ỨNG DỤNG SẤY THĂNG HOA TRONG BẢO QUẢN SẢN PHẨM THỦY HẢI SẢN NHÓM GIÁP XÁC CÓ GIÁ TRỊ KINH TẾ

Phương pháp xác định chế độ công nghệ chủ yếu là thiết lập và giải MHT TNTA, xác định thời gian sấy để SP đạt độ ẩm yêu cầu, xác định chi phí năng lượng cho quá trình, nhưng chưa đánh gi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

a) Công trình được hoàn thành tại:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp ………… họp tại:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

Vào hồi … giờ … phút, ngày … tháng … năm ……

d) Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Đại học Bách Khoa Tp.HCM

- Thư viện Đại học Quốc Gia Tp.HCM

- Thư viện Quốc Gia Tp.HCM

- Thư viện Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Chương 1: Tổng quan tài liệu

1.1 Cơ sở khoa học sấy thăng hoa

1.2 Vật liệu sấy

1.3 Những kết quả nghiên cứu về tính chất nhiệt vật lý của vật liệu ẩm

1.4 Những kết quả nghiên cứu về lạnh đông thực phẩm

1.5 Những kết quả nghiên cứu về sấy thăng hoa thực phẩm

1.6 Bài toán tối ưu trong nghiên cứu sấy thăng hoa

1.7 Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa

2.1.2 Chọn kích cỡ nguyên liệu làm đối tượng nghiên cứu

2.1.3 Chuẩn bị nguyên liệu cho lạnh đông và sấy thăng hoa

2.2 Dụng cụ và thiết bị thực nghiệm

2.2.1 Dụng cụ thực nghiệm

2.2.2 Thiết bị thực nghiệm

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp xác định các thông số nhiệt vật lý

2.3.1.1 Xác định khối lượng riêng 2.3.1.2 Xác định hệ số dẫn nhiệt 2.3.1.3 Xác định nhiệt dung riêng 2.3.1.4 Xác định điểm kết tinh ẩm của vật liệu ẩm

2.3.2 Phương pháp xác định TLNĐB bằng thực nghiệm

2.3.3 Phương pháp xác định TLBHA bằng thực nghiệm

2.3.4 Phương pháp xác định các thông số công nghệ của sản phẩm

2.3.5 Phương pháp xây dựng mô hình toán

2.3.6 Phương pháp xây dựng PTHQ các hàm mục tiêu trong BTTƯ

2.3.7 Phương pháp chia lưới giải BTTƯ tìm cực trị của hàm một mục

tiêu và hàm tổ hợp đa mục tiêu

2.3.8 Phương pháp phần tử hữu hạn giải MHT TNLĐ và TNTA

2.3.9 Một số công cụ nghiên cứu khác 50

Chương 3: Xây dựng mô tả toán học cho quá trình lạnh đông và sấy thăng hoa

3.1 Mở đầu

3.2 Mô hình vật thể và các giả thiết nghiên cứu

3.3 Xây dựng mô hình toán truyền nhiệt lạnh đông

3.3.1 Phân tích quá trình lạnh đông

3.3.2 Xây dựng mô hình toán truyền nhiệt lạnh đông

3.3.2.1 Mô hình toán truyền nhiệt trong VLA khi lạnh đông 3.3.2.2 Mô hình toán truyền nhiệt lạnh đông thiết lập trên

3.4.1 Phân tích hệ thống của quá trình sấy thăng hoa

3.4.2 Xây dựng mô hình toán truyền nhiệt tách ẩm trong điều kiện

sấy thăng hoa

3.4.2.1 Mô hình truyền nhiệt tách ẩm trong điều kiện sấy

thăng hoa

3.4.2.2 Mô hình truyền nhiệt tách ẩm trong sấy thăng hoa thiết

lập trên phần tử hữu hạn

3.4.3 Giải mô hình toán

3.4.4 Nhận dạng tham số và kiểm tra sự tương thích của mô hình toán 3.5 Xây dựng BTTƯ xác định các thông số công nghệ sấy thăng hoa

3.5.1 Phân tích đối tượng sấy thăng hoa

3.5.2 Xây dựng các BTTƯ một mục tiêu

3.5.3 Xây dựng BTTƯ đa mục tiêu

3.5.4 Giải BTTƯ một mục tiêu và đa mục tiêu

Chương 4: Kết quả và thảo luận

4.1 Xác định các thông số nhiệt vật lý cơ bản của VLA

4.1.1 Xác định điểm kết tinh của nước trong tôm sú, tôm bạc và tôm

thẻ

4.1.1.1 Kết quả 4.1.1.2 Thảo luận 4.1.2 Xác định khối lượng riêng của tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ

4.1.2.1 Kết quả 4.1.2.2 Thảo luận 4.1.3 Xác định hệ số dẫn nhiệt của tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ

4.1.3.1 Kết quả 4.1.3.2 Thảo luận 4.1.4 Xác định nhiệt dung riêng của tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ

4.1.4.1 Kết quả 4.1.4.2 Thảo luận

4.1.5 Xác định giá trị trung bình các thông số nhiệt vật lý của tôm sú,

tôm bạc và tôm thẻ

4.2 Xác định chế độ công nghệ ở giai đoạn 1 lạnh đông trong STH

4.2.1 Giải MHT truyền nhiệt lạnh đông

4.2.2 Nhận dạng tham số và kiểm tra sự tương thích của MHT

4.3.3.1 Kết quả 4.3.3.2 Thảo luận 4.2.3 Xác định tỉ lệ nước đóng băng và nhiệt độ lạnh đông thích hợp

4.2.3.1 Kết quả 4.2.3.2 Thảo luận 4.2.4 Xác định chế độ công nghệ ở giai đoạn 1 lạnh đông trong STH

4.2.5 Kết luận

4.3 Xác định động học của quá trình STH

4.3.1 Xác định áp suất môi trường STH

4.3.2 Giải MHT truyền nhiệt tách ẩm trong điều kiện STH

4.3.3 Nhận dạng tham số và kiểm tra sự tương thích của MHT

4.3.3.1 Kết quả 4.3.3.2 Thảo luận 4.3.4 Xác định động học của quá trình STH

4.3.4.1 Kết quả 4.3.4.2 Thảo luận 4.3.5 Kết luận

4.4 Xác định các thông số công nghệ trong điều kiện STH

4.4.1 Kết quả

5.4.1.1 Xây dựng các hàm mục tiêu thành phần 5.4.1.2 Giải BTTƯ một mục tiêu

5.4.1.3 Giải BTTƯ đa mục tiêu bằng phương pháp vùng cấm 4.4.2 Thảo luận

4.4.3 Kết luận

4.5 Xác định chế độ công nghệ STH

4.5.1 Quy trình công nghệ STH tôm sú

4.5.2 Quy trình công nghệ STH tôm bạc

4.5.3 Quy trình công nghệ STH tôm thẻ

4.5.4 So sánh sản phẩm STH với sấy nhiệt thông thường

4.6 Triển vọng ứng dụng công nghệ STH trong chế biến và bảo quản thực

phẩm tại Việt Nam

LỜI CAM ĐOAN

Đây là bản luận án tiến sĩ (LATS) kỹ thuật được hoàn thành vào năm 2011, tại Bộ môn Quá trình và Thiết bị CNHH, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Tp.HCM cũng như bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Trung Tâm Việt – Hàn trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Tôi xin cam đoan:

§ Kết quả nghiên cứu trong luận án này do chính tôi thực hiện

§ Số liệu xác định bằng thực nghiệm được tiến hành nghiêm túc, trung thực

và đủ độ tin cậy, nhờ có sự hỗ trợ các thiết bị đo lường tiên tiến, chính xác với phương pháp hợp lý

§ Số liệu tính toán từ các mô hình toán có độ chính xác cao, nhờ có sự hỗ trợ của các phần mềm kỹ thuật như: ANSYS 10.0, Visual Basic 6.0, Microsoft Excel 6.0, Matlab 7.0 bằng thuật toán thích hợp

§ Kết quả nghiên cứu không trùng lắp với những nghiên cứu từ trước đến nay, ngoại trừ các công trình nghiên cứu của tôi đã được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành

Người cam đoan

Nghiên cứu sinh: NGUYỄN TẤN DŨNG

LỜI CÁM ƠN

Trong thời gian học tập nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Tp.HCM, để hoàn thành luận án tiến sĩ là nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình của quí thầy, cô trong khoa Công nghệ Hóa học Vì vậy, cho tôi kính gửi đến quí thầy,

cô lời cám ơn chân thành và sâu sắc

Trước hết xin chân thành cám ơn hai Thầy hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trịnh Văn Dũng (ĐHBK), PGS.TSKH Trần Đức Ba (ĐHBK) đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành LATS này

