Tổng quan nghiên cứu

Ngành chế biến sắn tại Việt Nam đang giữ vai trò trụ cột trong cơ cấu cây công nghiệp hàng năm với sản lượng đạt xấp xỉ 9,74 triệu tấn củ tươi trên tổng diện tích canh tác hơn 550,6 nghìn hecta, đưa nước ta trở thành quốc gia xuất khẩu tinh bột sắn lớn thứ hai thế giới. Tuy nhiên, quy trình chế biến tinh bột sắn quy mô công nghiệp phát sinh một lượng phụ phẩm khổng lồ: bã sắn tươi chiếm tới 85% khối lượng củ đưa vào sản xuất và chứa hàm lượng ẩm ban đầu rất cao từ 80% đến 85%. Với hàm lượng dinh dưỡng giá trị gồm 61% đến 63% tinh bột và 13% đến 15% xenlulozo, bã sắn là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho ngành sản xuất thức ăn gia súc và cồn sinh học. Song do độ ẩm quá cao, bã sắn rất nhanh bị lên men chua, thối rữa và bốc mùi hôi thối chỉ sau vài giờ tích tụ, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng tại các vùng nguyên liệu tập trung.

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi hiện nay là các thiết bị tách nước bã sắn nhập khẩu như máy vắt ly tâm hay máy ép trục vít tiêu tốn công suất lớn nhưng chỉ hạ độ ẩm xuống khoảng 74% đến 76%, trong khi các dòng máy ép băng tải truyền thống thường xảy ra hiện tượng đùn dãn ngang hai bên mép làm tràn bã, khiến độ ẩm sau ép vẫn duy trì trên 63%. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế, cải tiến mô hình máy tách nước bã sắn theo nguyên lý ép băng tải có tích hợp dàn con lăn ép sơ bộ, nhằm kiểm soát độ dãn ngang và tối ưu hóa các thông số vận hành để hạ độ ẩm bã xuống ngưỡng 60%. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch trong khung thời gian từ tháng 6 năm 2015 đến tháng 6 năm 2016. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm hơn 35% chi phí năng lượng sấy nhiệt ở công đoạn tiếp theo và đạt năng suất ấn tượng 7,378 tấn bã nguyên liệu mỗi giờ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng kết hợp giữa cơ học ép vật liệu rời ba pha và lý thuyết lọc dòng chất lỏng qua môi trường xốp. Bã sắn được mô hình hóa như một hệ vật liệu rời phân tán gồm ba pha: pha rắn là xơ và tinh bột sót, pha lỏng là nước dịch bào và pha khí. Trong điều kiện bã sắn bão hòa nước sau công đoạn nghiền lọc, thể tích pha khí coi như bằng 0, do đó biến dạng thể tích của khối bã trong quá trình ép gần như tương đương với thể tích nước được tách ra.

Quá trình nén ép vật liệu tuân theo mô hình biến dạng phi tuyến Sokolov, biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất ép và độ lèn chặt của lớp bã thông qua mô đun đàn hồi và độ chặt ban đầu. Song song với quá trình nén là động học thoát nước tuân theo định luật lọc Darcy cải biên cho lớp hạt xốp chịu nén, trong đó lưu lượng nước lọc tỷ lệ thuận với gradient áp suất ép và tỷ lệ nghịch với độ nhớt động học của nước cùng trở lực riêng của lớp bã và màng băng tải. Ba khái niệm then chốt được chuẩn hóa bao gồm: hệ số lèn chặt phản ánh mức độ giảm thể tích khối bã, hệ số rỗng đặc trưng cho tỷ lệ giữa thể tích pha lỏng và pha rắn, và độ dãn ngang biểu thị mức độ biến dạng mở rộng bề rộng của lớp bã vuông góc với hướng di chuyển của băng tải.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa mô phỏng giải tích lý thuyết và quy hoạch thực nghiệm hiện đại trên mô hình máy thực tế. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 9 mẫu bã sắn tươi lấy ngẫu nhiên tại nhà máy chế biến tinh bột, mỗi mẫu có khối lượng 20 gram được sấy kiểm chứng ở nhiệt độ 50 độ C trên tủ sấy Memmert chuyên dụng đến khối lượng không đổi nhằm xác định độ ẩm ban đầu chính xác là 80%.

Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm tuân thủ chặt chẽ nguyên tắc ngẫu nhiên hóa và lặp lại 3 lần cho mỗi điểm đo nhằm loại bỏ sai số ngẫu nhiên, đảm bảo xác suất tin cậy đạt từ 80% đến 95% theo tiêu chuẩn ngành máy nông nghiệp. Để giải quyết bài toán đa biến phi tuyến, tác giả sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố bậc 2 theo cấu trúc Box-Wilson gồm 15 thí nghiệm với 8 điểm nhân, 6 điểm sao ở khoảng cách 1,213 và 1 điểm ở mức cơ sở. Ba thông số đầu vào được khảo sát đồng thời gồm: vận tốc băng tải, chiều cao ban đầu của lớp bã và lực ép của dàn con lăn sơ bộ. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích hồi quy bậc 2 và thuật toán tối ưu thương lượng có điều kiện bằng hàm phạt là nhằm xử lý thỏa hiệp giữa hai mục tiêu đối nghịch: giảm tối đa độ ẩm bã đầu ra nhưng đồng thời phải khống chế độ dãn ngang nằm trong giới hạn cho phép của bề rộng băng tải lọc. Toàn bộ quá trình thực nghiệm và xử lý số liệu được hoàn thành trong vòng 12 tháng, từ tháng 6 năm 2015 đến tháng 6 năm 2016.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã thiết lập thành công mô hình toán học thống kê mô tả chính xác sự phụ thuộc của độ ẩm bã sau ép và độ dãn ngang vào ba thông số công nghệ đầu vào. Phương trình hồi quy dạng thực của độ ẩm bã là một hàm bậc hai đầy đủ, được kiểm định tương thích theo chuẩn Fisher với mức ý nghĩa 0,05. Tương tự, phương trình hồi quy của độ dãn ngang phản ánh rõ nét mối tương tác phức tạp giữa lực ép sơ bộ và chiều dày lớp nguyên liệu.

Thứ hai, việc bổ sung dàn con lăn ép sơ bộ đã giải quyết triệt để hiện tượng trượt bùn và đùn bã sang hai bên mép băng tải. Khi lực ép của dàn con lăn tăng từ 3,635 kN lên 5,365 kN, cấu trúc lớp bã được định hình ổn định, nâng cao khả năng thoát nước tự do trước khi đi vào các trống ép cao áp chính.

Thứ ba, thông qua thuật toán tối ưu hóa thương lượng có điều kiện, đề tài đã tìm ra điểm vận hành tối ưu tuyệt đối: vận tốc băng tải lọc đạt 0,094 mét trên giây, chiều dày lớp bã vào ép đạt 19,9 milimet, và lực ép dàn con lăn sơ bộ đạt 5,365 kN.

Thứ tư, tại điểm làm việc tối ưu này, độ ẩm của bã sắn sau khi ép giảm sâu xuống đúng 60,0%, độ dãn ngang được khống chế ở mức an toàn 30 milimet, và năng suất tính theo khối lượng bã ướt đầu vào đạt tới 7,378 tấn mỗi giờ. So với các thiết bị ép trục vít truyền thống vốn để lại độ ẩm bã khoảng 75% đến 76%, mô hình cải tiến đã giảm thêm được 15 đến 16 điểm phần trăm độ ẩm tuyệt đối.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự vượt trội của máy tách nước cải tiến là nhờ cơ chế gia áp phân tầng. Trong các máy ép băng tải trước đây, việc đưa lớp bã có độ ẩm 80% trực tiếp vào trống ép chính tạo ra một gradient áp suất thủy tĩnh quá đột ngột, khiến nước không kịp thoát qua lưới lọc mà sinh ra lực đẩy ngang phá vỡ liên kết của lớp bã. Khi tích hợp dàn con lăn sơ bộ với lực ép định mức 5,365 kN, lớp bã được lèn chặt từ từ, đẩy phần lớn nước tự do ra ngoài và tạo độ xốp liên tục giúp giảm trở lực lọc riêng của bã.

