Hướng dẫn chi tiết tính toán và thiết kế hệ thống sấy thăng hoa cho 1500kg dịch nấm linh chi

Hướng dẫn chi tiết cách tính toán thiết kế hệ thống sấy thăng hoa 1500kg dịch nấm linh chi, đảm bảo hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

• Tác giả: Nguyễn Thị Bích Trâm
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Tấn Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Sấy Thăng Hoa 1500kg Dịch Chiết Nấm Linh Chi
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2021 - 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tính toán thiết kế hệ thống sấy thăng hoa

Tính toán thiết kế hệ thống sấy thăng hoa là quá trình xác định các thông số kỹ thuật cần thiết để xây dựng một hệ thống sấy hiệu quả. Hệ thống này được thiết kế để xử lý dịch nấm linh chi với năng suất 1500kg/mẻ. Quá trình này bao gồm việc tính toán cân bằng vật chất, nhiệt lượng, và các thông số vận hành để đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt chất lượng cao. Hệ thống sấy thăng hoa cần được tối ưu hóa để giảm thiểu năng lượng tiêu thụ và tăng hiệu suất sấy.

1.1. Các thông số ban đầu

Các thông số ban đầu bao gồm năng suất sấy (1500kg/mẻ), độ ẩm ban đầu và cuối của dịch nấm linh chi, nhiệt độ sấy, và thời gian sấy. Độ ẩm ban đầu của dịch nấm linh chi là 50%, và độ ẩm cuối là 6%. Nhiệt độ sấy dao động từ -40°C đến 35°C, với thời gian sấy tổng cộng là 21,254 giờ. Các thông số này là cơ sở để tính toán thiết kế hệ thống.

1.2. Tính toán cân bằng vật chất

Tính toán cân bằng vật chất giúp xác định lượng nước cần loại bỏ trong quá trình sấy. Với năng suất 1500kg/mẻ, lượng nước cần bốc hơi là 660kg. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế của thiết bị sấy và hệ thống ngưng tụ.

II. Hệ thống sấy thăng hoa

Hệ thống sấy thăng hoa được thiết kế để xử lý dịch nấm linh chi với năng suất lớn. Hệ thống bao gồm các thành phần chính như buồng sấy, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi, và hệ thống điều khiển. Sấy thăng hoa là quá trình làm khô vật liệu ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp, giúp bảo toàn các chất dinh dưỡng và cấu trúc của sản phẩm.

2.1. Buồng sấy

Buồng sấy là nơi diễn ra quá trình sấy thăng hoa. Nó được thiết kế để duy trì nhiệt độ và áp suất thấp, đảm bảo nước trong dịch nấm linh chi chuyển từ trạng thái rắn sang hơi mà không qua trạng thái lỏng. Buồng sấy được trang bị các khay chứa vật liệu và tấm truyền nhiệt để tối ưu hóa quá trình sấy.

2.2. Thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ thu hồi hơi nước từ buồng sấy. Nó được thiết kế để hoạt động hiệu quả ở áp suất thấp, giúp duy trì điều kiện lý tưởng cho quá trình sấy thăng hoa. Thiết bị này cũng giúp tái sử dụng nước, giảm thiểu lãng phí tài nguyên.

III. Quy trình sấy thăng hoa

Quy trình sấy thăng hoa bao gồm các bước từ cấp đông, sấy thăng hoa, đến thu hồi sản phẩm. Quy trình này được thiết kế để đảm bảo dịch nấm linh chi được sấy khô một cách hiệu quả, giữ nguyên các hoạt chất và cấu trúc của sản phẩm. Công nghệ sấy thăng hoa được áp dụng để tạo ra sản phẩm chất lượng cao, phù hợp với yêu cầu của người tiêu dùng.

