Đặt vấn đề Việt Nam là một quốc gia có khí hậu đặc trưng là nhiệt đới gió mùa, cùng với nhiệt độ và độ ẩm không khí cao. Kiểu khí hậu này rất thích hợp cho việc trồng trọt và phát triển các mặt hàng nông sản, đặc biệt là các loại trái cây. Trái cây từ lâu đã là một trong những nguồn cung cấp chất dinh dưỡng quan trọng cho con người, giàu carbohydrate, vitamin (đặc biệt là vitamin C), khoáng chất và chất xơ (Slavin & Lloyd, 2012). Trong đó thanh long là một loại trái cây phổ biến, được trồng và xuất khẩu hàng đầu của nước ta.
Cây thanh long là một loại cây không kén đất, có thể trồng trên nhiều loại đất như đất xám bạc màu (Bình Thuận), đất phèn (TP. Hồ Chí Minh), đất đỏ (Đồng Nai), đất thịt hoặc thịt pha cát (Tiền Giang, Long An). Thanh long là một loại quả có hàm lượng calo thấp nhưng chứa nhiều vitamin và khoáng chất cần thiết, bên cạnh đó cũng chứa một lượng chất xơ đáng kể. Chính vì vậy, thanh long là một loại trái cây mang lại rất nhiều lợi ích cho sức khỏe.
Nhờ hàm lượng dinh dưỡng cao thanh long có một vài lợi ích cho sức khỏe như tăng cường hệ miễn dịch, giúp đường ruột khỏe mạnh, cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể. Thanh long là mặt hàng trái cây xuất khẩu chủ lực và thường nằm trong nhóm "sản phẩm xuất khẩu tỷ đô" của Việt Nam trong những năm qua. Trái thanh long hiện đang gặp khó trong tiêu thụ khi dịch Covid-19 bùng phát lần thứ tư, cùng với đó là áp lực cạnh tranh gia tăng khi nhiều nước đẩy mạnh phát triển sản phẩm này. Thị trường xuất khẩu chính của thanh long Việt Nam là Trung Quốc (chiếm hơn 80%), Thái Lan, Indonesia.
Bên cạnh đó, thanh long Việt Nam cũng đã được xuất khẩu sang nhiều nước khác như: Ấn Độ, Australia, Nhật Bản, Liên minh châu Âu và Chile. Tuy nhiên, những năm gần đây, thanh long Việt Nam đang chịu sự cạnh tranh ngày càng tăng lên với một số nguồn cung khác từ Thái Lan, Malaysia. Cùng với đó, trong bối cảnh hiện nay, một số tỉnh trồng thanh long ở khu vực Nam Trung Bộ và Nam Bộ đang chịu tác động tiêu cực bởi dịch Covid-19 khiến hoạt động sản xuất, thu hoạch, tiêu thụ gặp khó. Thị trường xuất khẩu chủ lực thanh long là Trung Quốc nhưng phía nước bạn đang siết chặt kiểm dịch đối với nhiều mặt hàng, trong đó có thanh long và đóng cửa biên giới tại một vài cửa khẩu trong thời gian nhất định.
Mặt khác, các hoạt động vận chuyển có chi phí tăng cao đột biến cũng chồng chất thêm những bất cập cho quả thanh long xuất khẩu (Minh Đức, 2021). Vì vậy, nền Công nghiệp Thực phẩm nước nhà luôn cần phải nghiên cứu và phát triển các phương pháp bảo quản và chế biến các loại trái cây nông sản thành những sản phẩm có thời gian bảo quản dài và vẫn giữ được giá trị cảm quan của sản phẩm, từ đó giúp gia tăng giá trị sản phẩm đồng thời góp phần giải quyết tình trạng dư thừa trái cây nông sản. Chính vì điều đó, trên thị trường hiện nay có rất nhiều dòng sản phẩm được chế biến từ các loại trái cây, trong đó có các sản phẩm nước ép trái cây cô đặc. Công nghệ cô đặc được áp 1 dụng vào việc chế biến nước ép trái cây sẽ giúp kéo dài thời gian bảo quản, tăng tính tiện lợi giảm thiểu chi phí cho đóng gói, vận chuyển và bảo quản, đồng thời cải thiện độ ổn định, tăng mức độ đa dạng hoá sản phẩm nói chung và đối với thị trường nước ép trái cây cả trong và ngoài nước nói riêng (Lê Văn Việt Mẫn et al.
Hiện nay có nhiều phương pháp cô đặc được sử dụng trong sản xuất, chế biến thực phẩm, trong đó có phương pháp CĐL. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại đã khiến yêu cầu của người tiêu dùng ngày càng khắt khe, đòi hỏi một sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng cả về dinh dưỡng và cảm quan. Chính vì vậy CĐL đặc biệt phù hợp với việc cô đặc một số sản phẩm, chẳng hạn như nước trái cây, chiết xuất cà phê và trà, và chiết xuất hương thơm. Quá trình này dựa trên sự phân tách pha rắn ở nhiệt độ thấp để có thể lưu giữ tốt hương vị và các thành phần nhạy cảm với nhiệt.
Do đó, phương pháp CĐL được đem xét và đánh giá phù hợp và tối ưu nhất để đáp ứng các nhu cầu cảm quan cũng như dinh dưỡng của nước ép trái cây cô đặc (Heldman, 2003). Với ý tưởng và mong muốn hiện thực hóa, dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Tấn Dũng, ThS. Đỗ Thùy Khánh Linh, KS.
