Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu một số thông số kỹ thuật của thiết bị cô đặc mật ong kiểu chân không dạng ống phối hợp công nghệ siêu âm" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Đặng Thanh Sơn tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam (năm 2022), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Như Khuyên và TS. Nguyễn Thanh Hải, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí (mã số 9 52 01 03).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Mật ong là sản phẩm có giá trị kinh tế cao, phục vụ tiêu dùng thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm. Giai đoạn 2017–2021, sản lượng và kim ngạch xuất khẩu mật ong của Việt Nam gia tăng đáng kể: từ 14,21 nghìn tấn (63,274 triệu USD) năm 2017 lên 21,5 nghìn tấn (70,66 triệu USD) năm 2020 và đạt 83 triệu USD trong 9 tháng đầu năm 2021 (UN Comtrade, 2021; WITS, 2019; Tridge, 2020; Chu Khôi, 2021). Việt Nam giữ vị trí thứ 6 thế giới và thứ 2 châu Á về xuất khẩu mật ong, với 80–85% sản lượng được xuất sang các thị trường quốc tế (trong đó 95% xuất sang Mỹ và 5% sang EU).

Mặc dù có sản lượng xuất khẩu lớn, giá mật ong Việt Nam chỉ đạt khoảng 70% mức giá trung bình của thế giới. Nguyên nhân kỹ thuật chủ yếu xuất phát từ đặc điểm khí hậu nhiệt đới nóng ẩm: mật ong sau thu hoạch thường có độ ẩm cao từ 22–24%, thậm chí đạt 25–28% khi thu hoạch non hoặc gặp trời mưa (Vũ Thục Linh, 2015), khiến mật ong dễ bị lên men chua bởi nấm men, nấm mốc và vi khuẩn (Bogdanov, 2014). Để đáp ứng tiêu chuẩn xuất khẩu, hàm lượng nước phải được hạ xuống dưới 18%.

Tại Việt Nam, các cơ sở chế biến chủ yếu sử dụng thiết bị sấy phun hoặc sấy bơm nhiệt với tác nhân không khí nóng ở nhiệt độ 45–55°C. Quá trình này kéo dài thời gian xử lý, làm tổn hao dinh dưỡng, sẫm màu, suy giảm hương vị và làm tăng chỉ số Hydroxymethylfurfural (HMF). Ngoài ra, các loại mật ong giàu glucose thường bị kết tinh trở lại sau 2–3 tháng bảo quản, gây phân lớp và giảm giá trị cảm quan. Các hệ thống cô đặc hiện đại trên thế giới (cô đặc thăng hoa, sấy bơm nhiệt cao cấp) có chi phí đầu tư và chuyển giao quá cao đối với các cơ sở trong nước. Do đó, khoảng trống nghiên cứu được đặt ra là cần thiết kế, chế tạo một hệ thống thiết bị cô đặc chân không dạng ống có tích hợp công nghệ sóng siêu âm và vành dẫn chất lỏng, vừa đảm bảo giảm thời gian cô đặc, tiết kiệm điện năng riêng, vừa duy trì chất lượng mật theo tiêu chuẩn quốc tế với chi phí chế tạo trong nước hợp lý.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Mục tiêu chung: Thiết kế, chế tạo thiết bị cô đặc nhằm nâng cao chất lượng mật ong đáp ứng yêu cầu xuất khẩu, giảm thời gian cô đặc và chi phí năng lượng riêng.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Mô hình hoá và mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong bộ phận cô đặc để xác định một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc nhằm định hướng ban đầu cho việc thiết kế.
    • Xác định ảnh hưởng của một số thông số như nhiệt độ cô đặc, chiều cao vành dẫn chất lỏng, thời gian phát sóng siêu âm đến chất lượng sản phẩm, thời gian cô đặc, thời gian kết tinh trở lại và chi phí điện năng riêng làm cơ sở để hoàn thiện thiết kế thiết bị cô đặc mật ong.
    • Thiết kế, chế tạo thiết bị cô đặc mật ong kiểu chân không dạng ống phối hợp công nghệ siêu âm với năng suất 16 kg/mẻ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng cô đặc chân không dạng ống có hỗ trợ sóng siêu âm và thiết bị cô đặc mật ong năng suất 16 kg/mẻ.
  • Phạm vi thông số kỹ thuật: Nhiệt độ cô đặc, kích thước vành dẫn chất lỏng (chiều cao vành dẫn chất lỏng), thời gian phát sóng siêu âm.
  • Phạm vi chỉ tiêu đánh giá: Các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật gồm chất lượng mật ong sau cô đặc (thành phần hoá học, chỉ tiêu cảm quan, tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm theo TCVN 12605:2019), thời gian cô đặc, thời gian kết tinh trở lại trong quá trình tồn trữ và chi phí điện năng riêng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu và công trình đã công bố

Tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế trên các khía cạnh lý thuyết nhiệt vật lý, đặc tính lưu biến và công nghệ thiết bị cô đặc:

  • Tính chất nhiệt vật lý và động học dung dịch đường:

    • Schellart (2011) nghiên cứu tính lưu biến và tỷ trọng của đường trong xi-rô và mật ong, xác định hệ số giãn nở thể tích $\beta_v$ theo nhiệt độ: $\beta_v = \frac{1}{V_1}\frac{V_2 - V_1}{T_2 - T_1} = \frac{1}{T_2 - T_1}\left(\frac{\rho_1}{\rho_2} - 1\right)$.
    • Bakier (2007) nghiên cứu độ nhớt động lực học $\mu$ của hàng trăm mẫu mật ong ở dải nhiệt độ 260–330 K, thiết lập phương trình quan hệ phụ thuộc vào nồng độ $W$ (%) và nhiệt độ $T$ (K): $\mu = \exp(0,00028 \cdot W^2 + 0,011 \cdot W - 1,27 \cdot T)$.
    • Crapiste & Lozano (1988) xây dựng mô hình thực nghiệm xác định độ tăng điểm sôi $\Delta T_r$ của dung dịch đường glucose, fructose, sucrose ở dải áp suất 72–700 mbar và nồng độ 17–82°Brix: $\Delta T_r = \alpha \cdot W \exp(\beta W) p^{\gamma - \delta W}$.
    • Heldman và cộng sự (2019) thiết lập mô hình tính toán nhiệt dung riêng ($C_p$) và độ dẫn nhiệt ($k$) của các thành phần trong dung dịch đường và mật ong phụ thuộc nhiệt độ.

  • Nghiên cứu về chất lượng mật ong và chỉ số HMF:

    • Bogdanov (2014), Abu-Jdayil và cộng sự, Chichester (1978) xác lập mối quan hệ giữa độ ẩm cân bằng, độ nhớt, khối lượng riêng và khả năng lên men của mật ong.
    • Tosi và cộng sự (2002), Dimins và cộng sự, Ajlouni & Sujirapinyokul (2010) chứng minh khi nhiệt độ gia nhiệt vượt quá 50°C (đặc biệt trên 51°C), hàm lượng HMF hình thành do sự phân hủy đường fructose tăng vọt, làm suy giảm chất lượng mật.

  • Nghiên cứu thiết bị cô đặc mật ong trên thế giới:

    • Thiết bị chân không kiểu phun (Ấn Độ - Indiamart, 2022): gia nhiệt mật lên 40–45°C và phun vào buồng chân không, giảm 1,1–1,8% nước mỗi vòng tuần hoàn, nhược điểm là chi phí cao, tiêu thụ nhiều năng lượng.
    • Thiết bị chân không dạng ống (Trung Quốc - Xingwu & Liyu, 2014): sử dụng chùm ống đun sôi thẳng đứng, hiệu quả truyền nhiệt lớn nhưng khó vệ sinh vách trong ống.
    • Thiết bị bơm nhiệt dạng đĩa Normit (Slovakia, 2022): năng suất 50–100 kg/mẻ, cô đặc ở 40°C, giảm 6% ẩm trong chu kỳ 24 giờ; thời gian vận hành kéo dài.
    • Thiết bị bơm nhiệt dạng cánh quay (Malec và cộng sự): tạo màng tiếp xúc không khí khô, nhiệt độ thấp nhưng tốc độ thoát ẩm chậm.
    • Thiết bị kiểu dòng chảy (Đại học Nông nghiệp Puhana, Ấn Độ - Gill và cộng sự, 2015): cô đặc 20 kg mật từ ẩm 25,2% xuống 16,4% mất 10,71 giờ, tiêu hao 17 kWh/mẻ (0,94 kWh/kg sản phẩm, 8,05 kWh/kg nước bốc hơi).