Xin chân thành cám ơn đến tập thể quí Thầy: PGS.TSKH Lê Xuân Hải (ĐHBK), PGS.TS Phạm Văn Bôn (ĐHBK), TS Trần Văn Ngũ (ĐHBK) đã nhiệt tình giúp đỡ, chỉ dẫn, góp ý, sửa chữa và bổ sung cho tôi những kiến thức chuyên môn quý báu để hoàn thiện LATS này

Xin chân thành cám ơn đến quí thầy, cô khoa trong Bộ môn Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học, trường ĐHBK Tp.HCM đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu trong thời gian qua

Xin chân thành cám ơn đến Thầy: PGS.TS Thái Bá Cần (Ban Giám Hiệu), PGS.TS Nguyễn Văn Sức (khoa CNHH&TP), PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn (khoa Toán ứng dụng) trường ĐHSPKT Tp.HCM đã nhiệt tình hỗ trợ phòng thí nghiệm, trang thiết bị thí nghiệm, các phần mềm kỹ thuật tính toán chuyên dụng và tạo điều kiện thực hiện đề tài NCKH cấp bộ “Nghiên cứu tính toán, thiết kế và chế tạo máy sấy thăng hoa DS-3”, và thực hiện thực nghiệm để hoàn thành LATS

Cuối cùng xin chân thành cám ơn đến các đồng nghiệp trong khoa CNHH&TP, Bộ môn Công nghệ Thực phẩm và Trung Tâm Việt Hàn thuộc trường ĐHSPKT Tp.HCM, khoa Công nghệ chế biến thuộc trường ĐHTS Nha trang đã hỗ trợ, động viên tôi trong thời gian thực hiện LATS

Nghiên cứu sinh: NGUYỄN TẤN DŨNG

DANH SÁCH BẢNG TRÌNH BÀY TRONG LUẬN ÁN

Trang

Bảng 1.1a Quan hệ giữa nhiệt độ (T) và áp suất (P) thăng hoa của nước đá 6

Bảng 1.2 Thành phần khoáng chất đa vi lượng của tôm nguyên liệu 10 Bảng 1.3 Các thông số nhiệt vật lý của nước nguyên chất 11 Bảng 1.4 Một số mô hình xác định khối lượng riêng của VLA 13 Bảng 1.5 Một số mô hình xác định nhiệt dung riêng của VLA 15 Bảng 1.6 Một số mô hình xác định hệ số dẫn nhiệt của VLA 17 Bảng 1.7 Một số MHT xác định TLNĐB của VLA dạng tấm phẳng 19

Bảng 1.10 Một số MHT truyền nhiệt tách ẩm trong điều kiện STH 26 Bảng 1.11 Số liệu tính toán MHT (1.35) và TN xác định TLBHA 30 Bảng 2.1 Phân loại kích cỡ của các loài tôm (K là hệ số quy định kích cỡ) 38 Bảng 2.2 Khảo sát kích cỡ tôm nguyên liệu thu hoạch tại các tỉnh ĐBSCL 39

Bảng 2.4 Ma trận thực nghiệm của phương án trực giao cấp 2 47

Bảng 4.2a Số liệu thực nghiệm xác định khối lượng riêng 72 Bảng 4.2b Sự phụ thuộc khối lượng riêng vào nhiệt độ của VLA 72

Bảng 4.3b Sự phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt vào nhiệt độ của VLA 75

Bảng 4.4b Sự phụ thuộc nhiệt dung riêng vào nhiệt độ của VLA 80 Bảng 4.5 Các thông số vật lý và nhiệt vật lý của tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ 84 Bảng 4.6 Các tính chất nhiệt vật lý của VLA dùng để giải MHT TNLĐ 84 Bảng 4.7 SS(tw)Min, SS(tc)Min, sai số MHT so với TN khi ajopt tối ưu 88 Bảng 4.8 Hệ số tỏa nhiệt của MTLĐ của một số loại thực phẩm 88 Bảng 4.9 TLNĐB theo nhiệt độ TF và thời gian lạnh đông (t) 89

Bảng 4.11 Nhiệt độ lạnh đông thích hợp của VLA (tôm sú, bạc và thẻ) 91 Bảng 4.12 Hệ số hiệu chỉnh MHT của VLA (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ) 93 Bảng 4.13 Các thông số công nghệ ở giai đoạn 1 lạnh đông trong STH 95 Bảng 4.14 Chọn áp suất môi trường STH tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ 96 Bảng 4.15 Quan hệ giữa áp suất (P) với nhiệt độ (T) thăng hoa của nước đá 96 Bảng 4.16 Các tính chất nhiệt vật lý của VLA dùng để giải MHT TNTA 97 Bảng 4.17 Quan hệ giữa HSTN (aeopt) với áp suất (P) của MT STH 98 Bảng 4.18 Quan hệ giữa HSTN tối ưu, sai số của MHT với áp suất Pth 100 Bảng 4.19a MHT mô tả mối quan hệ giữa HSTN với áp suất MT STH 100 Bảng 4.19b Số liệu Ts, Tc, T¥, X(t)mh và X(t)mh của tôm sú 103

Bảng 4.20 Kết quả kiểm chứng sai số MHT so với số liệu TN 105 Bảng 4.21 Xác định khoảng thời gian sấy để độ ẩm SP từ (2 ¸ 6)% 106

Bảng 4.23 Hệ số hiệu chỉnh MHT của VLS (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ) 109

Bảng 4.24b Số liệu thực nghiệm xác định các hàm mục tiêu 115 Bảng 4.25 Nghiệm của BTTƯ một mục tiêu (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ) 116 Bảng 4.26 Nghiệm Pareto tối ưu (xR) và điểm hiệu quả Pareto tối ưu (IPR

hay yPR) của BTTƯ đa mục tiêu

120

Bảng 4.27a Số liệu TN xác định các hàm mục tiêu yj tại nghiệm Pareto tối ưu 120 Bảng 4.27b Kiểm chứng điểm hiệu quả Pareto tối ưu yPR bằng TN 121 Bảng 4.28 Các thông số giải MHT (3.57), (3.61) và (3.62) 123 Bảng 4.29a Số liệu giải và tính toán MHT (3.57) và (3.61), (3.62) 124 Bảng 4.29b Xác định các thông số công nghệ STH ở giai đoạn 2 và 3 124 Bảng 4.30 Đánh giá chất lượng sản phẩm STH với sấy nhiệt thông thường 128

DANH SÁCH HÌNH VẼ TRÌNH BÀY TRONG LUẬN ÁN

Trang

Hình 1.1a Biểu diễn giản đồ pha của nước và quá trình sấy và STH 6 Hình 1.1b Quan hệ áp suất – nhiệt độ thăng hoa của nước đá 7

TN trên cà rốt

27

Hình 1.13 Biểu diễn quan hệ TLBHA X(t)với t bằng TN và MHT (1.35) 30 Hình 1.14 Mô hình VLA dạng hình cầu (cá viên, bột axit amin dạng viên) 30 Hình 1.15 Mô phỏng đường cong STH ở Pth = 0,1 mmHg của MHT (1.34) áp

dụng cho tôm sú

31

Hình 1.16 Mô phỏng đường cong STH ở Pth = 0,1 mmHg của MHT (2.36)

dạng trụ hữu hạn áp dụng cho tôm sú

31

Hình 2.1 Phân bố các kích cỡ tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ ở tuổi thu hoạch 39

Hình 2.2 Hệ thống sấy thăng hoa DS – 3 40 Hình 2.3 Hệ thống lạnh 2 cấp nén DL-3 chạy cho tủ đông gió (-50 ¸ - 45)0

Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện của thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt 41 Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện của thiết bị đo nhiệt dung riêng 42

Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán tìm cực trị bằng phương pháp chia lưới 49

Hình 3.6 Sơ đồ thuật toán giải mô hình toán bằng phần tử hữu hạn 66 Hình 3.7 Sơ đồ thuật toán nhận dạng tham số và kiểm tra sự tương thích MHT 67 Hình 3.8 Phân tích xây dựng BTTƯ xác định các thông số công nghệ STH 68

