Đồ án: Thiết kế hệ thống sấy bơm nhiệt nấm linh chi 100kg/mẻ - ĐH Bách Khoa HN

Đồ án thiết kế hệ thống sấy bơm nhiệt nấm linh chi năng suất 100kg/mẻ. Bao gồm tính toán cân bằng vật liệu, năng lượng, bản vẽ và sơ đồ chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Thị Trang
• Người hướng dẫn: Th. Phạm Thanh Hương
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật thực phẩm
• Đề tài: Thiết kế hệ thống buồng sấy bơm nhiệt sấy nấm linh chi năng suất nhập liệu 100kg/mẻ
• Loại tài liệu: Đồ án chuyên ngành
• Năm xuất bản: K62
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nấm linh chi và quy trình sấy

Nấm linh chi (Ganoderma Lucidum Karst) là một loài nấm quý hiếm được sử dụng trong y học cổ truyền Trung Quốc hàng nghìn năm. Thiết kế máy sấy bơm nhiệt nấm linh chi 100kg/mẻ là giải pháp hiện đại để bảo tồn các dưỡng chất quý giá trong nấm. Nấm linh chi chứa các thành phần dinh dưỡng cao như polysaccharide, protein, vitamin và khoáng chất, có công dụng hỗ trợ miễn dịch, chống ung thư và cải thiện sức khỏe tổng thể. Quy trình sấy truyền thống thường gây mất mát dinh dưỡng, trong khi bơm nhiệt là phương pháp sấy tiên tiến giúp kiểm soát nhiệt độ chính xác, bảo tồn tối đa các dưỡng chất và chất lượng sản phẩm cuối cùng.

1.1. Đặc điểm và thành phần nấm linh chi

Nấm linh chi đỏ được phân loại theo các tiêu chí khác nhau, với các giống chính như Ganoderma Lucidum và Ganoderma Applanatum. Thành phần của nấm linh chi bao gồm polysaccharide (30-50%), protein, axit béo, vitamin nhóm B, kali, selen và các chất chống oxy hóa. Những thành phần này giúp tăng cường hệ miễn dịch, cải thiện giấc ngủ, giảm căng thẳng và hỗ trợ điều trị nhiều bệnh mãn tính.

1.2. Lợi ích của phương pháp sấy bơm nhiệt

Máy sấy bơm nhiệt sử dụng chu trình làm lạnh ngược chiều để trích xuất nhiệt từ không khí để sấy nấm. So với sấy truyền thống, bơm nhiệt sấy nấm linh chi đạt hiệu suất năng lượng cao hơn 300-400%, kiểm soát nhiệt độ trong khoảng 40-60°C tối ưu. Phương pháp này giữ nguyên màu sắc tự nhiên, hương vị và tính sinh học hoạt động của nấm, đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng quốc tế.

II. Cân bằng vật liệu và tính toán thiết kế buồng sấy

Thiết kế hệ thống buồng sấy bơm nhiệt với năng suất 100kg/mẻ đòi hỏi cân bằng vật liệu chính xác. Quá trình sấy bao gồm các giai đoạn: làm khô bề mặt nấm, khuếch tán nước từ bên trong ra ngoài và ổn định độ ẩm cuối cùng. Cân bằng vật chất tính toán lượng nước mà không khí loại bỏ từ nấm, với nội dung ẩm ban đầu từ 80-85% xuống còn 12-15% ẩm độ cuối cùng. Các tính toán này xác định lưu lượng khí, nhiệt độ không khí cần thiết và thời gian sấy khoảng 18-24 giờ tùy điều kiện môi trường và kích thước nấm.

2.1. Lựa chọn thông số ban đầu và vật liệu sấy

Các thông số ban đầu cho thiết kế máy sấy 100kg/mẻ bao gồm: nhiệt độ không khí ngoài (20-30°C), độ ẩm tương đối ngoài (60-80%), nội dung ẩm nấm tươi (80-85%), nội dung ẩm nấm khô mong muốn (12-15%). Vật liệu sấy là nấm linh chi cắt lát dày 5-10mm hoặc 2-3mm để tối ưu quá trình sấy. Lựa chọn này ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian sấy và chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.2. Tính toán kích thước buồng sấy

Kích thước buồng sấy được tính dựa trên điều kiện lưu thông không khí tối ưu, mật độ nấm trên khay và diện tích bề mặt khay sấy. Buồng sấy phải đủ rộng để lưu thông không khí đều đặn, tránh tạo vùng chết. Với năng suất 100kg/mẻ nấm tươi, buồng sấy thường có kích thước 2m × 1.5m × 1.2m, chứa khoảng 15-20 khay sấy với diện tích hiệu dụng 30-40m².

