NGHIÊN cứu ĐỘNG học QUÁ TRÌNH sấy RAU QUẢ BẰNG máy sấy CHÂN KHÔNG VI SÓNG

7 709 10
NGHIÊN cứu ĐỘNG học QUÁ TRÌNH sấy RAU QUẢ BẰNG máy sấy CHÂN KHÔNG VI SÓNG

Đang tải... (xem toàn văn)

Thông tin tài liệu

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY RAU QUẢ BẰNG MÁY SẤY CHÂN KHÔNG VI SÓNG RESEARCH ON KINETICS OF FRUIT AND VEGETABLE DRYING PROCESS BY MICROWAVE VACUUM DRYER TS Nguyễn Văn Cương1a*, TS Nguyễn Văn Khải1b Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ a nvcuong@ctu.edu.vn; bnvkhai@ctu.edu.vn TÓM TẮT Sấy chân không vi sóng kỹ thuật sấy tiên tiến ứng dụng để sấy sản phẩm chất lượng cao Trong sấy chân không vi sóng, nhiệt tạo toàn thể tích sản phẩm, việc chuyển trực tiếp lượng điện từ thành lượng chuyển động phân tử nước sản phẩm, điều kiện chân không Bài viết trình bày kết nghiên cứu động học trình sấy chân không vi sóng xoài cát, khóm tôm sú máy sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc (Püschner – Đức) điều kiện khác áp suất chân không mức phát lượng vi sóng Kết nghiên cứu cho thấy sản phẩm sấy có chất lượng cao màu sắc, cấu trúc, bị co rút bề mặt so với phương pháp sấy đối lưu sấy chân gia nhiệt Thời gian sấy giảm từ 14 ÷ 15 (khi sấy đối lưu không khí nóng) từ 7÷ (khi sấy chân gia nhiệt) khoảng 12÷ 70 phút (khi sấy chân không vi sóng) Tốc độ sấy chân không vi sóng đạt giá trị ÷ 7% ẩm/phút, ÷ 10% ẩm/phút 12 ÷ 14% ẩm/phút tương ứng với xoài, khóm tôm sú Kết nghiên cứu hệ số khuếch tán ẩm trình sấy (D eff ) có giá trị cao khoảng 25÷50 lần so với phương pháp sấy đối lưu; tương ứng xoài, khóm tôm sú 3,6 ÷ 5,3*10-9 m2/s, 1,8 ÷ 3,8*10-9 m2/s 4,0 ÷ 6,7*10-9 m2/s Từ khóa: sấy chân không vi sóng, động học trình sấy, hệ số khuếch tán ẩm, sấy rau ABSTRACT Microwave vacuum drying is one of the advanced drying techniques which are applied to dryhigh quality products In microwave vacuum drying, the heat is generated in the entire volume of product.Electrical energy is directly converted into motion energy of water molecules inside the product in vacuum condition This paper presents the study results of the kinetic of microwave vacuum drying for mango, pineapple and shrimp on dryer µWaveVac0150-lc (Puschner - Germany), in different conditions of vacuum pressure and microwave energy level The results showed that dried products have the high-quality of color, structure, surface shrinkage in comparison to products dried by the convective drying and vacuum drying Drying time reduced from 14 ÷ 15 hours (with hot air convection drying) and from ÷ hours (with vacuum drying) to about 12 ÷ 70 minutes (with microwave vacuum drying) Drying ratio of microwave vacuum drying can reach to ÷ 7% /min, ÷ 10% /min and 12 ÷ 14%/min with mango, pineapple and shrimp, respectively The results also showed that the values of effective diffusivity coefficient (D eff ) of moisture during microwave vacuum drying process are about 25 ÷ 50 times superior than that obtained from the convection drying method The D eff corresponding to the mango, pineapple and shrimp are 3,6 ÷5,3*10-9 m2/s, 1,8 ÷ 3,8*10-9m2/s and 4,0 ÷ 6,7*10-9m2/s, respectively