Lê Văn Hoàng, Th.S Lê Thanh Phong cùng một số cộng sự cơ khí khác chúng tôi đã tính toán, thiết kế và chế tạo thành công hệ thống thiết bị CĐL nước ép trái cây 2021. Thiết bị được vận hành bằng hệ thống điều khiển tự động, công nghệ hiện đại điều khiển và kiểm soát các yếu tố nhiệt độ đông đặc của các thành phần trong dung dịch một cách chặt chẽ đã tạo ra các sản phẩm nước trái cây CĐL như mong đợi. Từ những lập luận và lợi ích trên, với mong muốn tạo những sản phẩm thực phẩm chất lượng cao, giàu dinh dưỡng và giải quyết đầu ra cho nhiều loại nông sản trái cây của Việt Nam nói chung, thanh long nói riêng. Chúng tôi đã thực hiện đề tài: “NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CÔ ĐẶC LẠNH NĂNG SUẤT 5 LÍT/MẺ NGUYÊN LIỆU NƯỚC ÉP THANH LONG” nhằm mục đích giữ được chất dinh dưỡng sản phẩm, từ đó tạo ra sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, làm tăng hiệu quả kinh tế cho các sản phẩm nông nghiệp Việt Nam, góp phần phát triển nền nông nghiệp nước nhà.
Mục tiêu đề tài Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống CĐL năng suất 5 lít/mẻ nguyên liệu nước ép thanh long. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của đề tài Giới hạn nghiên cứu - Hệ thống CĐL với năng suất 5 lít/mẻ nguyên liệu nước ép thanh long. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu và tính toán thiết bị CĐL năng suất 5 lít/mẻ. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về nguyên liệu và công nghệ CĐL.
- Xác định các thông số công nghệ cần thiết cho tính toán thiết kế và sơ đồ nguyên lý hệ thống CĐL 5 lít/mẻ. - Tính toán, thiết kế hệ thống CĐL năng suất 5 lít/mẻ. - Chế tạo hệ thống CĐL bằng các phương pháp cơ khí. - Thiết kế, lắp đặt hệ thống tự động điều khiển.
- Khảo nghiệm hệ thống CĐL để xác lập tính hiệu quả và chế độ thích hợp để vận hành thiết bị. - Xây dựng quy trình CĐL cho nước ép trái cây. - Tính toán kinh tế cho quá trình CĐL. - Kết luận và kiến nghị.
Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tham khảo tài liệu. - Phương pháp phân tích tổng hợp. - Phương pháp khảo sát và thực nghiệm. Xác định các yếu tố ảnh hưởng và tìm ra chế độ phù hợp vận hành máy.
- Phương pháp tính toán, thiết kế kết hợp sử dụng kiến thức chuyên môn để tính toán, thiết kế hệ thống CĐL. - Phương pháp chế tạo: các phương pháp chế tạo để gia công như: tiện, phay, hàn, bào, uốn, dập, … 6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học - Đề tài này làm cơ sở khoa học cho việc tính toán thiết kế chế tạo hệ thống CĐL. - Đề tài này cho phép khảo nghiệm trên hệ thống CĐL để xác định thông số công nghệ làm cơ sở khoa học cho việc xác lập chế độ công nghệ phù hợp cho từng loại nước ép trái cây cũng như hiệu quả của thiết bị mang lại cho sản phẩm.
Ý nghĩa thực tiễn - Đề tài này đã tính toán thiết kế chế tạo hệ thống CĐL nhằm ứng dụng vào thực tế sản xuất, giúp đa dạng hóa sản phẩm, tiết kiệm nguồn nguyên liệu trái cây nông sản dư thừa. Công nghệ còn khá mới mẻ ở Việt Nam có thể thay thế các công nghệ ngoại nhập, giảm giá thành, chi phí đầu tư thiết bị cho các dây chuyền sản xuất sản phẩm cô đặc, góp phần phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật đất nước. Bố cục 3 Đề tài được trình bày cụ thể trong 6 chương, ngoài ra còn có mở đầu, kết luận – kiến nghị, mục lục, danh sách hình, danh sách bảng, ký hiệu và chữ viết tắt, tài liệu tham khảo. Chương 1: Tổng quan Chương 2: Phương pháp nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo Chương 3: Tính toán thiết kế và chế tạo Chương 4: Thiết kế hệ thống tự động điều khiển Chương 5: Vận hành thử nghiệm và hiệu chỉnh Chương 6: Tính kinh tế 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.
Tổng quan về cô đặc Cô đặc là quá trình loại bỏ một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ và áp suất tương ứng (Nguyễn Tấn Dũng, 2015). Trong ngành công nghệ hóa học và thực phẩm cô đặc được sử dụng rất phổ biến với mục đích (Nguyễn Tấn Dũng, 2015): - Làm tăng nồng độ chất tan. - Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh). - Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước).
Tùy theo tính chất cấu tử khó bay hơi hay không bay hơi trong quá trình cô đặc, mà ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt hoặc sử dụng phương pháp làm lạnh kết tinh (Phạm Văn Bôn, 2010). Với phương pháp nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng), dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của chúng bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng dung dịch (tức khi dung dịch sôi). Để cô đặc những dung dịch không chịu được nhiệt độ cao (dễ biến đổi bởi nhiệt) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp, hay thường là ở chân không (Nguyễn Tấn Dũng, 2015). Với phương pháp làm lạnh kết tinh, khi hạ nhiệt độ dung dịch thấp đến mức độ yêu cầu nào đó thì một cấu tử sẽ được tách ra dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết - thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan (trước khi xảy ra sự kết tinh tại điểm eutectic).