TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHẠM VĂN KIÊN
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SẤY NẤM LINH CHI TẠI VIỆT NAM
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
Mã số: 9.52.01.03
T M TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
TP. Hồ Chí Minh - năm 2020
- Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh - Trường ng ng ng I
N ờ ớng dẫn khoa học:
1. GS. TS. NGUYỄN HAY 2. PGS. TS. Ê NH ĐỨC
N ời phản biện:
1. ………
. ………
Có thể tìm hiểu luận án t i:
1. T ư n Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, trên thế giới và ở Việt Nam đã ứng dụng nhiều các phương pháp sấy khác nhau cho các sản phẩm nông nghiệp và trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm. Các phương pháp sấy đư c ứng dụng bao gồm sấy đối lưu bằng không khí nóng, sấy bơm nhiệt, sấy chân không, sấy bằng sóng hồng ngoại, sấy bằng vi sóng và sấy bằng sóng radio (RF). Trong đó, sấy bằng sóng RF là một công nghệ sấy đã đư c các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển vì một số các ưu điểm nổi bật như: i) cơ chế gia nhiệt thể tích trên toàn bộ thể tích vật liệu sấy nên tốc độ gia nhiệt nhanh; ii) nhiệt độ và ẩm độ phân bố đồng đều tr n toàn bộ thể t ch vật liệu sấy; iii) gradient nhiệt độ và gradient ẩm cùng chiều nên thuận l i cho quá trình khuếch tán ẩm trong vật liệu sấy gi p t ng tốc độ sấy (Yang và ctv, 8).
Nấm linh chi là một loại dư c phẩm thuộc nhóm sản phẩm nông nghiệp có một số tính chất như: chứa nhiều dư c chất nhạy nhiệt, có cấu tạo dạng thân gỗ, xốp, hệ số d n nhiệt thấp (Trigos và ctv, ; attra và ctv, ). o đó, để bảo toàn đư c hàm lư ng các dư c chất nhạy nhiệt c ng như màu sắc và mùi vị của nấm linh chi c n sấy ở nhiệt độ thấp.
Tuy nhiên, khi sấy ở nhiệt độ thấp thì thời gian sấy sẽ kéo dài. Bên cạnh đó, nấm linh chi có hàm lư ng nước cao, hệ số d n nhiệt thấp nên trong quá trình sấy đối lưu, khả n ng truyền nhiệt sẽ kh ng hiệu quả. Vì vậy, phương pháp sấy phù h p là phải sấy ở nhiệt độ thấp nhằm giữ đư c các dư c chất nhưng phải có biện pháp để t ng tốc độ sấy. Vấn đề này có thể giải quyết đư c bằng cách kết h p gia nhiệt ứng dụng các phương pháp khác như gia nhiệt bằng sóng RF.
Trên thế giới và tại Việt Nam c ng đã có một số nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp sấy vào công nghệ sấy nấm linh chi như sấy đối lưu sử dụng kh ng kh nóng, sấy bơm nhiệt và sấy chân kh ng với kết quả đạt đư c là rất khả quan. Tuy nhiên, h u như kh ng có công trình nghiên cứu nào về sấy nấm linh chi bằng phương pháp sấy bơm nhiệt kết h p sóng RF. Trong đó, nguy n lý sấy bằng bơm nhiệt với tác nhân sấy tu n hoàn ở nhiệt độ thấp có thể đảm bảo duy trì đư c hàm lư ng cao các dư c chất nhạy nhiệt của nấm linh chi, đồng thời có thể giữ lại đư c mùi vị, màu sắc đặc trưng của nấm. Cơ chế gia nhiệt bằng sóng RF là cơ chế gia nhiệt thể tích trên toàn bộ VLS sẽ gi p t ng tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ và ẩm độ phân bố đều trên toàn bộ thể tích vật liệu, gradient nhiệt độ và gradient ẩm cùng chiều giúp cho quá trình khuếch tán ẩm diễn ra nhanh hơn trong quá trình sấy và rút ngắn thời gian sấy.
Luận án lựa chọn phương pháp sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p gia nhiệt bằng sóng RF để thực hiện nghiên cứu kỹ thuật sấy nấm linh chi tại Việt Nam.
2. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền ẩm trong quá trình sấy nấm linh chi bằng phương pháp sấy bơm nhiệt kết h p sóng radio. Trong đó, m hình toán đư c xây dựng nhằm mô phỏng truyền nhiệt truyền ẩm, phân tích lý thuyết động học quá trình sấy và thực nghiệm sấy xác định chế độ sấy cho nấm linh chi.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu kỹ thuật sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p gia nhiệt bằng sóng cao t n t n số radio.
4. Nội dung khoa học của đề tài
- Tìm hiểu tổng quan các công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới về nấm linh chi và c ng nghệ gia nhiệt bằng sóng RF. Trong đó, kỹ thuật sấy nấm linh chi là cơ sở cho việc phân t ch đánh giá đề xuất phương án sấy nấm linh chi phù h p với điều kiện thực tế tại Việt Nam.
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt - vật lý của nấm linh chi Việt Nam.
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số công suất gia nhiệt của bộ phát RF trong quá trình sấy nấm linh chi.
- Xây dựng mô hình toán mô tả quá trình truyền nhiệt truyền ẩm trong quá trình sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF với hệ phương trình truyền nhiệt truyền ẩm đư c thiết lập.
- Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng mức độ phù h p của mô hình toán mô tả quá trình truyền nhiệt truyền ẩm trong quá trình sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF.
- Phân tích lý thuyết động học quá trình sấy dựa trên kết quả mô phỏng truyền nhiệt truyền ẩm trong quá trình sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF.
- Nghiên cứu thực nghiệm sấy nấm linh chi nhằm xác định chế độ sấy phù h p dựa trên tiêu chí hiệu quả về tốc độ sấy của hệ thống sấy và chất lư ng sản phẩm sấy thực tế cho nấm linh chi tại Việt Nam bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF.
5. Điểm mới của đề tài
- Xác định đư c các thông số nhiệt - vật lý của nấm linh chi Việt Nam bằng thực nghiệm. Các thông số bao gồm: khối lư ng riêng, nhiệt dung riêng, ẩm độ cân bằng, ẩn nhiệt hóa hơi của ẩm trong vật liệu, hệ số khuếch tán ẩm và hệ số d n nhiệt.
- Xác định đư c thông số công suất gia nhiệt của bộ phát RF trong quá trình sấy nấm linh chi. Trong đó, giá trị công suất gia nhiệt của bộ phát phụ thuộc vào ẩm độ của nấm linh chi.
- Xây dựng đư c mô hình toán mô tả quá trình truyền nhiệt truyền ẩm trong quá trình sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF trong đó có xét đến nguồn sinh nhiệt bên trong VLS do ẩm trong VLS hấp thụ n ng lư ng sóng RF và ảnh hưởng của dòng khuếch tán ẩm đến dòng nhiệt.
- Xây dựng đư c các đường cong động học quá trình sấy nấm linh chi bằng phương pháp sấy bơm nhiệt kết h p sóng RF.
- Xây dựng đư c mô hình hồi quy đa yếu tố cho quá trình sấy nấm linh chi Việt Nam bằng phương pháp sấy bơm nhiệt kết h p sóng RF.
- Xác định đư c chế độ sấy phù h p cho nấm linh chi nhằm đảm bảo đư c chất lư ng của sản phẩm sấy nấm Linh chi trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nấm linh chi 1.1.1. Khái niệm về nấm linh chi
Linh chi là loại thuốc quý hiếm đã đư c nghi n cứu và sử dụng từ rất lâu. Nấm linh chi có tên khoa học là Ganoderma lucidum, thuộc họ nấm Lim.
M nấm hoá gỗ, x e tròn, khi non có hình trứng, lớn d n có hình quạt, hình b u dục.
Trên mặt m có vân gạch đồng tâm màu sắc đa dạng như vàng chanh, vàng nghệ, vàng nâu, vàng cam, đỏ nâu, nâu t m, đư c phủ bởi lớp sắc tố bóng như láng vecni. M nấm có đường kính 120 – 150 mm, dày 12 - 15 mm.
1.1.2. Thành phần các hoạt tính của nấm linh Chi
Nấm linh chi là một loại dư c phẩm quý có công dụng bồi bổ sức khỏe và hộ tr điều trị bệnh hiệu quả (Trigos và ctv, ). Thành ph n các hoạt tính của nấm linh chi đư c thể hiện như trong bảng 1.1 ( atra và ctv, ).