III. Thiết kế hệ thống bơm nhiệt và các thành phần chính

Hệ thống bơm nhiệt sấy nấm linh chi bao gồm bốn thành phần chính: máy nén, dàn ngưng tụ (dàn nóng), van giãn nở và dàn bay hơi (dàn lạnh). Máy nén nén khí làm lạnh từ trạng thái hơi thấp áp thành khí cao áp, sau đó chảy vào dàn ngưng tụ để tỏa nhiệt. Nhiệt tỏa ra được dùng để gia nóng không khí đến 50-60°C, sau đó không khí nóng vào buồng sấy. Van giãn nở giảm áp khí làm lạnh từ cao xuống thấp, chảy qua dàn bay hơi để hút ẩm từ không khí. Chu trình bơm nhiệt được lặp lại liên tục để duy trì điều kiện sấy ổn định. Lựa chọn môi chất lạnh (thường là R134a hoặc R290) phù hợp với hiệu suất năng lượng cao, an toàn và thân thiện với môi trường.

3.1. Chọn lựa và tính toán môi chất lạnh

Lựa chọn môi chất lạnh là bước quan trọng trong thiết kế bơm nhiệt sấy nấm. Các loại môi chất như R134a, R290, R600a có đặc tính khác nhau về áp suất, hiệu suất nhiệt động, tính độc tính và tác động môi trường. Tính toán chọn loại môi chất dựa trên: hệ số hiệu suất (COP), nhiệt độ tới hạn, cân bằng giữa hiệu suất và an toàn. R134a thường được chọn vì cân bằng tốt giữa hiệu năng và an toàn tuyệt đối.

3.2. Thiết kế dàn ngưng tụ và dàn bay hơi

Dàn ngưng tụ (dàn nóng) là bộ trao đổi nhiệt nơi môi chất lạnh ngưng tụ và tỏa nhiệt cho không khí. Thiết kế dàn ngưng tụ phải đảm bảo diện tích trao đổi nhiệt đủ lớn (20-30m²), thường sử dụng ống đồng xoáy và cánh nhôm. Dàn bay hơi (dàn lạnh) được bố trí trong buồng sấy để làm lạnh không khí đến độ sương và hút ẩm. Cả hai dàn phải được tính toán để đạt trạng thái cân bằng nhiệt tại mỗi điểm hoạt động của chu trình.

IV. Hệ thống điều khiển và tối ưu hóa hiệu năng

Hệ thống điều khiển cho thiết bị sấy bơm nhiệt sử dụng các phương pháp điều khiển khác nhau để duy trì điều kiện sấy ổn định. Chiến lược điều khiển On/Off dừng-chạy đơn giản nhưng không hiệu quả năng lượng. Điều khiển Bypass cho phép bỏ qua phần máy nén khi tải giảm. Điều khiển biến tần (VFD) thay đổi tốc độ máy nén theo nhu cầu thực tế, giảm công suất tiêu thụ 20-30% so với On/Off. Hệ thống cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm tương đối trong buồng sấy, dàn ngưng tụ và dàn bay hơi, gửi dữ liệu đến bộ điều khiển PLC để tự động điều chỉnh hoạt động. Lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp giúp tối ưu hóa chi phí năng lượng cho máy sấy 100kg/mẻ, đạt hiệu suất tối đa.

4.1. Các phương pháp điều khiển máy nén

Điều khiển On/Off là phương pháp đơn giản nhất, máy nén chạy hay dừng dựa trên cảm biến nhiệt độ. Phương pháp này dễ lắp đặt nhưng gây dao động nhiệt độ, tốn năng lượng. Điều khiển Bypass cho phép khí nén quay vòng lại máy nén khi áp suất cao, giảm tải máy nén. Điều khiển biến tần (VFD) là tối ưu nhất, thay đổi tần số điện cấp máy nén để điều chỉnh tốc độ, duy trì điều kiện ổn định với năng lượng tối thiểu, phù hợp cho sấy bơm nhiệt nấm linh chi 100kg/mẻ.