Hình 4.4a Quan hệ giữa KLR không thứ nguyên với nhiệt độ của ba loại tôm 74

Hình 4.8a Quan hệ giữa HSDN không thứ nguyên với nhiệt độ của ba loại tôm 78

Hình 4.12a Quan hệ giữa NDR không thứ nguyên với nhiệt độ của ba loại tôm 82

Hình 4.13 Biến thiên Ts(xs, ys, zs, t) theo a thay đổi 85 Hình 4.14 Biến thiên Tc(xc, yc, zc, t) đạt tới Tkt theo a thay đổi 85 Hình 4.15 Biến thiên Tc(xc, yc, zc, t) theo a thay đổi 86 Hình 4.16 Quan hệ giữa tổng trị tuyệt đối các độ lệch với HSTN 87 Hình 4.17 Quan hệ giữa sai số của MHT so với TN khi HSTN thay đổi 87 Hình 4.18 Mô phỏng Ts(xs, ys, zs, t) và Tstn(t) 87 Hình 4.19 Mô phỏng Tc(xc, yc, zc, t) và Tctn(t) 87 Hình 4.20a, b Biển diễn w t( ), w( )T F của tôm sú, với nhiệt độ MTLĐ T ¥ = -450C 90

Hình 4.21a, b Biển diễn w t( ), w( )T F của tôm bạc, với nhiệt độ MTLĐ T ¥ = -450C 90

Hình 4.22a, b Biển diễn w t( ), w( )T F của tôm thẻ, với nhiệt độ MTLĐ T ¥ = -450C 90

Hình 4.23 Biểu diễn TLNĐB theo nhiệt độ lạnh đông của một số VLA 94 Hình 4.24 Sự biến thiên Ts(xs, ys, zs, t) của VLA tôm sú, ở Pth = 0,4 mmHg 97 Hình 4.25 Quan hệ tổng trị tuyệt đối các độ lệch với HSTN: SS(tw) = f(aej) 98 Hình 4.26 Quan hệ sai số của MHT so với TN khi HSTN thay đổi: s(ts) = f(aej) 98 Hình 4.27 Biểu diễn Ts(xs, ys, zs, t) và Tstn(t) của tôm sú tại Pth = 0,4 mmHg 99 Hình 4.28 Biểu diễn mối quan hệ giữa HSTN với áp suất của MT STH 100 Hình 4.29 Biểu diễn quan hệ giữa HSTN không thứ nguyên với áp suất của

MT STH

102

Hình 4.30 Quan hệ giữa TLBHA với thời gian STH tôm sú, khi Pth thay đổi 102 Hình 4.31 Sự biến thiên Ts, Tc, T¥ theo t của tôm sú tại Pth = 0,01mmHg 103 Hình 4.32 Sự biến thiên nhiệt độ, TLBHA theo thời gian, Pth = 0,01mmHg 104 Hình 4.33 Sự biến thiên nhiệt độ, TLBHA theo thời gian, Pth = 0,008mmHg 104 Hình 4.34 Mô phỏng đường cong STH của một số VLA ở áp suất môi trường

STH Pth = 0,02 mmHg, HSTN của MTS ae = 4,903 W.m-2.K-1

110

Hình 4.35 Đường cong STH khoai tây lát dạng phẳng thay đổi theo bề dày 110 Hình 4.36 Đường cong STH khoai tây lát dạng phẳng thay đổi theo áp suất 110 Hình 4.37 Biểu diễn đường cong STH các sản phẩm dược, khi nhiệt độ môi

trường STH -150

C giữ cố định

111 Hình 4.38 STH các vaccine xác định trường nhiệt độ bề mặt bằng TN 111 Hình 4.39 Nhiệt độ tâm của VLA (vaccine) khi lạnh đông và khi STH 112 Hình 4.40 Nhiệt độ tâm VLA (vaccine) khi lạnh đông P = 760mmHg, khi STH

với áp suất MT STH thay đổi: 0,1mmHg; 0,5mmHg; 1mmHg

CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN

Chữ viết tắt Tên gọi

MT STH: Môi trường sấy thăng hoa

a1, b1: Bán kính lớn và bé của đáy lớn mô hình vật thể m

a2, b2: Bán kính lớn và bé của đáy nhỏ mô hình vật thể m

Ký hiệu Tên gọi Đơn vị đo

c1, c2: NDR lớp ẩm đóng băng, chưa đóng băng của VLA J.kg-1.K-1

C0 = 5,67: Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối W.m-2.K-4

Gn, Gnb: Khối lượng ẩm, ẩm đã đóng băng có trong VLA kg

H1, H2: Chiều dài của hai đường sinh của mô hình vật thể m

Tth: Nhiệt độ thăng hoa của ẩm tương ứng với áp suất Pth 0C

TF, TFopt: Nhiệt độ lạnh đông, lạnh đông tối ưu của VLA 0C

Ký hiệu Tên gọi Đơn vị đo

W(t)mh: Độ ẩm của VLS biến thiên theo xác định bằng MHT % W(t)tn: Độ ẩm của VLS biến thiên theo xác định bằng TN %

y1: Hàm mục tiêu chi phí năng lượng cho 1 kg SP STH kWh.kg-1SP

y3 = 100 – IR: Hàm mục tiêu khả năng kháng hoàn ẩm trở lại của SP %

SS(tw), SS(tc): Tổng trị tuyệt đối độ lệch nhiệt độ ở bề mặt, tâm VLA 0C s(ts), s(tc): Sai số tương đối nhiệt độ ở bề mặt, tâm của VLA %

l1, l2: HSDN của VLA đóng băng, chưa đóng băng W.m-1.K-1

r1, r2 : KLR của VLA đóng băng, chưa đóng băng kg.m-3

w(T F ) mh : TLNĐB theo nhiệt độ lạnh đông xác định bằng MHT % w(t) mh : TLNĐB theo thời gian lạnh đông xác định bằng MHT % w(T F ) TN : TLNĐB theo nhiệt độ lạnh đông xác định bằng TN % w(t) TN : TLNĐB theo thời gian lạnh đông xác định bằng TN %

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án

Thủy sản Việt Nam có những bước phát triển khá nhanh và toàn diện theo định hướng công nghiệp hóa về khai thác, nuôi trồng, chế biến, bảo quản và xuất khẩu Năng suất, chất lượng và sản lượng ngày một tăng, đưa thủy sản trở thành ngành kinh tế mũi nhọn của Việt Nam [4, 5] Nếu như năm 2009 đã đạt được 4847,6 ngàn tấn/năm [4], trong đó sản lượng tôm chiếm 35%, tôm sú 848,33 ngàn tấn/năm, tôm bạc là 254,5 ngàn tấn/năm, tôm thẻ 267,3 ngàn tấn/năm, thì dự báo đến 2015 sản lượng có thể tăng gấp hai lần [5], và tập trung chủ yếu ở khu vực ĐBSCL, đây là loại thực phẩm giàu dinh dưỡng và có giá trị kinh tế Vì vậy, đòi hỏi

có những công nghệ sau thu hoạch thích hợp nhằm tạo ra các SP có chất lượng

Theo [6], công nghệ chế biến và bảo quản lương thực, thực phẩm sau thu hoạch có vị trí quan trọng trong nền kinh tế thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Nó đảm bảo an ninh lương thực, thực phẩm cho thế giới và cho quốc gia Hiện nay, ở nước ta đã sử dụng nhiều công nghệ tiên tiến trong chế biến và bảo quản các SP sau thu hoạch, với mục đích kéo dài thời gian tiêu thụ và xuất khẩu Nhưng vẫn phổ biến nhất là sử dụng công nghệ lạnh đông và công nghệ sấy, bởi vì

nó có thể ứng dụng để chế biến và bảo quản cho nhiều loại SP thực phẩm khác nhau, làm đa dạng hóa các mặt hàng SP thực phẩm, [4, 5, 45]

- Đối với công nghệ lạnh đông: các SP sau khi chế biến phải được bảo

quản ở môi trường thích hợp có nhiệt độ (-22 ¸ -18)0

C Nếu thời gian tiêu thụ kéo

dài sẽ làm chi phí bảo quản tăng nhanh, giá thành SP tăng, chất lượng SP giảm, gây

khó khăn trong quá trình thương mại, [1, 7, 8, 13]

- Đối với công nghệ sấy: có nhiều phương pháp sấy khác nhau Nếu sử

dụng phương pháp sấy thông thường ở nhiệt độ cao, các chất dinh dưỡng bị phá hủy, SP biến tính và khó hoàn nguyên trở lại, [7, 22, 47] Vitamin, enzyme và hoạt chất sinh học mất hoạt tính Màu sắc và mùi vị biến đổi, cấu trúc SP bị co rút, nứt

nẻ bề mặt, không tạo được độ xốp, chất lượng giảm [22, 47]

