Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam.
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ TÂM THANH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TỪ TRƯỜNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CẤP ĐÔNG FILLET CÁ TRA VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã số: 9520115 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐÀ NẴNG - NĂM 2023 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng Người hướng dẫn 1: PGS TS Võ Chí Chính Người hướng dẫn 2: TS Nguyễn Thành Văn Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án họp vào lúc ngày tháng năm MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục tiêu phát triển ngành thủy sản đến năm 2030 trở thành ngành kinh tế quan trọng quốc gia phát triển bền vững việc đẩy mạnh nghiên cứu công nghệ liên quan đến nuôi trồng, chế biến bảo quản thủy sản điều cấp thiết Cá tra loài cá nước nuôi xuất nhiều so với loại thủy sản nước khác ví ngành xuất tỷ đô Việt Nam Fillet cá tra (phi lê cá tra) bán thành phẩm qua cơng đoạn xử lý sử dụng cho nhiều mục đích chế biến khác Tuy nhiên chúng dễ ươn hỏng không bảo quản thích hợp, thơng thường sản phẩm bảo quản hình thức cấp đơng, nhiệt độ tâm fillet cá tra không lớn -18°C (TCVN 8338:2010) Q trình cấp đơng thực phẩm bị ảnh hưởng thành phần chủ đạo chúng nước Chất lượng cuối sản phẩm đông lạnh phụ thuộc vào trình chuyển đổi pha từ nước thành băng Kích thước tinh thể băng quan trọng chất lượng cuối thực phẩm đơng lạnh gây tác động khơng thể phục hồi cấu trúc tế bào làm suy giảm cấu trúc màu sắc sản phẩm Vì lý này, nhiều cơng nghệ cấp đơng phát triển để kiểm sốt q trình kết tinh cải thiện tốc độ hình thành phát triển tinh thể băng Sự tác động điện từ yếu tố xếp lại mạng liên kết hydro tồn nước Với phân tích nêu trên, nghiên cứu q trình cấp đơng có hỗ trợ từ trường fillet cá tra (Pangasius Hypophthalmus) Việt Nam nhu cầu cấp thiết nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm sau cấp đông đồng thời giảm chi phí lượng q trình cấp đơng, từ nâng cao lợi cạnh tranh thị trường xuất sản phẩm cá tra Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu − Phân tích ảnh hưởng từ trường đến hệ số truyền nhiệt q trình cấp đơng fillet cá tra − Đánh giá ảnh hưởng thông số công nghệ (nhiệt độ, vận tốc, chiều dày, mật độ từ thơng) đến chi phí chất lượng cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh Trên sở xây dựng chế độ cấp đơng phù hợp với sản phẩm fillet cá tra Việt Nam − Phân tích ảnh hưởng từ trường đến chất lượng sản phẩm fillet cá tra sau cấp đông dựa tiêu chí màu sắc, độ cứng, độ đàn hồi, độ dẻo, độ dai tỷ lệ hao hụt khối lượng sau rã đơng Đồng thời, phân tích so sánh với sản phẩm fillet cá tra cấp đông thương mại thị trường xuất Đối tượng phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu − Fillet cá tra nuôi khu vực đồng sông Cửu Long (cụ thể tỉnh Tiền Giang) − Cấp đơng gió có hỗ trợ từ trường b Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm q trình cấp đơng fillet cá tra mơ hình cấp đơng gió có hỗ trợ từ trường, suất kg/mẻ Nội dung nghiên cứu Để thực mục tiêu nêu luận án cần giải vấn đề cụ thể sau: (i) Tính tốn, xác định thông số nhiệt vật lý fillet cá tra theo nhiệt độ dựa thành phần (ii) Tính tốn thời gian cấp đơng mơ q trình cấp đơng fillet cá tra cấp đơng khơng có hỗ trợ từ trường, từ so sánh với q trình cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh từ trường dao động (iii) Mô phân bố từ trường buồng cấp đông nhằm xác định phương pháp đo từ trường phạm vi nghiên cứu thực nghiệm phù hợp Đánh giá ảnh hưởng từ trường đến q trình cấp đơng, cụ thể thời gian cấp đơng (iv) Tính tốn so sánh hệ số truyền nhiệt cấp đơng có khơng có hỗ trợ từ trường dựa phương pháp bán thực nghiệm (v) Xây dựng tiến hành nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố, đa yếu tố nhằm xác định thơng số cơng nghệ phù hợp với q trình