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 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

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


1.2.1

Tình hình sản xuất 13Trường 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


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


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



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 105Trường 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



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

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

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

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

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

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


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


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

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

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

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

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

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

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…