I. Tổng quan về công nghệ cắt thực phẩm bằng siêu âm
Công nghệ cắt thực phẩm bằng siêu âm là một phương pháp tiên tiến, sử dụng sóng siêu âm để cắt các loại thực phẩm, đặc biệt hiệu quả với những thực phẩm có tính chất cứng, giòn, mềm, dẻo hoặc dễ bám dính. Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm so với cắt truyền thống, như vết cắt sạch, giảm thiểu tổn thất thực phẩm và hạn chế bám dính. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt là cơ sở để thiết kế và chế tạo khuôn cắt (sonotrode), đồng thời xác định các thông số công nghệ tối ưu.
1.1. Giới thiệu công nghệ cắt siêu âm
Công nghệ siêu âm đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ y học đến công nghiệp. Trong lĩnh vực thực phẩm, cắt bằng siêu âm được áp dụng từ những năm 1990, đặc biệt hiệu quả với các loại bánh kẹo, rau quả và thực phẩm cao cấp. Phương pháp này sử dụng dao cắt được cấp nguồn siêu âm, dao động với tần số cao, giảm ma sát và áp lực cắt, giúp quá trình cắt diễn ra dễ dàng hơn.
1.2. Tình hình nghiên cứu
Trên thế giới, công nghệ cắt thực phẩm bằng siêu âm đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi từ những năm 1990, với các nghiên cứu tiên phong của Merkulov về lý thuyết thiết kế khuôn cắt. Tại Việt Nam, công nghệ này còn khá mới mẻ, chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu. Tuy nhiên, một số công ty như Vietsonic đã bắt đầu ứng dụng phương pháp này trong sản xuất.
II. Cơ sở lý thuyết về sóng siêu âm
Sóng siêu âm được định nghĩa là sóng âm thanh có tần số lớn hơn 20 kHz, vượt quá ngưỡng nghe của con người. Trong công nghệ cắt thực phẩm, sóng siêu âm được sử dụng để truyền năng lượng đến vật liệu cần cắt thông qua bộ chuyển đổi, chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ. Lý thuyết sóng siêu âm là nền tảng để thiết kế các thiết bị cắt, đảm bảo hiệu quả và độ chính xác trong quá trình cắt.
2.1. Định nghĩa và bản chất sóng siêu âm
Sóng siêu âm là sóng âm thanh có tần số từ 20 kHz trở lên, được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và y học. Bản chất của sóng siêu âm là sự dao động của các phân tử trong môi trường vật chất, tạo ra năng lượng truyền qua vật liệu. Trong công nghệ cắt, sóng siêu âm giúp giảm ma sát và áp lực cắt, tạo ra vết cắt sạch và chính xác.
2.2. Các thông số cắt siêu âm
Các thông số công nghệ quan trọng trong quá trình cắt bằng siêu âm bao gồm tần số siêu âm, biên độ dao động, áp lực cắt và tốc độ cắt. Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và chất lượng của quá trình cắt. Việc tối ưu hóa các thông số này là mục tiêu chính của nghiên cứu, nhằm đạt được hiệu suất cắt cao nhất.
III. Thiết kế và mô phỏng khuôn cắt
Thiết kế khuôn cắt (sonotrode) là bước quan trọng trong quá trình ứng dụng công nghệ cắt bằng siêu âm. Khuôn cắt được thiết kế để truyền sóng siêu âm một cách hiệu quả, đảm bảo dao động ổn định và phân bố đều trên bề mặt cắt. Mô phỏng bằng phần mềm Abaqus được sử dụng để phân tích quá trình truyền sóng và dao động trong khuôn cắt, giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo hiệu quả cắt.
3.1. Mô phỏng hệ siêu âm
Phần mềm Abaqus được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền sóng siêu âm trong khuôn cắt. Mô hình mô phỏng bao gồm các thành phần chính như bộ chuyển đổi, khuôn cắt và vật liệu cắt. Kết quả mô phỏng giúp xác định các thông số dao động, phân bố ứng suất và chuyển vị trong khuôn cắt, từ đó tối ưu hóa thiết kế.
3.2. Chế tạo khuôn cắt thử nghiệm
Dựa trên kết quả mô phỏng, khuôn cắt được chế tạo từ các vật liệu như thép và nhôm. Quá trình chế tạo đảm bảo độ chính xác và độ bền của khuôn cắt, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật. Khuôn cắt sau khi chế tạo được thử nghiệm trên các loại thực phẩm khác nhau để đánh giá hiệu quả và độ chính xác.
IV. Thực nghiệm và kết quả
Thực nghiệm cắt thực phẩm được tiến hành để đánh giá hiệu quả của công nghệ cắt bằng siêu âm. Các loại thực phẩm như bánh bông lan, bánh mì và xúc xích được cắt bằng khuôn cắt thử nghiệm. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp cắt bằng siêu âm mang lại vết cắt sạch, giảm thiểu tổn thất thực phẩm và hạn chế bám dính. Các thông số công nghệ tối ưu được xác định dựa trên kết quả thực nghiệm.
4.1. Thử nghiệm trên các loại thực phẩm
Các loại thực phẩm như bánh bông lan, bánh mì và xúc xích được cắt bằng khuôn cắt thử nghiệm. Kết quả cho thấy phương pháp cắt bằng siêu âm mang lại vết cắt sạch, không làm biến dạng thực phẩm và giảm thiểu tổn thất. Đặc biệt, với các thực phẩm dễ bám dính, phương pháp này tỏ ra hiệu quả hơn so với cắt truyền thống.
4.2. Đánh giá hiệu suất cắt
Hiệu suất cắt được đánh giá dựa trên các tiêu chí như độ chính xác của vết cắt, tổn thất thực phẩm và thời gian cắt. Kết quả cho thấy phương pháp cắt bằng siêu âm đạt hiệu suất cao, đặc biệt với các thực phẩm có tính chất phức tạp. Các thông số công nghệ tối ưu được xác định, làm cơ sở cho việc ứng dụng rộng rãi trong sản xuất.