cấp đơng fillet cá tra có hỗ trợ từ trường, dựa sở giảm chi phí lượng đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm (vi) Phân tích tiêu chất lượng sản phẩm sau cấp đông bao gồm màu sắc, độ cứng, độ đàn hồi, độ dẻo, độ dai tỷ lệ hao hụt khối lượng sau rã đơng Từ tiến hành phân tích so sánh với sản phẩm fillet cá tra cấp đông thương mại thị trường xuất Cấu trúc luận án − Chương 1: Tổng quan − Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết cấp đơng có hỗ trợ từ trường − Chương 3: Kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm ảnh hưởng từ trường đến trình cấp đơng gió − Chương 4: Tối ưu hóa thơng số vận hành q trình cấp đơng có hỗ trợ từ trường − Chương 5: Đánh giá chất lượng sản phẩm cấp đông ứng dụng từ trường CHƯƠNG TỔNG QUAN Chất lượng thủy sản ảnh hưởng q trình cấp đơng Trong q trình cấp đơng thực phẩm xảy tượng dịch chuyển nước chênh lệch nhiệt độ bên bề mặt sản phẩm, nước dịch chuyển bên với lượng lớn nên tạo thành tinh thể băng lớn làm chọc thủng màng tế bào Khi rã đơng, nước chảy ngồi thực phẩm mang theo lượng lớn chất dinh dưỡng Đối với q trình cấp đơng nhanh, thời gian cấp đơng ngắn giúp giảm kích thước tinh thể băng tăng chất lượng thực phẩm sau rã đông Do vậy, thời gian cấp đông yếu tố quan trọng nhất, định đến chất lượng thực phẩm nói chung chất lượng thủy sản nói riêng Cần phải cơng nhận an tồn thực phẩm đơi với chất lượng thực phẩm yếu tố định đến sức khỏe người Chính mà thị trường xuất lớn châu Âu Mỹ thường quy định nghiêm ngặt an toàn thực phẩm Đối với cá sản phẩm từ cá, tồn phần lớn nước tự hàm lượng chất dinh dưỡng cao làm cho sản phẩm dễ bị hư hỏng thời gian ngắn không bảo quản nhiệt độ thấp Do vậy, q trình cấp đơng sản phẩm nhiệt độ thấp giúp hạn chế phản ứng sinh hóa bất lợi, đảm bảo chất lượng thực phẩm làm tăng tính cạnh tranh sản phẩm thị trường xuất Chính vậy, nghiên cứu công nghệ cấp đông đại giúp giảm thời gian chi phí cấp đơng, tăng chất lượng sản phẩm xu hướng tất yếu ngành xuất thủy sản, đặc biệt cá tra sản phẩm từ cá tra Cá tra fillet cá tra Cá tra nuôi hay thường gọi cá tra (Pangasius hypophthalmus) thuộc loài cá da trơn họ Pangasiidae phân bố lưu vực sông Mekong Cá tra lồi cá nước ni xuất nhiều so với loại thủy sản nước khác ví ngành xuất tỷ Việt Nam Fillet cá tra (phi lê cá tra) miếng cá cắt/lạng từ thân cá, dọc theo xương sống, bán thành phẩm qua công đoạn xử lý tách nội tạng, xương da, sử dụng cho nhiều mục đích chế biến khác Cấp đơng thực phẩm Cấp đơng q trình bảo quản thực phẩm phổ biến áp dụng để trì dinh dưỡng độ tươi thực phẩm, sản phẩm từ cá Mục đích cấp đông thực phẩm (1) bảo quản thực phẩm, (2) giảm hoạt động enzym vi sinh vật, (3) giảm lượng nước lỏng – thành phần có lợi cho phát triển vi sinh vật (4) giảm hoạt độ nước thực phẩm Trong trình này, nhiệt độ thực phẩm giảm xuống mức thích hợp điểm kết đông, nước chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn Các phương pháp cấp đông thông dụng a) Cấp đông đối lưu cưỡng mơi trường khơng khí b) Cấp đơng tiếp xúc c) Cấp đông trực tiếp môi trường lỏng Các công nghệ cấp đông đại − Công nghệ cấp đông hỗ trợ áp suất cao − Công nghệ cấp đông hỗ trợ điện trường − Công nghệ cấp đông hỗ trợ từ trường − Công nghệ cấp đông hỗ trợ sóng vơ tuyến − Cơng nghệ cấp đơng hỗ trợ vi sóng − Cơng nghệ cấp đơng hỗ trợ siêu âm Hiện trạng ứng dụng công nghệ cấp đơng có hỗ trợ từ trường − Ứng dụng từ trường cấp đơng quy mơ thí nghiệm Thơng qua nghiên cứu này, ảnh hưởng từ trường lên mẫu thí nghiệm khác (nước, dung dịch, thực phẩm) chứng minh Tuy nhiên, với hạn chế mặt số lượng thực nghiệm nghiên cứu liên quan để so sánh, đối chiếu lẫn kết nghiên cứu chưa thể áp dụng quy mô công nghiệp nhiều đối tượng thực phẩm khác − Ứng dụng từ trường cấp đông quy mô công nghiệp Trong năm gần đây, nhiều sáng chế đăng kí nhằm cố gắng tận dụng hiệu ứng từ trường đến đặc tính nước để cải thiện q trình cấp