4.2. Thiết kế sơ đồ công nghệ và tối ưu hóa năng lượng

Sơ đồ công nghệ sấy bơm nhiệt bao gồm các thành phần: máy nén, dàn ngưng tụ, van giãn nở, dàn bay hơi, quạt lưu thông không khí, ống dẫn, van tiết lưu và hệ thống điều khiển. Mỗi thành phần được thiết kế để giảm tổn thất ma sát, tổn thất cục bộ và tổn thất nhiệt. Tối ưu hóa hiệu suất năng lượng thông qua chọn quạt có lưu lượng, áp suất phù hợp, cách nhiệt buồng sấy tốt, và điều khiển thông minh, giúp giảm chi phí vận hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về “Nấm linh chi” 1. Tổng quan về nấm linh chi Từ điển thảo dược Botanical Latin của nhà thảo dược học vĩ đại người Anh William Thomas Stearn xuất bản năm 1966 xếp nấm Linh chi được vào vị trí phân loại thuộc chi Ganoderma. Ganoderma là từ ghép trong tiếng Latin bao gồm hai thành tố có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp là “Ganos” có nghĩa là sáng, bóng và “Derma” có nghĩa là lớp da.

Vì thế, những giống nấm được xếp vào chi Ganoderma có bề mặt của tai nấm sáng, bóng. Nấm Linh chi thuộc họ Ganodermataceae (Nấm Lim) và được đặt tên khoa học là Ganoderma Lucidum hay Garnoderma Lucidum Karst. Trong đó:  Garnoderma: tên của chi nấm  Lucidum: từ chỉ đặc điểm hình thái của giống nấm với ý nghĩa trong tiếng Latin là sáng rực rỡ, có mùi thơm.  Karst: tên viết tắt nhà khoa học Karsten Peter Aldolf – nhà khoa học – thảo dược học người Phần Lan, người thành lập và đặt tên cho chi nấm Ganoderma vào năm 1881.

Trước đó, chi nấm này có tên là Boletus Lucidus Curtis (1781) và sau đó là Polyporus Lucidus (Curtis) Fr. Nấm linh chi giống Ganoderma Lucidum Karst 7 Hình 2. Nấm linh chi giống Ganoderma applanatum Tuy nhiên, trong tài liệu của Karsten thì chi Ganoderma chỉ có 1 loài là Ganoderma Lucidum, do đó Patouillard (1889) đã sửa đổi và bổ sung Chi Ganoderma của Karsten thành các loài nấm có bào tử sắc tố, dạng ống, bám dính và lớp vỏ cứng. Theo tiêu chí này, đã có thêm 48 loài mới được bổ sung và phân loại theo chi Ganoderma.

Năm 2008, Kirk và cộng sự đã công bố trong từ điển về Nấm (Dictionary of the Fungi (10th ed.) số lượng hơn 80 loài thuộc chi Ganoderma, với phân bố chủ yếu là ở khu vực châu Á. Tuy nhiên, theo rất nhiều nhà nghiên cứu và tìm hiểu về thảo dược, đây chưa phải là con số cập nhật và đầy đủ nhất mà mới chỉ là những loài đã từng được nghiên cứu mà thôi. Họ cho rằng số loài nấm thuộc chi Ganoderma có thể lên đến hơn 200 loài, phân bổ ở tất cả các lục địa trên trái đất, kể cả ở những vùng rừng nhiệt đới xa xôi của Amazon. Chi nấm linh chi (Ganoderma) là các loại nấm thuộc nhóm nấm khung có thân hoặc không có thân, có tai nấm lớn dạng cấu trúc khung gỗ (conk).

Vì thế nhiều nơi gọi đây là nấm gỗ để phân biệt với các loại nấm thân mềm khác. Cũng chính vì đặc điểm này danh y Lí Thời Trân thời nhà Minh xếp nấm linh chi vào nhóm địa y thay vì nhóm nấm. Quả thể (mũ nấm) thường có dạng móng ngựa, dẻ quạt hoặc dạng quả thận. Chúng có lớp bào tử hai vách mầu nâu hoặc vàng.