Khi so sánh với các dòng máy hiện hành, máy ép kiểu xi lanh gián đoạn tuy có thể hạ độ ẩm xuống 55% nhưng năng suất chỉ đạt 3,35 tấn mỗi giờ và tiêu tốn 3 kWh điện cho mỗi tấn bã, còn tổ hợp 12 máy ép trục vít của Thái Lan tại An Giang có tổng công suất lên tới 54 kW nhưng chỉ đạt năng suất 3,5 tấn mỗi giờ với độ ẩm sau ép còn 76%. Máy cải tiến trong nghiên cứu này vừa duy trì quy trình ép liên tục, vừa nâng năng suất lên 7,378 tấn mỗi giờ với mức tiêu thụ điện năng riêng thấp hơn đáng kể. Toàn bộ xu hướng biến thiên này được minh chứng trực quan qua các biểu đồ không gian ba chiều và bề mặt đáp ứng hồi quy, thể hiện rõ vùng cực tiểu của độ ẩm bã giao thoa hoàn hảo với giới hạn cho phép của độ dãn ngang.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, các nhà máy chế biến tinh bột sắn quy mô từ 25.000 đến 120.000 tấn sản phẩm mỗi năm cần chủ động triển khai tích hợp cụm dàn con lăn ép sơ bộ vào hệ thống máy ép băng tải sẵn có trong vòng 6 đến 12 tháng tới, nhằm mục tiêu hạ độ ẩm bã thải xuống dưới 60% và nâng sản lượng ép đạt trên 7 tấn bã mỗi giờ.

Thứ hai, bộ phận kỹ thuật và vận hành tại các cơ sở chế biến cần chuẩn hóa quy trình điều khiển thông qua việc lắp đặt biến tần và đồng hồ đo áp lực thủy lực, duy trì nghiêm ngặt các thông số định mức gồm vận tốc băng tải 0,094 mét trên giây, khe hở cấp liệu 19,9 milimet và áp lực con lăn 5,365 kN nhằm đảm bảo độ dãn ngang ổn định dưới 30 milimet.

Thứ ba, các doanh nghiệp sản xuất thức ăn gia súc và chế biến phụ phẩm nông nghiệp cần liên kết chặt chẽ với nhà máy tinh bột để xây dựng dây chuyền sấy cơ giới hóa khép kín ngay sau công đoạn ép cơ học, tận dụng nguồn bã sắn có hàm lượng bột 61% đến 63% để hạ giá thành thức ăn chăn nuôi từ 15% đến 20% trong giai đoạn 2017 đến 2020.

Thứ tư, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cùng các Sở Khoa học và Công nghệ tại các tỉnh trọng điểm trồng sắn như Tây Ninh, Bình Phước, Gia Lai cần có chính sách hỗ trợ tín dụng ưu đãi và khuyến nông cơ giới hóa để chế tạo hàng loạt mẫu máy ép băng tải cải tiến mang thương hiệu Việt Nam, giảm thiểu sự phụ thuộc vào các thiết bị nhập khẩu đắt đỏ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, kỹ sư cơ khí và chuyên gia thiết kế chế tạo máy nông nghiệp có thể sử dụng toàn bộ hệ thống phương trình động học, mô hình nén lọc Sokolov và bản vẽ nguyên lý dàn con lăn ép sơ bộ để phát triển các thế hệ máy ép tách nước công nghiệp đa năng cho nhiều loại phụ phẩm hữu cơ khác.

Thứ hai, giám đốc kỹ thuật và nhà quản lý tại các nhà máy tinh bột sắn tìm thấy giải pháp công nghệ khả thi nhằm cắt giảm tới 35% chi phí chất đốt sấy bã, đồng thời giải quyết triệt để nguy cơ vi phạm môi trường do tích tụ hàng trăm tấn bã tươi mỗi ngày.

Thứ ba, học viên cao học, nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí và Cơ điện nông nghiệp có thể tham khảo phương pháp luận quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố Box-Wilson bậc 2 kết hợp thuật toán tối ưu hóa thương lượng có điều kiện như một tài liệu học thuật mẫu mực.

Thứ tư, các doanh nghiệp chế biến thức ăn gia súc, sản xuất nấm dược liệu và cồn ethanol có thể khai thác các số liệu phân tích thành phần hóa lý của bã sắn khô với 13% đến 15% xenlulozo để hoàn thiện công thức phối trộn thức ăn tinh và quy trình công nghệ lên men vi sinh tối ưu.