đông thực phẩm Tất sáng chế cho việc áp dụng từ trường trình cấp đơng giúp kiểm sốt q trình kết đơng nước làm tăng độ siêu lạnh Tuy nhiên, từ trường với mật độ từ thông thấp sử dụng gây nghi ngờ tác động từ trường đến nước, vốn chất có độ nhạy từ thấp Những tồn nghiên cứu công nghệ cấp đông hỗ trợ từ trường Các liệu thực nghiệm công bố báo chưa chứng minh rõ ràng tác động từ trường đến q trình cấp đơng chất lượng sản phẩm tủ đông hỗ trợ từ trường thương mại, điều mà cơng ty khẳng định có tác động tích cực đăng kí sáng chế Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, có số báo cáo ảnh hưởng từ trường cấp đông hầu hết nghiên cứu chưa thực đối tượng điều kiện cấp đông nên khó để so sánh với Do đó, điều cấp thiết phải có nghiên cứu khoa học chứng minh ảnh hưởng từ trường đến q trình cấp đơng và/hoặc nâng cao chất lượng sản phẩm hay cơng bố mang tính quảng cáo nhà sản xuất CHƯƠNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CẤP ĐƠNG CĨ HỖ TRỢ TỪ TRƯỜNG Từ trường biến đổi pha nước Từ trường có khả ảnh hưởng đến tính chất nước Nước coi vật liệu từ tính, có nghĩa moment lưỡng cực từ phát triển tác động từ trường bên ngồi Ảnh hưởng từ trường lên q trình kết tinh nước có ý nghĩa tích cực chất lượng vật liệu đông lạnh Dựa vào kết ban đầu nhà khoa học công bố lĩnh vực cho thấy tính khả quan ứng dụng từ trường cấp đông thực phẩm Nguyên lý hoạt động cấp đông hỗ trợ từ trường Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý cấp đông hỗ trợ từ trường dao động Cấp đông hỗ trợ từ trường hệ thống làm lạnh mà phương pháp hỗ trợ trình phương pháp cấp đơng có để cải thiện chất lượng sản phẩm tốc độ kết đông Việc kết hợp phương pháp cấp đông truyền thống với từ trường q trình cấp đơng đem lại lợi ích mặt chi phí lượng đảm bảo chất lượng sản phẩm đông lạnh Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình cấp đơng có hỗ trợ từ trường a Nhiệt độ khơng khí mơi trường cấp đơng b Vận tốc khơng khí mơi trường cấp đơng c Kích thước hình dạng sản phẩm cấp đông c Mật độ từ thơng d Các yếu tố khác Mơ hình tốn cấp đơng fillet cá tra Mơ hình nghiên cứu cấp đơng fillet cá tra có hỗ trợ từ trường trình bày hình 2.5, mẫu fillet cá tra đặt mặt khay đỡ nằm b thu v phỏt t trng Dàn lạnh Bộ lọc Cách nhiệt Bộ thu phát từ tr-ờng 100 Quạt W Fillet c¸ tra 300 2 700 Fillet c¸ tra Không khí lạnh, tm, 500 Không khí lạnh, tm, t m = 30 40°C 175 100 t m = 30 40°C 100 500 100 100 700 500 100 700 Hình 2.5 Bố trí sản phẩm buồng cấp đơng Như tốn mà luận án nghiên cứu q trình cấp đơng fillet cá tra mơi trường khơng khí chuyển động cưỡng bức, đối lưu từ phía mẫu Các phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt Hệ số truyền nhiệt k từ môi trường vào tâm sản phẩm xác định dựa vào công thức: (2.12) k= + Một phương pháp để xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu sử dụng kết đo nhiệt độ sản phẩm theo thời gian q trình cấp đơng, từ xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu theo tiêu chuẩn Biot Z (2.13) Bi = Tất trình cấp đơng gió có dạng đường cong tương tự Ban đầu, chúng có độ trễ định sau nhiệt độ tâm thực phẩm giảm theo hàm mũ Nhiệt độ không thứ nguyên xác định sau: t − t t − tm = m = (2.14) tm − ti ti − tm 'Độ trễ' thời điểm bắt đầu cấp đông nhiệt độ không thứ nguyên đo hệ số j, thể hình 2.7 Hình 2.7 Đường cong cấp đơng điển hình theo nhiệt độ khơng thứ ngun Từ hình 2.7, thấy phần tuyến tính đường cong cấp đơng mô tả sau: (2.15) = j exp(−C. ) Để tìm nghiệm phương trình (2.11), hai tham số khơng thứ ngun cần tính tốn, tiêu chuẩn Biot, xác định phương trình (2.13), tiêu chuẩn Fourier, xác định sau: a Fo = (2.20) Z Mơ hình tốn xác định thời gian cấp đông lý thuyết Các phương pháp xác định thời gian cấp đông: Plank (1941), Nagaoka (1956), Levy (1958), Cleland Earle (1984) Pham Q T (1986) Mơ q trình cấp đơng fillet cá tra Bài tốn mơ q trình cấp đơng fillet cá tra thiết lập miền 3D có