Bảng 1.1. Thành phần các chiết chất hoạt tính ở nấm linh Chi
Nhóm chất Hoạt chất Hoạt tính
Alcaloid *** Tr tim
Polysaccharides b-D-glucan
Ganoderan A, B, C, D-6
Chống ung thư, t ng t nh miễn dịch Hạ đường huyết
T ng tổng h p protein, t ng chuyển hóa acid nucleotic
Steroid
Ganodosteron Lanosporeric acid A Lonosteron
Giảm độc gan
Ức chế sinh tổng h p cholesterol
Triterpenoid
Ganodermic acid Mf, T-O Ganodermic acid R, S Ganodermic acid B, D, F, H, K, S, Y…
Ganodermadiol Ganosporelacton A, B Lucidon A
Lucidol
Ức chế sinh tổng h p cholesterol Ức chế giải phóng Histamin Hạ huyết áp, ức chế ACE Chống khối u
Bảo vệ gan
Nucleosid Adenosine d n suất Ức chế kết dính tiểu c u, thư giãn cơ, giảm đau Protein Lingzhi – 8 Chống dị ứng phổ rộng, điều hòa miễn dịch
Acid béo Oleic acid Ức chế giải phóng Histamin
1.2. Tổng quan về ứng dụng phƣơng pháp sấy ơ nhiệt h nông sản, thực phẩm Nghi n cứu ứng dụng phương pháp sấy bơm nhiệt cho n ng sản, thực phẩm đư c trình bày trong bảng .
ảng 1. . Ứng dụng phƣơng pháp sấ ơ nhiệt h n ng sản, thực phẩm
STT Tá giả Vật iệu ết uả
1 Nguyễn Đức L i (1998) sấy kẹo sấy bơm nhiệt đạt
hiệu quả sấy cao cả về tốc độ sấy và khả n ng tiết kiệm điện n ng tiêu thụ
2 Oktay và ctv (2003) sấy s i 3 Kohayakawa và ctv (2004) sấy xoài
4 Adapa và ctv (2005) củ sâm và các loại rau thơm 5 Hawlader và ctv (2006) sấy đậu xanh
6 Chegini và ctv (2007) sấy ổi
7 Aktas và ctv (2009) sấy táo bằng hệ thống sấy bơm nhiệt kết h p với n ng lư ng mặt trời 8 Nguyễn Mạnh Hùng (2012) sấy khoai tây
9 Gokul và ctv ( 7) sấy hạt đậu xanh bằng phương pháp sấy kết h p bơm nhiệt - t ng s i
Perera (2001) sấy táo sấy bằng bơm
nhiệt với nhiệt độ TNS thấp giúp 10 Phạm V n Tùy và ctv
(2003)
sấy cà rốt, hành tây, củ cải và thì là
11 Phani và ctv (2005) sấy vật liệu nhạy nhiệt giữ đư c thành ph n chất dinh dưỡng, đặc tính lý hóa c ng như màu sắc mùi vị của sản phẩm sấy 12 Hawlader và ctv. (2006) sấy táo, ổi và khoai tây
13 Guochen và ctv (2009) sấy tôm
14 Lê Thị Đoan Thùy ( ) sấy hành lá bằng phương pháp sấy bơm nhiệt kết h p bức xạ hồng ngoại
15 Yue và ctv (2013) sấy chuối bằng bơm nhiệt kết h p hồng ngoại
16 Chien và ctv ( ) sấy táo cắt lát bằng phương pháp sấy bơm nhiệt kết h p chân kh ng - vi sóng 17 Lê Quang Huy (2017) sấy phấn hoa
1.3. Tổng quan về công nghệ sấy ứng dụng sóng radio 1.3.1. Nguyên lý gia nhiệt ng sóng radio
Sóng RF có t n số hoạt động trong dải từ MHz đến MHz. Trong đó có ba giá trị t n số hoạt động đư c ứng dụng trong công nghiệp là 13 MHz, 27 MHz và 40 MHz (Electron. Code Fed.Regul. (ECFR), 2017).
Trong hệ thống sấy ứng dụng sóng RF, bộ phát sóng RF sẽ tạo ra một điện trường thay đổi giữa hai bản điện cực. Vật liệu ẩm luôn tồn tại các ion dương, ion âm, điện tử và các phân tử phân cực. o đó, khi vật liệu ẩm đư c đặt giữa hai bản điện cực RF thì điện trường thay đổi giữa hai bản điện cực sẽ tác dụng khiến các ion và các điện tử liên tục đổi chiều chuyển động trong khi các phân tử phân cực liên tục đổi chiều quay. Hiện tư ng này đã ti u tốn một n ng lư ng nhất định của điện trường sinh ra bởi sóng RF và biến n ng lư ng này thành nhiệt n ng làm cho vật liệu ẩm nóng lên nhanh chóng trên toàn bộ vật liệu.
Cơ chế gia nhiệt bằng sóng RF là cơ chế gia nhiệt thể tích trên toàn bộ VLS sẽ giúp t ng tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ phân bố đều trên toàn bộ thể tích vật liệu giúp cho quá trình khuếch tán ẩm diễn ra nhanh hơn trong quá trình sấy gi p r t ngắn thời gian sấy (Yang và ctv, 2018).
1.3.2. Ứng dụng ủa sóng radio t ng ng nghệ sấ
Nghi n cứu ứng dụng của sóng radio trong c ng nghệ sấy đư c trình bày trong bảng 1.3
ảng 1. . Ứng dụng ủa s ng radio t ng ng nghệ sấ
STT Tá giả Vật iệu ết uả
1 Balakrishnan và ctv (2004) sấy các loại da tổng h p sấy bằng RF hoặc kết h p RF với phương pháp sấy khác gi p t ng tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ và ẩm độ phân bố đều tr n thể t ch VLS
2 Yunyang Wang và ctv (2012)
sấy hạt Mắc ca 3 Yunyang Wang và ctv
(2013)
sấy quả Hạnh Nhân bằng không khí nóng kết h p với n ng lư ng sóng RF
4 Wang và ctv (2014) sấy quả Mắc ca bằng không khí nóng kết h p sóng RF
5 Zhou và ctv (2018) sấy quả óc chó
6 Jumah (2005) sấy hạt ng cốc bằng t ng sôi kết h p sóng RF
sấy bằng RF hoặc kết h p RF với phương pháp sấy khác gi p cải thiện tốc độ và nâng cao chất lư ng sản phẩm sấy cả về dinh dưỡng và cảm quan
7 Piyachat (2012) sấy gạo bằng đối lưu kh ng kh nóng kết h p với sóng RF 8 Jiao và ctv (2016) sấy đậu phụng bằng không khí
nóng kết h p sóng RF
1.4. Tổng quan về công nghệ làm khô nấm linh chi ở Việt Nam và trên thế giới 1.4.1. Công nghệ làm khô nấm linh chi trên thế giới
Wei Cui và ctv (2006) đã thực nghiệm sấy nấm linh Chi theo phương pháp sấy đối lưu kh ng kh nóng, sấy chân kh ng và sấy chân kh ng kết h p vi sóng. Kết quả cho thấy phương pháp tốt nhất cả về thời gian sấy và chất lư ng sản phẩm sấy là sấy chân kh ng kết h p vi sóng. Sản phẩm sấy v n giữ đư c màu sắc mùi vị của nấm.
Christina và Arun ( 8) đã thực nghiệm sấy nấm linh chi bằng phương pháp sấy đối lưu kh ng khí nóng tu n hoàn. Kết quả cho thấy sấy ở nhiệt độ 600C là tốt nhất và đảm bảo đư c cấu trúc bề mặt nấm đồng thời bảo toàn đư c hàm lư ng dư c chất cao nhất.
Chin và ctv ( ) đã thực nghiệm sấy nấm linh chi bằng bốn phương pháp: sấy đối lưu kh ng kh nóng, sấy lạnh, sấy chân không và sấy bơm nhiệt. Kết quả cho thấy sấy bơm nhiệt tại nhiệt độ 30oC duy trì đư c 88,5% hàm lư ng Polysaccharide và rút ngắn đư c thời gian sấy đáng kể so với sấy lạnh và sấy chân không. Sấy đối lưu kh ng kh nóng chỉ duy trì đư c 8 % hàm lư ng Polysaccharide.