Nhưng với phương pháp STH, đây là một kỹ thuật khá phức tạp, gồm ba giai

đoạn nối tiếp nhau [57]: giai đoạn 1 lạnh đông, giai đoạn 2 STH, giai đoạn 3 SCK

QTS được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp, nhiệt độ VLS dưới điểm kết tinh, áp suất MTS dưới 4,58mmHg, nên SP tạo ra có chất lượng tốt, giá trị sinh

học cao và gần như bảo toàn được tính chất tự nhiên ban đầu của nguyên liệu, [81, 91] Chẳng hạn như: protein, axit amine, gluxit, lipid không bị thủy phân, nhiệt phân, hồ hóa hay oxy hóa Còn vitamine, enzyme và hoạt chất sinh học bảo toàn được hoạt tính, màu sắc và mùi vị ít biến đổi [81] SP ít bị co rút và nứt nẻ bề mặt,

SP tạo được độ xốp, khả năng hoàn ẩm trở lại rất tốt [91] Độ ẩm của SP (2 ¸ 6)% [82], cho vào bao bì ghép mí chân không, quản bảo ở nhiệt độ thường, thời gian sử dụng kéo dài, chi phí bảo quản thấp nhưng chất lượng ít thay đổi [1, 70, 81, 91]

Mặc dù SP STH có nhiều tính ưu việt, nhưng quá trình STH gồm nhiều giai đoạn phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ ẩm, sự liên kết ẩm, cấu trúc VLS, các tính chất nhiệt vật lý, nhiệt độ và áp suất MTS, nhiệt độ thăng hoa của VLS Đặc biệt là quá trình TNTA tiến hành trong môi trường có nhiệt độ thấp, áp suất thấp nên khả năng bốc hơi ẩm giảm, thời gian sấy kéo dài, tiêu tốn nhiều năng lượng [57, 80] Ở nước ta, hướng nghiên cứu công nghệ STH ứng dụng trong chế biến và quản bảo thực phẩm ít được quan tâm Trong khi đó ở các nước tiên tiến trên thế giới (Nga, Mỹ, Nhật, Pháp, Anh…) đã sử dụng phổ biến công nghệ STH trong chế biến bảo quản các SP thực phẩm sau thu hoạch Phương pháp xác định chế độ công nghệ chủ yếu là thiết lập và giải MHT TNTA, xác định thời gian sấy để

SP đạt độ ẩm yêu cầu, xác định chi phí năng lượng cho quá trình, nhưng chưa đánh giá đầy đủ các yếu tố về kinh tế, kỹ thuật và chất lượng của SP Từ những vấn đề đó

chúng tôi thực hiện đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng STH trong bảo quản SP thủy

sản nhóm giáp xác có giá trị kinh tế (đại diện là tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ)”

nhằm mục đích xây dựng phương pháp xác định CĐCN STH để QTS tiết kiệm năng lượng, độ ẩm SP đạt yêu cầu và SP đạt chất lượng tốt, xác định các thông số cần thiết cho tính toán và vận hành HT STH, phục vụ cho công nghệ bảo quản thủy sản nhóm giáp xác tại Việt Nam nói chung, tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ nói riêng, nâng cao chất lượng SP, đáp ứng nhu cầu chế biến và bảo quản sau thu hoạch

Mục tiêu của luận án

Nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định CĐCN STH trên đối tượng thủy sản nhóm giáp xác (đại diện là tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ) để tạo ra sản phẩm có chất lượng tốt với chi phí năng lượng nhỏ nhất và độ ẩm đạt yêu cầu

Nội dung của luận án

Để xác định CĐCN STH thì nhiệm vụ của luận án giải quyết các vấn đề sau:

1 Khảo sát xác định một số tính chất nhiệt vật lý cần thiết của thủy sản

nhóm giáp xác (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ) ảnh hưởng đến quá trình lạnh đông và tách ẩm Kết quả nhận được dùng để giải các MHT TNLĐ, TNTA trong STH

2 Xây dựng và giải MHT TNLĐ dùng để xác định chế độ công nghệ lạnh

đông nói chung và ở giai đoạn 1 trong STH nói riêng

3 Xây dựng và giải MHT TNTA trong điều kiện STH ở giai đoạn 2 và 3 để

xác định động học của QTS

4 Xây dựng và giải BTTƯ năm mục tiêu xác định các thông số công nghệ

(nhiệt độ và áp suất môi trường STH, thời gian STH) tối ưu để khi tiến hành quá trình STH sẽ thu được SP có: chi phí năng lượng/kg SP đạt tới ngưỡng cực tiểu, độ

ẩm đạt yêu cầu (2 ¸ 6)%, khả năng hoàn ẩm trở lại đạt tới ngưỡng cực đại (có nghĩa khả năng kháng hoàn ẩm đạt tới ngưỡng cực tiểu), độ co rút thể tích và độ tổn thất vitamin C đạt tới ngưỡng cực tiểu

5 Giải MHT TNTA trong điều kiện STH với các thông số công nghệ tối ưu

vừa tìm được từ BTTƯ đa mục tiêu để xác định chế độ công nghệ và ứng dụng trong bảo quản các SP thủy sản nhóm giáp xác (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ)

Đối tượng và giới hạn nghiên cứu

1 Đối tượng: mặc dù nhóm giáp xác có nhiều loại, nhưng trong khuôn khổ

của luận án chỉ tập trung nghiên cứu STH trên đối tượng thủy sản nhóm giáp xác có giá trị kinh tế đại diện là tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ được nuôi thương phẩm ở ĐBSCL, để xác định động học QTLĐ, quá trình STH, xác định các thông số công

nghệ cần thiết dùng để tính toán và vận hành HT STH

2 Giới hạn: nghiên cứu phương pháp xác định chế độ STH phục vụ cho

công nghệ sau thu hoạch để bảo quản đối tượng thủy sản nhóm giáp xác có giá trị

kinh tế đại diện là tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ được nuôi ở các tỉnh ĐBSCL

Phương pháp nghiên cứu

1 Sử dụng phương pháp TN để xác định các thông số nhiệt vật lý của thủy

sản nhóm giáp xác (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ)

2 Sử dụng phương pháp mô hình hóa, kết hợp với phương pháp phần tử

hữu hạn để mô tả toán học cho QTLĐ và quá trình STH thủy sản nhóm giáp xác (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ), xác định động học của các quá trình lạnh đông và quá trình STH, kiểm chứng các MHT bằng thực nghiệm, ứng dụng mô hình để xác lập chế độ công nghệ thích hợp khi vận hành

3 Sử dụng phương pháp quy hoạch TN để xây dựng các hàm mục tiêu (chi

phí năng lượng, chất lượng và độ ẩm SP) của BTTƯ đa mục tiêu phụ thuộc vào ba yếu tố công nghệ: nhiệt độ, áp suất của MTS và thời gian của quá trình STH

4 Sử dụng phương pháp vùng cấm để giải BTTƯ đa mục tiêu, xác định các

thông số công nghệ tối ưu cho quá trình STH và kiểm chứng bằng thực nghiệm

5 Sử dụng các công cụ toán học và sự hỗ trợ các phần mềm tin học chuyên

dụng để giải các BTTƯ và MHT

Đóng góp những nét mới về mặt khoa học của luận án

1 Luận án đã xây dựng được các MHT xác định một số tính chất nhiệt vật

lý cần thiết của tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ, dùng để giải các mô hình TNLĐ và TNTA trong điều kiện STH, ngoài ra dùng để giải các mô hình truyền nhiệt khác

2 Luận án đã đưa ra phương pháp xác định nhiệt độ và thời gian lạnh đông

thích hợp bằng cách xây dựng và giải MHT TNLĐ để xác định TLNĐB bằng phương pháp phần tử hữu hạn, kết quả nhận được dùng để xác định CĐCN lạnh đông nói chung và ở giai đoạn 1 trong STH nói riêng

3 Luận án đã xây dựng mối quan hệ giữa hệ số tỏa nhiệt với áp suất môi

trường STH, dùng để tính toán quá trình STH

4 Luận án đã xây dựng và giải MHT TNTA trong điều kiện STH để xác

định TLBHA, xác định động học của QTS bằng phương pháp phần tử hữu hạn

5 Luận án đã xây dựng BTTƯ 5 mục tiêu: chi phí năng lượng/kg SP (y1, kWh.kg-1), độ ẩm (y2, %), khả năng kháng hoàn ẩm (y3, %) hoặc khả năng hoàn ẩm (IR = 100 – y3 %), độ co rút thể tích (y4, %) và độ tổn thất vitamin C (y5, %) của SP STH phụ thuộc vào ba yếu tố công nghệ nhiệt độ (Z1, 0C), áp suất (Z2, mmHg) của MTS, thời gian của quá trình STH (Z3, h) Giải BTTƯ 5 mục tiêu bằng phương pháp vùng cấm đã xác định được các thông số công nghệ tối ưu

6 Luận án đã đưa ra phương pháp xác lập CĐCN STH cho thủy sản nhóm

giáp xác (tôm sú, bạc và thẻ), dựa trên việc giải các MHT TNLĐ, và TNTA trong STH với các thông số công nghệ tối ưu vừa tìm được từ việc giải BTTƯ 5 mục tiêu

Ý nghĩa khoa học

1 Xây dựng được các MHT xác định một số tính chất nhiệt vật lý quan

trọng của đối tượng nghiên cứu bằng TN không chỉ dùng để giải các bài toán TNLĐ, TNTA trong STH, mà còn có thể dùng để giải các bài toán công nghệ khác

2 Xây dựng và giải MHT TNLĐ dùng để xác định nhiệt độ và thời gian

lạnh đông thích hợp, cho phép dừng HTL đúng lúc tiết kiệm chi phí năng lượng, đây là một giải pháp công nghệ thiết thực

3 Thiết lập được MHT mô tả mối quan hệ giữa hệ số tỏa nhiệt với áp suất

môi trường trong điều kiện STH cho đối tượng nghiên cứu, dùng giải MHT TNTA trong điều kiện STH và tính toán thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị STH

4 Việc xây dựng và giải MHT TNTA trong điều kiện STH dùng để xác

định đường cong STH đối với tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ Kết quả nhận được dùng

để xác lập chế độ công nghệ STH

5 Việc xây dựng và giải BTTƯ đa mục tiêu xác định chi phí năng lượng/kg

SP, chất lượng và độ ẩm của SP STH Kết quả nhận được dùng để giải MHT TNTA, xác lập CĐCN STH cho thủy sản nhóm giáp xác (tôm sú, bạc và thẻ)

Ý nghĩa thực tiễn

1 Kết quả của luận án có thể dùng để xác định các thông số vận hành các

HTL cấp đông các SP thủy sản nói riêng và thực phẩm nói chung và HT STH các

SP thủy sản hoặc các SP có giá trị kinh tế cho các nhà máy, xí nghiệp chế biến thực phẩm

2 Kết quả của luận án đưa ra phương pháp xác định CĐCN STH mà qua đó giúp các nhà máy, xí nghiệp chế biến thủy sản nói riêng và thực phẩm nói chung có thêm phương pháp chế biến và quản bảo phục vụ cho công nghệ sau thu hoạch

3 Giải quyết vấn đề bảo quản các SP sau thu hoạch, nâng cao giá trị và kéo dài thời gian bảo quản

4 Kết quả của luận án đã xác định xác thông số công nghệ cần thiết cho

việc tính toán và vận hành HTL đông, HT STH ứng dụng trong bảo quản thủy sản nói riêng và bảo quản thực phẩm nói chung

Bố cục luận án

Luận án được trình bày trong 4 chương với 138 trang, nội dung bao gồm:

Mở đầu; Chương 1: Tổng quan; Chương 2: Đối tượng, dụng cụ - thiết bị thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu; Chương 3: Xây dựng mô tả toán học cho quá trình lạnh đông và sấy thăng hoa; Chương 4: Kết quả và thảo luận; kết luận Ngoài

ra, luận án còn có mục lục, danh sách bảng, danh sách hình, ký hiệu và chữ viết tắt,

17 phụ lục (gồm 227 trang) và 112 tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 CƠ SỞ KHOA HỌC SẤY THĂNG HOA

- Đối với nước quá trình chuyển pha: lỏng - rắn – hơi được mô tả trên giản

đồ cân bằng pha ở hình 1.1, [25, 57] Ở điều kiện áp suất P1 = const, khi cấp nhiệt vào làm nhiệt độ của nước tăng từ TM1

đến TN1, thì trạng thái của nước diễn ra

theo M1 – N1, tại M1 nước ở trạng thái

lỏng, tại N1 nước ở trạng thái hơi (hiện

tượng này thường xảy ra trong QTS thông

thường) Ở điều kiện áp suất P2 = const,

khi lấy nhiệt ra làm giảm nhiệt độ của

nước từ TM xuống TN = TR, thì trạng thái

pha của nước diễn ra theo M – N, tại M

nước ở trạng thái lỏng, tại N nước ở trạng

thái rắn hay nước đá (hiện tượng này thường xảy ra trong quá trình làm lạnh đông) Cũng ở một điều kiện áp suất PR = const, nhưng nhỏ hơn 4,58mmHg, tại R nước ở trạng thái rắn, nếu đặt chúng trong môi trường có nhiệt độ TR thì trạng thái pha của chúng không thay đổi (ở trạng thái R), còn nếu đặt chúng trong môi trường có nhiệt

độ lớn hơn hoặc bằng Tth (nhiệt độ thăng hoa của nước đá tại áp suất PR) sẽ làm tăng nhiệt độ của chúng, khi nhiệt độ của chúng đạt tới nhiệt độ Tth nước đá bắt đầu thăng hoa từ pha rắn sang pha hơi, lúc này trạng thái của nước diễn ra theo R – Q, tại Q nước ở trạng thái hơi (hiện tượng này xảy ra trong STH và quá trình diễn ra theo đường M – N – R – Q) Có thể thấy rằng, qua phân tích trên giãn đồ cân bằng pha hình 1.1a đã cho thấy, quá trình biến đổi pha của nước nguyên chất luôn phụ thuộc vào hai thông số cơ bản đó là nhiệt độ và áp suất, ứng với một giá trị áp suất xác định sẽ có một giá trị nhiệt độ thăng hoa xác định (xem bảng 1.1a), [25, 29, 57] Điều kiện tiên quyết để nước đá thăng hoa là khi chúng được đặt trong môi trường

có nhiệt độ và áp suất nhỏ hơn điểm ba thể O(0,00980C; 4,58mmHg)

Bảng 1.1a Quan hệ giữa áp suất (P th ) với nhiệt độ (T th) thăng hoa của nước đá

T th , 0C 0,0098 -1,7 -5,1 -9,8 -17,5 -26,6 -39,3 -45,4 -57,6 -66,7

Mối quan hệ áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đóng băng ở bảng 1.1a

và đồ thị hình 1.1b, [25, 29, 57], việc chọn áp suất môi trường STH phù hợp với nhiệt độ thăng hoa nước đá sẽ quyết định đến thời gian thăng hoa của nước đa, nếu

áp suất môi trường STH không phù hợp sẽ kéo dài thời gian thăng hoa

Giản đồ hình 1.1c cho thấy, ứng với mỗi giá trị nhiệt độ nước đá là TO sẽ có một giá trị áp suất thăng hoa tương ứng là PO (điểm O) Như vậy, nếu đặt nước đá trong môi trường có áp suất là PM (với PO < PM < 4,58 mmHg, TO < TN) để thực hiện thăng hoa, khi đó nước đá chưa thể làm ẩm thăng hoa ngay (điểm M) mà nó phải thực hiện một giai đoạn truyền nhiệt (đoạn MN), để nâng nhiệt độ TM = TO lên đến TN (tương ứng với PN = PM), lúc đó nước đá mới bắt đầu thăng hoa, quá trình này cần có một lượng nhiệt thu vào Q = Gndcnd(TN – TO), do đó tốn năng lượng và thời gian để nâng nhiệt trước khi thăng hoa Còn nếu đặt nước đá trong môi trường

có áp suất là PD (với PD £ PO < 4,58 mmHg, TD £ TO) để thực hiện thăng hoa, khi đó nước đá sẽ thăng hoa ngay (điểm O, điểm thăng hoa thực tế là E) là do chênh lệch (TO – TD), đồng thời tỏa ra một lượng nhiệt Q = Gndcnd(TO – TD), trong đó Gnd, cndkhối lượng và NDR của nước đá Vì thế rút ngắn thời gian thăng hoa và nếu có nhiệt cấp vào nó sẽ làm tăng khả năng thăng hoa nước đá

Mặc dù nó là hệ một cấu tử (H2O) nhưng nó đóng vai trò quan trọng khi phân tích trạng thái của ẩm trong VLA để thực hiện các QTS

- Đối với ẩm trong VLA (giới hạn là thực phẩm), không phải là hệ một cấu

tử, mà hệ đa cấu tử tồn tại ở hai dạng cơ bản ẩm tự do và ẩm liên kết, mà thành phần và nồng độ của các cấu tử khó xác định cụ thể, điểm kết tinh và điểm ba thể của chúng sẽ khác so với nước Vì vậy, không thể biểu diễn được giản đồ cân băng

Hình 1.1b Quan hệ áp suất – nhiệt độ thăng

hoa của nước đá

Hình 1.1c Giản đồ trạng thái ba

thể của nước

pha của ẩm, không phân tích được quá trình STH Theo [56, 57, 82] chấp nhận sai

số và giả thiết rằng, xem ẩm trong VLA gần đúng với ẩm nguyên chất (nước), trên

cơ sở đó các tác giả đã xây dựng MHT mô tả cho quá trình STH Kết quả nhận được đường cong sấy tính theo MHT bị sai lệch so đường cong sấy xác định bằng TN, nhưng có thể chấp nhận được và MHT cần phải được hiệu chỉnh để đường cong sấy tính theo MHT xấp xỉ gần đúng với đường cong sấy TN

- Từ phân tích giản đồ pha ở trên có thể thấy rằng, sấy là một quá trình tách

ẩm ra khỏi VLS bằng nhiệt ở một nhiệt độ và áp suất nào đó, với mục đích [18]:

· Giảm trọng lượng SP, công chuyên chở và chi phí vận chuyển

· Tăng độ bền SP, giá trị cảm quan của SP

· Tăng khả năng bảo quản, đối với các SP sinh học, thực phẩm, … là môi trường giàu dinh dưỡng, nhưng vì độ ẩm cuối cùng của SP nhỏ hơn 6% không đủ điều kiện để cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển làm hư các SP

Đối với phương pháp sấy thông thường, ẩm của VLS ở trạng thái lỏng chuyển sang thể hơi, VLS tiếp xúc với không khí ở nhiệt độ cao làm cho protein bị thủy phân, biến tính khó hoàn nguyên trở lại Một số loại axit amin bị phá hủy, gluxit bị hồ hóa hoặc thủy phân, lipid bị oxy hóa, các vitamin, các hoạt chất sinh học và enzyme bị phá hủy làm giảm hoạt tính, màu sắc và mùi vị biến đổi sâu sắc, cấu trúc không gian VLS bị co rút dẫn đến SP nứt nẻ bề mặt, khả năng hoàn ẩm trở lại kém [22, 47], SP không tạo được độ xốp, chất lượng giảm

Với kỹ thuật STH, quá trình được thực hiện ở nhiệt độ và áp suất thấp, nhiệt

độ VLS dưới điểm kết tinh (Tkt), áp suất MTS dưới 4,58mmHg (môi trường chân không xem như không có không khí) Vì vậy, protein, gluxit, lipit không bị thủy phân, hồ hóa và oxy hóa Các vitamin, các hoạt chất sinh học và enzyme không bị phá hủy, màu sắc và mùi vị gần như không thay đổi SP ít co rút và không nứt nẻ bề mặt, khả năng hoàn ẩm trở lại tốt [22, 47], SP tạo được độ xốp, bảo toàn được chất lượng SP Theo [57] quá trình STH là một quá trình gồm ba giai đoạn (hình 1.2):

§ Giai đoạn 1: lạnh đông VLS, để kết tinh ẩm trong VLS, đây là giai đoạn

quyết định đến thời gian STH và chất lượng SP Kết thúc giai đoạn này khi nhiệt độ VLS đạt tới nhiệt độ lạnh đông thích hợp, lúc đó ẩm trong VLS đóng băng hoàn

toàn [12, 14, 17]

§ Giai đoạn 2: STH ở môi trường có nhiệt độ và áp suất thấp hơn trạng

thái (Tkt; 4,58mmHg) để ẩm trong VLS thăng hoa từ trạng thái rắn sang trạng thái

hơi, kết thúc giai đoạn này nhiệt độ VLS vượt qua nhiệt độ kết tinh (Tkt) của ẩm trong VLS, lúc đó ẩm không còn ở trạng thái rắn mà chuyển sang trạng thái lỏng [25, 57, 65] Do đó giai đoạn sấy tiếp theo là SCK ở nhiệt độ thấp

§ Giai đoạn 3: SCK làm bay hơi ẩm liên kết ở trạng thái lỏng còn lại trong

VLS, kết thúc giai đoạn này khi độ ẩm SP đạt độ ẩm yêu cầu (2 ¸ 6)% [57, 80], bởi

vì nếu độ ẩm SP nhỏ hơn 2% SP sẽ biến tính hoàn toàn, nếu độ ẩm SP lớn hơn 6%

thì hoạt độ của nước đủ để cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển

Nhận xét: quá trình STH phức tạp không chỉ về bản chất của mỗi giai đoạn

khác nhau (xem hình 1.2), mà nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ ẩm, tính chất của ẩm trong VLS, tính chất nhiệt vật lý, hình dạng kích thước hình học của VLS, nhiệt độ VLS, nhiệt độ và áp suất MTS Mặt khác, quá trình TNLĐ và TNTA trong điều kiện STH đều phụ thuộc vào các TSNVL của VLA thay đổi theo nhiệt độ, nhiệt độ kết tinh (Tkt) và nhiệt độ thăng hoa (Tth) của ẩm trong VLS cũng thay đổi theo quá trình Do đó, khó giải được MHT TNLĐ và TNTA phản ảnh đúng bản chất quá trình STH Theo [56, 82] chấp nhận sai số giữa MHT và TN để giải MHT TNLĐ và TNTA, đã xem Tkt và Tth không thay đổi theo quá trình, các TSNVL lấy trung bình theo từng miền nhiệt độ có trạng thái pha của ẩm khác nhau

1.2 VẬT LIỆU SẤY

1.2.1 Vật liệu sấy (gọi là vật liệu ẩm: VLA)

Thủy sản nhóm giáp xác đại diện là tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ nuôi thương phẩm ở các tỉnh ĐBSCL (xem hình 1.3, 1.4, và hình 1.5) Tên khoa học: tôm sú là

Penaeus monodon (Sugpo prawn, Common tiger prawn); tôm bạc (tôm he) là Penaeus merguiensis (White shrimp); tôm thẻ chân trắng là Penaeus vannamei

(White Leg shrimp) Tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ được định loại [39]: ngành:

Arthropoda; lớp: Crustacea; bộ: Decapoda; họ chung: Penaeidea; họ: Penaeus Fabricius; giống: Penaeus; loài: Penaeus monodon, Penaeus merguiensis, Penaeus vannamei [7, 39]

Hình 1.4 Tôm bạc

1.2.2 Các đặc tính hóa, lý của vật liệu sấy

Theo kết quả phân tích và [1, 7], tôm nguyên liệu thu hoạch có kích cỡ (41 ¸ 50) con/1pound có thành phần khối lượng và hóa học, số liệu ở bảng 1.1b, 1.2

Bảng 1.1b Thành phần hóa học của tôm nguyên liệu [7]

Loại tôm Nước (%) Protein thô

Tôm bạc

(73,23 ÷ 77,19) (19,25 ÷ 22,63) (1,52 ÷ 2,09) (1,89 ÷ 2,11) (380,6 ÷ 420,9) 74,23 ± 0,55 21,13 ± 0,48 1,84 ± 0,06 2,09 ± 0,05 441,23 ± 0,045

Tôm thẻ

(72,49 ÷ 78,75) (18,98 ÷ 23,72) (1,71 ÷ 2,08) (1,95 ÷ 2,35) (420,3 ÷ 460,5)

Bảng 1.2 Thành phần khoáng chất đa vi lượng của tôm nguyên liệu [7]

Hàm lượng các nguyên tố (ppm) STT Nguyên

sú

Tôm bạc Tôm thẻ Khoảng biến thiên tôm sú

Khoảng biến thiên tôm bạc thiên tôm thẻ Khoảng biến

Ngoài ra, tôm nguyên liệu có chứa nhiều chitosan ở vỏ và các emzyme ở tuyến tiêu hóa, glucogen ở nội tạng Có thể nói nước, protein và vitamin C có hàm lượng cao (xem bảng 1.1), protein chứa đầy đủ các axit amin không thay thế và vitamin C cần cho con người Theo [1, 7] thành phần hóa học của tôm không ổn định Nó thay đổi theo thổ nhưỡng, độ tuổi, thành phần dinh dưỡng của thức ăn và môi trường sống, phương thức nuôi Bên cạnh đó cấu trúc sinh học bao gồm các chuỗi protein sắp xếp đan xen với nhau tạo thành một không gian lưới liên kết với nước, với các nguyên tố đa vi lượng, vitamin và các thành phần hóa học khác có trong cơ thể [1, 7, 8] Có thể thấy, nước trong cơ thể của tôm ở dạng dung dịch phụ thuộc vào nhiều thành phần chất tan, tính chất của chúng phức tạp

§ Đối với nước (H 2 O): theo [25, 29] đã có nhiều nghiên cứu về tính chất

nhiệt vật lý, sự biến đổi trạng thái pha (lỏng – rắn, lỏng – hơi, rắn – hơi) của chúng trong quá trình kết tinh, bốc hơi và thăng hoa (xem bảng 1.3)

Bảng 1.3 Các thông số nhiệt vật lý của nước

Ký

hiệu Đơn vị đo Thông số nhiệt vật lý Phương trình hay giá trị Tham khảo tác giả

T kt 0C Nhiệt độ kết tinh 0 (tại áp suất 760 mmHg) Black [1, 14]

T s 0C Nhiệt độ sôi (bay

hơi) Ts =

4

100 Ps - 0, 06 Ps; với P s =1 kg.cm-2thì T s = 99,940C

n

r kg.m-3 Khối lượng riêng

§ Nước : r =n 1001, 75 - 0, 4375T với: 3, 986 C0 £ T £ 100 C0

§ Nước đá: rnd = 917 1 – 0, 000155T( )với T £ 0 0

C

A.V Luikov et

al [41, 57]

cn J.kg-1.K-1 Nhiệt dung riêng § Nước: cn =4184, 7+2, 74T

§ Nước đá: cnd =2090 + 7,79T ; T< 0 0C

Gerbhart B [49]

n

l W.m-1.K-1 Hệ số dẫn nhiệt

§ Nước: l =n 0, 551 + 0, 0034T

§ Nước đá: lnd = 2,326 1 – 0, 00156T( ); với T £ 0 0

C

A.V.Luikov, Shashkov A.G [43, 48]

§ Đối với nước trong VLS (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ): ở dạng dung dịch

đa cấu tử, sự liên kết giữa chúng với cấu trúc sinh học ở các dạng liên kết hydro, cộng hóa trị, phối trí và liên kết ion, ngoài ra còn có liên kết cơ lý và hóa lý (bởi các lực ValdesVaal, lực hấp dẫn, lực tĩnh điện, …) Theo [1, 8, 29] nước trong VLS chia làm hai loại: nước tự do và nước liên kết, nó phụ thuộc vào đặc tính liên kết giữa nước và VLS

v Nước tự do: chiếm hàm lượng lớn trong VLS, không tham gia cấu trúc tế

bào, nó chỉ là môi trường cho các quá trình sinh hóa, trao đổi chất xảy ra khi VLS tồn tại dạng cơ thể sống và chủ yếu ở dạng liên kết cơ lý, năng lượng để cắt đứt liên kết này nhỏ, được tách ra khỏi VLS trong QTS [1, 2, 8]

v Nước liên kết: chiếm hàm lượng nhỏ trong VLS, tham gia vào cấu trúc tế

bào ở dạng liên kết hóa học (liên kết hydro, cộng hóa trị, … trao đổi ion ở lớp ngoài

vỏ nguyên tử, hấp phụ hóa học), năng lượng để cắt đứt liên kết này lớn, gấp (7 ¸ 9) lần so với nước tự do, khó tách ra khỏi VLS trong QTS [2, 29], nếu tách ra thì VLS

sẽ biến tính hoàn hoàn Vì vậy, QTS chỉ cho phép tách hết nước tự do

Nhận xét: do nước của VLS ở dạng dung dịch nên làm tăng áp suất thẩm

thấu, vì vậy nhiệt độ kết tinh giảm, nhiệt độ sôi tăng so với nước Sự tăng áp suất thẩm thấu nó phụ thuộc vào hàm lượng, thành phần và tính chất của chất tan trong dung dịch Tuy nhiên thành phần và hàm lượng chất tan trong dung dịch và liên kết giữa chúng với cấu trúc tế bào trong cơ thể tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ khó xác định chính xác Do đó, độ giảm của nhiệt độ kết tinh và độ tăng của nhiệt sôi, ẩn nhiệt hóa hơi, đóng băng và thăng hoa, các tính chất nhiệt vật lý, trạng thái biến đổi pha của chúng thay đổi theo nhiệt độ, áp suất, nồng độ các chất tan cho đến nay vẫn chưa công thức xác định Theo [99, 100, 106] thì các TSNVL, nhiệt độ kết tinh của VLA có thể xác định bằng TN mặc dù ẩm trong VLA ở dạng dung dịch phức tạp

1.3 NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT

LÝ CỦA VẬT LIỆU ẨM

Các TSNVL cơ bản nhất của VLA dùng để tính toán cho các quá trình TNLĐ, TNTA trong điều kiện STH gồm có: KLR r (kg.m-3

), NDR c (kJ.kg-1.K-1), HSDN l (W.m-1.K-1), hệ số khuếch tán D (m2.s-1) Theo A.V.Luikov hệ số khuếch tán D khó xác định, đặc biệt đối với chất rắn [41, 42, 43] Muốn xác định cần phải giải các bài toán ngược của Fick 1 và Fick 2, nhưng thông thường bài toán này không có đủ các điều kiện biên để giải Như vậy, việc khảo sát các TSNVL của VLA thường đi tìm phương pháp xác định các thông số: KLR, NDR và HSDN

a) Khối lượng riêng: là khối lượng vật liệu chứa trong một đơn vị thể tích

Theo A.V.Luikov [41], KLR của chất khí, hơi, lỏng hay rắn được xác định

theo các phương pháp khác nhau, nhưng với VLA rắn còn có thể xác định như sau:

- Ẩm chưa kết tinh: r = Warn + (1 - Wa)rck (1.2)

- Ẩm đã kết tinh: r = wWarnd + (1 - Wa)rck + (1 - w)Warn (1.3) Trong đó Wa - độ ẩm VLA xác định được; rn, rnd (kg.m-3)- KLR của nước

và nước đá đã biết, còn rck (kg.m-3) - KLR chất khô khó xác định; nếu xác định được thì kết quả nhận được sai số lớn, không chính xác Theo Ginzburg A.S,

Philonhenko, Holman.J [29, 41, 50] thì (1.2) và (1.3) không sử dụng để xác định

KLR của VLA mà sử dụng để xác định KLR của chất khô của VLA, theo Schuder E.U, Poling [51] cho rằng, KLR của VLA phụ thuộc độ ẩm và nhiệt độ, nhưng khi

độ ẩm không đổi (Wa = const) thì chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ theo dạng:

f (T) a a T a T a T

Trong đó: a0, a1, , an: các hệ số xác định từ TN, theo Krokida, Maroulis et

al, Ratti [80] thì (1.4) chỉ đúng khi nhiệt độ VLA lớn hơn 3,9860C và nhỏ hơn 00C, còn khoảng nhiệt độ VLA từ 00C đến 3,9860C theo kết quả nghiên cứu James Watt,

L.J.Gay, Lussacc, H.V Regnault, Mpemba [41] do ẩm sắp xếp lại cấu trúc để có thể

tích nhỏ nhất nên KLR của chúng tăng và đạt giá trị lớn nhất tại 3,9860C, quá trình biến đổi hóa lý của ẩm trong khoảng nhiệt độ này khá phức tạp dẫn đến qui luật (1.4) không còn thích hợp và đường biểu diễn quan hệ r = f (T)1 sẽ tạo ra bước nhảy Một số kết quả nghiên cứu khác của Carslaw H S, Jaeger J C, M.J Millman, J.M Marchello et al, White P R S, [52, 53] cũng cho thấy rằng, đối với các chất khí và một số chất rắn thì quan hệ giữa KLR và nhiệt độ ở dạng bậc 2, còn với chất lỏng và VLA dạng xốp, keo, keo – xốp thì ở dạng bậc 1 và 2

