Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Sữa chua là sản phẩm dinh dưỡng phổ biến, giàu protein, các vitamin nhóm B và vi khuẩn có lợi (probiotics) hỗ trợ hệ miễn dịch và tiêu hóa. Tuy nhiên, sữa chua ở trạng thái lỏng truyền thống có hạn chế lớn về thời gian bảo quản ở nhiệt độ thường và khó khăn khi vận chuyển đi xa. Các sản phẩm sữa chua chanh dây trên thị trường hiện nay thường chỉ duy trì thời hạn sử dụng khoảng 1 tháng khi được bảo quản lạnh từ 6°C đến 8°C.
Để kéo dài thời hạn bảo quản lên 6 đến 12 tháng ở nhiệt độ thường mà vẫn giữ nguyên giá trị cảm quan và hoạt tính sinh học, phương pháp sấy thông thường (sấy nhiệt đối lưu) không đáp ứng được do nhiệt độ cao làm biến tính protein, thủy phân chất béo và phá hủy vitamin, enzyme nhạy cảm nhiệt. Kỹ thuật sấy thăng hoa (sấy đông khô) là giải pháp tối ưu nhờ thực hiện tách ẩm trong môi trường áp suất chân không và nhiệt độ thấp, giúp cấu trúc sản phẩm xốp, khả năng hoàn nguyên cao và giữ nguyên màu sắc, hương vị cùng hàm lượng dinh dưỡng.
Mặc dù có nhiều ưu điểm, rào cản lớn nhất của công nghệ sấy thăng hoa tại Việt Nam là chi phí thiết bị nhập ngoại rất đắt đỏ (máy Epsilon 2-40D của Đức có giá khoảng 320.000 USD ~ 6,7 tỷ VNĐ; máy Ultra 35 Super ES của Mỹ khoảng 280.000 USD ~ 5,1 tỷ VNĐ; máy FD-JP-01 của Nhật Bản khoảng 1,4 triệu USD ~ 30 tỷ VNĐ). Nhằm chủ động công nghệ, giảm chi phí đầu tư và hỗ trợ doanh nghiệp chế biến nông sản thực phẩm trong nước, nhóm tác giả đã thực hiện đề tài tốt nghiệp: "Nghiên cứu - tính toán - thiết kế - chế tạo hệ thống sấy thăng hoa DS-12 với năng suất 10,45 kg nguyên liệu sữa chua chanh dây/mẻ" tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Tấn Dũng.
Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu cụ thể bao gồm:
- Tổng quan cơ sở khoa học về công nghệ sấy thăng hoa và nguyên liệu sữa chua chanh dây.
- Xác định các thông số nhiệt vật lý và công nghệ phục vụ tính toán.
- Tính toán thiết kế các cụm thiết bị chính (buồng thăng hoa, hệ thống lạnh hai cấp nén, thiết bị ngưng tụ - đóng băng, hệ thống hút chân không) dựa trên phương trình cân bằng vật chất và năng lượng.
- Lập bản vẽ và chế tạo hoàn thiện thiết bị cơ khí.
- Thiết kế hệ thống đo lường, mạch động lực và điều khiển tự động tích hợp công nghệ IoT.
- Vận hành thử nghiệm, hiệu chỉnh và khảo nghiệm sấy mẫu thực tế để đánh giá chất lượng sản phẩm.
- Đánh giá tính kinh tế của hệ thống máy và sản phẩm sau sấy.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa nhiệt độ thấp DS-12 và nguyên liệu sữa chua chanh dây.
- Phạm vi nghiên cứu: Tính toán, thiết kế và chế tạo thực tế hệ thống sấy DS-12 với năng suất 10,45 kg nguyên liệu/mẻ; thực hiện thử nghiệm và hiệu chỉnh tại TP.HCM (hoàn thành tháng 08/2022).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý thuyết
Quá trình sấy thăng hoa dựa trên giản đồ biến đổi pha của nước ($P-T$). Điều kiện tiên quyết để ẩm đóng băng trong sản phẩm thăng hoa trực tiếp thành hơi (không qua pha lỏng) là môi trường sấy phải duy trì ở áp suất và nhiệt độ thấp hơn điểm ba thể của nước $O$ ($0,0098^\circ\text{C}$; $4,58\text{ mmHg}$), cụ thể là dưới điểm kết tinh $O'(T_{kt}; 4,58\text{ mmHg})$.
Quá trình sấy thăng hoa gồm 3 giai đoạn chính:
- Giai đoạn làm lạnh đông: Hạ nhiệt độ sản phẩm từ $20 \div 25^\circ\text{C}$ xuống $-35 \div -30^\circ\text{C}$ ở áp suất khí quyển để ẩm tự do đóng băng hoàn toàn thành tinh thể đá.
