Đặt vấn đề Trái cây từ lâu đã là một trong những nguồn cung cấp chất dinh dưỡng quan trọng cho con người, giàu carbohydrate, vitamin (đặc biệt là vitamin C), khoáng chất và chất xơ (Slavin & Lloyd, 2012). Đặc biệt là dứa, được trồng khá phổ biến tại Việt Nam, phân bố từ Phú Thọ đến Kiên Giang, giá trị dinh dưỡng và giá trị kinh tế cao, sản lượng 502.700 tấn, kim ngạch xuất khẩu đạt 41,4 triệu USD/năm, đứng đầu trong sản xuất rau quả tại Việt Nam nên không khó khi nói rằng dứa là một trong số những loại trái cây luôn được nền nông nghiệp nước nhà đưa ra thị trường với sản lượng lớn hằng năm. Dứa ngoài việc ăn tươi còn có thể làm nước ép giải nhiệt và giải khát rất tốt. Còn giúp giảm mệt mỏi vì nó có chứa vitamin A, vitamin C, Calci, Mangan… giúp cơ thể tránh khỏi tác hại của quá trình oxy hóa.
Tuy nhiên, dưới bối cảnh xã hội từ khi đại dịch Covid -19 bùng nổ thì sản lượng trái cây trong nước thường khó vận chuyển và xuất khẩu, dẫn đến giảm nguồn tiêu thụ, cũng vì vậy mà trái cây rớt giá, tồn đọng không có đầu ra. Trái cây tươi nói chung hay dứa tươi nói riêng là mặt hàng rất dễ hư hỏng, vỡ dập và không thể bảo quản được lâu. Vì vậy, có thể nói việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp có thể chế biến các loại trái cây nông sản thành những sản phẩm có thời gian bảo quản dài và vẫn giữ được giá trị cảm quan của sản phẩm, góp phần giải quyết tình trạng dư thừa trái cây nông sản là một điều hết sức cần thiết cũng như là thách thức to lớn đối với nền Công nghiệp Thực phẩm nước nhà. Hiện nay rất nhiều dòng sản phẩm từ trái cây đã được nghiên cứu và phát triển nhằm đa dạng hóa sản phẩm, tăng tính chất cảm quan, kéo dài hạn sử dụng.
Sự ra đời của sản phẩm nước trái cây cô đặc đã trở thành một bước ngoặt lớn cho công nghệ thực phẩm nói chung hay chế biến nước giải khát nói riêng. Không chỉ giúp đa dạng hóa sản phẩm, công nghệ cô đặc còn giúp kéo dài thời gian bảo quản, tăng tính tiện lợi, giảm thiểu chi phí cho đóng gói và vận chuyển, đồng thời cải thiện độ ổn định, tăng mức độ đa dạng hoá sản phẩm nói chung và đối với thị trường nước ép trái cây cả trong và ngoài nước nói riêng (Lê Văn Việt Mẫn et al. Cô đặc là quá trình loại bỏ dung môi ra khỏi dung dịch để giảm khối lượng và thể tích của sản phẩm thực phẩm dạng lỏng. Phương pháp bốc hơi, cô đặc màng (thẩm thấu ngược) và CĐL (cô đặc lạnh) là ba phương pháp phổ biến dùng để cô đặc thực phẩm lỏng.
Bên cạnh đó, sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại song cũng khiến yêu cầu của người tiêu dùng ngày càng khắt khe, đòi hỏi một sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng cả về dinh dưỡng và cảm quan. CĐL đặc biệt phù hợp với việc cô đặc một số sản phẩm, chẳng hạn như nước trái cây, chiết xuất cà phê, trà và chiết xuất hương thơm. Quá trình này dựa trên sự phân tách pha rắn ở nhiệt độ thấp để có thể lưu giữ tốt hương vị và các thành phần nhạy cảm với nhiệt. Do đó, phương pháp CĐL được xem xét và đánh giá phù hợp nhằm đáp ứng tối ưu nhất các nhu cầu cảm quan cũng như giá trị dinh dưỡng của nước ép trái cây cô đặc (Heldman, 2003).
1 Với các ý tưởng và mong muốn hiện thực hóa, dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Tấn Dũng, ThS. Đỗ Thùy Khánh Linh, KS. Lê Văn Hoàng, ThS.
Lê Thanh Phong cùng các cộng sự cơ khí khác, nhóm nghiên cứu chúng tôi đã tính toán, thiết kế và chế tạo thành công hệ thống thiết bị CĐL nước ép trái cây 2021. Thiết bị được vận hành bằng hệ thống điều khiển tự động với công nghệ hiện đại có thể điều khiển và kiểm soát các yếu tố nhiệt độ đông đặc của các thành phần trong dung dịch một cách chặt chẽ đã tạo ra các sản phẩm nước trái cây CĐL như mong đợi. Từ những lập luận và lợi ích to lớn của phương pháp này, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CÔ ĐẶC LẠNH NĂNG SUẤT 5 LÍT/MẺ NGUYÊN LIỆU NƯỚC ÉP DỨA”. Nhằm mục đích tạo ra những sản phẩm thực phẩm chất lượng cao mà vẫn giữ được chất dinh dưỡng, cảm quan của trái cây tự nhiên, đồng thời giải quyết đầu ra cho nhiều loại nông sản trái cây của Việt Nam nói chung, dứa nói riêng và tăng hiệu quả kinh tế, góp phần phát triển nền nông nghiệp nước nhà.