3.1. Cấp đông

Cấp đông là bước đầu tiên trong quy trình sấy thăng hoa. Dịch nấm linh chi được làm lạnh đến nhiệt độ -40°C để chuyển nước trong dịch thành dạng rắn. Bước này giúp đảm bảo quá trình sấy thăng hoa diễn ra hiệu quả, tránh sự biến đổi cấu trúc của sản phẩm.

3.2. Sấy thăng hoa

Sau khi cấp đông, dịch nấm linh chi được đưa vào buồng sấy để thực hiện quá trình sấy thăng hoa. Nước đá trong dịch sẽ thăng hoa từ trạng thái rắn sang hơi mà không qua trạng thái lỏng, giúp bảo toàn các chất dinh dưỡng và cấu trúc của sản phẩm.

IV. Thiết kế hệ thống điều khiển

Thiết kế hệ thống điều khiển là yếu tố quan trọng để đảm bảo hệ thống sấy thăng hoa hoạt động ổn định và hiệu quả. Hệ thống điều khiển bao gồm các cảm biến, bộ điều khiển, và phần mềm giám sát để điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, và thời gian sấy. Tối ưu hóa sấy là mục tiêu chính của hệ thống điều khiển, giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ và tăng hiệu suất sấy.

4.1. Cảm biến và bộ điều khiển

Cảm biến được sử dụng để đo lường nhiệt độ, áp suất, và độ ẩm trong buồng sấy. Dữ liệu từ cảm biến được truyền đến bộ điều khiển để điều chỉnh các thông số vận hành. Hệ thống điều khiển giúp duy trì điều kiện lý tưởng cho quá trình sấy thăng hoa, đảm bảo sản phẩm đạt chất lượng cao.

4.2. Phần mềm giám sát

Phần mềm giám sát được sử dụng để theo dõi và điều khiển hệ thống sấy thăng hoa từ xa. Nó cung cấp thông tin thời gian thực về các thông số vận hành, giúp người vận hành dễ dàng kiểm soát và tối ưu hóa quá trình sấy.

V. Tính toán kinh tế

Tính toán kinh tế là bước quan trọng để đánh giá tính khả thi của hệ thống sấy thăng hoa. Các chi phí bao gồm đầu tư thiết bị, chi phí vận hành, và chi phí bảo dưỡng. Sản phẩm nấm linh chi sau khi sấy thăng hoa có giá trị cao trên thị trường, giúp tăng lợi nhuận cho doanh nghiệp. Tính toán kinh tế cũng giúp xác định thời gian hoàn vốn và hiệu quả đầu tư của hệ thống.

5.1. Chi phí đầu tư

Chi phí đầu tư bao gồm chi phí mua sắm thiết bị, xây dựng nhà xưởng, và lắp đặt hệ thống. Thiết bị sấy và hệ thống điều khiển là những khoản chi phí lớn nhất trong quá trình đầu tư.

5.2. Chi phí vận hành

Chi phí vận hành bao gồm chi phí điện, nước, và nhân công. Tối ưu hóa sấy giúp giảm thiểu chi phí vận hành, tăng hiệu quả kinh tế của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Cơ sở khoa học của quá trình sấy thăng hoa 1. Định nghĩa quá trình sấy thăng hoa Quá trình sấy thăng hoa là quá trình làm khô vật liệu ở nhiệt độ thấp (T < 0°C), áp suất thấp (P < 4.58mmHg), vật liệu trước khi sấy được tiến hành cấp đông sao cho tâm vật liệu sấy có nhiệt độ (T < 0°C) để nước bên trong vật liệu sấy hoàn toàn ở trạng thái rắn (nước đá), khi cấp nhiệt bằng phương pháp tiếp xúc hoặc bức xạ thì nước bên trong vật liệu thăng hoa từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi đồng thời trên toàn bộ thể tích vật liệu sấy nên sản phẩm sấy có cấu trúc xốp, ít bị co rút biến dạng, nhiệt độ cuối quá trình sấy thấp nên sản phẩm sấy ít bị biến tính giữ được chất lượng dinh dưỡng và giá trị cảm quan [1] 1. Phân loại hệ thống sấy thăng hoa 1.