Liuping Fan và ctv ( ) đã thực nghiệm sấy nấm linh chi bằng ba phương pháp sấy bằng kh ng kh nóng, sấy chân kh ng và sấy lạnh chân kh ng. Kết quả cho thấy phương pháp sấy lạnh chân kh ng là hiệu quả nhất trong đó nấm linh chi v n giữ đư c các dư c chất quan trong như Polysaccharide, hydroxyle và peoxide.
Chin và ctv ( ) đã thực nghiệm sấy nấm linh chi bằng phương pháp sấy đối lưu kh ng kh nóng. Kết quả thực nghiệm cho thấy chế độ sấy để đạt thời gian sấy thấp nhất và bảo toàn đư c lư ng cao nhất đối với các dư c chất như axit Ganoderic và Polysaccharies là sấy với nhiệt độ TNS nằm trong dải từ 50 - 65oC, vận tốc TNS 1,66 m/s, bề dày vật liệu là 0,1 cm.
Bai và ctv (2013) đã thực nghiệm sấy nấm linh chi bằng không khí nóng ở nhiệt độ trong khoảng 55 - 70°C. Kết quả cho thấy hàm lư ng Polysaccharide t ng khi nhiệt độ t ng từ 55 - 65°C và giảm khi nhiệt độ đạt trên 65 - 70°C.
Chin và ctv ( ) đã thực nghiệm sấy nấm linh chi quả thể và thái lát theo phương pháp sấy hai giai đoạn (giai đoạn đ u sấy chân kh ng và giai đoạn tiếp theo là sấy bơm nhiệt). Phương pháp sấy hai giai đoạn giúp cải thiện đư c quá trình động học sấy, c ng như việc bảo toàn cả hai loại dư c chất axit Ganoderic và Polysaccharides đồng thời gi p t ng tốc độ sấy, rút ngắn tổng thời gian sấy đáng kể so với phương pháp sấy một giai đoạn.
Hayati và và ctv ( 6) đã thực nghiệm sấy nấm linh chi bằng phơi nắng, phơi nắng có che màn đen, phơi trong bóng râm, sấy đối lưu và sấy đối lưu kh ng khí nóng tu n hoàn.
Kết quả cho thấy sấy đối lưu kh ng kh nóng tu n hoàn ở nhiệt độ 50°C và vận tốc TNS 1.65 m/s cho kết quả hàm lư ng Polysaccharides là cao nhất.
Prasetyo và ctv (2017) đã thực nghiệm sấy nấm linh chi bằng đối lưu kh ng kh nóng tu n hoàn. Kết quả cho thấy sấy ở nhiệt độ 50°C và vận tốc TNS 1,3 m/s là phù h p nhất để duy trì hàm lư ng Polysaccharides, tại nhiệt độ sấy 40°C sẽ kéo dài thời gian sấy và làm giảm hàm lư ng Polysaccharides. Tại nhiệt độ 70°C có thể rút ngắn thời gian sấy nhưng lại làm giảm hàm lư ng Polysaccharide do ảnh hưởng của nhiệt độ cao.
Tại Trung uốc, phương pháp sấy bằng thiết bị sấy đối lưu kh ng kh nóng và phương pháp phơi nắng đư c sử dụng để làm kh nấm linh chi.
Tại Hàn Quốc, nấm linh chi chủ yếu đư c làm kh theo phương pháp sấy đối lưu bằng không khí nóng với các khay sấy bố trí thành nhiều t ng bên trong khoang sấy.
Tại một số nước châu Âu, nấm linh chi sau khi thu hoạch v n đư c phơi kh hoặc làm khô bằng thiết bị sử dụng n ng lư ng mặt trời và sấy th ng hoa.
1.4.2. C ng nghệ h nấ linh hi ở Việt Na
Sở khoa học và công nghệ Bến Tre sử dụng phương pháp phơi kh nấm dưới nắng từ 2 - 3 nắng để bảo quản.
Trung tâm Công nghệ sinh học Thực vật, Viện Di truyền Nông nghiệp tiến hành làm khô nấm linh chi bằng hai phương pháp ch nh như: phương pháp phơi kh và phương pháp sấy bằng thiết bị sấy đối lưu sử dụng không khí nóng.
Tại công ty Trách nhiệm hữu hạn Sài Gòn Linh Chi (SAGO) Quận Tân Bình, TP.HCM sấy nấm linh chi bằng đối lưu không khí nóng ở nhiệt độ 50 – 600C.
Viện Nghi n cứu C ng nghệ Sinh học và M i trường, Trường Đại học N ng âm TP HCM thực hiện sấy nấm linh chi bằng tủ sấy đối lưu, sử dụng nhiệt điện trở, nhiệt độ sấy khoảng 50 – 55oC, thời gian sấy khoảng 12 – 14h.
Nguyễn Hay và ctv (Trường Đại học N ng âm TP HCM, ) đã thực nghiệm sấy nấm linh chi dựa tr n phương pháp là phơi nắng, sấy bằng kh ng kh nóng và sấy bơm nhiệt. Kết quả cho thấy sấy bơm nhiệt đạt đư c thời gian sấy ngắn hơn đáng kể và nấm linh chi sau khi sấy v n giữ đư c màu sắc, mùi vị đặc trưng của nấm.
Hiện nay trên thị trường có xuất hiện rất nhiều các thiết bị sấy nấm linh chi ứng dụng phương pháp sấy đối lưu bằng không khí nóng, vật liệu sấy đư c bố trí trên các khay, nhiệt độ sấy có thể điều chỉnh theo yêu c u.
1.5. Thả uận v đề xuất phƣơng án sấy nấm linh chi
Các kết quả nghiên cứu về ứng dụng phương pháp sấy bơm nhiệt vào kỹ thuật sấy nông sản, thực phẩm cho thấy sấy bằng bơm nhiệt với nhiệt độ TNS thấp giúp giữ đư c thành ph n chất dinh dưỡng, đặc tính lý hóa c ng như màu sắc mùi vị của sản phẩm sấy (Perera, 2001; Phạm V n Tùy, 2003; Hawlader và ctv, 6; Guochen và ctv, 9; Yue và ctv, 2013; Lê Quang Huy, 2017). Sấy bơm nhiệt c ng đạt hiệu quả sấy cao cả về tốc độ sấy và khả n ng tiết kiệm điện n ng ti u thụ (Kohayakawa và ctv, 2004; Adapa và ctv, 2005;
Hawlader và ctv, 2006; Chegini và ctv, 2007; Aktas và ctv, 2009). Phương pháp sấy bơm nhiệt c ng đư c nghiên cứu và ứng dụng cho sấy nấm linh chi với kết quả cho thấy sấy bơm nhiệt giúp rút ngắn thời gian sấy và duy trì đư c hàm lư ng cao Polysaccharide trong nấm (Chin và ctv, ).
Công nghệ gia nhiệt bằng sóng RF đã đư c nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật sấy. Trong đó, các kết quả nghiên cứu cho thấy với cơ chế gia nhiệt thể tích, sóng RF giúp tốc độ gia nhiệt nhanh và đều trên toàn bộ thể tích vật liệu sấy. Sấy bằng sóng RF giúp giảm thời gian sấy và nâng cao chất lư ng sản phẩm sấy cả về dinh dưỡng và cảm quan (Balakrishnan và ctv, 2004; Yunyang Wang và ctv, 2012, 2013; Wang và ctv, 2014; Zhou và ctv, 2018; Jumah, 2005; Piyachat và ctv, 2012; Jiao và ctv, 2016)
Nấm linh chi là một loại dư c phẩm chứa một lư ng đáng kể các dư c chất như Polysaccharides, Tannin, Triterpenoid, Steroid, Saponin… Trong đó, Polysaccharides là nhóm chất quý và quan trọng nhất với t nh n ng bồi bổ sức khỏe, t ng cường hệ miễn dịch, chống khối u, chống viêm, chống virus, chống ung thư và kháng HIV (Perumal, 2009). Tuy nhi n, Polysaccharides là dư c chất rất nhạy nhiệt nên c n đư c lưu ý trong quá trình sấy nấm linh chi. Đã có nhiều nghiên cứu về phương pháp sấy và chế độ sấy nhằm duy trì tốt nhất hàm lư ng Polysaccharides trong nấm linh chi với kết quả cho thấy các mức giá trị
thông số đ u vào phù h p giúp giảm thời gian sấy mà v n duy trì hàm lư ng Polysaccharides là tại mức nhiệt độ TNS trong khoảng từ 45 - 65oC và vận tốc TNS trong khoảng từ 1,3 - 1,65 m/s (Chin và ctv, ; ai và ctv, ; Hayati và ctv, 6; Prasetyo và ctv, 7). Bên cạnh đó, nấm linh chi là loại vật liệu có hàm lư ng nước cao, hệ số d n nhiệt thấp nên phương pháp sấy phù h p là phải sấy ở nhiệt độ thấp nhằm giữ đư c các dư c chất nhưng phải có biện pháp để t ng tốc độ sấy. Vấn đề này có thể giải quyết đư c bằng cách kết h p gia nhiệt ứng dụng các phương pháp khác như gia nhiệt bằng sóng RF.
