CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Lý do chọn đề tài Đi đôi với sự phát triển về khoa học, kỹ thuật và công nghệ y sinh học. Vật liệu hydrogels gần đây đã thu hút sự chú ý với nhiều công dụng trong lĩnh vực y tế như: chữa lành tế bào, băng bó vết thương, tái tạo sụn, xương và là công cụ vận chuyển thuốc có kiểm soát. Chính vì sự đa năng và nhiều ứng dụng cho ích cho xã hội này các giảng viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM cũng không quên đưa loại vật liệu này vào các bài báo cáo và các cuộc nghiên cứu.
Hydrogels tồn tại ở dạng gel (lỏng) và rắn (khô). Vì vậy để tiện cho việc nghiên cứu, nhóm tác giả đã được giao nhiệm vụ thiết kế lò sấy chân không để tách ẩm ra khỏi vật liệu, đưa hydrogels từ dạng gel lỏng về thể rắn nhằm phục vụ cho phòng thí nghiệm của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Nghiên cứu trong và ngoài nước Trước khi đi vào thiết kế chế tạo, nhóm tác giả đã tham khảo một số tài liệu báo cáo trong và ngoài nước để lấy cơ sở chế tạo lò sấy chân không. Nghiên cứu trong nước Trước tiên chúng ta cần tìm hiểu sơ lược về vật liệu hydrogels: Trong bài báo cáo “Vật liệu Hydrogels – Tính chất và tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh” của tác giả Ng.Phước và P.Trinh được lưu trữ tại Viện nghiên cứu và Đào tạo Việt – Anh Đại học Đà Nẵng năm 2019 [1] chỉ ra như sau: Vật liệu hydrogels: Hydrogels được định nghĩa là các polyme ưa nước có cấu trúc tinh thể ba chiều, có thể ngậm nước (trong thời gian ngắn) và khả năng chứa nước gấp nhiều lần khối lượng khô của chúng.
Chính vì những tính chất đặc biệt này mà chúng trở nên hữu ích cho những ứng dụng trong thực tiễn. Có rất nhiều dạng gel mới, với các ứng dụng dựa vào đó đã được phát triển và thử nghiệm trong các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau. Lịch sử vật liệu hydrogels: Khái niệm hydrogels lần đầu xuất hiện trong bài báo xuất bản năm 1894 của tác giả Lee, Kwon và Park, là một loại gel được làm bằng muối vô cơ. Trong đó, vật liệu mang liên kết không gian đầu tiên của một hydrogels điển hình là Poly Hydroxy Ethyl Methacrylate (pHEMA) được phát triển năm 1960s bởi Dreifus và các cộng sự, với mục đích sử dụng trong các ứng dụng tiếp xúc trực tiếp với các mô bên trong bệnh nhân.
Bắt đầu từ đó, số lượng các cuộc nghiên cứu về hydrogels cho các lĩnh vực y sinh được chú ý, đặc biệt là từ những năm 1970. Với sự tiến bộ về khoa học, hydrogels rất nhanh nhận được sự quan tâm ngày càng lớn. Kể từ khi công trình tiên phong của Dreifus và cộng sự vào năm 1960 về hydrogels được công bố, vì tính ưa nước và tiềm năng tương thích sinh học của chúng, hydrogels đã được các nhà khoa học về vật liệu học quan tâm trong nhiều năm. Các tính chất của Hydrogel: 1 - Tính chất đặc trưng: Khả năng chứa nước cao của hydrogels dưới những điều kiện sinh học khác nhau giúp vật liệu này trở nên lý tưởng trong việc làm trung gian chuyển thuốc (trong cơ thể), cố định protein, peptit cũng như các hợp chất khác.
