Tổng quan nghiên cứu

Quá trình sấy khô là một trong những công nghệ bảo quản quan trọng nhằm kéo dài thời gian sử dụng và nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp. Tại Việt Nam, nông nghiệp chiếm khoảng 13,96% tổng GDP năm 2019, tuy nhiên tỷ lệ hao hụt sau thu hoạch lên đến 40-50% do hạn chế trong công nghệ bảo quản. Đặc biệt, các loại trái cây giàu dinh dưỡng như bơ và thanh long có tính thời vụ cao, khó bảo quản lâu dài, gây khó khăn trong tiêu thụ và xuất khẩu. Nghiên cứu này tập trung đánh giá ảnh hưởng của công nghệ tiền xử lý bằng sóng siêu âm đến quá trình sấy khô nhằm rút ngắn thời gian sấy, giảm tiêu hao năng lượng và cải thiện chất lượng sản phẩm.

Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng hệ thống thí nghiệm và mô hình toán học mô tả quá trình sấy sau khi tiền xử lý siêu âm, áp dụng cho bơ Đắk Lắk và thanh long ruột trắng, ruột đỏ từ Bình Thuận. Nghiên cứu thực hiện trong phạm vi nhiệt độ tác nhân sấy từ 40 đến 60°C, tốc độ tác nhân sấy cố định 0,1 m/s, tần số siêu âm 40 kHz, tại phòng thí nghiệm Khoa Năng lượng Nhiệt, Trường Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội trong giai đoạn 03/2022 - 03/2023. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc ứng dụng công nghệ siêu âm để nâng cao hiệu quả bảo quản sau thu hoạch, giảm tổn thất nông sản, đồng thời góp phần tiết kiệm năng lượng trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết truyền nhiệt - truyền chất trong quá trình sấy và cơ sở khoa học của công nghệ siêu âm.

  • Lý thuyết truyền nhiệt - truyền chất mô tả quá trình bay hơi ẩm từ vật liệu sấy ra môi trường thông qua các hiện tượng đối lưu, khuếch tán và bay hơi. Các thông số quan trọng bao gồm hệ số khuếch tán ẩm, nhiệt độ tác nhân sấy, tốc độ dòng khí và đặc tính vật liệu như kích thước, cấu trúc tế bào, nhiệt dung riêng.

  • Cơ sở khoa học của siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực âm thanh và hiệu ứng bọt biển, trong đó sóng siêu âm tạo ra các bong bóng khí trong môi trường lỏng, bong bóng này sụp đổ gây ra các tác động cơ học làm phá vỡ cấu trúc tế bào, hình thành vi kênh, tăng cường sự khuếch tán ẩm và truyền nhiệt. Hiệu ứng này giúp rút ngắn thời gian sấy và cải thiện chất lượng sản phẩm.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng gồm: hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng, độ ẩm tuyệt đối, nhiệt độ tác nhân sấy, tần số siêu âm, hiệu ứng xâm thực, đường cong sấy, mô hình toán học truyền nhiệt - truyền chất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp thực nghiệm và mô hình lý thuyết:

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng mẫu bơ Booth và thanh long ruột trắng, ruột đỏ được lựa chọn đồng đều, bảo quản lạnh trước khi thí nghiệm. Tiền xử lý siêu âm được thực hiện trong bể chứa dung dịch nước tinh khiết với tần số 40 kHz, công suất 100W, thời gian xử lý từ 0 đến 60 phút.

  • Phương pháp phân tích: Thí nghiệm sấy đối lưu không khí nóng với 24 chế độ khác nhau, nhiệt độ tác nhân sấy từ 40 đến 60°C, tốc độ dòng khí 0,1 m/s, độ dày mẫu 2-3 mm. Đo lường thời gian sấy, biến đổi màu sắc, độ ẩm mẫu theo thời gian. Xây dựng mô hình thực nghiệm dựa trên hồi quy bình phương tối thiểu với phần mềm Matlab R2020a, mô hình lý thuyết dựa trên hệ phương trình vi phân truyền nhiệt - truyền chất giải bằng phương pháp phần tử thể tích.