- Giai đoạn sấy thăng hoa (sấy đẳng tốc): Bơm chân không hạ áp suất buồng sấy xuống $0,001 \div 1\text{ mmHg}$. Cấp nhiệt bức xạ từ các tấm kim loại ($0 \div 45^\circ\text{C}$) để bù vào nhiệt ẩn thăng hoa, độ ẩm giảm nhanh tuyến tính trong khi nhiệt độ sản phẩm giữ ở mức thấp (dưới $T_{kt}$).
- Giai đoạn sấy chân không (tách ẩm liên kết): Khi ẩm đóng băng thăng hoa hết, nhiệt độ sản phẩm tăng dần lên trên $T_{kt}$. Ẩm hấp phụ còn lại được bốc hơi trong môi trường chân không để đạt độ ẩm cân bằng cuối cùng ($2% \div 6%$).
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tính toán và thiết kế: Ứng dụng các định luật truyền nhiệt, truyền khối, phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng; tra cứu đồ thị $I-d$ và bảng nhiệt động môi chất lạnh R22, tính toán kiểm tra độ bền cơ học thân vỏ buồng sấy chịu áp suất chân không.
- Phương pháp gia công cơ khí: Sử dụng các nguyên công gia công cắt gọt (tiện, phay, bào), gia công biến dạng (dập, ép, uốn), công nghệ hàn (hàn điện, hàn hơi gió đá), gia công nguội và lắp ráp cơ cấu.
- Phương pháp đo lường và tự động hóa: Thiết kế card giao tiếp máy tính, mạch in, mạch động lực và lập trình điều khiển tự động nhiệt độ, áp suất tích hợp IoT.
- Phương pháp thực nghiệm: Thực hiện sấy mẫu sữa chua chanh dây thực tế trên mô hình DS-12; đo đạc độ ẩm, kiểm tra biến đổi vật lý, cảm quan và tổn thất vi chất (yêu cầu độ tổn thất vitamin và chất khô không vượt quá $3%$).
Thiết kế và triển khai
Hệ thống sấy thăng hoa DS-12 được tính toán, thiết kế và chế tạo với các thông số kỹ thuật và cấu hình thiết bị chi tiết:
Thông số tính toán thiết kế ban đầu
- Năng suất sấy: $10,45\text{ kg nguyên liệu/mẻ}$
- Độ ẩm ban đầu của sữa chua: $W_1 = 86%$
- Độ ẩm sản phẩm yêu cầu sau sấy: $W_2 = 5%$
- Khối lượng riêng nguyên liệu: $\rho = 1045\text{ kg/m}^3$
- Nhiệt độ sấy cài đặt: $30^\circ\text{C}$; Thời gian sấy tính toán: $34\text{ giờ}$
- Áp suất thăng hoa trong buồng: $0,05\text{ mmHg}$
- Thông số không khí môi trường (TP.HCM): $t = 30^\circ\text{C}$; $\varphi = 74%$; $t_r = 25^\circ\text{C}$; $t_ư = 23^\circ\text{C}$; $d = 0,0202\text{ kg/kg}{kk}$; $h = 81,76\text{ kJ/kg}{kkk}$.