Sấy thăng hoa cấp đông riêng Hệ thống sấy thăng hoa cấp đông riêng, sản phẩm sẽ được cấp đông ở một thiết bị lạnh đông độc lập sau đó đưa vào buồng sấy để thực hiện quá trình thăng hoa. Nếu yêu cầu hệ thống sấy thăng hoa có năng suất lớn từ 50kg nguyên liệu/mẻ đến 1500kg nguyên liệu/mẻ (hoặc lớn hơn 1500kg nguyên liệu/mẻ) thì nên sử dụng hệ thống sấy thăng hoa cấp đông riêng để điều khiển và kiểm soát quá trình sấy dễ dàng, an toàn cho sản phẩm, tăng năng suất cho hệ thống sấy [2] Hình 1. Hệ thống sấy thăng hoa cấp đông riêng NĂM HỌC: 2021 - 2022 Trang 4 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 1.

Sấy thăng hoa tự cấp đông Hệ thống sấy thăng hoa có buồng sấy thăng hoa cũng chính là buồng cấp đông sản phẩm (hay được gọi hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông). Nếu yêu cầu hệ thống sấy thăng hoa năng suất nhỏ dưới 50kg nguyên liệu/mẻ thì chọn hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông, đơn giản gọn nhẹ và tiết kiệm. Tuy nhiên, hệ thống này cũng có khả năng sấy được các sản phẩm đã lạnh đông từ một tủ cấp đông khác. Hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông 1.

Sấy thăng hoa liên tục Nếu yêu cầu hệ thống sấy thăng hoa năng suất rất lớn, lạnh đông sản phẩm bằng hệ thống lạnh đông nhanh (như hệ thống lạnh IQF) thì nên sử dụng hệ thống sấy thăng hoa liên tục (loại này có giá thành rất cao vì nó đòi hỏi kỹ thuật rất cao) [2] 1. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật sấy thắng hoa Công nghệ sấy thăng hoa luôn trải qua ba giai đoạn: Giai đoạn 1: cấp đông sản phẩm, chuyển ẩm từ thể lỏng sang thể rắn. Giai đoạn 2: sấy thăng hoa thực phẩm, chuyển ẩm từ thể rắn sang thể khí, kết thúc giai đoạn này khi nhiệt độ nguyên liệu đạt 0oC và ẩm tự do bay hơi hoàn toàn. Giai đoạn 3: sấy chân không thực phẩm, giai đoạn này chủ yếu là làm mất ẩm liên kết hóa lý ở trong nó, kết thúc giai đoạn này khi xảy ra sự cân bằng nhiệt độ, nhiệt độ nguyên liệu đạt tới nhiệt độ môi trường sấy và nhiệt độ tấm bức xạ, độ ẩm cuối cùng của sản phẩm từ (2÷4)% rất khô [3] NĂM HỌC: 2021 - 2022 Trang 5 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.

Nguyễn Tấn Dũng Hình 1. Đồ thị biểu diễn quá trình sấy thăng hoa [3]  Giai đoạn làm lạnh đông: Trong giai đoạn này, sản phẩm được làm lạnh đông từ nhiệt độ của sản phẩm (20 ÷ 25)°C xuống đến nhiệt độ từ (-35 ÷ -30)°C, ở nhiệt độ này nước trong thực phẩm đóng băng gần như hoàn toàn [4]. Kết thúc giai đoạn này khi nhiệt độ vật liệu đạt được tới nhiệt độ lạnh đông thích hợp để ẩm trong vật liệu sấy kết tinh hoàn toàn trước khi thăng hoa [4]. Thời gian lạnh đông ảnh hưởng đến sự kết tinh âm và nhiệt độ lạnh đông trong sản phẩm, ảnh hưởng đến chất lượng và chi phí năng lượng của sản phẩm.

