Luận án tiến sĩ kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm bằng sóng siêu âm - Nguyễn Xuân Quang, ĐH Nông Lâm TP.HCM

Công nghệ sấy đối lưu có hỗ trợ siêu âm (ultrasound-assisted convective drying) là sự kết hợp giữa luồng không khí nóng và trường sóng âm cường độ cao. Tác nhân sấy mang nhiệt lượng để làm bay hơi nước bề mặt. Đồng thời, sóng âm tác động trực tiếp vào cấu trúc mô tế bào nông sản. Năng lượng âm tạo ra các rung động vi mô liên tục. Nước bên trong vật liệu di chuyển ra bề mặt với tốc độ cao hơn. Phương pháp này không làm tăng nhiệt độ tâm của sản phẩm quá mức. Nhờ đó, phương pháp giúp bảo vệ các hợp chất nhạy cảm với nhiệt độ. Thời gian sấy rút ngắn đáng kể so với phương pháp sấy đối lưu thông thường. Hiệu quả truyền nhiệt và truyền khối trong pha sấy giảm tốc tăng lên rõ rệt. Đây là tiền đề kỹ thuật quan trọng cho các dòng máy sấy công nghiệp thế hệ mới.

Nông sản sau thu hoạch chứa hàm lượng ẩm cao, dễ bị nấm mốc và vi khuẩn tấn công. Các phương pháp sấy nhiệt độ cao làm suy giảm hàm lượng vitamin, enzyme và biến tính protein. Màu sắc tự nhiên của sản phẩm dễ bị sẫm màu do phản ứng Maillard và oxy hóa. Đảng sâm và các loại dược liệu quý chứa nhiều saponin rất dễ bị phân hủy bởi nhiệt độ kéo dài. Việc duy trì nhiệt độ thấp trong quy trình sấy truyền thống lại làm kéo dài thời gian làm khô. Thời gian sấy kéo dài làm tăng chi phí vận hành và tiêu thụ điện năng. Việc ứng dụng công nghệ hỗ trợ hiện đại là yêu cầu cấp thiết. Sóng siêu âm giải quyết triệt để sự đánh đổi giữa nhiệt độ sấy và thời gian sấy. Nông sản đạt độ ẩm tiêu chuẩn bảo quản mà không mất đi giá trị thương phẩm.

Đảng sâm Việt Nam là nguồn dược liệu quý có giá trị kinh tế và y học to lớn. Rễ đảng sâm tươi có cấu trúc ẩm phức tạp và độ ẩm ban đầu cao. Việc áp dụng công nghệ sấy mới giúp gia tăng giá trị xuất khẩu cho sản phẩm. Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh sóng âm giúp giữ lại tối đa hàm lượng hoạt chất saponin. Màu sắc rễ đảng sâm sau sấy giữ được độ sáng tự nhiên. Hình dạng củ sâm ít bị co ngót hay biến dạng nứt nẻ. Quy trình sấy chuẩn hóa giúp các cơ sở sản xuất dễ dàng chuyển giao công nghệ. Năng suất chế biến tăng lên đáp ứng nhu cầu thị trường dược liệu trong nước và quốc tế. Việc phát triển thiết bị sấy siêu âm phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam là hướng đi bền vững.

Khi sóng siêu âm lan truyền qua nông sản, cấu trúc mô chịu tác động co giãn liên tục giống như một miếng bọt biển. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng bọt biển (sponge effect). Chu kỳ nén ép đẩy ẩm tự do ra khỏi tế bào qua các ống mao dẫn. Chu kỳ giãn nở ngay sau đó tạo ra các vết nứt vi mô và mở rộng đường dẫn ẩm. Hàng ngàn vi kênh thoát ẩm mới hình thành bên trong cấu trúc chất rắn. Nước di chuyển từ tâm vật liệu ra bề mặt nhanh chóng mà không cần nhiệt độ quá cao. Cấu trúc mô tế bào không bị phá hủy hoàn toàn mà trở nên xốp hơn. Điều này giúp sản phẩm khô có khả năng tái hấp nước tuyệt vời khi sử dụng. Hiệu ứng bọt biển đóng vai trò chủ đạo thúc đẩy truyền khối trong giai đoạn sấy giảm tốc.