Cấu tạo và quy cách các cụm thiết bị
| Cụm thiết bị | Đặc tính kỹ thuật và kích thước chế tạo |
|---|---|
| Buồng thăng hoa | Dạng hình hộp chữ nhật, kích thước $532\text{ mm} \times 442\text{ mm} \times 600\text{ mm}$. Cấu tạo 3 lớp: Vách trong Inox SUS304 dày 4 mm, lớp cách nhiệt polyurethane foam dày 80 mm, vỏ ngoài Inox 201 dày 2 mm; gia cường bằng 6 gân chịu lực Inox 201. |
| Hệ thống giá & khay sấy | Gồm 5 tấm truyền nhiệt và 10 khay sấy chứa nguyên liệu. |
| Hệ thống cấp nhiệt | Sử dụng điện trở tấm; gồm 5 tấm tạo nhiệt, mỗi tấm bố trí 4 tấm điện trở (công suất $120\text{ W}$/tấm). |
| Thiết bị ngưng tụ - đóng băng | Dạng hình trụ, đường kính $D = 0,2\text{ m}$, chiều dài $L = 0,41\text{ m}$, bên trong bố trí 27 ống đồng trao đổi nhiệt để đóng băng và giữ ẩm thăng hoa. |
| Hệ thống lạnh | Chu trình lạnh 2 cấp nén sử dụng môi chất R22, có bình trung gian ống xoắn làm mát hoàn toàn và 2 lần tiết lưu. Máy nén lạnh công suất $1/2\text{ HP}$; dàn nóng giải nhiệt công suất $1/4\text{ HP}$. |
| Hệ thống chân không | Bơm hút chân không chuyên dụng (loại bơm 8CFM HBS RS-4-R32 / công suất 1 HP). |
| Hệ thống điều khiển | Card giao tiếp máy tính, mạch in điều khiển mạch động lực, hệ thống cảm biến nhiệt độ - áp suất, bộ điều khiển tự động đóng ngắt thanh nhiệt và tích hợp module IoT giám sát từ xa. |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về sấy thăng hoa, bao gồm nguyên lý cân bằng pha lỏng - rắn - khí của nước trên đồ thị $P-T$, bản chất cơ chế thăng hoa của nước đá và các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp (nhiệt độ môi trường sấy $T_\infty$, nhiệt độ giá truyền nhiệt $T_{shelf}$, áp suất thăng hoa $P_{th}$, độ dày sản phẩm). Chương này phân tích các biến đổi vật lý, hóa lý, sinh hóa (phản ứng Maillard, oxy hóa vitamin C, biến tính protein, enzyme) trong quá trình sấy. Ngoài ra, tác giả phân loại các hệ thống sấy thăng hoa (cấp đông riêng, tự cấp đông, sấy liên tục), tổng thuật lịch sử phát triển thế giới và quá trình nghiên cứu phát triển các phiên bản máy sấy DS-1 đến DS-11 của PGS.TS. Nguyễn Tấn Dũng tại Việt Nam.
Chương 2. Phương pháp nghiên cứu, tính toán và chế tạo
Nội dung chương 2 trình bày quy hoạch mặt bằng phân xưởng sản xuất và lắp đặt thiết bị tại Khu công nghiệp AMATA Đồng Nai. Tác giả thiết lập sơ đồ nghiên cứu, phương pháp tính toán cân bằng nhiệt và chất, phương pháp kiểm tra tính bền cơ học. Bên cạnh đó, chương này mô tả chi tiết quy trình gia công cơ khí các chi tiết máy: phương pháp tiện, phay, bào, dập - ép, uốn, quy trình hàn hồ quang điện, hàn hơi gió đá và kỹ thuật lắp ghép, làm kín chân không cho hệ thống.
Chương 3. Tính toán và thiết kế hệ thống sấy thăng hoa DS-12
Chương 3 tập trung toàn bộ các bước tính toán công nghệ cốt lõi:
- Tính phụ tải lạnh cho quá trình làm lạnh đông sản phẩm và phụ tải cho bình ngưng tụ - đóng băng ẩm.
- Tính toán chu trình nhiệt động 2 cấp nén môi chất R22; lựa chọn công suất máy nén lạnh, diện tích trao đổi nhiệt dàn ngưng tụ, dàn bay hơi và bình trung gian có ống xoắn.
- Tính toán lựa chọn van tiết lưu, kích thước đường ống dẫn gas.
- Thiết kế hình học buồng thăng hoa, bình ngưng ẩm 27 ống đồng, lưu lượng và công suất bơm hút chân không, xác định thời gian xả băng.
- Kiểm tra độ bền chịu nén, tính ổn định và độ dày vách buồng sấy bằng thép không gỉ.
Chương 4. Bản vẽ thiết kế và chế tạo hệ thống sấy
Trình bày tập hợp các bản vẽ kỹ thuật 2D/3D chi tiết: bản vẽ kết cấu buồng thăng hoa, vỏ cách nhiệt 3 lớp, khung đỡ, cụm thiết bị ngưng tụ - đóng băng, sơ đồ bố trí khay sấy và hệ thống đường ống kết nối hệ thống lạnh - chân không.
Chương 5. Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển
Nêu rõ các yêu cầu công nghệ đối với hệ thống tự động hóa quá trình sấy thăng hoa. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển; thiết kế card giao tiếp máy tính, mạch in (PCB), tích hợp các cảm biến đo lường và module IoT nhằm thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển chu trình gia nhiệt tự động theo thời gian thực.
Chương 6. Thử nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá chất lượng hệ thống sấy qua sản phẩm
Bố trí các thí nghiệm sấy thực nghiệm sữa chua chanh dây trên hệ thống DS-12 chế tạo được:
- Khảo sát quan hệ giữa độ ẩm ($y_1$) và hàm lượng dưỡng chất/cảm quan ($y_2$) theo nhiệt độ sấy ($x_1$) và thời gian sấy ($x_2$) ở các mức $36\text{ giờ}$, $34\text{ giờ}$, $32\text{ giờ}$ và nhiệt độ từ $30^\circ\text{C} \div 31^\circ\text{C}$.