Câu hỏi thường gặp

Việc giảm độ ẩm bã sắn từ 80% xuống 60% có ý nghĩa kinh tế như thế nào? Để làm khô bã sắn từ độ ẩm 80% xuống còn 13% đạt chuẩn bảo quản, lượng nước cần bốc hơi bằng nhiệt lớn gấp 2,5 lần so với bã đã được ép kiệt xuống 60%. Do đó, việc hạ ẩm cơ học xuống 60% giúp nhà máy tiết kiệm khoảng 35% đến 40% chi phí than củi và dầu đốt trong công đoạn sấy nhiệt.

Dàn con lăn ép sơ bộ đóng vai trò kỹ thuật gì trong việc chống tràn bã? Dàn con lăn sơ bộ tạo ra lực nén ép êm dịu và tăng dần từ 0 lên 5,365 kN, giúp loại bỏ lượng nước tự do trước khi bã tiếp xúc với trống ép chính. Nhờ đó, áp suất thủy tĩnh cục bộ không bị tăng đột ngột, triệt tiêu hiện tượng dãn ngang quá mức và khống chế độ dãn ở mức an toàn 30 milimet.

Tại sao vận tốc băng tải tối ưu lại được xác định ở mức 0,094 mét trên giây? Nếu vận tốc băng tải lớn hơn 0,094 mét trên giây, thời gian chịu tải của lớp bã qua các vùng ép quá ngắn làm nước không kịp thoát ra ngoài, dẫn tới độ ẩm sau ép tăng cao. Ngược lại, nếu vận tốc quá chậm sẽ làm giảm năng suất chung của toàn bộ dây chuyền chế biến.

Máy ép băng tải cải tiến có ưu điểm gì so với máy ép trục vít nhập khẩu? Hệ thống ép trục vít thường tiêu tốn công suất lớn khoảng 54 kW nhưng bã sau ép vẫn còn ẩm tới 76% do ma sát trượt lớn sinh nhiệt vô ích. Máy ép băng tải cải tiến vừa có công suất động cơ nhỏ, chi phí chế tạo thấp, vừa hạ độ ẩm xuống 60% và cho năng suất vượt trội đạt 7,378 tấn mỗi giờ.

Bã sắn sau khi tách nước qua máy cải tiến có thể bảo quản được bao lâu? Bã sắn tươi sau khi ép kiệt nước xuống 60% sẽ có cấu trúc xốp ráo, giúp kéo dài thời gian lưu trữ tự nhiên thêm 24 đến 48 giờ mà không bị chua rữa, rất thuận lợi để vận chuyển tập trung về các lò sấy công nghiệp hoặc đưa vào ủ chua làm thức ăn gia súc trực tiếp.

Kết luận

Thứ nhất, luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học giải tích và mô hình thực nghiệm mô tả toàn diện quá trình ép lọc bã sắn trên thiết bị ép băng tải cải tiến tích hợp dàn con lăn sơ bộ.

Thứ hai, công trình đã xác định chính xác bộ ba thông số vận hành công nghệ tối ưu gồm vận tốc băng tải lọc 0,094 mét trên giây, chiều dày lớp bã cấp vào 19,9 milimet và lực ép của dàn con lăn 5,365 kN.

Thứ ba, tại chế độ làm việc tối ưu, máy đạt các chỉ tiêu chất lượng vượt trội với độ ẩm bã sau ép đạt đúng 60,0%, độ dãn ngang khống chế ở mức 30 milimet và năng suất làm việc đạt 7,378 tấn bã nguyên liệu mỗi giờ.

Thứ tư, kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết về tính toán cơ học nén lọc vật liệu rời hữu cơ nhiều pha trong lĩnh vực kỹ thuật máy nông nghiệp và chế biến sau thu hoạch.

Thứ năm, mô hình máy tách nước cải tiến đã chứng minh tính khả thi cao về mặt kỹ thuật và hiệu quả kinh tế rõ rệt, sẵn sàng để chuyển giao và chế tạo ở quy mô công nghiệp trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới. Các doanh nghiệp và đơn vị sản xuất quan tâm có thể liên hệ và tham khảo hồ sơ nghiên cứu chi tiết tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam để tiếp nhận chuyển giao công nghệ.