  • Cỡ mẫu: Mỗi loại sản phẩm được thử nghiệm với 24 chế độ sấy, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 03/2022 đến 03/2023, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, tiền xử lý siêu âm, thí nghiệm sấy, thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng kích thước mẫu: Khi tăng độ dày lát cắt từ 2 mm lên 3 mm, thời gian sấy kéo dài khoảng 150-200% đối với cả bơ và thanh long, cho thấy kích thước vật liệu là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ sấy.

  2. Ảnh hưởng nhiệt độ tác nhân sấy: Tăng nhiệt độ từ 40°C lên 60°C giúp rút ngắn thời gian sấy khoảng 100-150 phút, tương đương giảm 30-40% thời gian sấy, đồng thời cải thiện hiệu quả năng lượng.

  3. Ảnh hưởng tiền xử lý siêu âm: Thời gian sấy thanh long ruột đỏ giảm khoảng 37% khi mẫu được xử lý siêu âm 60 phút. Ảnh hưởng tích cực rõ rệt hơn đối với thanh long so với bơ, trong khi bơ không có sự thay đổi đáng kể về thời gian sấy.

  4. Chất lượng sản phẩm: Tiền xử lý siêu âm giúp cải thiện màu sắc thanh long ruột đỏ, giữ màu sắc tươi sáng hơn trong quá trình sấy. Màu sắc thanh long ruột trắng không bị ảnh hưởng đáng kể. Mức độ biến đổi màu sắc được đánh giá qua hệ màu CIE và chỉ số biến đổi màu sắc (ΔEab).

  5. Mô hình thực nghiệm: 24 mô hình thực nghiệm mô tả đường cong sấy thanh long ruột đỏ với các chế độ khác nhau có hệ số xác định hiệu chỉnh (R²) trên 0,98, chứng tỏ độ phù hợp cao giữa mô hình và dữ liệu thực nghiệm.

  6. Mô hình lý thuyết: Mô hình truyền nhiệt - truyền chất giải bằng phương pháp phần tử thể tích mô phỏng sự phân bố nhiệt độ và độ ẩm bên trong vật liệu sấy, kết quả mô phỏng phù hợp tương đối với dữ liệu thực nghiệm, giúp xác định hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy công nghệ tiền xử lý siêu âm có khả năng làm thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu sấy, tạo ra các vi kênh và làm tăng hệ số khuếch tán ẩm, từ đó tăng tốc độ truyền ẩm và truyền nhiệt. Hiện tượng này được giải thích bởi hiệu ứng xâm thực và hiệu ứng bọt biển của sóng siêu âm trong môi trường lỏng.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với việc giảm thời gian sấy từ 16-37% và cải thiện chất lượng sản phẩm sau sấy. Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào đặc tính vật liệu, thời gian và cường độ xử lý siêu âm, cũng như điều kiện sấy như nhiệt độ và tốc độ dòng khí.

Việc mô hình hóa chính xác quá trình sấy giúp dự đoán hiệu quả công nghệ và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Biểu đồ đường cong sấy và phân bố nhiệt độ, độ ẩm bên trong mẫu có thể được trình bày qua các đồ thị MR (độ ẩm không thứ nguyên) theo thời gian và bản đồ trường nhiệt độ, độ ẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ tiền xử lý siêu âm trong sản xuất: Khuyến nghị các doanh nghiệp chế biến bơ và thanh long áp dụng tiền xử lý siêu âm với tần số 40 kHz, công suất 100W, thời gian xử lý từ 30-60 phút để rút ngắn thời gian sấy, giảm tiêu hao năng lượng. Thời gian triển khai trong vòng 6-12 tháng.

  2. Tối ưu điều kiện sấy: Điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy trong khoảng 50-60°C và giữ tốc độ dòng khí ổn định 0,1 m/s để cân bằng giữa tốc độ sấy và chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện là bộ phận kỹ thuật và quản lý sản xuất.

  3. Phát triển mô hình dự báo: Sử dụng mô hình toán học truyền nhiệt - truyền chất để dự báo quá trình sấy, giúp tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu sai số trong sản xuất thực tế. Thời gian xây dựng mô hình và đào tạo nhân sự khoảng 3-6 tháng.