  • Nghiên cứu thiết bị cô đặc mật ong tại Việt Nam:

    • Nguyễn Hay và cộng sự (2012): khảo nghiệm thiết bị cô đặc chân không dạng nồi có cánh khuấy/piston năng suất 20 kg/mẻ, xác định điểm tối ưu ở nhiệt độ 39,9°C và tần số đảo 10 lần/phút, đạt $HMF_{min} = 27\text{ mg/kg}$ và chi phí năng lượng riêng $A_{rmin} = 0,114\text{ kWh/kg}$.
    • Phạm Hồng Thái (2019): thiết bị bơm nhiệt dạng ống rơi CMO-40 dung tích 40 lít tại Trung tâm Nghiên cứu ong và Nuôi ong nhiệt đới, nhiệt độ thấp nhưng thời gian cô đặc dài.
    • Vũ Kế Hoạch và cộng sự (2010): máy sấy lạnh mật ong năng suất 30 kg/mẻ.
    • Công ty AGRITECH (2022): thiết bị chân không dạng nồi có cánh khuấy 100 lít/mẻ, tích hợp bộ phát siêu âm phá kết tinh, tuy nhiên diện tích mặt thoáng bốc hơi nhỏ làm kéo dài thời gian cô đặc.

Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết

Luận án kế thừa các kết quả nghiên cứu về truyền nhiệt sôi chân không và ứng dụng sóng siêu âm để giải quyết đồng thời ba hạn chế tồn tại ở các thiết bị trước: (1) diện tích bốc hơi hạn chế của dạng nồi khuấy, (2) thời gian cô đặc kéo dài gây tăng HMF, và (3) hiện tượng tái kết tinh đường glucose trong quá trình bảo quản. Bằng việc tích hợp vành dẫn chất lỏng có các khe hẹp hình vành khăn đồng tâm bên trong ống đun sôi kết hợp nguồn phát siêu âm, thiết bị đạt được sự gia tăng diện tích bốc hơi màng mỏng, thúc đẩy phá vỡ bọt hơi và ức chế mầm tinh thể kết tinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

Quá trình cô đặc mật ong được xây dựng dựa trên lý thuyết trao đổi nhiệt đối lưu khi sôi của chất lỏng dưới áp suất chân không và động học bay hơi ẩm:

  • Cân bằng nhiệt - ẩm: Thiết lập hệ phương trình cân bằng năng lượng và vật chất cho buồng đun sôi, xác định nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình đun nóng ($Q_{đn}$) và bay hơi ($Q_{bh}$), lưu lượng ẩm bay hơi ($W_{ht}$), và lượng hơi thứ tạo thành trong một vòng tuần hoàn ($W_{th}$).
  • Đặc tính truyền nhiệt màng và sôi bọt: Tính toán hệ số cấp nhiệt phía nước nóng ($\alpha_{1}$), hệ số tỏa nhiệt phía dịch mật ($\alpha_{2}$), mật độ dòng nhiệt tới hạn ($q_{th}$), nhiệt độ sôi của dung dịch mật ($t_{fs}$) có tính đến độ tăng điểm sôi do nồng độ chất khô và tổn thất nhiệt độ thủy tĩnh, thủy lực, lý hóa ($\Delta_{lh}, \Delta_{tt}, \Delta_{tl}$).
  • Phương pháp số: Ứng dụng phương pháp tích phân hình thang để giải hệ phương trình vi phân truyền nhiệt ẩm phi tuyến tính, xác định quan hệ diện tích bề mặt trao đổi nhiệt $F_{bh}$ theo nhiệt lượng $Q$.
  • Cơ chế siêu âm: Ứng dụng hiện tượng xâm thực sóng siêu âm (acoustic cavitation) để tạo dao động áp suất, làm vỡ các vi bọt khí, giải phóng hơi ẩm nhanh hơn và phá vỡ cấu trúc mạng tinh thể đường glucose.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và tối ưu hóa