Mục tiêu đề tài Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống CĐL năng suất 5 lít/mẻ nguyên liệu nước ép dứa. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của đề tài Giới hạn nghiên cứu − Hệ thống CĐL với năng suất 5 lít/mẻ nguyên liệu nước ép dứa. Phạm vi nghiên cứu − Nghiên cứu và tính toán thiết bị CĐL năng suất 5 lít/mẻ. Nội dung nghiên cứu − Tổng quan về nguyên liệu và công nghệ CĐL.
− Xác định các thông số công nghệ cần thiết cho tính toán thiết kế và sơ đồ nguyên lý hệ thống CĐL 5 lít/mẻ. − Tính toán, thiết kế hệ thống CĐL năng suất 5 lít/mẻ. − Chế tạo hệ thống CĐL bằng các phương pháp cơ khí. − Thiết kế, lắp đặt hệ thống tự động điều khiển.
− Khảo nghiệm hệ thống CĐL để xác lập tính hiệu quả và chế độ thích hợp để vận hành thiết bị. − Xây dựng quy trình CĐL cho nước ép trái cây. − Tính toán kinh tế cho quá trình CĐL. − Kết luận và kiến nghị.
Phương pháp nghiên cứu − Phương pháp tham khảo tài liệu. − Phương pháp phân tích tổng hợp. − Phương pháp khảo sát và thực nghiệm. Xác định các yếu tố ảnh hưởng và tìm ra chế độ phù hợp vận hành máy.
− Phương pháp tính toán, thiết kế kết hợp sử dụng kiến thức chuyên môn để tính toán, thiết kế hệ thống CĐL. − Phương pháp chế tạo: các phương pháp chế tạo để gia công như tiện, phay, hàn, bào, uốn, dập, … 6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học − Đề tài này làm cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống CĐL. − Đề tài này cho phép khảo nghiệm trên hệ thống CĐL để xác định thông số công nghệ làm cơ sở khoa học cho việc xác lập chế độ công nghệ phù hợp cho từng loại nước ép trái cây cũng như hiệu quả của thiết bị mang lại cho sản phẩm.
Ý nghĩa thực tiễn − Đề tài này đã tính toán thiết kế chế tạo hệ thống CĐL nhằm ứng dụng vào thực tế sản xuất, giúp đa dạng hóa sản phẩm, tiết kiệm nguồn nguyên liệu trái cây nông sản dư thừa. Công nghệ còn khá mới mẻ ở Việt Nam có thể thay thế các công nghệ ngoại nhập, giảm giá thành, chi phí đầu tư thiết bị cho các dây chuyền sản xuất sản phẩm cô đặc, góp phần phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật đất nước. Bố cục Đề tài được trình bày cụ thể trong 6 chương, ngoài ra còn có mở đầu, kết luận – kiến nghị, mục lục, danh sách hình, danh sách bảng, ký hiệu và chữ viết tắt, tài liệu tham khảo. Chương 1: Tổng quan Chương 2: Phương pháp nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo Chương 3: Tính toán thiết kế và chế tạo Chương 4: Thiết kế hệ thống tự động điều khiển Chương 5: Vận hành thử nghiệm và hiệu chỉnh Chương 6: Tính kinh tế 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.
Tổng quan về cô đặc Cô đặc là quá trình loại bỏ một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi ở nhiệt độ và áp suất tương ứng. Trong ngành công nghệ hóa học và thực phẩm, cô đặc được sử dụng rất phổ biến với mục đích (Nguyễn Tấn Dũng, 2015): − Làm tăng nồng độ chất tan. − Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh). − Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước).
Tùy theo tính chất cấu tử khó bay hơi hay không bay hơi trong quá trình cô đặc, mà ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt hoặc sử dụng phương pháp làm lạnh kết tinh (Phạm Văn Bôn, 2010). Với phương pháp nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng), dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của chúng bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng dung dịch (tức khi dung dịch sôi). Để cô đặc những dung dịch không chịu được nhiệt độ cao (dễ biến đổi bởi nhiệt) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp, hay thường là ở chân không (Nguyễn Tấn Dũng, 2015). Với phương pháp làm lạnh kết tinh, khi hạ nhiệt độ dung dịch thấp đến mức độ yêu cầu nào đó thì một cấu tử sẽ được tách ra dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết – thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan (trước khi xảy ra sự kết tinh tại điểm eutectic).
Tùy theo tính chất các cấu tử - nhất là dung môi kết tinh và điều kiện áp suất bên ngoài tác dụng lên dung dịch mà quá trình kết tinh có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và có khi phải dùng đến thiết bị lạnh (như kết tinh nước để cô đặc nước ép trái cây giàu hợp chất sinh học) (Phạm Văn Bôn, 2010). Phân loại cô đặc 1. Cô đặc nóng Cô đặc nóng là quá trình làm bay hơi nước trong thực phẩm dưới tác dụng của nhiệt nhằm mục đích làm tăng nồng độ chất khô thực phẩm. Trong quá trình cô đặc nóng, người ta sử dụng hơi nước bão hòa để nâng nhiệt độ nguyên liệu cần cô đặc đến điểm sôi.
Khi đó, nước từ trạng thái lỏng sẽ chuyển sang trạng thái hơi và thoát ra môi trường xung quanh. Tốc độ bốc hơi nước phụ thuộc vào tốc độ truyền khối của bọt hơi (Lê Văn Việt Mẫn et al. Phương pháp cô đặc nóng có nhược điểm là tốn chi phí năng lượng. Tuy nhiên, ưu điểm vượt trội của phương pháp này là hàm lượng chất khô trong thực phẩm sau quá trình cô đặc có 4 thể tăng lên rất cao so với các phương pháp khác (Lê Văn Việt Mẫn et al.
Ngoài mục đích chính để làm tăng nồng độ chất khô thực phẩm, phương pháp cô đặc nhiệt còn tính đến thực hiện với tổng chi phí tối thiểu.