Khi thời gian lạnh đông kéo dài sẽ làm tăng chi phí năng lượng, tăng giá thành của sản phẩm [16]. Cần chú ý, ứng mỗi loại thực phẩm khác nhau sẽ có nhiệt độ lạnh đông khác nhau, nhưng phải đảm bảo cho sự kết tinh của nước bên trong sản phẩm phải đạt 100%, có những loại sản phẩm nhiệt độ cuối cùng của giai đoạn lạnh đông chỉ ở khoảng từ (-22 ÷ -20)°C thì nước đã kết tinh hoàn toàn rồi [4].4 cho thấy rõ, đường (3) là nhiệt độ của thực phẩm sấy, đồng thời trong giai đoạn này áp suất trong buồng sấy thăng hoa (đường (6)) cũng như buồng lạnh đông sản phẩm hầu như không thay đổi, bằng áp suất khí quyển, thực tế nó có xê dịch một chút, xem như không đáng kể, bởi vì quá trình làm lạnh nhiệt độ không khí giảm dẫn đến áp suất giảm (thể tích buồng sấy thăng hoa không thay đổi và kín), ở giai đoạn này lượng ẩm thoát ra rất ít, chủ yếu là sự bay hơi và thăng hoa nước trên bề mặt thực phẩm. Sự thoát ẩm là do sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường sấy thăng hoa và lớp không khí sát bề mặt thực phẩm. Ngoài ra, sự chênh lệch nhiệt độ thực phẩm lạnh động với nhiệt độ môi trường lạnh đông cũng là nguyên nhân làm bay hơi ẩm để có xu hướng đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt [4].

NĂM HỌC: 2021 - 2022 Trang 6 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng Hình 1. Đồ thị làm việc của buồng sấy thăng hoa [4] Sử dụng nguồn nhiệt bức xạ, nhiệt độ lạnh đông (-35 ÷ -30)°C 1 - nhiệt độ tấm gia nhiệt; 2 - nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa; 3 - nhiệt độ thực phẩm sấy; 4 - nhiệt độ ở lối ra buồng thăng hoa; 5 - độ ẩm của thực phẩm sấy; 6 - áp suất trong buồng sấy thăng hoa.  Giai đoạn thăng hoa: Giai đoạn này được tiến hành trong môi trường có nhiệt độ và áp suất thấp, dưới điểm ba thể O (0,0098 oC; 4,58 mmHg) đối với nước đá, còn dưới điểm Tkt: 4,58 mmHg đối với ẩm kết tinh trong sấy vật liệu.

Để sản phẩm sấy khô có chất lượng tốt thì phần cuối của đoạn này kết thúc tinh thể đã thăng hoa hết, độ ẩm đạt yêu cầu và nhiệt độ sản xuất vượt qua nhiệt độ kết thúc của nhiệt độ trong sản phẩm (T kt), khi đó ẩm còn lại trong sản phẩm rất ít, chủ yếu là ẩm liên kết và chỉ tồn tại ở pha lỏng [4]. Sau khi sản phẩm đạt tới nhiệt độ lạnh đông thích hợp, ngừng quá trình lạnh sản phẩm và kết thúc giai đoạn lạnh đông, lúc này bơm hút chân không bắt đầu làm việc, áp suất buồng sấy hạ rất nhanh tạo môi trường sấy là môi trường chân không, áp suất biến thiên hầu như không đổi P m = (0,001 ÷ 1) mmHg, xem đường (6). Do sự chênh lệch áp suất riêng phần hơi nước ở sản phẩm Pn và áp suất hơi nước trong môi trường sấy Pnm quá lớn, đồng thời dòng nhiệt bức xạ từ các tấm kim loại phát ra để đốt nóng làm cho sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường sấy và sản phẩm khá lớn. Kết quả giai đoạn này, nước trong sản phẩm lạnh đông bắt đầu thăng hoa mãnh liệt, độ ẩm NĂM HỌC: 2021 - 2022 Trang 7 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.