  1. Phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố: Khảo sát sự biến thiên của các chỉ tiêu đầu ra khi thay đổi từng thông số độc lập (nhiệt độ cô đặc $T_{cđ}$, chiều cao vành dẫn chất lỏng $H_{vd}$, thời gian phát sóng siêu âm $\tau_s$).
  2. Phương pháp thực nghiệm đa yếu tố: Thiết lập ma trận quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc hai để xây dựng các phương trình hồi quy biểu diễn 4 hàm mục tiêu ($Y_j$):
    • $Y_1$: Điểm tổng hợp chất lượng sản phẩm (đánh giá cảm quan theo TCVN kết hợp chỉ tiêu hóa lý).
    • $Y_2$: Thời gian kết tinh trở lại trong quá trình tồn trữ (ngày/tháng).
    • $Y_3$: Thời gian cô đặc một mẻ (phút).
    • $Y_4$: Chi phí điện năng riêng ($kWh/kg$ sản phẩm hoặc $kWh/kg$ nước tách).
  3. Phương pháp tối ưu hóa tổng quát E. Harrington: Chuyển đổi các hàm mục tiêu riêng lẻ $Y_j$ về hàm mong muốn thành phần $d_j$ ($0 \le d_j \le 1$), từ đó xác định giá trị hàm mong muốn tổng quát $D = \sqrt[m]{\prod_{j=1}^m d_j}$ để tìm bộ thông số đầu vào tối ưu.

Dụng cụ, thiết bị đo và nguồn tư liệu thực nghiệm

  • Nguyên liệu: Mật ong đa hoa thu hoạch tại các vùng nuôi ong trọng điểm, có độ ẩm ban đầu từ 22–26%.
  • Thiết bị đo lường chuyên dụng:
    • Máy sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC (mã số BF-6D-19) để định lượng HMF và thành phần đường (glucose, fructose, sucrose).
    • Khúc xạ kế đo độ ngọt (Brix kế) xác định hàm lượng chất khô hòa tan.
    • Đồng hồ điều khiển và cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số CH402.
    • Đồng hồ đo áp suất chân không, đồng hồ đo điện năng tiêu thụ, đồng hồ bấm giây.
  • Tiêu chuẩn kiểm chứng: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 12605:2019 về mật ong và tiêu chuẩn Codex STAN 12-1981 (FAO/WHO).
Chỉ tiêu chất lượng Tiêu chuẩn FAO/WHO/EU TCVN 12605:2019 (Mật hoa) TCVN 12605:2019 (Mật lá) TCVN 12605:2019 (Hỗn tạp)
Hàm lượng nước (%) $< 20$ $< 23$ $< 21$ $< 21$
Đường khử tự do (%) $> 60$ $> 45$ $> 45$ $> 60$
Đường sucrose (%) $< 5$ $< 5$ $< 5$ $< 5$
Độ acid tự do (mEq/kg) $< 50$ $< 50$ $< 50$ $< 50$
Hoạt tính Diastase (Schade) $> 8$ $> 8$ $> 8$ $> 8$
Chất rắn không tan (%) $< 0,1$ $< 0,1$ $< 0,1$ $< 0,1$
Hàm lượng HMF (mg/kg) $< 40$ $< 40$ $< 40$ $< 40$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu

Chương 1 tổng hợp các đặc tính lý - hóa của mật ong, tình hình sản xuất, thương mại và hiện trạng công nghệ thiết bị chế biến trong và ngoài nước:

  • Đặc tính mật ong Việt Nam: Phân tích tỷ trọng, độ nhớt động học và độ ẩm cân bằng theo nghiên cứu của Bogdanov (2014) và Vũ Thục Linh (2015). Đa số mật ong Việt Nam là mật đa hoa (chiếm 90%), còn lại là mật đơn hoa (10% gồm nhãn, cà phê, vải, bạc hà...).
  • Tương quan độ ẩm và nguy cơ lên men: Mật ong có hàm lượng nước $> 20%$ rất dễ bị lên men chua; mức an toàn để bảo quản lâu dài là dưới 18,5% (nấm men $< 1000\text{ tế bào/g}$).
Độ ẩm không khí RH (%) 50 55 60 65 70 75 80
Độ ẩm cân bằng của mật ong (%) 15,9 16,8 18,3 20,9 24,2 28,3 33,1
  • Thành phần hóa học chính: Fructose chiếm 39,44% (37,07–42,65%), Glucose chiếm 28,15% (18,20–32,10%), Sucrose chiếm 3,19%, nước trung bình 17,90%, cùng các khoáng chất (0,36%), protein (1,13%) và enzyme (Alvarez-Suarez, 2017).
  • Phân tích các hệ thống công nghệ: Đánh giá ưu nhược điểm của 5 dạng thiết bị quốc tế và 4 mô hình trong nước, khẳng định sự cần thiết phải phát triển hệ thống cô đặc chân không dạng ống có tuần hoàn màng mỏng kết hợp siêu âm nhằm khắc phục hiện tượng caramen hóa đường, ức chế gia tăng HMF và chống kết tinh.

Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế chế tạo mẫu thực nghiệm, phương pháp bố trí thí nghiệm và xử lý toán học:

  • Đối tượng chế tạo: Hệ thống thiết bị cô đặc mật ong kiểu chân không dạng ống kết hợp sóng siêu âm ký hiệu CĐ-1 (mẫu ban đầu) và hoàn thiện thành CĐ-1A (năng suất 16 kg/mẻ).
  • Hệ thống thiết bị bao gồm: Buồng cô đặc dạng ống thẳng đứng bọc áo gia nhiệt nước nóng, vành dẫn chất lỏng tạo màng hình vành khăn, bộ phát sóng siêu âm gắn ngoài/đáy, hệ thống bơm hút chân không, bình ngưng tụ hơi thứ, bồn thu hồi nước ngưng và tủ điều khiển tự động.
  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố: Lựa chọn 3 yếu tố đầu vào ($X_1: T_{cđ}, X_2: H_{vd}, X_3: \tau_s$), mã hóa các mức biến thiên (-1, 0, +1) và các điểm sao ($\pm \alpha$) để tiến hành thí nghiệm, kiểm tra tính thích ứng của mô hình bằng tiêu chuẩn Fisher ($F$) và độ tin cậy của hệ số bằng tiêu chuẩn Student ($t$).

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả mô hình hóa lý thuyết, kết quả thực nghiệm và quy trình công nghệ hoàn thiện:

  • Kết quả mô hình hóa và mô phỏng: Xây dựng thành công thuật giải và chương trình tính toán mô phỏng trao đổi nhiệt ẩm trong ống đun sôi. Kết quả mô phỏng cho phép xác định chính xác diện tích truyền nhiệt yêu cầu, lượng nhiệt tiêu thụ $Q$, hệ số tuần hoàn tự nhiên của mật trong ống, và chiều cao buồng tách hơi thứ.
  • Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố:
    • Nhiệt độ cô đặc ($T_{cđ}$): Khảo sát trong dải 40–55°C. Khi nhiệt độ vượt quá 48–50°C, tốc độ tăng HMF diễn ra rất nhanh; ở dải 42–46°C, chất lượng cảm quan và dinh dưỡng được giữ ổn định tốt nhất.
    • Chiều cao vành dẫn chất lỏng ($H_{vd}$): Vành dẫn giúp dàn mỏng dòng mật và phá vỡ bọt hơi; chiều cao vành dẫn thích hợp tạo màng chuyển động nhanh theo chiều từ dưới lên, tăng diện tích bốc hơi mà không làm trào dịch mật sang buồng hơi thứ.
    • Thời gian phát sóng siêu âm ($\tau_s$): Tác động sóng siêu âm giúp phá vỡ các mầm vi tinh thể đường glucose, kéo dài đáng kể thời gian kết tinh trở lại trong quá trình tồn trữ mẫu.
  • Kết quả tối ưu hóa đa yếu tố:
    • Thiết lập 4 phương trình hồi quy dạng mã tương ứng với các chỉ tiêu $Y_1, Y_2, Y_3, Y_4$.
    • Ứng dụng hàm mong muốn E. Harrington để xác định điểm tối ưu toàn cục của quá trình cô đặc.
    • Chế tạo hoàn thiện máy cô đặc CĐ-1A và kiểm chứng thực nghiệm tại chế độ tối ưu. Kết quả kiểm chứng thực tế sai lệch không đáng kể so với mô hình lý thuyết.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Thiết lập được mô hình toán học và chương trình mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng cô đặc kiểu chân không dạng ống đun sôi tuần hoàn tự nhiên, xác định được các thông số kết cấu: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, hệ số tuần hoàn, thời gian chuyển động một vòng tuần hoàn, lượng hơi thứ bốc hơi trung bình và chiều cao buồng phân ly hơi thứ.
  2. Làm sáng tỏ quy luật tương tác và ảnh hưởng đồng thời của 3 yếu tố công nghệ (nhiệt độ cô đặc $T_{cđ}$, chiều cao vành dẫn chất lỏng $H_{vd}$, thời gian phát sóng siêu âm $\tau_s$) đến các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật (điểm chất lượng $Y_1$, thời gian chống kết tinh $Y_2$, thời gian cô đặc $Y_3$, chi phí điện năng riêng $Y_4$).