Keywords: microwave vacuum drying, drying kinetics, effective diffusivity coefficient, fruit and vegetable drying 686 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV ĐẶT VẤN ĐỀ Sấy chân không vi sóng công nghệ sấy tiên tiến ứng dụng lĩnh vực sấy dược phẩm, sản phẩm thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, sấy bảo quản rau Trong sấy chân không vi sóng, lượng điện từ vi sóng chuyển trực tiếp thành lượng chuyển động phân tử nước sản phẩm, nhiệt sinh bên sản phẩm ma sát phân tử nước đổi chiều điều kiện chân không Vi sóng truyền sâu vào bên vật liệu, nhiệt sinh bên toàn thể tích sản phẩm, làm cho tốc độ bốc ẩm tăng [1] Môi trường chân không trình sấy tạo chênh lệch áp suất nước, làm giảm nhiệt độ bay nước Sự giảm áp suất môi trường làm cho thoát nước lỗ rỗng vật liệu dễ dàng Do đó, sấy chân không giảm nhiệt độ sấy, cải thiện chất lượng sản phẩm sấy [2] Khi kết hợp phương pháp sấy chân không lượng vi sóng làm tăng hiệu suất lượng sấy, trình gia nhiệt vật liệu đồng hơn, giảm thời gian sấy, tăng chất lượng sản phẩm, giảm phản ứng không mong muốn xảy sản phẩm dễ bị oxy hóa Với phương pháp sấy chân không vi sóng, sản phẩm sấy có cấu trúc màu sắc tốt, giảm độ co rút bề mặt, thời gian sấy giảm nhiều so sánh với phương pháp sấy khác [3] Động học trình sấy chân không vi sóng nghiên cứu nhiều với mô hình toán học khác nhau, loại thực phẩm rau dâu tây [4], cà rốt [5], nấm rơm [6], tỏi [7], khoai tây [8] số sản phẩm khác Ở Việt Nam, chưa có nhiều ứng dụng phương pháp sấy chân không vi sóng, chưa có nghiên cứu sâu động học trình sấy sản phẩm với thiết bị sấy chân không vi sóng Trong nghiên cứu này, động học trình sấy sản phẩm xoài cát, khóm tôm sú thực thiết bị sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc (Püschner – Đức) Hệ số khuếch tác ẩm tính toán phân tích dựa sở ứng dụng định luật Fick giải pháp Crank [9] Các thí nghiệm thực Phòng thí nghiệm máy thiết bị chế biến lương thực – thực phẩm, Khoa Công nghệ - Đại học Cần Thơ VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu thí nghiệm Xoài cát có độ ẩm (80 ± 1)% (wb) cắt thành lát mỏng có bề dày mm Mẫu sấy có khối lượng 100 g sấy chân không vi sóng điều kiện áp suất 60 ÷ 100 mbar, với ba mức lượng 800 ÷ 600 W, 500 ÷ 300 W 250 ÷ 150 W Xoài sấy thu có độ ẩm 5% Khóm có độ ẩm ban đầu (82± 1)% (wb) gọt vỏ, cắt thành lát mỏng bề dày mm Mẫu sấy chân không vi sóng độ chân không từ 60 ÷ 120 mbar, lượng phát vi sóng 150 ÷ 250 W Khóm sấy có độ ẩm 4% Tôm sú có độ ẩm (81±1)% (wb) bóc vỏ trước sấy Mẫu tôm sấy chân không vi sóng điều kiện áp suất 60 ÷ 120 mbar, cường độ vi sóng 300 ÷ 500 W Tôm sú sau sấy có độ ẩm 8% Nhiệt độ sản phẩm sấy chân không vi sóng dao động từ 40°C đến 46°C tùy theo điều kiện phát lượng vi sóng Các mẫu đối chứng sản phẩm sấy đối lưu không khí nóng nhiệt độ 60 °C, sấy chân không 70 mbar, 60°C với thiết bị sẵn có phòng thí nghiệm 2.2 Thiết bị sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc Thí nghiệm sấy thực thiết bị sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc, cấu tạo thiết bị trình bày Hình Vật liệu sấy xác định khối lượng độ ẩm ban