kích thước giới hạn 210 x 110 x 15 mm, mặt mặt bên phía đầu miếng cá xem mặt phẳng Thiết lập cho toán truyền nhiệt: ( h) = ( T ) + ( hF mF ) (2.73) Thiết lập cho toán truyền chất: ( CF ) = ( DF CF ) (2.75) Các giả thiết tốn mơ số q trình cấp đông fillet cá tra : - Nhiệt độ môi trường cấp đơng giả thiết khơng đổi q trình cấp đông theo chế độ khác - Vận tốc khơng khí qua bề mặt fillet cá tra giả thiết khơng đổi q trình cấp đơng - Nhiệt trở dẫn nhiệt khay chứa vật liệu bỏ qua, điều kiện biên mô điều kiện đối xứng loại - Bỏ qua trao đổi nhiệt xạ, kích thước buồng cấp đông bé, chênh lệch nhiệt độ môi trường fillet cá tra thấp - Buồng cấp đông xem cách nhiệt hoàn toàn nên bỏ qua tổn thất nhiệt môi trường - Ẩm xem phân bố bên fillet cá tra Mô phân bố từ trường thiết bị cấp đông Để quan sát phân bố từ trường buồng cấp đông có sử dụng tạo từ trường dao động từ trường tĩnh, đồng thời giúp việc lắp cảm biến nhiệt độ vị trí phù hợp, phân bố từ trường mô phần mềm Comsol Multiphysics v5.5 Kết luận chương Phương pháp đo nhiệt độ không ổn định kết hợp với mối quan hệ tiêu chuẩn đồng dạng xác định phù hợp để tính tốn hệ số truyền nhiệt q trình cấp đơng Do kết hợp lý thuyết thực nghiệm nên phương pháp có độ tin cậy hơn, phù hợp với trình cấp đơng phức tạp địi hỏi thiết bị đo nhiệt độ q trình cấp đơng phải có độ xác cao Để tính tốn thời gian cấp đông lý thuyết nhằm so sánh với kết mô kết thực nghiệm, 05 mô hình tốn: Plank, Nagaoka, Levy, Cleland Earle, Pham Q T đề xuất Nghiên cứu lý thuyết cho thấy 05 mơ hình phù hợp để tính tốn thời gian cấp đông lý thuyết sản phẩm có hình dạng phức tạp CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TỪ TRƯỜNG ĐẾN Q TRÌNH CẤP ĐƠNG GIĨ Khảo sát phân bố từ trường buồng cấp đông Từ trường đo cách sử dụng máy đo từ trường Tenmars TM-197 (phạm vi đo 0~30000 Gauss, sai số 0,1G) Vị trí đo mặt cắt ngang tâm miếng cá, cách 02 tạo từ trường Mỗi lần đo điểm (theo hình 3.1), điểm ghi liệu phút (180s) lấy kết trung bình y 40 40 Chiều rộng miếng cá Phần l-ng Phần bụng 105 Phần đuôi 105 x Phần đầu Chiều dài miếng cá Hỡnh 3.6 V trớ đo từ trường thí nghiệm Kết đo từ trường dao động trình bày hình 3.7 hình 3.8 Hình 3.7 Phân bố từ trường dao động Hình 3.8 Phân bố từ trường tĩnh Quy trình tiến hành thực nghiệm Kích thước trung bình fillet cá tra chọn nghiên cứu 210x80x15mm (chiều dài x chiều rộng x độ dày) Fillet cá tra cấp đông từ 12°C đến -18°C (nhiệt độ tâm) theo ba phương pháp khác nhau: cấp đơng gió thơng thường (ABF), cấp đơng gió có hỗ trợ từ trường dao động (OMF) cấp đơng gió có hỗ trợ từ trường tĩnh (SMF) Đánh giá hoạt động mơ hình Để xác định thời gian cấp đông, nhiệt độ tâm sản phẩm phải đạt không lớn -18°C, theo TCVN 8338:2010 Do vậy, nghiên cứu này, nhiệt độ cuối tâm sản phẩm chọn để dừng q trình cấp đơng -18°C a Q trình cấp đơng khơng có hỗ trợ từ trường Tiến hành chạy cấp đông thử nghiệm cho mẫu fillet cá tra nhiệt độ khơng khí khác (-30, -35, -40C) đo nhiệt độ tâm sản phẩm nhiệt độ khơng khí buồng cấp đơng Thời gian cấp đông nhiệt độ -30C, -35C, -40C 2457s, 2381s 2210s Nhiệt độ không khí giảm 5C thời gian cấp đơng giảm khoảng 5% Từ trường dao động có ảnh hưởng đến q trình cấp đơng thơng số khó kiểm sốt điều khiển giá trị theo mong muốn nên khơng thể thực thí nghiệm đa yếu tố tối ưu hóa thơng số Kết mô phân bố từ trường dao động buồng cấp đơng Bài tốn mơ chia lưới theo kiểu Free Tetrahedral, với tổng số phần tử 34728, tổng số nút 203850 Tổng số bậc tự tốn 284167 - Hình 3.18 Phân bố từ trường dao động tâm miếng cá , t=0,005s So sánh với kết đo thực nghiệm mô hình, khoảng cách 02 thu-phát 80mm mật độ từ thơng trung bình vị trí đo đạt 68,2 Gauss, thấp 7,83% so với giá trị trung bình đo Như vậy, kết mô cho thấy rõ phân bố từ trường toàn mặt cắt ngang miếng cá Kết mô phân bố từ trường tĩnh buồng cấp đơng Bài tốn mơ chia lưới theo kiểu Free Tetrahedral, với tổng số phần tử 20492, tổng số nút 115896 Tổng số bậc tự toán 159225 a) b) b ) nam châm: Hình 3.23 Phân bố từ trường mặt cắt tâm miếng cá với khoảng cách 02 a) 80mm; b) 70mm; Vùng miếng cá từ thông chênh lệch so với vùng đầu miếng cá khoảng cách 02 nam châm 30mm 40mm lên đến 732, 544 Gauss, tương ứng 70% 64% Do nghiên cứu thực nghiệm cần lưu ý loại bỏ thực nghiệm với khoảng cách 02 nam châm q thấp Kết mơ q trình cấp đơng khơng có từ trường a) -30C b) -35C c)-40C Hình 3.28 Đường cong cấp đơng bề mặt tâm fillet cá tra nhiệt độ khác 10 Khi so sánh với kết tính tốn mơ hình tốn giải tích chênh lệch phương pháp giải tích mơ lớn (từ 22,6% đến 55%), nên khuyến cáo sử dụng trường hợp tính tốn đơn giản a) 500 giây b) 1000 giây c) 1500 giây d) 2000 giây Hình 3.29 Kết mơ nhiệt độ q trình cấp đơng 11 mặt cắt Tính tốn hệ số truyền nhiệt q trình cấp đơng Trong thực tế, để đánh giá độ xác liệu thực nghiệm phương pháp tính tốn hệ số truyền nhiệt mô tả mục 2.4, cảm biến nhiệt độ fillet cá tra q trình cấp đơng lắp bề mặt tâm sản phẩm, mơ tả hình 3.32a Bộ ghi liệu nhiệt độ kênh với cặp nhiệt điện loại J (VersaLog TC, Canada) có độ xác 0,2% sử dụng để xác định nhiệt độ fillet cá tra trình cấp đơng a) Vị trí lắp cảm biến nhiệt độ b) Thiết bị đo ghi liệu Hình 3.32 Mô tả phương pháp đo nhiệt độ trình cấp đơng Bảng 3.15 So sánh hệ số truyền nhiệt trung bình Hệ số truyền nhiệt trung bình, W/(m2.K) Vị trí lắp cảm biến nhiệt độ Phương pháp cấp đông Bề mặt Tâm sản phẩm Sai số (%) ABF 35,38 34,75 1,78 OMF 36,83 35,76 2,90 SMF 36,77 36,24 1,45 11 Các liệu nhiệt độ đo q trình cấp đơng sau sử dụng để xác định hệ số j C phương trình (2.15) cách sử dụng phương pháp hồi quy phi tuyến với hỗ trợ phần mềm Minitab 19 Kết phân tích hồi quy chia thành 02 trường hợp: (a) vị trí lắp cảm biến tâm; (b) vị trí lắp cảm biến bề mặt Nhận xét kết tính tốn mơ phỏng: - Kết tính tốn hệ số truyền nhiệt áp dụng phạm vi ghi nhận liệu thực nghiệm, nghĩa nhiệt độ fillet cá tra thay đổi khoảng 12C đến -18C - Khi sử dụng hai nguồn liệu nhiệt độ ghi nhận hai trường hợp: (a) vị trí lắp cảm biến tâm; (b) vị trí lắp cảm biến bề mặt; để tính tốn hệ số truyền nhiệt kết cho thấy giá trị k tính trường hợp (b) ln cao trường hợp (a) từ 1,45 đến 2,9% - Các kết tính hệ số 1 có sai số lớn từ 4,62 đến 9,31% sai số tính tốn hệ số hình dạng E dao động từ 2,9 đến 5,58% Kết cho thấy giá trị hệ số truyền nhiệt hệ số hình dạng tính tốn từ phương pháp nửa lý thuyết nửa thực nghiệm đáng tin cậy - So với q trình cấp đơng khơng có hỗ trợ từ trường, hệ số truyền nhiệt q trình cấp đơng có hỗ trợ từ trường dao động lớn trung bình khoảng 3,0% Tương tự, cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh, chênh lệch hệ số truyền nhiệt trung bình khoảng 9,4% Kết luận chương 3: Trên sở kế thừa mơ hình tốn học tính tốn thời gian cấp đơng, kết tính tốn lý thuyết fillet cá tra cho thấy mơ hình tốn Pham QT có sai số thấp nên chấp nhận trường hợp tính tốn đơn giản Để kiểm chứng rõ hơn, q trình cấp đơng fillet cá tra khơng có hỗ trợ từ trường mơ dựa kích thước 3D thực tế miếng cá Kết cho thấy thời gian cấp đông thấp tính tốn lý thuyết (mơ hình tốn Pham QT) 27,2%, 26,2% 22,6% tương ứng nhiệt độ -30, -35 -40C Khi so sánh với kết thực nghiệm thời gian cấp đơng theo mô thấp 4%, 15% 17% tương ứng nhiệt độ -30, -35 -40C Kết thực nghiệm cho thấy hai loại từ trường có ảnh hưởng đến thời gian cấp đơng, từ trường dao động với mật độ từ thông trung bình 40 Gauss giúp giảm thời gian cấp đơng khoảng từ 2% đến 25% so với cấp đông thông thường từ trường tĩnh giúp giảm thời gian lên đến 56% địi hỏi mức từ thơng 400 Gauss Kết tính tốn hệ số truyền nhiệt tương đương dựa liệu thực nghiệm cho thấy hệ số truyền nhiệt trình cấp đơng có hỗ trợ từ trường dao động lớn trung bình khoảng 3,0% Tương tự, cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh, chênh lệch hệ số truyền nhiệt trung bình khoảng 9,4% 12 CHƯƠNG TỐI ƯU