Đóng góp mới về mặt kỹ thuật và thực tiễn

  1. Ứng dụng nhiệt độ cô đặc thấp dưới áp suất chân không: Giữ nguyên vẹn hương vị, màu sắc tự nhiên, hoạt tính men diastase và khống chế chỉ số HMF ở mức rất thấp, đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe của thị trường EU và Mỹ.
  2. Cải tiến kết cấu với vành dẫn chất lỏng: Bố trí các khe hẹp hình vành khăn đồng tâm giúp phá vỡ các hạt bọt hơi để giải phóng hơi nước nhanh chóng, đồng thời dàn mỏng dung dịch mật thành màng chuyển động từ dưới lên, tăng mạnh cường độ bốc hơi ẩm và rút ngắn thời gian cô đặc.
  3. Tích hợp công nghệ sóng siêu âm: Phá vỡ mầm tinh thể kết tinh trong lúc cô đặc, kéo dài thời gian kết tinh trở lại của mật ong trong quá trình tồn trữ thương mại; đồng thời tạo hiện tượng tạo bọt khí – hơi phụ trợ thúc đẩy thoát ẩm nhanh.
  4. Chế tạo thành công thiết bị CĐ-1A: Năng suất 16 kg/mẻ, kết cấu gọn gàng, làm việc ổn định, hoàn toàn có khả năng chế tạo tại các xưởng cơ khí trong nước với chi phí thấp hơn nhiều so với thiết bị nhập khẩu.
  5. Hoàn thiện quy trình công nghệ: Đưa ra quy trình chế biến mật ong đồng bộ từ khâu tiếp nhận, lọc thô, khuấy trộn, lắng, lọc tinh, cô đặc chân không – siêu âm đến đóng gói bảo quản.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Quy mô thiết bị nghiên cứu dừng lại ở mức bán công nghiệp/hộ gia đình (năng suất 16 kg/mẻ).
    • Các thử nghiệm thực nghiệm tập trung vào mật ong đa hoa nhiệt đới phổ biến; chưa khảo sát chi tiết cho từng loại mật đơn hoa đặc thù có hàm lượng đường glucose quá cao (như mật hoa cao su, mật hoa bạc hà).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu nâng công suất thiết bị lên quy mô công nghiệp (100–500 kg/mẻ hoặc dây chuyền liên tục).
    • Tự động hóa hoàn toàn việc kiểm soát nồng độ Brix trực tuyến trong quá trình cô đặc để tự động ngắt chu kỳ khi đạt ẩm độ tiêu chuẩn $< 18%$.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, giảng viên, kỹ sư ngành Cơ khí máy nông nghiệp và Công nghệ thực phẩm: Cung cấp phương pháp luận mô hình hóa quá trình truyền nhiệt sôi chân không cho chất lỏng nhớt và thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu E. Harrington. Các phương trình nhiệt vật lý và động học sôi có thể làm tài liệu tham khảo để tính toán thiết bị cô đặc cho các sản phẩm tương tự như nước mía, dịch quả, sữa.
  • Đối với các cơ sở nuôi ong, hợp tác xã và doanh nghiệp chế biến mật ong: Cung cấp bản vẽ nguyên lý và thông số vận hành của thiết bị CĐ-1A giúp đầu tư sản xuất máy móc hạ thủy phần với chi phí thấp, nâng cao chất lượng mật ong đạt tiêu chuẩn xuất khẩu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mật ong cần được cô đặc ở nhiệt độ dưới 50°C dưới áp suất chân không?