- Tính chất cơ lí: Vật liệu hydrogels có những tính chất quan trọng trong các ứng dụng sinh học là: độ bền cơ học cao và tính đàn hồi tương thích với quá trình di chuyển của các tác nhân có hoạt tính sinh học. Sự cân bằng giữa hai tính chất này cũng là một sự cần thiết để có thể sử dụng tối ưu loại vật liệu này - Tính chất trương trong nước: Khả năng trương của hydrogels được định nghĩa là khoảng trống bên trong vật liệu có thể chứa được nước. 3 lực có tác động làm mở rộng mạng hydrogesl được xác định là: tương tác polyme với nước, lực tĩnh điện và áp thẩm thấu. Từ phòng thí nghiệm đến thực tiễn, hydrogels cũng mang đến rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực nông nghiệp, công nghệ sinh học và đặc biệt là y tế: • Tã siêu hấp thụ: Với những tính chất chứa nước của hydrogels, người ta đã tạo ra loại tã siêu hấp thụ nước từ đó giảm thiểu khá nhiều bệnh liên quan đến da liễu tiếp xúc các mô ướt.
• Nông nghiệp: Cũng liên quan đến đặc tính chứa nước của hydrogel mà giúp giảm thiểu được tỷ lệ chết trên thực vật, công sức chăm sóc cây trồng của con người. Giúp những nơi có thời tiết khô hạn thường xuyên, hay trong những chuyến vận chuyển cây đi xa, các hydrogels siêu hấp thụ cũng có khả năng hỗ trợ cải tạo đất trồng. • Y tế: Hydrogels được áp dụng trong nhiều phương pháp điều trị quan trọng như chuyển thuốc qua đường miệng, tiêu hóa, dẫn thuốc chữa trị da và dẫn qua da. Fang và cộng sự đã phát triển các hydrogels cationic với tính chất trương và nhả thuốc nhạy pH để vận chuyển kháng sinh trong môi trường axit của dạ dày.
Các cuộc nghiên cứu gần đây cũng đã thu lại được sự hiệu dụng của propanol trong quá trình chuyển hoá qua gan lần đầu nhờ thêm một số hợ̣p chất polyme dính nhầy vào các viên đặt tạo gel nhiệt trên cơ sở poloxamer. Các công thức hydrogels để vận chuyển thuốc chống ung thư dưới da cũng đã được đề xuất. Trong bài báo “Nghiên cứu động học quá trình sấy rau quả bằng máy sấy chân không vi sóng” của hai tác giả Nguyễn Văn Cương và Nguyễn Văn Khải đăng trên tạp chí Hội nghị khoa học và Công nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ IV năm 2015 [2] chỉ ra rằng Sấy chân không vi sóng là một trong những kỹ thuật sấy tân tiến được sử dụng để sấy các sản phẩm yêu cầu chất lượng cao. Trong kỹ thuật sấy chân không vi sóng, nhiệt lượng được tạo ra trong toàn bộ thể tích sản phẩm, bằng việc chuyển trực tiếp năng lượng điện từ thành năng lượng chuyển động phân tử nước trong sản phẩm, ở điều kiện áp suất chân không.
2 Bài viết này trình bày những kết quả nghiên cứu động học quá trình sấy chân không vi sóng đối với xoài cát, khóm và tôm sú trên máy sấy chân không vi sóng mWaveVac0150- lc (Püschner – Đức) ở những điều kiện khác nhau về áp suất chân không và công suất vi sóng. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sản phẩm sấy có chất lượng cao về màu sắc, cấu trúc, ít bị co rút bề mặt khi so với các phương pháp sấy đối lưu và sấy chân không có gia nhiệt. Thời gian sấy giảm từ 14-15 giờ (khi sấy đối lưu không khí nóng) và từ 7-9 giờ (khi sấy chân không có gia nhiệt) còn khoảng 12-70 phút (khi sấy chân không vi sóng). Tốc độ sấy bằng chân không vi sóng có thể đạt được giá trị 6-7% ẩm/phút, 8-10% ẩm/phút và 12- 14% ẩm/phút tương ứng với xoài, khóm và tôm sú.
Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hệ số khuếch tán ẩm trong quá trình sấy (D) có giá trị cao hơn khoảng 25-50 lần so với phương pháp sấy đối lưu; tương ứng đối với xoài, khóm và tôm sú lần lượt là 3,6-5,3 × 10- 9 m2/s, 1,8-3,8 × 10-9 m2/s và 4,0-6,7 × 10-9 m2/s. Nghiên cứu ngoài nước Trong nghiên cứu “Sản xuất chuối khô bằng phương pháp sấy đối lưu tự nhiên và sấy lò vi sóng” của hai tác giả Hamid Tavakolipour và Leila Zirjani được đăng lên tạp chí Nghiên cứu Khoa học Trung Đông 2014 [3] chỉ ra sự khác nhau giữa hai phương pháp sấy là dùng tác nhân không khí nóng đối lưu và dùng lò vi sóng. Hai phương pháp sấy khác nhau được sử dụng để làm khô lát chuối, một phương pháp là sấy thông thường bằng không khí nóng ở các nhiệt độ 60, 70 và 80°C và một phương pháp khác là ứng dụng kỹ thuật mới của trường vi sóng trong quá trình sấy thái chuối ở cường độ vi sóng 300, 500 và 700W. Kết quả chỉ ra rằng thời gian sấy từ khoảng 300 phút trong phương pháp sấy bằng không khí nóng giảm xuống còn 30 phút trong phương pháp sấy bằng vi sóng, thời gian sấy cải thiện được là 90%.
Ngoài ra, tốc độ sấy trung bình trong quá trình sấy bằng không khí nóng là khoảng 0,012 (kgw/kg.min) và trong quá trình sấy bằng vi sóng là 0,12 (kgw/kgs.min) gấp mười lần tốc độ sấy bằng không khí nóng. Trong số các yếu tố chất lượng, hàm lượng đường giảm ở phương pháp sấy vi sóng (trung bình 6,64 mg / 100g) nhiều hơn so với làm khô bằng không khí nóng (trung bình 10,36 mg / 100g), cũng như phá hủy axit ascorbic trong phương pháp sấy vi sóng (9,66 mg / 100g) nhiều hơn Phương pháp làm khô bằng không khí nóng (15,33 mg / 100g) cho thấy giảm 37% so với phương pháp làm khô bằng vi sóng. Trong bài báo “Modeling of Microwave vacuum Drying kinetic of Bael pulp” – tạm dịch “Mô hình sấy chân không vi sóng quả bầu nâu” của tác giả K.Singh đăng trên tạp chí Journal of The Institution of Engineers năm 2020 [4] chỉ ra các thông số khi thực hiện sấy thực phẩm (bầu nâu) trong môi trường chân không từ áp suất 380 – 680 mmHg với công suất vi sóng từ 400 – 800W. Quá trình sấy đưa ra rằng chỉ số độ ẩm của bầu nâu giảm từ 3,84 kg nước/kg về 0,09 kg nước/kg bầu nâu.
Khi công suất tăng từ 400 lên 800W ở điều kiện chân không 380mmHg, độ khuếch tán ẩm tăng từ 1,12 × 10−9 lên 1,92 × 10−9 m2/s (tăng 71%). Một nghiên cứu khác chỉ ra rằng, ở mức công suất 3 800W và tăng mức chân không từ 380 lên 680mmHg thì độ khuếch tán ẩm tăng từ 1,92 × 10−9 lên 2,19 × 10−9 m2/s (tăng 14%). Cả 2 phương án đều giúp làm giảm thời gian sấy nhưng ta thấy được rằng khi giữ mức chân không và tăng công suất sấy thì sẽ giảm được thời gian sấy đáng kể hơn. Nhưng nhìn chung cả 2 phương án đều ảnh hưởng tích cực đến hiệu quả sấy.
Trong báo cáo “Drying kinetics of food materials in infrared radiation drying: A review” – tạm dịch “Sấy khô thực phẩm bằng phương pháp sấy bức xạ hồng ngoại” của tác giả D. Pandiselvam đăng trên tạp chí Food Process Engineering năm 2021 [5] chỉ ra những ưu điểm của phương pháp sấy bằng bức xạ hồng ngoại (IR). Trong bài các tác giả chỉ ra rằng sấy bằng IR mang lại tốc độ sấy cao hơn so, truyền nhiệt, khối lượng hiệu quả, kiểm soát nhiệt độ, tiết kiệm năng lượng, sấy khô đồng đều và mang lại hiệu quả cao hơn so với các phương pháp sấy thông thường khác. Trong bài báo cũng đưa ra tổng hợp nhiều số liệu từ những bài báo cáo khác nhau.