đầu, sau mẫu thí nghiệm đặt lên bàn quay buồng sấy Các chế độ sấy thiết lập cài đặt thông số hình điều khiển PLC, chương trình máy tính Trong trình sấy, khối lượng mẫu, lượng ẩm bay hơi, nhiệt độ, áp suất buồng sấy giám 687 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV sát qua hình PLC ghi nhận lại thông qua loadcell điều khiển Khi độ ẩm vật liệu sấy đạt yêu cầu, trình sấy kết thúc sản phẩm tháo Thiết bị hoạt động nhờ hỗ trợ bơm chân không, phận phát vi sóng ống dẫn vi sóng Áp suất chân không buồng sấy đạt30 mbar, cường độ phát lượng vi sóng có điều chỉnh giá trị từ đến 2000 W Hình 1: Thiết bị sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm Thí nghiệm sấy chân không vi sóng thực với yếu tố, mức độ (-α; -1; 0; +1; +α) phương pháp bố trí thành phần trung tâm (RSM) Động học trình sấy mẫu xác định cách xác định khối lượng mẫu trình sấy Các giá trị thông số áp suất chân không, cường độ vi sóng thể Bảng 2.3.2 Xác định động học trình sấy Động học trình sấy xác định dựa phương pháp Mounir Allaf [10], hệ số khuếch tán ẩm (D eff ) tính toán dựa theo định luật Fick Khối lượng sản phẩm sấy ghi nhận thời điểm khác suốt thời gian sấy để xây dựng đường cong sấy Quá trình khuếch tán ẩm bên vật liệu giả thiết theo trục bề dày vật sấy Ở giai đoạn cuối trình sấy, giả sử vật liệu không bị co rút bề mặt, cách sử dụng giá trị ban đầu điều kiện biên thích hợp, Crank đưa phân tích giải pháp hình học khác xem vật liệu sấy (xoài, khóm, tôm) dạng phẳng, phương trình Fick với giải pháp Crank áp dụng Phương trình ẩm xác định theo công thức (1) W −W 𝑀𝑀𝑀𝑀 = W ∞−W = ∑∞ Ai exp(−q i t) ∞ o (1) Khai triển Taylor phương trình (1) xác định giá trị số hạng thứ nhất, bỏ qua số hạng từ thứ trở đi, xác định cách gần phương trình: Trong đó: W −W 𝑀𝑀𝑀𝑀 = W ∞−W = A exp(− ∞ o π2 Deff dp2 t) (2) Wo , W,W∞ : độ ẩm sản phẩm thời điểm ban đầu t → 0, thời điểm t t →∞ Ai q i : hệ số Crank, phụ thuộc vào hình dạng hình học sản phẩm dp: nửa bề dày sản phẩm theo hướng truyền ẩm sản phẩm xem vật liệu đồng chất, đẳng hướng 688 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hàm Ln(MR) = f(t) thể quan hệ hồi quy logarit độ giảm ẩm với thời gian sấy hàm bậc với hệ số góc k = π2 𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 4dp2 ln(MR)= ln �𝜋𝜋2 � − ( π2 𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 4dp2 )t (3) Bằng việc xây dựng đồ thị xác định giá trị hệ số góc k, hệ số khuếch tán ẩm bên vật liệu trình xác định: Deff = KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4dp2 π2 k (4) 3.1 Đường cong giảm ẩm trình sấy Đường cong giảm ẩm trình sấy xoài cát thể Hình Kết nghiên cứu cho thấy rằng: thời gian sấy xoài phương pháp chân không vi sóng (45 phút) giảm 10 lần so với sấy chân không (450 phút), giảm 19 lần so với sấy đối lưu không khí nóng (870 phút) Đối với khóm, thời gian sấy chân không vi sóng giảm lần so với sấy chân không, giảm 12 lần so với sấy đối lưu Để thu sản phẩm sấy có độ ẩm 4%, thời gian sấy 70 phút, 570 phút 840 phút sấy chân không vi sóng, sấy chân không sấy đối lưu (Hình 3) Hình 2: Đường cong sấy xoài Hình 3: Đường cong sấy khóm Trong