ựa tr n cơ sở về đặc t nh và y u c u đối với sản phẩm sấy nấm linh chi, cơ chế sấy bơm nhiệt và cơ chế gia nhiệt bằng sóng RF, phương pháp sấy bơm nhiệt kết h p sóng RF có thể coi là phù h p với những luận điểm phân t ch sau:
i) Ti u ch quan trọng của sản phẩm nấm linh chi là
- Chất lư ng dinh dưỡng: hàm lư ng dư c chất b n trong nấm.
- Chất lư ng cảm quan: màu sắc, mùi vị đặc trưng của nấm và thẩm mỹ bề mặt của nấm giảm thiểu bị cong v nh.
ii) Đặc t nh của phương pháp sấy bơm nhiệt với nhiệt độ TNS thấp gi p:
ảo toàn đư c hàm lư ng các dư c chất nhạy nhiệt trong nấm linh chi uy trì đư c màu sắc mùi vị đặc trưng của nấm
iii) Đặc t nh của phương pháp sấy ứng dụng sóng RF với cơ chế gia nhiệt thể t ch b n trong l ng V S gi p:
+ Tốc độ gia nhiệt nhanh, gradient nhiệt độ và gradient ẩm cùng chiều n n thuận l i cho quá trình khuếch tán ẩm gi p t ng tốc độ sấy.
+ Khi thời gian sấy đư c r t ngắn sẽ giảm thời gian tiếp x c của các dư c chất nhạy nhiệt với nhiệt độ gi p bảo toàn đư c hàm lư ng các dư c chất trong nấm.
+ Nhiệt độ phân bố đồng đều trong toàn bộ thể t ch V S gi p giảm thiểu cong v nh bề mặt sản phẩm sấy.
Trên thế giới và tại Việt Nam, thực trạng tại các cơ sở nuôi trồng nhỏ lẻ hộ gia đình thậm ch các cơ sở vừa và lớn v n thường sử dụng phương pháp làm kh truyền thống là phơi nắng để bảo quản nấm linh chi. Phương pháp này có thể phơi với số lư ng nhiều tuy nhiên vấn đề về vệ sinh thực phẩm kém, chất lư ng sản phẩm giảm cả về dinh dưỡng và cảm quan. Hiện nay phương pháp sấy đối lưu sử dụng kh ng kh nóng c ng đã nhanh chóng đư c ưa chuộng và sử dụng khá rông rãi vì một số ưu điểm của nó là chi phí không cao, dễ vận hành, thời gian sấy nhanh hơn. Tuy nhiên sấy bằng không khí nóng với nhiệt độ TNS cao sẽ làm mất đi dư c chất của nấm, bề mặt nấm dễ bị cong vênh và không giữ đư c màu sắc của nấm.
Trên thế giới v n chưa có nghi n cứu nào về phương pháp sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF. Luận án lựa chọn phương pháp sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF để thực hiện nghiên cứu kỹ thuật sấy nấm linh chi tại Việt Nam. Trong đó, m hình toán mô tả quá trình truyền nhiệt truyền chất trong qua trình sấy đư c xây dựng. Thực nghiệm sấy đư c tiến hành nhằm kiểm chứng mô hình toán lý thuyết và xác định chế độ sấy phù h p cho nấm linh chi với hai ti u ch đ u ra là thời gian sấy và chất lư ng sản phẩm sấy nấm linh chi.
CHƢƠNG . VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu nghiên cứu
Nấm linh chi sử dụng trong nghiên cứu là loại nấm linh chi đỏ (Ganoderma Lucidum).
Đây là loại nấm linh chi đư c nuôi trồng rất phổ biến tại Việt Nam và trên thế giới. Nấm đư c chọn sử dụng cho thực nghiệm trồng tại trại nấm Đ ng Thành, Thị xã Tân Uyên, Bình ương, sau ngày thì thu hoạch, có màu đỏ nâu óng với đường k nh m nấm đạt từ 120 - 150 mm, bề dày trung bình 15 mm. Nấm tươi sau khi thu hoạch có độ chứa ẩm TB là 3 ± 0,05 (kg Â/ kg VLK). Khối lư ng nấm linh chi cho mỗi mẻ sấy là 2 kg.
2.2. Phƣơng pháp nghiên ứu lý thuyết
Quá trình TNTA đư c nghiên cứu nhằm thiết lập HPT TNTA dựa tr n cơ chế sấy bằng bơm nhiệt kết h p gia nhiệt bằng sóng RF. Trong đó, TNS sau khi đi qua hệ thống bơm nhiệt đư c trao đổi nhiệt - ẩm đối lưu với VLS trong buồng sấy. Cùng l c đó, sóng RF sẽ kết h p gia nhiệt cho VLS với cơ chế gia nhiệt thể tích trong lòng VLS. o đó, quá trình truyền nhiệt có xét đến nguồn sinh nhiệt bên trong VLS do ẩm trong VLS hấp thụ n ng lư ng sóng RF. Nguồn sinh nhiệt này đư c đặc trưng bởi thông số công suất gia nhiệt, qRF (W/m3) thay đổi liên tục theo ẩm độ VLS trong suốt quá trình sấy.
Quá trình TNTA xem như là quá trình truyền nhiệt truyền ẩm đối với tấm phẳng và là một chiều có xét đến hiện tư ng khuếch tán ẩm ảnh hưởng đến truyền nhiệt.
Như vậy, bài toán TNTA đư c xây dựng c n cứ vào lý thuyết TNTA cơ bản ứng dụng trong kỹ thuật sấy, cơ chế gia nhiệt thể tích bằng sóng RF đối với VLA và mô hình vật lý quá trình sấy nấm linh chi bằng đối lưu kết h p gia nhiệt bằng sóng RF.
Hệ phương trình TNTA đư c giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn trong đó thuật toán giải hệ phương trình đư c lập trình trên máy tính sử dụng ph n mềm Matlab.
Nghiệm của hệ phương trình TNTA đư c sử dụng để so sánh, đánh giá và kết luận về các vấn đề li n quan đến động học quá trình sấy như ảnh hưởng của các thông số đ u vào (nhiệt độ TNS, vận tốc TNS và công suất bộ phát sóng RF) đến sự thay đổi nhiệt độ và ẩm độ của VLS trong quá trình sấy.
. . Phƣơng pháp nghiên ứu thự nghiệ
Thực nghiệm xác định các thông số nhiệt - vật lý của nấm linh chi và Thực nghiệm xác định th ng số công suất gia nhiệt của bộ phát sóng RF Thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết
uy hoạch thực nghiệm xác định th ng số của chế độ sấy phù h p 2.4. Thiết bị thực nghiệm
Để phục vụ cho nghi n cứu thực nghiệm của luận án, thiết bị thực nghiệm sấy nấm linh chi đư c sử dụng là máy sấy bơm nhiệt kết h p với sóng RF. Máy sấy đư c tính toán thiết kế và chế tạo để ứng dụng cho sấy thực nghiệm các loại dư c liệu cao cấp trong đó có nấm linh chi và Đẳng sâm (Nguyen Hay và ctv, 8). Mô hình máy sấy như trong hình 2.1.
Sơ đồ mô hình máy sấy bơm nhiệt kết h p sóng RF đư c trình bày như trong hình .2.
Trong đó, . máy nén; . dàn ngưng tụ phụ ; 3. van tiết lưu; . dàn ngưng tụ ; 5. dàn bay hơi;
6. tủ điều khiển bơm nhiệt; 7. quạt hút TNS; 8. khay sấy; 9. buồng sấy; 10. bản điện cực RF;
11. tủ điều khiển bộ phát RF; 12. c n điều khiển công suất bộ phát RF; 13. công tắc cấp nguồn điện.
