Sáng tạo ra công nghệ thay vì đi mua
Nông sản sau thu hoạch càng giữ được lâu thì càng ít phải đổ bỏ, tăng giá trị, khắc phục tình trạng “được mùa mất giá”. Nhưng giải bài toán này bằng công nghệ nào vẫn luôn là câu hỏi làm đau đầu các nhà quản lý, nhà khoa học.
Ở các nước phát triển, công nghệ bảo quản rau quả tươi khá tối ưu, nhưng khi đem về áp dụng trong nước, chi phí rất lớn, khó vận hành. TS Phạm Hồng Nam và các đồng nghiệp ở Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã đi tìm câu trả lời.
Năm 2019, khi bắt tay vào nghiên cứu quá trình bảo quản rau củ, bên cạnh các yếu tố cấu thành một công nghệ bảo quản hoàn thiện như quy trình thu hái, yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, vi sinh vật, thành phần khí quyển bảo quản (như nồng độ O2, CO2,…), nhóm của TS Nam chú ý đến khí etylen - một sản phẩm của quá trình chuyển hóa nội sinh trong rau quả tươi sau thu hái.
Etylen là một hormone tự nhiên thúc đẩy quá trình chín của rau quả tươi, do đó nếu nồng độ etylen trong môi trường bảo quản rau gia tăng, loại khí này sẽ đẩy nhanh tốc độ chín của rau quả và từ đó làm giảm thời gian bảo quản sản phẩm.
Nghiên cứu thực tế trên 23 loại rau quả tươi khác nhau cho thấy, khi duy trì ngưỡng nồng độ etylen trong môi trường bảo quản ở mức 5ppb (tức 0,005ppm), thời gian bảo quản tăng 60% so với nồng độ 0,1ppm - ngưỡng được coi là chấp nhận được đối với một quá trình bảo quản rau củ tươi.
Vì vậy, việc kiểm soát khí etylen là một trong những yếu tố quan trọng quyết định thời gian bảo quản. Nếu làm cho nồng độ etylen càng thấp thì thời gian bảo quản càng được kéo dài.
Làm thế nào để loại bỏ khí etylen trong rau quả, nhóm nghiên cứu nhận thấy ba phương pháp chính đang được sử dụng ở trên thế giới hiện nay chất xúc tác, màng vi sinh và các chất hấp phụ - oxy hóa. Phân tích ưu và nhược điểm của các giải pháp này, họ nhận ra, phương pháp sử dụng các chất xúc tác chuyển hóa etylen cho hiệu quả cao song nhược điểm là chi phí chế tạo, vận hành cũng không hề thua kém.
Hay ngược lại, nếu sử dụng phương pháp màng vi sinh thì chi phí khá rẻ nhưng hiệu quả bảo quản lại thấp và không ổn định, do sự hoạt động của vi sinh vật phụ thuộc rất khắt khe vào các yếu tố môi trường. Nhóm kết luận sử dụng phương pháp hấp phụ - oxy hóa là tối ưu nhất.
Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp cũ nằm ở chỗ: Các chất hấp phụ - oxy hóa trên thị trường hiện nay thường được sử dụng dưới hình thức màng lọc, túi chứa hạt hoặc thiết bị mà lớp hấp phụ ở trạng thái tĩnh.
Do đó, thường chỉ có khoảng 50% chất oxy hóa (ví dụ như KMnO4) tham gia được vào quá trình loại bỏ etylen, khiến cho vật liệu rất nhanh bị đạt đến trạng thái bão hòa và đòi hỏi phải thường xuyên được thay thế. Hiệu quả hấp phụ của vật liệu cũng giảm nhanh trong các môi trường bảo quản có độ ẩm cao.
Sau nhiều lần thử nghiệm, nhóm quyết định sáng chế thiết bị theo nguyên lý tầng sôi. “Thiết bị của chúng tôi vẫn sử dụng vật liệu hấp phụ cũ là Kali permanganat (KMnO4) nhưng điểm khác biệt là thổi dòng khí qua một lớp hạt rắn tại một tốc độ tới hạn, đủ để làm các hạt rắn lơ lửng trong dòng khí đó”, TS Nam giải thích.
Bản chất của thiết bị là giúp vật liệu hấp phụ loại bỏ được hơi nước bị “ngấm” vào hạt mang xốp sau một chu kì hoạt động, nhờ đó nó có thể giúp cho hơn 90% lượng KMnO4 đã được chuyển hóa tiếp tục tham gia vào quá trình loại bỏ etylen, thay vì chỉ 50% như trước đây - có nghĩa là tăng được hiệu suất.
Bảo quản hoa, rau quả… tươi lâu
Cụ thể, mô hình thiết bị loại bỏ khí etylen của nhóm có cấu tạo chính gồm: Tháp hấp phụ - oxy hóa dạng tầng sôi; tháp sấy hoàn nguyên (để tăng hiệu quả hoạt động của hạt vật liệu); và hệ thống vận chuyển các hạt vật liệu được thiết kế nhằm đảm bảo sự tuần hoàn liên tục của chúng.
Để tạo thuận lợi cho quá trình loại bỏ khí etylen, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn các hạt vật liệu có dạng cầu và có kích cỡ phù hợp với tốc độ của quạt ở tháp tầng sôi cũng như tương thích với kết cấu của tấm chặn phối khí.
Với cấu tạo này, không khí trong môi trường bảo quản sẽ được quạt hút vào tháp hấp phụ - oxy hóa, sau đó được tấm chặn phân phối khí phân bố. Sau khi các hạt vật liệu hấp phụ etylen, chúng sẽ được luân chuyển sang tháp hoàn nguyên thông qua cơ cấu vận chuyển hạt và được tách biệt với môi trường bảo quản.
Các hạt này tiếp đó sẽ được sấy khô (hoàn nguyên) và rơi xuống đáy tháp sấy, từ đó đi vào khoảng không phía trên của tấm chặn phân phối khí và chuẩn bị cho chu trình tiếp theo. Đồng thời cũng ở bước sấy này, hơi nước sẽ bị cuốn ra ngoài theo cửa xả khí.
Nhờ nguyên lý hoạt động này, tốc độ hấp thụ, chuyển hấp thụ và chuyển hóa etylen sẽ được tăng lên đáng kể so với việc sử dụng hạt hấp phụ ở trạng thái tĩnh, hiệu suất hấp phụ sẽ có thể tăng từ 5 - 7 lần.
Ngoài ra, lưu lượng dòng khí lớn cũng sẽ giúp cho thiết bị có thể áp dụng được ở các quy mô bảo quản lớn như các xe container, các kho bảo quản lạnh. Công nghệ này sẽ có thể được điều chỉnh để áp dụng được ở phạm vi rất đa dạng, từ các loại hoa cho đến các loại trái cây như chuối, xoài, bơ hay các loại rau quả tươi như cà chua, bắp cải,...
Trong tương lai, nhóm của TS Nam sẽ tiếp tục nghiên cứu việc tích hợp hệ thống đo nhiệt độ, độ ẩm, khí etylen, và ứng dụng công nghệ số để có thể tạo ra một thiết bị hoàn chỉnh và thuận tiện cho những người bình thường cũng có thể dễ sử dụng.