trường hợp tôm sú, kết thí nghiệm cho thấy thời gian sấy chân không vi sóng 12 phút, giảm 45 lần so với sấy chân không (550 phút), giảm 82 lần so với sấy đối lưu không khí nóng (990 phút), để có tôm sấy với độ ẩm 8% (Hình 4) Hình 4: Đường cong sấy tôm sú 689 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Tốc độ sấy (tốc độ thoát ẩm) trung bình trình sấy chân không vi sóng đạt giá trị ÷ % ẩm/phút, ÷ 10 % ẩm/phút 12 ÷ 14 % ẩm/phút tương ứng với sản phẩm xoài, khóm cà rốt 3.2 Xác định hệ số khuếch tán (D eff ) trình sấy 𝑊𝑊 −𝑊𝑊 Theo phân tích để xác định hệ số khuếch tán ẩm, đồ thị hàm số𝐿𝐿𝐿𝐿 �𝑊𝑊 ∞−W � = 𝑓𝑓(𝑡𝑡) ∞ o xác định ứng với thí nghiệm sấy, đường thẳng tiếp cậm với đường cong thu với R² ≥ 0,89 xoài, R² ≥ 0,84 khóm R² ≥ 0,94 tôm sú Từ đó, hệ số k xác định cho phép tính toán hệ số khuếch tán ẩm bên vật liệu sấy theo công thức Các kết thí nghiệm sấy với phương pháp thể Bảng Hệ số khuếch tán trình sấy chân không vi sóng có giá trị từ 3,6 ÷ 5,3*10-9 m2s-1 xoài, 1,8 ÷ 3,8*10-9 m2s-1 khóm, 4,0 ÷ 6,7*10-9 m2s-1 tôm Giá trị hệ số khuếch tán ẩm trình sấy sấy chân không vi sóng lớn khoảng 25 lần so với phương pháp sấy chân không, 50 lần so với phương pháp sấy đối lưu Điều cho thấy rằng, khuếch tán ẩm bên vật liệu sấy chân không vi sóng diễn dễ dàng hơn, nhờ vào gia tăng áp suất nước vật liệu gia nhiệt sản phẩm Bảng 1: Bảng kết thí nghiệm sấy xoài, khóm tôm sú phương pháp sấy 70 70 T (°C) T (°C) (a) (b) (c) 60 60 45 450 870 60 60 60 60 70 12 570 550 840 990 R2 D eff (m2s-1) 0,89 ÷ 0,97 70 Thời gian sấy (phút) (a)3,6÷5,3*10-9 0,82 ÷ 0,96 81 3.5 P ck (mbar) Sấy đối lưu (c) (a)1,8÷3,8*10-9 0,94 ÷ 0,99 82 Vi sóng (W) 60 ÷ 120 150 ÷ 800 80 P ck (mbar) 60 ÷ 120 Tôm Sau Sấy chân không (b) 60 ÷ 120 Khóm Trước Sấy chân không vi sóng (a) 150 ÷ 250 Xoài Độ ẩm (%) trước & sau sấy 300 ÷ 500 Sản phẩm (a)4,0÷6,7*10-9 (b) 1,3*10-10 (c) 0,7*10-10 (b)(c) - (b) (c)- Hình 5: Hình dạng màu sắc sản phẩm xoài, khóm tôm sấy a Sấy chân không vi sóng, b Sấy chân không, c Sấy đối lưu không khí nóng 690 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.3 Đánh giá cảm quan sản phẩm sấy Kết thí nghiệm cho thấy màu sắc sản phẩm xoài, khóm tôm sau sấy sấy chân không vi sóng tốt so với sấy chân không sấy đối lưu không khí nóng Tất mẫu sấy chân không vi sóng có màu sắc tươi, sáng, có hình dạng không bị co rút bề mặt (xem Hình 5) Cấu trúc bên sản phẩm xác định kính hiển vi soi (Viewpoint 650/VT1) Kết nghiên cứu cho thấy có thay đổi cấu trúc bên sản phẩm sấy phương pháp sấy Trong đó, sản phẩm sấy chân không vi sóng có cấu trúc xốp hơn, với lỗ rỗng bên trong, điều giải thích cho trình khuếch tán ẩm thời gian sấy nhanh so với phương pháp khác (Hình 6) Cấu trúc xoài sấy Sản phẩm tươi Sấy đối lưu Sấy chân không 4 Sấy chân không vi sóng Cấu trúc khóm sấy Sản phẩm tươi Sấy đối lưu Sấy chân không 4 Sấy chân không vi sóng Cấu trúc tôm sấy Sản phẩm tươi Sấy đối lưu Sấy chân không 4 Sấy chân không vi sóng Hình 6: Cấu trúc sản phẩm trước sau sấy chụp từ kính hiển vi KẾT LUẬN Động học trình sấy chân không vi sóng với sản phẩm xoài, khóm tôm sú nghiên cứu.Những kết nghiên cứu cho thấy