Máy sấy đư c đặt tại xưởng thực hành bộ môn Máy sau thu hoạch, khoa Cơ khí Công nghệ, trường Đại học N ng âm. TP. HCM. Thời gian thực nghiệm từ 8 7 đến 8 8.
Hình 2.1. Mô hình máy sấy bơm nhiệt kết h p RF
Hình 2.2. Sơ đồ mô hình máy sấy bơm nhiệt kết h p RF
CHƢƠNG . KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
3.1. M hình t án ủa uá t ình t u ền nhiệt t u ền ẩ t ng uá t ình sấ ng ơ nhiệt ết hợp s ng radio
Sơ đồ mô hình sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF đư c trình bày trong hình 3.1. Sơ đồ m hình toán TNTA trong quá trình sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF đư c trình bày như trong hình . . M hình vật lý quá trình sấy nấm linh chi đư c trình bày như trong hình . .
Trong m hình toán TNTA, V S là nấm linh chi đư c xếp thành lớp trong khay sấy có cấu tạo nhiều lỗ dạng lưới. Khay sấy chứa V S đư c đặt giữa hai bản điện cực RF trong buồng sấy. Nguy n lý sấy bơm nhiệt kết h p sóng RF là sự kết h p giữa sấy đối lưu bằng TNS và gia nhiệt đồng thời bằng sóng RF. Trong đó, TNS sau khi đi qua hệ thống bơm nhiệt sẽ có nhiệt độ, độ ẩm tương đối và vận tốc xác định đư c trao đổi nhiệt - ẩm đối lưu với V S trong buồng sấy. Cùng l c đó, sóng RF sẽ kết h p gia nhiệt cho V S với cơ chế gia nhiệt thể t ch b n trong V S. Sự kết h p này sẽ gi p cho quá trình truyền nhiệt truyền ẩm diễn ra nhanh hơn trong đó sự ảnh hưởng qua lại giữa truyền nhiệt và truyền ẩm c ng thể hiện rõ hơn.
Theo cơ chế sấy bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF, quá trình truyền nhiệt bao gồm d n nhiệt b n trong V S, trao đổi nhiệt đối lưu giữa bề mặt VLS và TNS và nguồn sinh nhiệt bên trong VLS do ẩm trong VLS hấp thụ n ng lư ng sóng RF. Cơ chế này tương tự như kết quả nghiên cứu của các tác giả trước đây về quá trình truyền nhiệt trong quá trình sấy có sử dụng sóng RF (Francesco và ctv, 9; Ciprian và ctv, ).
Cơ chế chính của quá trình sấy là cung cấp nhiệt lư ng để ẩm trong VLS chuyển hóa thành hơi khuếch tán ra ngoài bề mặt V S và trao đổi ẩm với TNS. Hơn nữa, cơ chế gia nhiệt bằng sóng RF là gia nhiệt thể tích trong lòng VLS với công suất gia nhiệt, qRF (kW/
m3) thay đổi liên tục theo ẩm độ VLS trong suốt quá trình sấy. Điều này chứng tỏ quá trình khuếch tán ẩm ảnh hưởng nhiều đến quá trình truyền nhiệt. Vì vậy, trong phương trình truyền nhiệt có xét đến hiện tư ng khuếch tán ẩm ảnh hưởng đến truyền nhiệt. Ảnh hưởng này đư c thể hiện bởi thành ph n nhiệt lư ng c n thiết cấp cho ẩm biến đổi pha từ lỏng thành hơi trong V S. Hiện tư ng khuếch tán ẩm ảnh hưởng đến truyền nhiệt đã đư c các tác giả trước đây đề cập đến trong các mô hình toán TNTA trong quá trình sấy (Gokhan, 2008; Preeda, 2014; Đặng uốc Ph , 6).
M hình toán cho quá trình truyền nhiệt truyền ẩm đư c thiết lập với một số giả thiết sau:
- Quá trình TNTA xem là TNTA đối với tấm phẳng và là một chiều theo phương x như trong hình 3.4.
- Mật độ tiếp xúc giữa TNS với bề mặt trên và bề mặt dưới của VLS là như nhau.
- Quá trình truyền nhiệt bao gồm d n nhiệt b n trong V S và trao đổi nhiệt đối lưu giữa bề mặt V S và TNS trong đó có nguồn sinh nhiệt bên trong VLS do ẩm trong VLS hấp thụ n ng lư ng sóng RF.
- Biến dạng của V S xem như kh ng đáng kể trong quá trình sấy.
- Nhiệt độ ban đ u và ẩm độ ban đ u của V S đư c xem như đồng nhất.
- Vật liệu sấy là đồng nhất, không có phản ứng hóa học, không có nguồn sinh ẩm bên trong.
- Các tính chất nhiệt - vật lý của VLS phụ thuộc vào nhiệt độ và ẩm độ.
Hình 3.1. Mô hình sấy nấm linh chi bằng
bơm nhiệt kết h p sóng RF Hình . . Sơ đồ truyền nhiệt truyền ẩm
Hình . . M hình vật lý quá trình sấy nấm linh chi
Hình 3.4. Mô hình tấm phẳng của VLS Phương trình truyền nhiệt khi xét có nguồn nhiệt phát sinh trong lòng vật liệu đư c thành lập dựa tr n cơ sở bảo toàn n ng lư ng và định luật Fourier [Hoàng Đình T n, ; Đặng Quốc Phú, 2006]. Dựa tr n định luật bảo toàn n ng lư ng ta có phương trình cân bằng nhiệt cho phân tố vô cùng nhỏ của VLS đư c tính theo công thức sau:
(3.1)
Trong đó, là độ biến thiên nội n ng sau khoảng thời gian đư c tính theo công thức:
(3.2)
là nhiệt lư ng nhân tố nhận đư c sau khoảng thời gian và đư c tính theo công
thức: (3.3)
Trong đó, là lượng nhiệt vào phân tố theo phương x
x là lượng nhiệt ra khỏi phân tố theo phương x
Ta có:
Tương tự ta có:
và
ậ : ( ) (3.4) Đặt t - Toán tử Laplace, ta có: t (3.5) Trong quá trình sấy có kết h p gia nhiệt bằng sóng RF thì nguồn nhiệt lư ng phát sinh trong lòng VLS do ẩm trong VLS hấp thụ n ng lư ng sóng RF chính là nguồn sinh nhiệt. Khi đó c ng suất gia nhiệt của bộ phát RF, q m ch nh là n ng suất sinh nhiệt thể t ch. Khi đó nhiệt sinh ra trong phân tố sau khoảng thời gian đư c tính theo công thức:
q q (3.6)
Khi đó phương trình ( . ) đư c viết lại như sau:
t q hay: t (3.7) Dựa tr n cơ sở lý thuyết về quan hệ tuyến tính Onzager khi cân bằng nhiệt và ẩm cho một phân tố vô cùng nhỏ và hệ phương trình TNTA cho V A đư c các tác giả trước đây thiết lập [A.Luikov, 1980; Hoàng V n Chước, 1999; Tr n V n Ph , ], tác giả Nguyễn Mạnh Hùng (2012) đã thiết lập hệ phương trình TNTA trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt cho các lát mỏng khoai tây trong đó kh ng có nguồn sinh nhiệt trong lòng VLS và có xét đến hiện tư ng khuếch tán ẩm ảnh hưởng đến truyền nhiệt. Hệ phương trình TNTA như sau:
{
t
r
i
ii (3.8) Trong luận án, quá trình sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt có kết h p gia nhiệt bằng sóng radio như đã trình bày với các luận cứ và giả thuyết bên trên thì hệ phương trình TNTA (3.8) là phù h p cho mô hình toán TNTA trong quá trình sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p gia nhiệt bằng sóng RF trong đó phương trình truyền nhiệt (i) của hệ phương trình ( .8) phải xét thêm nguồn nhiệt lư ng phát sinh trong lòng VLS do ẩm trong VLS hấp thụ n ng lư ng sóng RF. o đó, kết h p phương trình ( .7) và hệ phương trình (3.8), hệ phương trình TNTA cho quá trình sấy n m linh chi bằng bơm nhiệt có kết h p gia nhiệt bằng sóng radio đư c thiết lập như hệ phương trình ( .9). Trong đó, quá trình TNTA trong quá trình sấy xem như là quá trình truyền nhiệt truyền ẩm đối với tấm phẳng và là một chiều với phương truyền theo phương mặt cắt ngang bề dày VLS.
{
r
q
(3.9)
Để thiết lập điều kiện bi n cho m hình truyền nhiệt truyền ẩm, ta áp dụng lý thuyết điều kiện bi n loại đối với truyền nhiệt kh ng ổn định qua vách phẳng với cơ chế truyền nhiệt và khuếch tán ẩm tại bi n V S là cơ chế trao đổi nhiệt - ẩm đối lưu giữa bề mặt V S và TNS (Đặng uốc Ph , 6; Gokhan, 2008; Preeda, 2014; Ahmet, 2015).
Ta có phương trình trao đổi nhiệt tại lớp bi n của vật liệu như phương trình ( .10):
|
t t |
r | (3.10)
Tương tự như trao đổi nhiệt, trao đổi ẩm tại lớp bi n c ng đư c thể hiện bởi d ng khuếch tấn ẩm từ các ph n tử tại lớp bi n của VLS vào TNS do trao đổi ẩm đối lưu giữa các ph n tử lớp bi n và TNS cho tới khi VLS đạt ẩm độ cân bằng. Ta có phương trình trao đổi ẩm tại lớp bi n có dạng như phương trình ( .11).
|
| (3.11)
Điều kiện đơn trị như sau:
- Điều kiện ban đ u
t x t ; x (3.12)
- Điều kiện đối xứng
|
; |
(3.13)
3.2. Kết quả xá định các thông số nhiệt - vật lý của nấm linh chi 3.2.1. Khối ƣợng riêng của nấm linh chi
Khối lư ng riêng của vật liệu đư c xác định bằng phương pháp thế chỗ chất lỏng ứng dụng định luật Archimedes với dung môi hữu cơ đư c sử dụng là Toluen. Nấm inh chi đư c thực nghiệm với các mức giá trị độ chứa ẩm TB VLS là , 8; , ; ,6 ; , ; ,78 và 2,33 (kg Â/ kg VLK).
Từ số liệu thực nghiệm thu đư c về khối lư ng riêng của nấm linh chi phụ thuộc vào ẩm độ của nấm, xử lý số liệu thực nghiệm bằng ph n mềm SPSS để xác định quan hệ giữa khối lư ng riêng và ẩm độ của nấm linh chi. Kết quả đã xác định đư c mối quan hệ này là hàm phi tuyến theo công thức (3.14).
599,9+57,287.M+16,351.M2 (3.14)
(R2 = 0,99)
3.3.2. Nhiệt dung riêng của nấm linh chi
Nhiệt dung riêng của nấm linh chi đư c xác định bằng phương pháp h a trộn hỗn h p sử dụng nhiệt lư ng kế (Aviara và ctv, ). Nấm linh chi đư c thực nghiệm với các mức giá trị độ chứa ẩm T V S là , 8; , ; ,6 ; , ; ,78 và , (kg kg V K).
Từ kết quả thực nghiệm thu đư c về nhiệt dung riêng của nấm linh chi phụ thuộc vào ẩm độ của nấm, xử lý số liệu thực nghiệm bằng ph n mềm SPSS để xác định quan hệ giữa nhiệt dung riêng và ẩm độ của nấm linh chi. Kết quả đã xác định đư c mối quan hệ này là hàm phi tuyến theo công thức (3.15).
Ln (3.15)
(R2 = 0,99)
3.3.3. Ẩ độ cân b ng của nấm linh chi
Dữ liệu thực nghiệm về đặc tính hấp thụ ẩm của nấm linh chi đư c thực hiện với ba mức nhiệt độ 30, 40 và 50oC. Các muối bão h a đư c ứng dụng cho thực nghiệm bao gồm:
Lithium Chloride, Potassium Fluoride, Magnesium Chloride, Magnesium Nitrate,
Potassium Lodide, Sodium Chloride, Potassium Bromide, Potassium Nitrate. Dữ liệu thực nghiệm đư c thu thập để phân t ch đánh giá mức độ phù h p đối với các m hình toán đã lựa chọn bao gồm: phương trình hiệu chỉnh Henderson (MHE) (Thompson, 1968); phương trình hiệu chỉnh Chung – Pfost (MCP) (Pfost, 1976); phương trình hiệu chỉnh Oswin (MOS) (Iglesias, 1976) và phương trình hiệu chỉnh Halsey (MHA) (Oswin, 1946).
Kết quả thực nghiệm xác định ẩm độ cân bằng của nấm linh chi theo nhiệt độ và ẩm độ m i trường thực nghiệm đư c xử lý theo phương pháp hồi quy không tuyến tính bằng ph n mềm quy hoạch thực nghiệm SPSS để phân t ch đánh giá mức độ phù h p đối với các m hình toán đã lựa chọn. Kết quả cho thấy hai thông số sai số SEE và RSS có giá trị thấp nhất và hệ số tương quan R2 là cao nhất đối với phương trình modified Chung–Pfost. Vậy, phương trình modified Chung–Pfost đư c chọn để biểu diễn mối quan hệ của ẩm độ cân bằng của nấm linh chi theo nhiệt độ và ẩm độ tương đối của m i trường và đư c thiết lập như phương trình (3.16) và phương trình ( . 7) .
ln[ T ln ] (3.16)
exp * exp + (3.17) 3.3.4. Ẩn nhiệt h a hơi ủa ẩm trong nấm linh chi
Ẩn nhiệt hóa hơi là th ng số ảnh hưởng đến n ng lư ng yêu c u cho quá trình sấy. Ẩn nhiệt hóa hơi của ẩm trong vật liệu (r) đư c xác định dựa tr n cơ sở ứng dụng công thức của Brokker và cộng sự, 99 để xác định tỉ số:
(3.18)
Trong đó: h (J/kg) là ẩn nhiệt hóa hơi của nước tự do; (%) là ẩm độ tương đối của TNS ở trạng thái 1 và 2; k a là áp suất hơi bão h a tại trạng thái 1 và 2. Hai trạng thái đư c thể hiện bởi hai giá trị cận của thông số nhiệt độ cụ thể như sau:
t1 = t Δt và t2 = t – Δt (Δt = oC). (3.19)
đư c xác định bởi công thức (3.17) biểu diễn mối quan hệ giữa ẩm độ tương đối của tác nhân sấy và ẩm cân bằng của nấm linh chi .
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước tự do và áp suất hơi bão h a đư c xác định bằng phương pháp quy hoạch hồi quy không tuyến tính để hiệu chỉnh theo công thức của Wilton Pereira da Silva (2012) dựa tr n giá trị tra bảng “Hơi nước bão hòa theo nhiệt độ” và “Ẩn nhiệt hóa hơi của nước tự do theo nhiệt độ” (Bùi Hải, 2006). Ta đư c:
e* +
(3.20)
(R2 = 1,0)
h t (3.21)
(R2 = 1,0)
Với các mức giá trị nhiệt độ TNS và ẩm độ cân bằng của nấm linh chi, áp dụng công thức (3.17), (3.18), (3.20) và (3.21) l n lư t t nh đư c giá trị ẩm độ tương đối của tác nhân sấy, áp suất hơi bão h a, ẩn nhiệt hóa hơi của nước tự do, tỉ số r/h và ẩn nhiệt hóa hơi của ẩm trong nấm linh chi. Xử lý thống kê số liệu bằng ph n mềm SPSS xác định đư c quan hệ giữa ẩn nhiệt hóa hơi của ẩm trong nấm linh chi theo nhiệt độ TNS và ẩm độ cân bằng của nấm linh chi như c ng thức (3.22).
r t t (3.22) (R2 = 1,0).
3.3.5. Hệ số khuếch tán ẩm hiệu quả của nấm linh chi
Thực nghiệm sấy lớp mỏng nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF tại nhiệt độ TNS là 40, 45 và 50oC, vận tốc TNS là 1,2 m/s, công suất bộ phát RF là 0,65, 1,3 và 1,95 kW. Tốc độ giảm ẩm (MR) đư c tính theo công thức (3.23)
(3.23)
Trong đó, M, Me và Mi (kg Â/ kg VLK) l n lư t là độ chứa ẩm TB VLS tại thời điểm τ , độ chứa ẩm cân bằng của VLS và độ chứa ẩm ban đ u VLS.