Nếu chỉ căn cứ và hình thái bên ngoài cũng như các đặc điểm sinh học, chi Nấm Linh chi (Garnoderma) được chia thành hai nhóm lớn là “Cổ Linh chi” (Ganoderma applanatum) và “Linh Chi” (Ganoderma lucidum Karst). Cho dù nằm chung trong một 8 chi, nhưng hai nhóm này có rất nhiều đặc điểm khác biệt cả về hình thái bên ngoài, điều kiện sinh trưởng cũng như dược tính. Hiện nay, trên rất nhiều trang web, người ta rao bán những tai nấm Cổ Linh chi có kích thước lớn với quảng cáo về dược tính, tuy nhiên, trong các nghiên cứu khoa học, chỉ có nhóm Ganoderma Lucidum Karst mới được khẳng định là có dược tính trong khi nhóm Cổ Linh chi được xếp vào nhóm nấm phá gỗ. Một số phương pháp phân loại nấm linh chi 1.

Theo tài liệu của Trung Hoa cổ đại Trong hai tác phẩm nổi tiếng thời cổ đại bàn về thảo mộc của Trung Quốc thời cổ đại là Thần Nông Bản thảo và Bản thảo Cương mục, nấm linh chi được chia thành 6 loại dựa trên mầu sắc của tai nấm là : (Thanh chi – 青芝 ), nấm đỏ (Xích chi – 赤芝), nấm vàng (hoàng chi – 黃 芝), nấm đen (hắc chi – 黑 芝), nấm trắng (bạch chi – 白芝) và nấm tím (tử chi – 紫芝). Cũng theo các tác phẩm này, mỗi mầu sắc của tai nấm sẽ thể hiện công dụng trị liệu của chúng với một, một vài bộ phận trên cơ thể con người. Nấm linh chi mầu trắng được các tác giả cổ đại cho là tốt cho phổi, nấm mầu xanh tốt cho gan và mắt, nấm mầu đen tốt cho não và thận, nấm mầu tím bổ sung năng lượng, nấm mầu đỏ tốt cho gân, cơ, da và tim, nấm mầu vàng tốt cho lá lách và ruột. Các loại nấm linh chi theo sách cổ Trung Hoa 9 Quan điểm này hiện vẫn rất phổ biến tại các quốc gia châu Á như Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn quốc, Việt Nam… 1.

Theo các nghiên cứu hiện đại Tuy nhiên, các nghiên cứu về gen của các loại nấm thuộc chi Ganoderma thì không căn cứ trên hình thái về mầu sắc mà dựa trên trình tự của các DNA. Theo đó, chi Ganoderma được chia thành 6 nhóm đơn ngành khác nhau bao gồm:  Ganoderma colossus: Đây là một loại nấm mới được xếp vào chi ganoderma, trước kia nó được xếp vào chi Tomophagus. Chúng phân bổ chủ yếu ở miền Trung, miền Nam nước Mỹ và châu Phi xích đạo. Loài này có quá ít nghiên cứu về dược tính.

 Ganoderma applanatum: nấm cổ linh chi, một loại nấm phá gỗ.  Ganoderma tsugae (có hình thái bên ngoài tương tự như Asian Ganoderma lucidum, nhưng đây là một loài nấm của châu Âu, không thuộc nhóm Ganoderma của châu Á.  Asian Ganoderma lucidum: mọc phổ biến ở các khu vực nhiệt đới của châu Á, thường được với tên như Lingzhi hay Reishi. Đây cũng chính là loại nấm linh chi được nghiên cứu nhiều nhất và được xác định là có những dược tính tác động đến quá trình trị liệu trong y học.

 Ganoderma meredithiae: đây là một loài khá mới khi lần đầu tiên được ghi nhận vào năm 1988 bởi nhà nghiên cứu về nấm James E. Adaskaveg và các cộng sự. Loài nấm này được xác định là một loại nấm gây thối, mục thân cây chủ mà nó ký sinh. Chúng được tìm thấy phổ biến ở các vùng phía đông nam của Hoa kỳ.

 Ganoderma resinaceum: có hình thái bên ngoài tương tự như Asian Ganoderma lucidum, nhưng thường mọc trên những thân cây lá kim như cây beech – một loại cây lá kim khá phổ biến tại các nước ôn đới như Nga. Đặc điểm nấm linh chi 1. Cổ linh chi (Ganoderma Applanatum) Cổ linh chi có tên khoa học là Ganoderma Applanatum và tên tiếng Anh là Ancient Lingzhi, ở Mỹ còn được gọi với tên Artist’conk. Cổ linh chi là các loài nấm gỗ không cuống (hoặc cuống rất ngắn) có nhiều thụ tầng (mỗi năm thụ tầng lại phát triển thêm một lớp mới chồng lên).