HĨA CÁC THƠNG SỐ VẬN HÀNH Q TRÌNH CẤP ĐƠNG GIĨ CĨ HỖ TRỢ TỪ TRƯỜNG TĨNH Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố Mơ hình bậc hai xây dựng từ quy hoạch trực giao cấp hai có dạng: k k k j =1 j ,l =1 j l j =1 Y = b0 + b j X j + b jl X j X l + b jj X j (4.1) Xác định thơng số đầu vào Như trình bày mục 3.1.4, thông số đầu vào bao gồm thông số: Nhiệt độ cấp đông, vận tốc khơng khí, chiều dày mẫu cá mật độ từ thông Xác định thông số đầu (hàm mục tiêu) a Thời gian cấp đông Theo nội dung trình bày mục 3.1.5, thời gian cấp đơng luận án xác định thời gian cần thiết để giảm nhiệt độ mẫu cá từ nhiệt độ ban đầu (12C) đến nhiệt độ cuối (-18C) vị trí có thời gian dài 07 vị trí đo biểu diễn hình 3.11 b Tỷ lệ hao hụt khối lượng sau cấp đông Các mẫu fillet cá tra trước sau cấp đông xác định tỷ lệ hao hụt khối lượng sau cấp đông dựa theo công thức sau: G − G2 (4.20) FL = 100% G1 c Màu sắc fillet cá tra sau cấp đông Phương pháp xác định màu sắc thực máy đo màu (CR-410, Konica-Minolta, Nhật Bản), số hệ màu CIE gồm L*, a* b* xác định số độ sáng, đỏ vàng Màu sắc lấy từ (chín) vị trí ngẫu nhiên bề mặt fillet cá tra Tổng số chênh lệch màu (AE) tính tốn cách sử dụng công thức sau: ΔE = ( ΔL ) + ( Δa ) + ( Δb ) Kết nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố Thiết lập toán thực nghiệm đa yếu tố Hình 4.2 Minh họa biến đầu vào hàm mục tiêu thực nghiệm Thiết lập phương trình hồi quy thực nghiệm a Thời gian cấp đông 13 (4.21) Phương trình hồi quy mơ tả thời gian cấp đơng (Y1) thiết lập sau: Y1 = 1612,31+270,104 X1 − 431,093 X + 179,674 X − 156,762 X (4.25) − 210,875 X X − 145,125 X X + 133, 465 X 22 Đồ thị biểu diễn mối tương quan trình bày hình 4.3: Standardized Pareto Chart for Y1 Estimated Response Surface X2=0.0,X3=0.0 Y1 B:X2 A:X1 AB C:X3 D:X4 CD BB AD AA AC BC CC DD BD + - 0.0 500.0 1000.0 1500.0 2000.0 2500.0 3000.0 (X 1000) Y1 -2 Standardized effect 12 -1 -2 -1 X4 X1 15 a) Đồ thị Pareto b) Y1 = f(X1, X4) với X2 = 0; X3 = Hình 4.3 Đồ thị bề mặt đáp ứng hàm thời gian cấp đơng Phương trình hồi quy viết cho hàm thời gian cấp đông dạng biến thực: Y1 = 2777,077+138,371Z1 − 976, 431Z + 380,087Z3 − 9,317Z (4.26) − 16,87 Z1Z − 0,7256Z3 Z + 21,354Z 22 b Tỷ lệ hao hụt khối lượng sau cấp đơng Phương trình hồi quy mơ tả tỷ lệ hao hụt khối lượng sau cấp đông (Y2) thiết lập sau: Y2 = 1,39865 + 0, 408205 X − 0,676427 X + 0,302907 X − 0, 417856 X (4.27) − 0,372125 X1 X + 0,510032 X 22 + 0,19599 X 32 Đồ thị biểu diễn mối tương quan trình bày hình 4.4: Estimated Response Surface X2=0.0,X3=0.0 Standardized Pareto Chart for Y2 Y2 B:X2 BB D:X4 A:X1 AB C:X3 CC AD CD AA BC DD AC BD 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 + 4.8 Y2 3.8 2.8 1.8 0.8 -0.2 -2 Standardized effect 10 -1 -2 -1 X4 X1 12 a) Đồ thị Pareto b) Y2 = f(X1, X4) với X2 = 0; X3 = Hình 4.4 Đồ thị bề mặt đáp ứng hàm tỷ lệ hao hụt khối lượng sau cấp đơng Phương trình hồi quy viết cho hàm tỷ lệ hao hụt khối lượng sau cấp đông dạng biến thực: Y2 = 35,994 + 1,659.Z1 − 1,626.Z + 0,151.Z3 − 0,004.Z − 0,03.Z1.Z + 0,02.Z 22 + 0,031.Z 32 (4.28) c Tổng số chênh lệch màu trung bình Dựa kết thực nghiệm phân tích hồi quy đa yếu tố, sau loại trừ hệ số có mức ý nghĩa P>0,05 (b13, b14, b23, b44), phương trình hồi quy mơ tả tổng số chênh lệch màu trung bình (Y3) thiết lập sau: 14 Y3 = 18,7674 + 1,14711 X1 − 1,92516 X + 0,837128 X − 1,13132 X (4.29) − 1,00938 X1 X + 0,804375 X X − 0,623125 X X + 0,646683 X12 + 1,30545 X 22 + 0,749559 X 32 Đồ thị biểu diễn mối tương quan trình bày hình 4.4 Phương trình hồi quy viết cho hàm tổng số chênh lệch màu trung bình dạng biến thực: Y3 = 0,700 − 0,0119 Z1 − 0,3096 Z − 0,0776 Z3 + 4, 28.10 −4 Z (4.30) + 0,0024Z1Z − 0,0015Z1Z3 − 1,95.10−6 Z1Z + 6,30.10−5 Z12 + 0,0264 Z 22 + 0,1648Z32 − 1,83.10 −7 Z 42 Estimated Response Surface X2=0.0,X3=0.0 Standardized Pareto Chart for Y3 Y3 B:X2 A:X1 D:X4 BB AB C:X3 BD CC AA CD BC AC DD AD 15.0 17.0 19.0 21.0 23.0 25.0 27.0 29.0 31.0 33.0 35.0 + - 32 29 Y3 26 23 20 17 -2 Standardized effect 10 -1 -2 -1 X4 X1 a) Đồ thị Pareto b) Y3 = f(X1, X4) với X2 = 0; X3 = Hình 4.5 Đồ thị bề mặt đáp ứng hàm tổng số chênh lệch màu trung bình Nhận xét: Nhiệt độ cấp đông chiều dày ảnh hưởng theo chiều hướng âm, nghĩa giảm thời gian cấp đông ngắn, khi, vận tốc khơng khí mật độ từ thơng tác động theo chiều ngược lại Tỷ lệ hao hụt khối lượng sau cấp đông tỉ lệ nghịch với mật độ từ thông nên việc đưa từ trường tĩnh vào hỗ trợ cho q trình cấp đơng giúp giảm hao hụt khối lượng Đối với sản phẩm fillet cá tra sau cấp đơng màu sắc so với mẫu tươi, tức E* tăng lên (>16) Do vậy, thông số công nghệ ảnh hưởng rõ rệt đến tổng số chênh lệch màu trung bình Tối ưu hóa q trình cấp đơng Đối với tốn tối ưu hóa đa mục tiêu q trình cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh, giá trị tối ưu biến X1, X2, X3, X4 tính toán cho giá trị hàm mục tiêu Y1, Y2, Y3, tốt phạm vi -1,664 X1, X2, X3, X4 1,664 15 Y1 = f1min ( X 1opt , X 2opt , X 3opt , X 4opt ) = f1 ( X , X , X , X ) Y2 = f 2min ( X 1opt , X 2opt , X 3opt , X 4opt ) = f ( X , X , X , X ) Y3 = f3min ( X 1opt , X 2opt , X 3opt , X 4opt ) = f ( X , X , X , X ) X = ( X , X , X , X ) −1, 664 X , X , X , X 1, 664 (4.31) Phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Method-RSM) sử dụng trường hợp để xác định thông số công nghệ tối ưu cho q trình cấp đơng Kết xác định giá trị biến tối ưu sau: X1opt = −1,5371; X 2opt = 0,3198; X 3opt = 0,2089; X 4opt = 1,645 , tương ứng với giá trị hàm mục tiêu: Y1min = 906s; Y2min = 0,174%; Y3min = 17,31 Kết cho thấy tỷ lệ hao hụt khối lượng đáp ứng TCVN 8338:2010 thời gian cấp đông thấp Mức độ thỏa hiệp mơ hình tốn đạt 90,4% Chuyển đổi thành giá trị biến thực: Z1opt = −42,7o C; Z2opt = 5,8m/s; Z3opt = 15,4mm; Z4opt = 564,5Gauss Tối ưu hóa lúc hàm mục tiêu với biến đầu vào toán phức tạp giải tích, đơi khơng thể giải Do đó, việc ứng dụng phần mềm để giải toán tối ưu phức tạp cần thiết Đối với hàm mục tiêu theo quy hoạch thực nghiệm cấp 2, phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) xem xét phù hợp để giải toán tối ưu tồn hạn chế tính xác chưa cao Nhận xét: Kết thực nghiệm đơn yếu tố cho thấy hướng nghiên cứu đưa trường điện từ vào hỗ trợ cho cấp đông fillet cá tra nhằm giảm thời gian cấp đơng, giảm chi phí lượng nâng cao chất lượng sản phẩm Kết phân tích số liệu xây dựng 03 phương trình hồi quy tương quan hàm mục tiêu biến đầu vào, đồng thời cho thấy thông số ảnh hưởng lớn đến q trình cấp đơng Song song đó, phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu áp dụng để xác định giá trị hợp lý thông số công nghệ tiến hành cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh Kết xây dựng chế độ tối ưu cho hệ thống cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh nên thiết lập mức: nhiệt độ cấp đơng -42,7C, vận tốc khơng khí 5,8 m/s, chiều dày sản phẩm 15,4 mm mật độ từ thông 564,5 Gauss Với kết nghiên cứu này, cần tiến hành thêm thực nghiệm đánh giá chất lượng sản phẩm sau cấp đông độ cứng, độ dẻo, thời gian rã đông, tỷ lệ hao hụt khối lượng sau rã đơng,… để có sở chứng minh ảnh hưởng từ trường đến chất lượng sản phẩm 16 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM CẤP ĐÔNG ỨNG DỤNG TỪ TRƯỜNG Tầm quan trọng chất lượng đến sản phẩm cấp đông Những thay đổi xảy chất lượng thực phẩm trình cấp đơng, bảo quản đơng lạnh rã đơng đóng vai trị quan trọng thành cơng sản phẩm cấp đông đưa thị trường fillet cá tra Vì vậy, việc xác định chất lượng thực phẩm đông lạnh tất khâu, từ sản phẩm tươi, sản phẩm đông lạnh đến sản phẩm rã đông điều bắt buộc Hơn nữa, nhiều sản phẩm thực phẩm đông lạnh, chúng tiêu thụ sau trình chế biến tiếp theo, chẳng hạn nấu ăn, chất lượng thực phẩm cần xác định sau chế biến Các thông số chất lượng thường nghiên cứu rộng rãi xem quan trọng ảnh hưởng đến