Công thức t nh đư c rút ra từ mô hình lý thuyết xác định hệ số khuếch tán ẩm đối với các lát mỏng vật liệu dạng tấm dựa tr n định luật Fick 2 như trong c ng thức (3.24) (Alibas, 2014).
Ln Ln (
) (3.24)
Trong đó, là nửa độ dày của lớp vật liệu (m) ; τ là thời gian (s)
Từ số liệu thực nghiệm về tốc độ giảm ẩm theo thời gian, thiết lập đồ thị dạng đường thẳng thể hiện mối quan hệ của LnMR theo τ. D đư c xác định theo độ nghiêng:
( ) .
Công thức Arrhenius thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ đối với hằng số khuếch tán và hoạt độ n ng lư ng. ấy n hai vế ta đư c:
Ln ( ) Ln (3.25)
Trong đó, 0 là hằng số khuếch tán hay hệ số Arrhenius (m2/s) ; Ta là nhiệt độ tuyệt đối của TNS (K) ; Ea là hoạt độ n ng lư ng (kJ/mol) ; R là hằng số khí (8,3143 kJ/mol.K)
Thiết lập đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Ln và 1/Ta sử dụng giá trị thông số thực nghiệm của và Ta. Từ đó ta xác định đư c giá trị của -Ea/R và Do.
Thực hiện quy hoạch thực nghiệm xác định đư c hàm quan hệ của hệ số khuếch tán ẩm Dtheo nhiệt độ như trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Hàm hệ số khuếch tán ẩm hiệu quả theo chế độ sấy Công suất bộ phát RF Hệ số khuếch tán ẩm hiệu quả (m2/s)
0,65 kW xp ( t )
1,3 kW xp ( t )
1,95 kW xp ( t )
3.3.6. Hệ số dẫn nhiệt của nấm linh chi
Choi và Okos (1986) đã có kết quả nghiên cứu về hệ số d n nhiệt của các thành ph n chất trong vật liệu ẩm trong dải nhiệt độ 0 – 90 oC như sau.
t t t t t t
t t
t t
t t
Trong đó, , , l n lư t là hệ số d n nhiệt của các thành ph n ẩm, đạm, chất béo, Cacbonhydrate, tro và thớ s i trong vật liệu.
Rao và cộng sự (2005) đã trình bày c ng thức tính hệ số d n nhiệt của thực phẩm dựa tr n cơ sở về hệ số d n nhiệt của các thành ph n chất trong vật liệu ẩm của Choi và Okos (1986) như sau:
x x x x x x (3.26) Trong đó, x ; x xi ( ) x
với m và x là hệ số d n nhiệt và thành ph n ph n tr m của các thành ph n chất trong vật liệu ẩm.
Trong luận án, công thức (3.26) đư c sử dụng để xác định hệ số d n nhiệt của nấm linh chi.
Sau khi thử nghiệm m u tại Viện Công nghệ sinh học, trường ĐH N ng âm TP.HCM, thành ph n ph n tr m ban đ u của các thành ph n chất trong nấm linh chi đư c trình bày cụ thể như trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Thành phần phần t ă an đầu của các thành phần chất trong nấm linh chi
Thành ph n chất x x x x x x
% thành ph n (giá trị TB) 0,0003 3.3.7. Công suất gia nhiệt của bộ phát sóng RF
Công suất gia nhiệt đư c xác định theo độ t ng nhiệt độ trong vật liệu do tương tác giữa vật liệu sấy và điện trường đư c tính theo công thức (3.27) (Nelson và ctv, 6;
Shrestha và ctv, ).
q (kW/m3) (3.27)
Trong đó, là khối lư ng riêng của vật liệu, kg/m3; nhiệt dung ri ng đẳng áp của vật liệu, J/kg oC; t là độ t ng nhiệt độ bên trong vật liệu, oC; là khoảng thời gian gia nhiệt (s).
Thực nghiệm xác định công suất gia nhiệt của bộ phát ở ba mức công suất của bộ phát 0,65; 1,3 và 1,95 kW. Ứng với mỗi mức công suất điện của bộ phát sẽ tiến hành thực nghiệm với các mức ẩm độ của m u vật liệu là 0,18; 0,33; 0,61; 1,00; 1,78 và 2,33 (kg Â/ kg VLK).
Từ số liệu thực nghiệm về giá trị công suất gia nhiệt của bộ phát RF tại các mức ẩm độ của vật liệu và giá trị công suất điện của bộ phát RF, tiến hành phân tích dữ liệu thực nghiệm bằng ph n mềm quy hoạch thực nghiệm SPSS để xác định hàm quan hệ của công suất gia nhiệt, qRF(kW/ m3) theo ẩm độ của vật liệu và giá trị công suất điện của bộ phát RF, PRF. Kết quả hàm quan hệ đư c trình bày như trong c ng thức (3.28).
q (3.28) (R2 = 0,996)
3.4. Lý thuyết giải phƣơng t ình vi phân t u ền nhiệt truyền chất trong sấ ơ nhiệt kết hợp gia nhiệt b ng sóng radio.
Hệ phương trình vi phân riêng ph n (PDEs) là một lớp các bài toán hệ phương trình vi phân có hơn một biến độc lập. Phương trình tổng quát của hệ phương trình P E có dạng:
x
x
x
x
(3.29) Với biến x, y trong miền: x x x
Và thỏa mãn điều kiện bi n là các hàm điều kiện dọc theo biên của x và y. Thông thường, bài toán vi phân riêng ph n thường có các loại bi n như bi n irichlet: , biên Neumann
và biên hỗn h p giữa biên Dirichlet và Neumann.
Tùy theo điều kiện , ta có các loại bài toán PDE Elip, Parabol hay Hyperbol:
lip n :
ara ol n : (3.30)
per ol n :
Để giải bài toán này, phương pháp sai phân đư c áp dụng. Trước hết, ta chia miền không gian x [0; xf] thành N ph n tử với chiều dày x=xf/N và chia miền thời gian thành K ph n tử với thời gian = T/K, với T là tổng thời gian. Việc tìm hàm t(x,) và M(x,) trở thành việc tìm nghiệm tại các điểm nút t với i= , ,…,N; j= , ,…,K. (ký hiệu T và t)
Ta xét xấp xỉ phương trình vi phân ri ng ph n của hàm u(x,) bằng xấp xỉ sai phân bậc nhất và bậc hai (cụ thể theo sơ đồ sai phân hiện):
{
|
|
Với i = , ,…,N- ; j= , ,…,K (3.31) ài toán có điều kiện biên dạng Neumann dưới dạng:
|
|
; ta có xấp xỉ:
j
j
(3.32) Đưa ( .30), (3.31) vào (3.32), ứng với mỗi bước thời gian , ta thu đư c hệ phương trình N phương trình với N ẩn tik và giải quyết đư c bằng thuật toán khử Gauss.
Trên thực tế, (3.31) là một hệ phương trình của t và M. Nếu đặt biến * t+, từ một hệ phương trình vi phân ri ng ph n ta thu về một phương trình vi phân ri ng ph n với biến là một vector u.
Bài toán truyền nhiệt và truyền ẩm thực chất là hệ phương trình vi phân parabol P E.
Với trường h p bài toán truyền nhiệt và ẩm một chiều, đó là bài toán tìm hàm nhiệt và ẩm theo không gian (chiều dày vật liệu) và thời gian. Trong phạm vi đề tài, hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất và các phương trình điều kiện bi n đư c viết dưới dạng sai phân cụ thể như sau:
- Dạng sai phân của hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất:
{
r
q
(3.33)
- Dạng sai phân của phương trình điều kiện biên:
t t r (3.34)
(3.35) Trong thực tế, để thuận tiện cho tính toán và sử dụng, Matlab và các ph n mềm bổ trở cho Matlab đều có toolbox mạnh để giải quyết các bài toán PDEs.
Trong Matlab, bài toán vi phân riêng ph n một chiều đư c giải bằng hàm pdepe. Hàm pdepe thực chất là biến thể của hàm giải phương trình vi phân thường ode15s.
Trong phạm vi bài toán truyền nhiệt và truyền ẩm đư c đề suất trong luận án c n giải quyết, chương trình Heattransfer đư c phát triển trên nền Matlab để giải quyết bài toán tr n. Trong hàm Heattransfer, bài toán P Es đư c giải dựa tr n hàm pdepe và có điều chỉnh và phát triển bổ xung thêm.