- Tiến hành hiệu chỉnh các thông số áp suất, lưu lượng tiết lưu và thuật toán đóng ngắt điện trở nhiệt.
- Đánh giá chất lượng thành phẩm đạt độ ẩm $\le 5%$, giữ được cấu trúc xốp, không nứt vỡ, không biến dạng, màu sắc và hương vị chanh dây đặc trưng.
Chương 7. Tính kinh tế
Tính toán chi tiết chi phí vật tư, linh kiện cơ khí, thiết bị lạnh, hệ thống điện tử điều khiển và chi phí gia công chế tạo mô hình DS-12. Phân tích giá thành vận hành trên từng mẻ sấy $10,45\text{ kg}$ nguyên liệu để chứng minh tính khả thi kinh tế của hệ thống tự chế tạo trong nước so với thiết bị ngoại nhập.
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật đạt được
- Chế tạo hoàn chỉnh hệ thống sấy thăng hoa DS-12: Thiết bị vận hành ổn định ở áp suất chân không $0,05\text{ mmHg}$, buồng sấy kích thước $532 \times 442 \times 600\text{ mm}$ với vách inox 3 lớp cách nhiệt polyurethane foam $80\text{ mm}$ đảm bảo độ bền và giữ nhiệt tốt.
- Khả năng làm việc của hệ thống lạnh và ngưng ẩm: Cụm ngưng tụ đóng băng dạng ống chùm (27 ống đồng) thu hồi ẩm hiệu quả; chu trình lạnh 2 cấp nén R22 duy trì nhiệt độ âm sâu phục vụ tốt cho cả quá trình hóa đá và ngưng tụ ẩm.
- Chất lượng sản phẩm sấy thực nghiệm: Mẫu sữa chua chanh dây sau sấy đạt độ ẩm cuối $5%$ (từ độ ẩm ban đầu $86%$), sản phẩm giữ được độ xốp tự nhiên, màu sắc tươi, hương vị đặc trưng, không bị co rút hay cứng vỏ, tỷ lệ tổn thất chất khô và vitamin nằm trong ngưỡng tiêu chuẩn cho phép ($< 3%$).
- Tự động hóa bằng IoT: Tích hợp thành công card điều khiển và hệ thống giám sát IoT, giúp tự động ngắt/mở nguồn nhiệt điện trở, tiết kiệm điện năng tiêu thụ và hỗ trợ người vận hành theo dõi quá trình sấy từ xa.
Đóng góp thực tiễn của đề tài
- Hoàn thiện quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo thiết bị sấy thăng hoa năng suất nhỏ ($10,45\text{ kg/mẻ}$), mở rộng chuỗi các phiên bản máy sấy DS phát triển tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
- Cung cấp giải pháp công nghệ chế tạo máy trong nước với chi phí thấp hơn từ $1/7 \div 1/3$ so với nhập khẩu từ Mỹ, Đức, Nhật Bản, tạo điều kiện thuận lợi cho các cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp vừa và nhỏ tiếp cận công nghệ sấy cao cấp.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế
- Thời gian một mẻ sấy còn tương đối dài (dao động từ $32 \div 36\text{ giờ}$), dẫn đến tổng chi phí tiêu thụ năng lượng trên một đơn vị khối lượng sản phẩm còn cao.
- Đây là lần đầu tiên nhóm sinh viên trực tiếp thiết kế, gia công và lắp ráp hoàn chỉnh một hệ thống tích hợp đa ngành (nhiệt - lạnh, chân không, cơ khí chính xác, điều khiển IoT) nên kinh nghiệm thực tế còn hạn chế, hệ thống cần tiếp tục tinh chỉnh để tối ưu hóa không gian bố trí.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cấp nhiệt bức xạ và chu trình xả băng nhằm rút ngắn hơn nữa tổng thời gian sấy một mẻ.
- Nâng cấp thuật toán điều khiển tự động thích nghi và hoàn thiện ứng dụng IoT để quản lý dữ liệu vận hành trên nền tảng đám mây.
- Mở rộng thử nghiệm sấy thăng hoa trên nhiều đối tượng nguyên liệu nông sản và dược liệu có giá trị kinh tế cao khác.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo giá trị đối với:
- Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Thực phẩm: Tham khảo quy trình công nghệ sấy thăng hoa các sản phẩm từ sữa và nông sản nhiệt đới; nắm bắt các biến đổi hóa sinh, vật lý của thực phẩm trong môi trường áp suất thấp.
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh và Cơ khí Chế tạo: Tham khảo phương pháp tính toán chu trình lạnh 2 cấp nén, thiết kế bình trung gian có ống xoắn, dàn bay hơi/dàn ngưng và phương pháp tính bền buồng chân không chịu áp suất ngoài.
- Kỹ sư Tự động hóa và Cơ điện tử: Tham khảo thiết kế mạch động lực, card giao tiếp máy tính và ứng dụng IoT trong điều khiển giám sát quy trình công nghệ sấy nhiệt độ thấp.
Câu hỏi thường gặp
1. Mục tiêu công suất và thông số công nghệ đầu vào của hệ thống DS-12 là gì?
Hệ thống DS-12 được thiết kế với năng suất $10,45\text{ kg}$ nguyên liệu sữa chua chanh dây/mẻ. Độ ẩm nguyên liệu ban đầu là $86%$, độ ẩm yêu cầu sau sấy là $5%$, khối lượng riêng sữa chua là $1045\text{ kg/m}^3$, nhiệt độ sấy cài đặt $30^\circ\text{C}$, áp suất làm việc trong buồng thăng hoa đạt $0,05\text{ mmHg}$.
2. Buồng thăng hoa DS-12 được thiết kế với kết cấu và vật liệu như thế nào?
Buồng thăng hoa có dạng hình hộp chữ nhật với kích thước $532\text{ mm} \times 442\text{ mm} \times 600\text{ mm}$. Thân buồng gồm 3 lớp: vách trong tiếp xúc trực tiếp là Inox SUS304 dày 4 mm, lớp giữa là vật liệu cách nhiệt Polyurethane foam dày 80 mm, vỏ ngoài là Inox 201 dày 2 mm. Toàn bộ kết cấu được gia cố bằng 6 gân chịu lực bằng Inox 201 để đảm bảo độ bền chân không.
3. Cụm thiết bị lạnh và ngưng tụ - đóng băng trên máy DS-12 sử dụng giải pháp kỹ thuật nào?
Hệ thống lạnh sử dụng chu trình 2 cấp nén với môi chất R22, trang bị máy nén lạnh công suất $1/2\text{ HP}$, bình trung gian có ống xoắn làm mát hoàn toàn và 2 lần tiết lưu, kết hợp dàn nóng $1/4\text{ HP}$. Thiết bị ngưng tụ - đóng băng ẩm dạng hình trụ ($D = 0,2\text{ m}$; $L = 0,41\text{ m}$) chứa chùm 27 ống đồng để đóng băng lượng hơi nước thoát ra từ sản phẩm trước khi vào bơm chân không.
4. Kết quả sấy thực nghiệm sữa chua chanh dây trên hệ thống đạt yêu cầu gì?
Sản phẩm sau sấy đạt độ ẩm $\le 5%$, cấu trúc xốp, không bị nứt vỡ hay co ngót bề mặt, giữ nguyên màu sắc, mùi vị đặc trưng của sữa chua và chanh dây, mức độ tổn thất chất khô và vitamin không vượt quá giới hạn $3%$.
5. Hệ thống điều khiển và tự động hóa của máy DS-12 có điểm gì nổi bật?
Thiết bị kết hợp điều khiển bằng tay và tự động; sử dụng card giao tiếp máy tính, mạch in điều khiển mạch động lực và các cảm biến nhiệt độ - áp suất chính xác. Hệ thống có khả năng tự động đóng/ngắt các tấm gia nhiệt điện trở theo nhiệt độ cài đặt và tích hợp công nghệ IoT cho phép giám sát thông số từ xa.
Kết luận
Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo thực nghiệm hệ thống sấy thăng hoa DS-12 với năng suất $10,45\text{ kg}$ sữa chua chanh dây/mẻ. Kết quả vận hành chứng minh hệ thống làm việc ổn định, kiểm soát chính xác áp suất chân không ($0,05\text{ mmHg}$) và chế độ nhiệt, tạo ra sản phẩm sữa chua chanh dây thăng hoa đạt chất lượng cao về cảm quan và độ ẩm ($5%$). Công trình khẳng định tính khả thi trong việc làm chủ công nghệ và chế tạo thiết bị sấy thăng hoa tích hợp IoT tại Việt Nam với chi phí cạnh tranh, mở ra hướng ứng dụng thiết thực trong bảo quản và nâng cao giá trị nông sản thực phẩm.