  4. Nâng cao chất lượng sản phẩm: Kết hợp tiền xử lý siêu âm với các phương pháp bảo quản lạnh hoặc sấy chân không để giữ màu sắc, hương vị và dinh dưỡng, đáp ứng yêu cầu thị trường cao cấp. Chủ thể thực hiện là phòng R&D và bộ phận kiểm soát chất lượng.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ công nhân viên và hợp tác với các viện nghiên cứu để cập nhật công nghệ mới, đảm bảo vận hành hiệu quả và bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp chế biến nông sản: Các công ty sản xuất và bảo quản bơ, thanh long có thể áp dụng công nghệ tiền xử lý siêu âm để nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí năng lượng và cải thiện chất lượng sản phẩm.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt, công nghệ thực phẩm: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và mô hình toán học hữu ích cho nghiên cứu phát triển công nghệ sấy và xử lý vật liệu.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Thông tin về hiệu quả tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm giúp xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ bảo quản nông sản bền vững.

  4. Nhà đầu tư và doanh nghiệp khởi nghiệp trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm: Tài liệu giúp đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ siêu âm trong bảo quản sau thu hoạch, từ đó đưa ra quyết định đầu tư phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tiền xử lý siêu âm có ảnh hưởng như thế nào đến thời gian sấy?
    Tiền xử lý siêu âm giúp tạo ra các vi kênh trong cấu trúc vật liệu, tăng hệ số khuếch tán ẩm, từ đó rút ngắn thời gian sấy khoảng 30-37% tùy loại sản phẩm và điều kiện xử lý.

  2. Công nghệ siêu âm có làm thay đổi chất lượng sản phẩm sau sấy không?
    Công nghệ này giúp cải thiện màu sắc, giữ được hương vị tự nhiên và tăng khả năng bù nước của sản phẩm, đồng thời không gây ảnh hưởng tiêu cực đến các thành phần dinh dưỡng quan trọng.

  3. Phạm vi áp dụng của công nghệ tiền xử lý siêu âm là gì?
    Phù hợp với các sản phẩm nông sản có cấu trúc tế bào phức tạp như bơ, thanh long, và có thể mở rộng cho nhiều loại rau quả khác nhằm nâng cao hiệu quả sấy và bảo quản.

  4. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu quả của tiền xử lý siêu âm?
    Bao gồm thời gian xử lý, tần số và công suất siêu âm, nhiệt độ và tốc độ tác nhân sấy, cũng như đặc tính vật liệu sấy như độ dày, cấu trúc tế bào.

  5. Mô hình toán học được sử dụng trong nghiên cứu có ứng dụng thực tiễn như thế nào?
    Mô hình giúp dự báo chính xác quá trình truyền nhiệt và truyền chất, hỗ trợ tối ưu hóa quy trình sấy, giảm thiểu sai số và tiết kiệm năng lượng trong sản xuất công nghiệp.

Kết luận

  • Công nghệ tiền xử lý bằng sóng siêu âm có khả năng rút ngắn thời gian sấy từ 30-37% đối với thanh long và ít ảnh hưởng đến bơ, giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm.
  • Mô hình thực nghiệm và lý thuyết xây dựng có độ phù hợp cao (R² > 0,98), hỗ trợ dự báo và tối ưu hóa quá trình sấy.
  • Ảnh hưởng của siêu âm phụ thuộc vào các biến quá trình như nhiệt độ, tốc độ dòng khí, tần số và công suất siêu âm, cũng như đặc tính vật liệu.
  • Ứng dụng công nghệ siêu âm trong bảo quản sau thu hoạch góp phần giảm tổn thất nông sản, nâng cao giá trị kinh tế và bảo vệ môi trường.
  • Đề xuất triển khai áp dụng công nghệ trong sản xuất với lộ trình 6-12 tháng, đồng thời phát triển mô hình dự báo và đào tạo nhân sự để đảm bảo hiệu quả vận hành.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt và công nghệ thực phẩm, khuyến khích các đơn vị sản xuất và nghiên cứu tiếp tục phát triển công nghệ tiền xử lý siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả bảo quản nông sản trong tương lai.