3.5. Lý thuyết động học quá trình sấy nấm linh chi b ng ơ nhiệt kết hợp sóng RF 3.5.1. Phân tích ảnh hƣởng của thông số công suất bộ phát RF
Để phân tích ảnh hưởng của thông số công suất bộ phát RF trong quá trình sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF, giá trị các thông số đ u vào cụ thể như: nhiệt độ TNS là 50oC; vận tốc TNS là 1,2 m/s và công suất bộ phát RF là 0; 0,65; 1,3 và 1,95 kW.
Trong đó c ng suất bộ phát RF, PRF = kW tương ứng với chế độ sấy chỉ sử dụng bơm nhiệt.
3.5.1.1. Đƣờng cong sấy
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa sự thay đổi độ chứa ẩm TB VLS theo thời gian trong quá trình sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF đư c mô phỏng dựa trên kết quả giải HPTTNTA như trong hình .5.
Hình 3.5. Đường cong sấy tương ứng với chế độ sấy xét đến ảnh hưởng của công suất bộ phát RF
Kết quả đường cong sấy trong hình 3.5 cho thấy xu hướng giảm ẩm của nấm linh chi trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt kết h p sóng radio tương ứng với các chế độ sấy là tương đối giống nhau. Kết quả cho thấy khi t ng c ng suất bộ phát RF sẽ giúp rút ngắn đáng kể thời gian sấy. Điều này đư c giải th ch do khi t ng c ng suất bộ phát RF, VLS sẽ hấp thụ n ng lư ng sóng RF nhiều hơn sẽ gi p t ng tốc độ gia nhiệt. Khi đó, quá trình khuếch tán ẩm trong VLS sẽ diễn ra nhanh hơn gi p t ng tốc độ sấy. Cơ chế này tương tự như cơ chế gia nhiệt bằng sóng RF đối với các loại nông sản như quả óc chó và bột ngô của các tác giả nghiên cứu trước đây ( ixia và ctv, 6; Samet và ctv, 7). Tại mức công suất bộ phát RF là kW tương ứng với chế độ sấy chỉ sử dụng bơm nhiệt, thời gian sấy để độ chứa ẩm TB của nấm linh chi đạt 0,15 (kg Â/ kg VLK) là 547 phút. Tại mức công suất 0,65; 1,3 và
0 1 2 3
0 100 200 300 400 500 600
Độ hứa ẩ T VLS (kg Â/ kg VLK)
Thời gian (phút) HP
HP + RF_0.65 kW HP + RF_1,3 kW HP + RF_1,95 kW
1,95 kW, thời gian sấy là 441, 403 và 367 phút, giảm 19%, 26% và 33% so với chỉ sấy bằng bơm nhiệt. Chứng tỏ khi kết h p bơm nhiệt và sóng RF sẽ giúp rút ngắn thời gian sấy rất nhiều so với chỉ sấy bằng bơm nhiệt. Đây ch nh là ưu điểm của phương pháp sấy bơm nhiệt kết h p sóng RF.
3.5.1. . Đƣờng cong nhiệt độ sấy
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa sự thay đổi nhiệt độ TB VLS theo thời gian trong quá trình sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF đư c mô phỏng dựa trên kết quả giải HPTTNTA như trong hình .6.
Hình 3.6. Đường cong nhiệt độ T V S tương ứng với chế độ sấy xét đến ảnh hưởng của công suất bộ phát RF
Hình 3.6 cho thấy phương pháp sấy bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF gi p t ng đáng kể tốc độ gia nhiệt so với chỉ sấy bằng bơm nhiệt. Điều này có thể lý giải rằng với cơ chế gia nhiệt thể tích bằng sóng RF thì khi t ng c ng suất bộ phát RF sẽ t ng n ng lư ng hấp thụ sóng RF đối với VLS khiến cho các phân tử lưỡng cực nước và các ion tự do trong VLS dao động nhanh hơn khiến nhiệt phát sinh trong V S nhanh hơn và gi p cho quá trình gia nhiệt diễn ra nhanh hơn. Kết quả này tương tự như cơ chế gia nhiệt bằng RF đối với các loại nông sản như quả óc chó và bột ngô của các tác giả trước đây ( ixia và ctv, 6; Samet và ctv, 2017). Thời gian gia nhiệt để nấm linh chi đạt nhiệt độ 5 °C là , và ph t tương ứng với mức công suất RF là 0,65; 1,3 và 1,95 kW. Tại mức công suất bộ phát RF là 0 kW tương ứng với chế độ sấy chỉ sử dụng bơm nhiệt, thời gian gia nhiệt để nhiệt đ T của nấm linh chi đạt 49,9 °C là 217 phút.
Đối với phương pháp sấy bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF, sau khi nhiệt độ V S đạt nhiệt độ TNS, nhiệt độ VLS tiếp tục t ng vư t giá trị nhiệt độ TNS do ẩm trong VLS tiếp tục hấp thụ n ng lư ng sóng RF. Cơ chế này tương tự như kết quả nghiên cứu về quá trình sử lý nhiệt bằng RF đối với các loại nông sản thực phẩm như quả hạnh nhân và các loại đậu tương, đậu nành của các tác giả trước đây( Zhi Huang và ctv, 6; Wang và ctv, ).
Sau đó, nhiệt độ VLS sẽ có xu hướng giảm d n đến nhiệt độ TNS và giai đoạn này kéo dài đến cuối quá trình sấy. Nhiệt độ VLS giảm d n là do hai nguyên nhân chính: i) ẩm độ VLS giảm khiến cho mức độ hấp thụ n ng lư ng sóng RF của VLS giảm. Đây ch nh là sự phụ thuộc của công suất gia nhiệt của bộ phát theo ẩm độ của VLS; ii) nhiệt lư ng do VLS hấp thụ trong giai đoạn này chỉ để duy trì quá trình hóa hơi cho ẩm trong V S. Cơ chế này
20 30 40 50 60 70
0 100 200 300 400 500 600
Nhiệt độ VLS ( C)
Thời gian (phút)
HP
HP + RF_0.65 kW HP + RF_1,3 kW HP + RF_1,95 kW
tương tự như nghi n cứu của Samet Ozturka và ctv (2016) với nghiên cứu về đặc t nh điện môi và quá trình gia nhiệt bằng sóng RF đối với rau củ (Samet và ctv, 6).
3.5.1. . Đƣờng cong tố độ sấy
Đồ thị đường cong tốc độ sấy trong quá trình sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p sóng RF đư c mô phỏng dựa trên kết quả giải HPTTNTA như trong hình .7. Hình 3.7 cho thấy đường cong tốc độ sấy chỉ xác định một chế độ tốc độ sấy giảm d n mà không tồn tại giai đoạn tốc độ sấy kh ng đổi và giai đoạn đốt nóng VLS.
Hình 3.7. Đường cong tốc độ sấy tương ứng với chế độ xét đến ảnh hưởng của công suất bộ phát RF
3.5.2. Phân tích ảnh hƣởng của thông số nhiệt độ tác nhân sấy
Đồ thị đường cong sấy trong quá trình sấy nấm linh chi bằng bơm nhiệt kết h p sóng radio đư c mô phỏng dựa trên kết quả giải HPTTNTA như trong hình .8. Trong đó, giá trị các thông số đ u vào như: nhiệt độ TNS là 40, 45 và 50oC; vận tốc TNS là 1,2 m/s và công suất bộ phát RF là 1,3 kW.
Hình 3.8. Đường cong sấy tương ứng với chế độ sấy xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ TNS Kết quả đường cong sấy trong hình 3.8 cho thấy khi t ng nhiệt độ TNS sẽ giúp rút ngắn đáng kể thời gian sấy. Điều này đư c giải th ch do khi t ng nhiệt độ TNS sẽ t ng lư ng nhiệt hấp thụ bởi V S và gi p t ng tốc độ gia nhiệt. Khi đó, quá trình khuếch tán ẩm trong VLS sẽ diễn ra nhanh hơn. Tại nhiệt độ TNS 50oC, thời gian sấy để độ chứa ẩm TB
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Tố độ sấ , dM/dt (kg Â/kg VLK.phút)
Độ hứa ẩ T VLS ( g Â/ g VL ) HP + RF_0,65 kW HP + RF_1,3 kW HP + RF_1,95 kW
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
0 100 200 300 400 500
Độ hứa ẩ T VLS (kg Â/ kg VLK)
Thời gian (phút)
HP + RF_40oC HP + RF_45oC HP + RF_50oC