Trường âm thanh cường độ cao tạo ra hiện tượng xâm thực khí (acoustic cavitation) trong chất lỏng tự do. Các bọt khí vi mô hình thành, phát triển và sụp đổ nhanh chóng trong tích tắc. Sự sụp đổ của bọt khí tạo ra các tia vi lỏng và sóng xung kích cục bộ với áp suất rất lớn. Hiện tượng này phá vỡ màng biên thủy động và màng biên nhiệt ẩm bao quanh bề mặt nông sản. Trở lực truyền khối bề mặt giảm xuống mức tối thiểu. Nước bốc hơi vào không khí sấy nhanh hơn nhiều lần. Sóng xung kích cũng hỗ trợ phân tán các túi ẩm liên kết yếu trong mô thực vật. Nhờ vậy, hiện tượng xâm thực khí thúc đẩy mạnh mẽ quá trình truyền nhiệt và truyền chất tại mặt phân pha.

Tần số sóng siêu âm (ultrasonic frequency) là thông số ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng đâm xuyên và suy giảm năng lượng âm. Tần số công nghiệp phổ biến dao động trong dải từ 20 kHz đến 40 kHz. Luận án xác định tần số làm việc tối ưu tại điểm cộng hưởng xấp xỉ 19,927 kHz. Tần số này tạo ra bước sóng phù hợp với kích thước hình học của rễ đảng sâm. Năng lượng âm thâm nhập sâu vào các lớp mô bên trong mà không gây cháy cục bộ bề mặt. Sự hấp thụ năng lượng âm tạo độ tăng nhiệt độ vừa phải, hỗ trợ phá vỡ liên kết ẩm. Lựa chọn đúng tần số đảm bảo độ đồng đều của độ ẩm sau khi sấy. Cấu trúc vi mô của sản phẩm được bảo toàn nguyên vẹn sau toàn bộ quy trình.

Động học quá trình sấy (drying kinetics) mô tả tốc độ mất ẩm của vật liệu theo thời gian sấy. Khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm, đường cong sấy có độ dốc lớn hơn rõ rệt. Thời gian sấy khô đảng sâm rút ngắn từ 20% đến 40% tùy chế độ công suất. Hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng (effective moisture diffusivity) tăng mạnh dưới tác động của trường âm. Giá trị hệ số khuếch tán phản ánh tốc độ dịch chuyển ẩm nội tại qua các kênh mao dẫn. Dưới tác động cơ học của sóng âm, các rào cản vật lý bên trong tế bào bị vượt qua dễ dàng hơn. Dữ liệu động học sấy thu được giúp các kỹ sư thiết kế chính xác buồng sấy và xác định thời gian lưu của vật liệu.

Năng lượng hoạt hóa (activation energy) là đại lượng thể hiện mức năng lượng tối thiểu cần thiết để kích hoạt quá trình khuếch tán ẩm. Luận án áp dụng phương trình dạng Arrhenius để tính toán năng lượng hoạt hóa cho đảng sâm. Khi ứng dụng sóng siêu âm, giá trị năng lượng hoạt hóa giảm xuống đáng kể so với phương pháp sấy nhiệt đơn thuần. Điều này chứng minh sóng âm đã cung cấp năng lượng cơ học trực tiếp để bẻ gãy các liên kết nước. Phân tử nước dễ dàng giải phóng khỏi liên kết keo và cấu trúc mô xốp. Nhờ mức năng lượng hoạt hóa thấp hơn, quá trình sấy có thể diễn ra hiệu quả ở dải nhiệt độ thấp từ 40°C đến 50°C. Đây là cơ sở khoa học để sấy các sản phẩm nhạy cảm nhiệt độ.

Nghiên cứu tiến hành khớp nối dữ liệu thực nghiệm với các mô hình toán học quá trình sấy (Page, Newton, Henderson & Pabis). Kết quả đánh giá qua hệ số xác định R bình phương, sai số tuyệt đối trung bình và sai số bình phương trung bình. Mô hình Page cho thấy mức độ tương thích cao nhất với đường cong động học sấy đảng sâm có hỗ trợ siêu âm. Các tham số của mô hình phản ánh chân thực ảnh hưởng của nhiệt độ và công suất âm. Việc lựa chọn mô hình toán học phù hợp giúp mô phỏng chính xác hành vi mất ẩm của nông sản. Dữ liệu này hỗ trợ lập trình điều khiển thông minh cho hệ thống sấy công nghiệp quy mô lớn.

Bộ phát sóng siêu âm bao gồm nguồn phát công suất cao, đầu dò áp điện gốm PZT và tấm phát xạ phẳng. Tần số sóng siêu âm (ultrasonic frequency) làm việc thực nghiệm tại điểm cộng hưởng đạt 19,927 kHz. Sai số so với tần số tính toán lý thuyết chỉ 0,073 kHz, tương đương mức sai lệch 0,37%. Sự đồng bộ tần số hoàn hảo giúp tối đa hóa hiệu suất truyền năng lượng từ điện sang cơ học. Đầu phát không bị quá nhiệt trong quá trình vận hành liên tục. Vật liệu chế tạo tấm phát có độ bền mỏi cao và chống ăn mòn trong môi trường ẩm. Kết cấu cơ khí nhỏ gọn cho phép lắp đặt linh hoạt vào các buồng sấy có sẵn mà không làm cản trở dòng khí động học.