Đây là đặc điểm nhận dạng khá điển hình của loại nấm này.  Mũ nấm cổ Linh chi hình dẻ quạt có mầu nâu xám đến đen sẫm, có bề mặt sù xì, thô ráp.  Chúng thường mọc hoang trong các cánh rừng, đặc biệt ở môi trường thuận lợi như độ ẩm cao, thân cây chủ lớn thì nấm có thể phát triển rất mạnh và đạt được 10 kích thước rất lớn. Kích thước của những tai nấm Cổ Linh chi có thể đạt đến 200 cm, thậm chí có nhiều nơi người ta tìm được những tai nấm có kích thước hơn 1 người ôm.

 Nó cũng có thể phát triển như một mầm bệnh của gỗ cây sống, đặc biệt là trên những thân cây già hoặc gỗ ẩm, mục, quá trình phát triển của nấm và mầm bệnh sẽ tiến triển nhanh hơn.  Đây là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến sự phân huỷ và cái chết của cây sồi, cây dương, và một số loại cây khác như táo, cây dẻ ngựa, cây phong, cây sồi, cây óc chó, cây liễu, cây phong tây, cây thông Douglas, cây ô liu bị bệnh và cả những cây lâu năm như cây vân sam  Vì những lý do như trên, cổ linh chi được xếp vào giống nấm phá hoại, cần được loại bỏ. Linh chi (Ganoderma lucidum Karst) Linh chi có tên khoa học là Ganoderma lucidum Karst. Đây là một loại nấm thân gỗ có cuống (có thể dài hoặc ngắn tuỳ vào từng phân loài và điều kiện nuôi trồng).

Mũ nấm có nhiều hình dạng nhưng phổ biến nhất là hình thận, hình tròn, mặt trên bóng, nấm hơi cứng và dai. Trong cuốn A field guide to mushrooms: North America , nấm linh chi trong tự nhiên thường mọc ở những gốc cây có thảm lá mục dầy và chỉ hai trong số 10.000 gốc cây như thế mới có sự sinh trưởng của nấm linh chi. Hơn thế nữa, giống Ganoderma lucidum rất hiếm khi được tìm thấy ở những rừng cây lá kim – rừng cây phổ biến ở vùng ôn đới. Chúng mọc nhiều trong những vùng rừng nhiệt đới ở phương Đông, nơi có thảm thực vật lá bản và độ ẩm cao.

Ngày nay, do tình trạng khai thác rừng ồ ạt dẫn tới nấm linh chi trong tự nhiên thực sự hiếm, không nói là hầu như không có. Hơn thế nữa, nếu không biết được nguồn gốc cụ thể của loài nấm cũng như môi trường sinh trưởng và điều kiện ký sinh (loại cây, môi trường nước, cũng như các chất hoá học nấm hấp thụ từ cây ký sinh) thì không thể xác định được mức độ an toàn, dược tính của chúng. Vì thế, do áp dụng tiến bộ của khoa học vào canh tác và nuôi cấy nên chúng ta có thể trồng nấm linh chi trên các khúc gỗ cứng, những thanh gỗ vụn hoặc trong bịch nấm làm từ mùn cưa. Theo các nghiên cứu hiện đại thì, mầu sắc, kích thước cũng như hình thái của mũ nấm có thể thay đổi theo điều kiện sinh trưởng.

Nghiên cứu của các nhà khoa học Nhật Bản đăng tải trên tạp chí khoa học quốc tế International journal of medicinal mushrooms, những tai nấm có mầu sắc khác nhau không phải bởi chúng thuộc những loài khác nhau mà chúng chỉ là một loài nhưng có sự biến đổi do môi trường sinh trưởng. Độ ẩm, ánh sáng, chất dinh dưỡng và cả hàm lượng carbon dioxide trong 11 không khí chính là các yếu tố tác động đến sự thay đổi này. Vì vậy, các nhà khoa học khẳng định, chúng ta hoàn toàn có thể thu được 6 mầu sắc khác nhau của cùng một giống nấm linh chi dựa trên sự điều chỉnh về các yếu tố sinh thái và quy trình canh tác. Hơn thế nữa, trong một số điều kiện nuôi trồng đặc biệt, nấm linh chi còn có thể kéo dài chân nấm và thậm chí biến mất mũ nấm (loại nấm linh chi sừng hươu).

Một số loại nấm linh chi 13 1. Thành phần và công dụng của nấm linh chi đỏ 1.