Nguyễn Tấn Dũng giảm rất nhanh và gần như tuyến tính (xem đường (5)). Vì thế, giai đoạn sấy thăng hoa có thể xem là giai đoạn sấy đẳng tốc, phần lượng nhiệt bức xạ mà sản phẩm sấy nhận được trong giai đoạn này dùng để biến thành nhiệt ẩn thăng hoa; do đó, nhiệt độ sản phẩm sấy hầu như không thay đổi, xem đường (3). Thực tế thì nhiệt độ sản phẩm sấy có tăng nhưng với tốc độ rất chậm, ở thời gian cuối của giai đoạn này nhiệt độ sản phẩm sấy tăng dần từ (-30 ÷ -25)°C đến 0,0098°C (chính xác là Tkt nhiệt độ kết tinh của ẩm trong sản phẩm), tại đây kết thúc giai đoạn thăng hoa [4]. Trong giai đoạn thăng hoa nhiệt độ ở lối ra buồng thăng hoa hậu như không thay đổi, xem đường (4) hình 1.4, dẫn đến nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ – đóng băng cũng hầu như không thay đổi trong suốt quá trình thăng hoa.

Nhiệt độ tấm gia nhiệt và nhiệt độ môi trường giữa các tấm gia nhiệt hầu như không đổi trong suốt quá trình thăng hoa và sấy nhiệt, xem đường (1) và (2) hình 1. Trong công nghệ sấy thăng hoa, nhiệt độ tấm gia nhiệt phải duy trì trong khoảng từ (0 ÷ 45)°C, tương ứng nhiệt độ môi trường sấy dao động từ (0 ÷ 40)°C tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ [4]. Nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa nằm trong khoảng 25 đến 45 oC, trên 45oC động lực quá trình truyền nhiệt tách ẩm tăng, đồng thời nhiệt độ vật liệu sấy tăng nhanh, vượt qua nhiệt độ kết tinh, ẩm chuyển sang trạng thái lỏng và kết thúc sớm giai đoạn sấy thăng hoa nhưng độ ẩm vẫn chưa đạt yêu cầu. Ngược lại, khi nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa thấp dưới 25oC, động lực quá trình truyền nhiệt tách ẩm giảm, dẫn đến thời gian sấy thăng hoa kéo dài, tăng chi phí năng lượng nhưng chất lượng sản phẩm vẫn được đảm bảo.

Do nhiệt độ của sản phẩm khi đưa vào sấy thăng hoa chính là nhiệt độ lạnh đông thích hợp, tương ứng với nhiệt độ này sẽ có một áp suất thăng hoa xác định. Vì thế, áp suất cần chọn tương thích với áp suất thăng hoa. Thời gian sấy thăng hoa cũng cần phải phù hợp. Nếu thời gian ngắn, độ ẩm sản phẩm không đạt.

Ngược lại, thời gian sấy kéo dài sẽ làm tăng chi phí năng lượng [16]. Để sản phẩm đạt chất lượng tốt thì kết thúc giai đoạn này độ ẩm sản phẩm đạt độ ẩm yêu cầu. Như vậy, quá trình sấy thăng hoa sẽ không có giai đoạn 3.  Giai đoạn sấy chân không làm bay hơi ẩm còn lại: Giai đoạn sấy chân không nhiệt độ thấp chỉ xảy ra khi kết thúc giai đoạn sấy thăng hoa mà độ ẩm sản phẩm chưa đạt yêu cầu, lúc này tiến hành giai đoạn sấy chân không nhiệt độ thấp làm bay hơi lượng ẩm còn lại của sản phẩm.

Cho đến khi sản phẩm đạt tới độ ẩm yêu cầu (dưới 6%) thì quá trình sấy khô kết thúc. Sản phẩm sau khi sấy cho vào túi PE, ghép mí chân không kín rồi bảo quản ở nhiệt độ thường [4]. NĂM HỌC: 2021 - 2022 Trang 8 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.