Hệ thống cho phép điều chỉnh linh hoạt công suất siêu âm và mật độ năng lượng âm (ultrasonic power density) theo từng giai đoạn sấy. Cường độ âm thanh có thể thay đổi liên tục từ 0 kW/m2 đến 27 kW/m2. Khi tăng mật độ năng lượng âm, tốc độ thoát ẩm tăng lên tương ứng. Tuy nhiên, mật độ năng lượng quá cao có thể gây lãng phí điện năng và làm nóng cục bộ. Luận án xác định khoảng mật độ năng lượng âm tối ưu từ 15 kW/m2 đến 21 kW/m2 cho đảng sâm. Mức năng lượng này tạo ra hiệu ứng âm học mạnh nhất mà vẫn đảm bảo an toàn cho cấu trúc tế bào. Việc điều chỉnh công suất giúp tối ưu hóa hiệu quả kinh tế của thiết bị.

Máy sấy bơm nhiệt kết hợp siêu âm tạo ra một chu trình sấy khép kín hoàn hảo. Bơm nhiệt có ưu điểm hút ẩm không khí tuần hoàn và duy trì nhiệt độ sấy thấp từ 35°C đến 50°C. Sóng siêu âm hỗ trợ tách ẩm nhanh chóng từ bên trong vật liệu ra bề mặt. Không khí khô từ dàn bay hơi liên tục mang ẩm ra khỏi buồng sấy. Sự kết hợp này bù đắp hoàn hảo nhược điểm tốc độ sấy chậm của máy sấy bơm nhiệt thông thường. Thiết bị vận hành ổn định trong mọi điều kiện thời tiết bên ngoài. Hệ thống khép kín ngăn ngừa bụi bẩn và vi sinh vật xâm nhập, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm tối đa cho dược liệu.

Chỉ số tiêu hao năng lượng riêng (specific energy consumption - SEC) là thước đo then chốt về hiệu quả kinh tế của công nghệ sấy. Sấy đối lưu truyền thống tiêu tốn lượng điện năng rất lớn do thời gian sấy kéo dài. Khi ứng dụng sóng siêu âm, thời gian làm việc của quạt gió và máy nén giảm đáng kể. Mặc dù bộ phát siêu âm tiêu thụ thêm một phần điện năng, tổng năng lượng của toàn hệ thống vẫn giảm từ 15% đến 30%. Chỉ số SEC giảm mạnh khi vận hành ở mật độ năng lượng âm hợp lý. Giảm tiêu hao năng lượng giúp hạ giá thành chế biến và giảm phát thải carbon ra môi trường. Đây là tiêu chí quan trọng hướng tới công nghệ sản xuất xanh và bền vững.

Dược chất saponin là thành phần quý giá nhất quyết định chất lượng y học của đảng sâm. Nhiệt độ sấy thấp kết hợp sóng âm giúp hạn chế tối đa sự thủy phân nhiệt của saponin. Kết quả phân tích hóa học cho thấy hàm lượng saponin sau sấy hỗ trợ siêu âm cao hơn 15% đến 22% so với sấy nhiệt thông thường. Về cảm quan, màu sắc của lát sâm khô giữ được độ trắng sáng tự nhiên, giá trị sai lệch màu tổng thể Delta E ở mức rất thấp. Sản phẩm không bị cháy cạnh, bề mặt láng mịn và cấu trúc xốp đồng đều. Điều này nâng cao khả năng cạnh tranh của đảng sâm Việt Nam với các sản phẩm nhập khẩu.

Dựa trên phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu, luận án xác định chế độ sấy tối ưu cho đảng sâm Việt Nam. Nhiệt độ tác nhân sấy thích hợp nhất là 45°C, tốc độ không khí sấy duy trì ở mức 1,0 m/s. Mật độ năng lượng sóng siêu âm tối ưu đạt mức 18 kW/m2 với tần số 19,927 kHz. Tại chế độ này, thời gian sấy giảm 35%, độ ẩm sản phẩm đạt dưới 12% theo tiêu chuẩn bảo quản dược điển. Đồng thời, tỷ lệ lưu giữ saponin đạt trên 92% và chỉ số tiêu hao năng lượng riêng ở mức thấp nhất. Bộ thông số công nghệ này là cơ sở vững chắc để thiết kế và tự động hóa các dây chuyền sấy nông sản quy mô công nghiệp.