Mật ong chứa nhiều enzyme (diastase, invertase), vitamin và đường fructose nhạy cảm với nhiệt. Khi đun nóng trên 50°C (đặc biệt trên 51°C theo Dimins và cộng sự), đường fructose bị phân hủy nhanh chóng tạo thành Hydroxymethylfurfural (HMF) – một chất độc hại làm suy giảm chất lượng mật. Cô đặc chân không cho phép nước sôi và bốc hơi ở nhiệt độ thấp (dưới 45°C), bảo toàn hoạt tính sinh học và giữ hàm lượng HMF $< 40\text{ mg/kg}$ theo tiêu chuẩn xuất khẩu.

2. Vành dẫn chất lỏng trong thiết bị CĐ-1A có vai trò kết cấu gì?

Vành dẫn chất lỏng được thiết kế với nhiều khe hẹp hình vành khăn đồng tâm đặt trong buồng cô đặc. Bộ phận này có hai tác dụng: (1) cơ học phá vỡ các hạt bọt hơi nổi lên để giải phóng hơi nước nhanh chóng, và (2) dàn đều dòng mật thành màng mỏng chuyển động từ dưới lên, làm tăng diện tích tiếp xúc truyền nhiệt và bề mặt bốc hơi, giúp rút ngắn thời gian cô đặc.

3. Sóng siêu âm hỗ trợ quá trình cô đặc và bảo quản mật ong như thế nào?

Sóng siêu âm tạo ra hiện tượng xâm thực (cavitation) với các dao động vi mô. Trong quá trình cô đặc, sóng siêu âm kích thích tạo bọt khí – hơi giúp thoát ẩm nhanh hơn, đồng thời tán nhỏ và phá vỡ các mầm tinh thể đường glucose, giúp mật ong sau chế biến không bị hiện tượng kết tinh phân lớp trở lại trong thời gian bảo quản từ vài tháng đến hàng năm.

4. Thiết bị cô đặc CĐ-1A đạt năng suất bao nhiêu và phù hợp với đối tượng nào?

Thiết bị CĐ-1A có năng suất thiết kế 16 kg/mẻ. Thiết bị có kết cấu gọn, vận hành ổn định, chi phí chế tạo thấp, phù hợp ứng dụng trực tiếp cho các hộ nuôi ong quy mô trang trại, hợp tác xã hoặc cơ sở chế biến nông sản vừa và nhỏ tại Việt Nam.

Kết luận

Luận án của tác giả Đặng Thanh Sơn đã giải quyết bài toán kỹ thuật cấp thiết trong ngành chế biến mật ong Việt Nam bằng việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công thiết bị cô đặc chân không dạng ống tích hợp vành dẫn chất lỏng và công nghệ sóng siêu âm (CĐ-1A, năng suất 16 kg/mẻ). Công trình đã kết hợp mô hình hóa lý thuyết trao đổi nhiệt ẩm với phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa E. Harrington để xác lập chế độ vận hành tối ưu. Kết quả nghiên cứu giúp giảm thời gian cô đặc, tiết kiệm điện năng tiêu thụ riêng, đồng thời giữ vững các chỉ tiêu chất lượng (hạ độ ẩm xuống dưới 18%, hạn chế tăng HMF và chống kết tinh đường), đóng góp cơ sở khoa học và giải pháp thực tiễn cho ngành cơ khí chế tạo máy nông nghiệp – thực phẩm trong nước.