sản phẩm cấp đông màu sắc, kết cấu, độ ngon hương vị Phương pháp nghiên cứu chất lượng sản phẩm fillet cá tra Vật liệu Fillet cá tra với kích thước trung bình 210x80x15mm (chiều dài x chiều rộng x độ dày) cấp đông đến nhiệt độ tâm -18°C 02 phương pháp: cấp đông gió khơng hỗ trợ từ trường cấp đơng gió có hỗ trợ từ trường tĩnh Các mẫu đóng gói chân khơng lưu trữ tủ bảo quản nhiệt độ -20°C vòng tuần trước mang kiểm nghiệm Các mẫu cá rã đông tủ lạnh nhiệt độ 4°C trước đo Phương tiện Các thực nghiệm tiến hành mơ hình cấp đơng gió, tủ bảo quản sản phẩm tủ lạnh đặt phòng, khoa, trường đại học a Màu sắc fillet cá tra sau cấp đông Phương pháp xác định màu sắc thực máy đo màu (CR-410, Konica-Minolta, Nhật Bản) Hình 5.4 Vị trí đo máy đo màu CR-410 b Tỷ lệ hao hụt khối lượng sau rã đông Tỷ lệ hao hụt khối lượng sau rã đông thông số tính tốn từ kết đo khối lượng fillet cá tra trước sau rã đông đến nhiệt độ tâm đạt 0C G − G3 TL = 100% (5.8) G2 17 c Phân tích lý fillet cá tra Các phép thử lý thực máy phân tích cấu trúc thực phẩm CT3-4500 Brookfield Các mẫu cá tra phân tích lý 02 phương pháp: phép thử cắt (shear test) để xác định độ cứng, ứng suất cắt phương pháp TPA để xác định độ đàn hồi, độ dẻo độ dai Vì phép đo khơng thể thực với mẫu cá lớn nên mẫu lấy với kích thước 80 x 30 (dài x rộng, mm) hình sau: Hình 5.7 Vị trí lấy mẫu phân tích cấu trúc Kết phân tích màu sắc - Giá trị trung bình L* (độ sáng), a* (màu đỏ) b* (màu vàng) tương đối đồng mẫu phương pháp cấp đông với độ lệch chuẩn tương ứng 1,7; 1,16; 1,08 1,4; 1, 68; 0,88 So với mẫu fillet cá tra tươi, giá trị L* b* mẫu cấp đông tăng - Giá trị độ sáng L* cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh thấp cấp đơng khơng có từ trường 15% Điều cho thấy mẫu cá cấp đông có hỗ trợ từ trường có sậm có ổn định hàm lượng carotene thịt cao so với mẫu cá cấp đơng gió thơng thường - Màu đỏ a* thịt cá đặc trưng cho hàm lượng carotene nên mẫu cá cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh giá trị lớn nhiều có lợi hàm lượng carotene chế biến - Hàm lượng xanthophyll fillet cá tra tỷ lệ thuận với giá trị b* nên với giá trị b* mẫu cá cấp đơng có từ trường tĩnh cao 31,2% hàm lượng xanthophyll cao so với sản phẩm cấp đông từ trường hỗ trợ - Tổng độ chênh lệch màu E* mẫu cá cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh thấp 9,7% so với mẫu cấp đơng gió thơng thường Điều phản ánh phần chất lượng sản phẩm cấp đơng có hỗ trợ từ trường giữ ổn định Đánh giá tỷ lệ hao hụt khối lượng sau rã đông Các mẫu fillet cá tra cấp đơng có hỗ trợ từ trường có giá trị TL trung bình đạt 1,287%, thấp 55,7% so với mẫu cấp đơng gió thơng thường Điều cho thấy chất lượng fillet cá tra giữ ổn định cấp đơng có từ trường phù hợp với kết phân tích lý phân tích màu 18 Hình 5.10 Tỷ lệ hao hụt khối lượng rã đơng Kết phân tích lý a Phân tích thử cắt Kết phân tích phương pháp cắt cho thấy độ cứng ứng suất cắt fillet cá tra cấp đơng có hỗ trợ từ trường lớn khoảng 6,1% so với phương pháp cấp đơng gió thơng thường Ngồi ra, độ dẻo cá liên quan đến độ cứng (độ dẻo=độ cứng x lực cố kết) nên kết phản ảnh độ dẻo miếng cá cấp đông khơng có từ trường thấp b Phân tích TPA Phương pháp cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh cho sản phẩm có độ đàn hồi, độ dẻo độ dai lớn phương pháp cấp đơng gió thông thường 2,9%, 27,5% 33,2% Ảnh hưởng từ trường q trình cấp đơng đến độ dẻo độ dai lớn so với độ cứng độ đàn hồi So sánh chất lượng với sản phẩm thương mại Các tính chất lý đo từ mẫu nghiên cứu thực nghiệm cấp đơng khơng có từ trường (ABF) có hỗ trợ từ trường (SMF) sử dụng để so sánh với tính chất lý đo từ mẫu sản phẩm thương mại Vinh Quang (VQ), thể qua hình 5.15 Hình 5.15 Đồ thị so sánh tính chất lý mẫu VQ-ABF-SMF Về độ cứng, kết phân tích cho thấy chênh lệch mẫu VQ mẫu ABF 2,1%, so với mẫu SMF thấp 4% Có thể thấy chênh lệch giá trị độ cứng sau cấp đông mẫu không đáng kể (