sản phẩm sấy chân không vi sóng cho chất lượng màu sắc cao, hình dạng tốt, hệ số khuếch tán ẩm cao, tốc độ giảm ẩm lớn So với phương pháp sấy chân không sấy đối lưu không khí nóng, sấy chân không vi sóng có nhiều ưu điểm vượt trội, đặc biệt thời gian sấy giảm nhiều; cần từ 45 xoài, 70 phút với khóm, 12 phút tôm để làm khô sản phẩm đạt yêu cầu Nghiên cứu động học trình sấy cho thấy việc nghiên cứu chế tạo máy sử dụng lượng vi sóng điều cần quan tâm việc phát triển thiết bị sấy tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Krulis M., Kuhnert S., Leiker M., Rohm H., Influence of energy input and initial moisture on physical properties of microwave-vacuum dried strawberries European Food Resource Technology, 2005, vol 221, pp.803-08 [2] Jaya S., Das H., A vacuum drying model for mango pulp Drying Technology, 2003, vol.21(7), pp.1215-34 691 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [3] Figiel A., Drying kinetics and quality of beetroots dehydrated by combination of convective and vacuum-microwave methods Food Engineering, 2010, vol.98, pp.461-70 [4] Kaensup W., Chutima S., Wongwises S., Experimental study on drying of chilli in a combined microwave–vacuum-rotary drum dryer Drying Technology, 2002, vol 20, pp.2067-79 [5] Zheng-Wei C., Shi-Ying X., Da-Wen S., Microwave-vacuum drying kinetics of carrot slices.Food Engineering, 2004, vol 65, pp.157-64 [6] Giri S.K., Suresh P., Drying kinetics and rehydration characteristics of microwave-vacuum and convective hot-air dried mushrooms Food Engineering, 2007, vol 78, pp.512-21 [7] Figiel A., Drying kinetics and quality of vacuum-microwave dehydrated garlic cloves and slices Food Engineering, 2009, vol.94, pp.98-104 [8] Bondaruk J., Markowski M., Błaszczak W., Effect of drying conditions on the quality of vacuum-microwave dried potato cubes.Food Engineering, 2007, vol.81, pp.306-12 [9] Crank J., The mathematics of diffusion, 2ndEdition Oxford University Press, 1975 [10] Mounir S., Allaf K., Study and modeling of solvent extraction kinetics within expanded granule powder 10th International Conference on Modelling & Applied Simulation (MAS), Italy, 2011 THÔNG TIN TÁC GIẢ TS Nguyễn Văn Cương Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ Email: nvcuong@ctu.edu.vn, Điện thoại: 0989909034 TS Nguyễn Văn Khải Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ Email: nvkhai@ctu.edu.vn, Điện thoại: 0904454885 692 ... Ở Vi t Nam, chưa có nhiều ứng dụng phương pháp sấy chân không vi sóng, chưa có nghiên cứu sâu động học trình sấy sản phẩm với thiết bị sấy chân không vi sóng Trong nghiên cứu này, động học trình. .. đối lưu Sấy chân không 4 Sấy chân không vi sóng Cấu trúc tôm sấy Sản phẩm tươi Sấy đối lưu Sấy chân không 4 Sấy chân không vi sóng Hình 6: Cấu trúc sản phẩm trước sau sấy chụp từ kính hiển vi KẾT... chụp từ kính hiển vi KẾT LUẬN Động học trình sấy chân không vi sóng với sản phẩm xoài, khóm tôm sú nghiên cứu. Những kết nghiên cứu cho thấy sản phẩm sấy chân không vi sóng cho chất lượng màu sắc

Ngày đăng: 16/01/2016, 13:29

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan