp cho việc cung cấp nguyên liệu đầu vào cho
quy trình sản xuất ổn định hơn, cũng như quá trình làm việc của nhà máy liên tục, tránh gián đoạn
vì trục trặc nhiên liệu.
Đối với nguyên liệu là Nấm đông trùng hạ thảo – một loại nguyên liệu sinh sống và phát
triển chủ yếu tại nơi có khí hậu lạnh, độ ẩm tương đối như phía Bắc nước ta. Tuy nhiên, ở Việt
Nam hiện loại nguyên liệu này chưa phát triển rộng rãi và ít được tìm thấy. Con người chủ yếu
phát hiện Nấm đông trùng hạ thảo phát triển nhiều ở các vùng núi thuộc dãy Himalaya, Trung
Quốc, vì vậy, nguồn hàng cho loại sản phẩm này chủ yếu được nhập khẩu từ nước ngồi. Bên
cạnh đó, ngày nay, ở Việt Nam đã nuôi trồng thành công Nấm đông trùng hạ thảo tại nơi có nhiệt
độ và độ ẩm thích hợp như phía Bắc nước ta, hay các vùng cao nguyên như Lâm Đồng, các Viện
nghiên cứu tại Đà Lạt,…
Từ tình hình ngun liệu như trên, có thể tiến hành xây dựng nhà máy sấy thăng hoa
nấm đông trùng hạ thảo tại vùng đồng bằng có nền cơng nghiệp ổn định phía Bắc và gần các cảng
hàng hải, hàng khơng như Hải Phòng, Nam Định, Hà Nội, Nghệ An,…
 Khả năng liên kết, hợp tác hóa: là các thuận tiện về thị trường tiêu thụ, cơ sở cung ứng
nguyên nhiên liệu, dịch vụ vận chuyển, vật tư xây dựng,…

21


 Một số lưu ý khác như: Giao thông thuận tiện (đường bộ, đường sắt, hàng không,
đường thủy), điều kiện lắp đặt hệ thống thốt nước, nhân cơng,…
2.1.2. Thiết kế mặt bằng phân xưởng – nhà máy
Sau khi tìm kiếm được vị trí mặt bằng phù hợp cho nhà máy, cần tiến hành thiết kế tổng
thể nhà máy. Quy trình thiết kế một nhà máy mới có thể có hai dạng là:
- Thiết kế mới: dựa trên dự kiến hoặc yêu cầu cụ thể của địa phương hoặc khu vực về

các điều kiện tự nhiên và đựa theo yêu cầu và tiêu chuẩn sản xuất của mặt hàng, của doanh nghiệp.
- Thiết kế mẫu (thiết kế định hình): dựa trên các điều kiện, giả thiết chung nhất, có thể
xây dựng ở bất cứ địa điểm nào. Bản thiết kế được sử dụng nhiều lần, bảo toàn những phần cơ
bản, chỉ thay đổi vị trí lắp đặt cho phù hợp với các điều kiện như điện, nước, nhiên liệu,…[10]
Việc bố trí các thiết bị trong nhà xưởng cũng cần tuân theo những nguyên tắc nhất định.
Dưới đây là 7 nguyên tắc bố trí thiết bị trong nhà xưởng [10]
1. Các thiết bị phải đặt theo thứ tự và liên tục nhau thành một dây chuyền, rút ngắn nhất
quãng đường và thời gian vận chuyển.
2. Các thiết bị có thể sắp xếp ngang hàng nhau hoặc cũng có thể xếp máy này trên máy
kia trong những trường hợp cần thiết nhằm tiết kiệm diện tích , tiết kiệm bơm, vừa đảm bảo chất
lượng sản phẩm cao.
3. dây chuyền sản xuất phải đi theo chiểu liên tục, không quẩn quanh tại một chỗ hay
quay lại vị trí cũ. Dây chuyền có thể nhập lại hoặc tỏa ra theo yêu cầu kỹ thuật.
4. Cần triệt để sử dụng diện tích khu nhà.
5. Đối với các thiết bị lớn nên đặt sâu vào trong phân xưởng.
6. Để đảm bảo vệ sinh và các điều kiện an toàn về lao động, cần tuân theo một số quy
định sau:
 Các dàn đặt thiết bị, trên đó có công nhân làm việc hoặc phải thường xuyên quan
sát, hoặc phải làm sàn rộng 1.5 đến 2 mét, có thang lên rộng trên 0.7m, và sàn làm
cao cách mặt nền nhà từ 2m trở lên.
 Những thiết bị đặt sâu xuống đất như thùng chứa, nồi thanh trùng,… phải có nắp
đậy kín hoặc có thành cao so với nền nhà là 0.8m.
 Các đường ray để cho hệ thống dây điện chạy phải cao trên 4m, đường ray có thể
gắn trên xà, kê trên cột hoặc tường, để tiết kiệm và thuận tiện thường làm đường ray
khép kín.
 Tại những khu vực sử dụng nhiệt nhiều, áp lực hơi lớn khơng được có cửa kính và
phải có tường ngăn cách riêng cao 1.8m trở lên.
 Giữa các máy với phần xây dựng của nhà phải có khoảng cách nhất định để đi lại.
Cần phải bố trí sao cho thuận tiện trong việc thao tác và sửa chữa ở từng thiết bị.
22