Bảng 1.4 Một số mô hình xác định khối lượng riêng của VLA, T = (0 ¸ 100)0

C

Ký hiệu và

đơn vị đo Vật liệu ẩm

Độ ẩm (%) Mô hình toán Tham khảo tác giả

Cà rốt 74,68 r = 1012,78 + 0,0561T Khoai tây 72,17 r = 1023,98 + 0,0709T Mykhaiev [29]

Cá thu 73,79 r = 833,97 + 0,0535T Holman J [50] Thịt bò 74,53 r = 867,56 + 0,0782T

Thịt heo 73,91 r = 798,96 + 0,0615T Philonhenko [29, 41]

Cá ngừ 74,29 r = 835,67 + 0,0351T Holman J [50] Lúa mì 69,78 r = 786,84 + 0,0773T Ginzburg A.S [41]

r, kg.m-3

Bột nhão 70,15 r = 709,53 + 0,0372T Rezchiko V.A [41]

Bảng 1.4, cho thấy KLR phụ thuộc vào nhiệt độ của VLA và quan hệ ở dạng bậc 1 Mặt khác, vì thực phẩm luôn chứa lượng ẩm lớn (trên 70%), nên KLR của chúng phụ thuộc vào KLR của ẩm, thực tế cho thấy khi lạnh đông VLA do thể tích của ẩm tăng ở miền nhiệt độ thấp hơn điểm kết tinh vì thế KLR VLA giảm [1, 2, 3]

b) Nhiệt dung riêng: là lượng nhiệt cần thiết thêm vào hoặc lấy ra để làm

thay đổi nhiệt độ 10C (hay 1K) của một đơn vị khối lượng vật chất, được xác định:

GdT

= , J.kg-1.K-1 (1.5) Với: dQ: lượng nhiệt thêm vào hoặc lấy của VLA (J); dt: độ biến thiên nhiệt

độ của VLA (0C) (hay K, vì Dt = DT); G: khối lượng của VLA (kg) [3, 28]

Tùy theo trạng thái VLA (lỏng, rắn, khí hay hơi) sẽ có phương pháp khảo sát xác định NDR khác nhau, theo Heinrich Grober, A.V.Luikov [42, 55, 100] đối với VLA rắn, dạng keo, xốp hay keo - xốp có thể xác định như sau:

- Ẩm chưa kết tinh: c=c Wn a+cck(1 W- a) (1.6)

- Ẩm đã kết tinh: c c W 1= n a( -w +) c Wnd aw+cck(1 W- a) (1.7) Một số nghiên cứu M.J Millman, A.I Liapis, J.M Marchello, Poling,

White P.R.S [51, 52] cho rằng (1.6), (1.7) không thể sử dụng để xác định NDR của

VLA, vì trong đó cn = 4184, 7 + 2, 74.T J.kg-1.K-1 – NDR của nước và cnd = 2090 + 7,79T J.kg-1.K-1 - NDR của nước đá; Wa - độ ẩm của VLA, w - TLNĐB của ẩm

có thể xác định được, nhưng cck (J.kg-1.K-1) - NDR chất khô khó xác định, nếu xác định được thì sai số lớn, đây là mặt hạn chế của hai mô hình này Tuy nhiên, (1.6), (1.7) có thể sử dụng để xác định NDR của chất khô của VLA khi đã biết NDR của VLA Theo A.I Liapis, Sivertsvik.M et al, Ludger O Figura, Arthur A Teixeira [52, 55] cho rằng NDR của VLA phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ, khi Wa = const thì chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ theo dạng hàm:

c = f (T) = a + a T a T + + + a T (1.8) Với: a0, a1, , an: các hệ số xác định từ TN, một số kết quả nghiên cứu của Lichtfield, Liapis, Wolf, Gibert, Bruger M.V [42, 52] cho thấy: NDR của vật chất chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ, đối với chất khí, hơi hay chất lỏng thì quan hệ

chỉ phụ thuộc nhiệt độ mà còn phụ thuộc độ ẩm, khi VLA có độ ẩm không thay đổi thì NDR của VLA ở các miền nhiệt độ khác nhau sẽ có qui luật biến đổi khác nhau,

ở miền nhiệt độ lớn hơn điểm kết tinh của ẩm (TVLA > Tkt) hoặc ở miền nhiệt độ nhỏ hơn điểm đóng băng hoàn toàn (TVLA < Tdbht) thì quan hệ giữa chúng với nhiệt độ đa phần là quan hệ bậc 1 Còn ở miền nhiệt độ từ điểm kết tinh đến điểm đóng băng hoàn toàn (Tdbht £ T £ Tkt) thì quan hệ này ở dạng phi tuyến tính, bậc 2 trở lên Theo

nghiên cứu của J.M Marchello, Sivertsvik.M [51, 52] đã cho thấy NDR của VLA

phụ thuộc vào tính chất của ẩm trong VLA

Bảng 1.5 Một số mô hình xác định NDR của VLA, T = (0 ¸ 100)0

C

Ký hiệu và

đơn vị đo Vật liệu ẩm Độ ẩm (%) Mô hình toán Tham khảo tác giả

Cà rốt 74,68 c = 3267,1 + 1,57T Nheschenko A.V [1, 2] Khoai tây 72,17 c = 3356,1 + 1,98T Haugvalstad.G.H [82]

Cá thu 73,79 c = 3423,1 + 6,3T Skipnes.D [82] Thịt bò 74,53 c = 3013,4 + 1,7T

Thịt heo 73,91 c = 3240,1 + 3,7T Sivertsvik.M [101]

Cá ngừ 74,29 c = 3427,1 + 5,4T Schuder E.U [99] Lúa mì 69,78 c = 1572,3 + 1,52T Ginzburg A.S [1, 2]

c, J.kg-1.K-1

Bột nhão 70,15 c = 2783,4 + 1,09T Rezchiko V.A [82]

Bảng 1.5, cho thấy ở khoảng nhiệt độ (0 ¸ 100)0C ẩm chưa kết tinh nên quan

hệ giữa NDR với nhiệt độ là bậc 1, tuy nhiên NDR của VLA ở miền nhiệt độ Tdbht £

T £ Tkt biến thiên khá phức tạp, theo nghiên cứu của J.P Joule, Wiliam Thomson [42] cho thấy, khi hạ nhiệt độ VLA tới điểm kết tinh của ẩm (tại P = 760 mmHg), lúc đó đạt cân bằng pha lỏng « rắn, nhiệt độ VLA khi chuyển pha không thay đổi (Dt = T2 – T1 = 0), cho nên NDR của chúng không xác định được, theo J L Robert,

Ratti, W J Mascarenhas [80] cho rằng đây là đặc điểm quan trọng để xác định

nhiệt độ kết tinh của ẩm, vì ẩm trong VLA ở dạng dung dịch phức tạp nên nhiệt độ kết tinh của ẩm trong VLA thấp hơn 00C [1, 3]

c) Hệ số dẫn nhiệt: có thể xác định theo 2 phương pháp cơ bản đó là truyền

nhiệt ổn định và truyền nhiệt không ổn định [43, 48]

- Phương pháp truyền nhiệt ổn định của Fourier:

- Phương pháp truyền nhiệt không ổn định của Newton:

toán tử Laplace, c (J.kg-1.K-1) - là NDR, r (kg.m-3) - là KLR của VLA

Theo Heinrich Grober, A.V.Luikov [43] thì HSDN là một trong những

TSNVL khó xác định, ngoài việc phụ thuộc vào phương pháp nó còn phụ thuộc vào

mô hình thiết bị thí nghiệm Thông thường mô hình thiết bị được thiết kế chế tạo

dựa trên phương pháp xác định, tuy nhiên theo A.V.Luikov [43] thì HSDN VLA có

thể xác định theo phương trình cân bằng nhiệt:

- Ẩm chưa kết tinh: l = lnWa + lck(1 W- a) (1.11)

- Ẩm đã kết tinh: l = lnW 1a( -w + l) ndWaw+lck(1 W- a) (1.12) Nhưng theo một số nghiên cứu của Shashkov A.G, Volokhov G.M,

Abramenko T.N., Kozlov [48] thì MHT (1.11) và (1.12) không thể ứng dụng để xác

định HSDN của VLA (l, W.m-1.K-1), vì trong các MHT đó ln = 0,551 + 0,0034.T W.m-1.K-1 - HSDN của nước; lnd = 2,326.(1 – 0,00156.T) W.m-1.K-1 - HSDN của nước đá; Wa - độ ẩm VLA; w - TLNĐB của ẩm có thể xác định được, nhưng lck(W.m-1.K-1) - HSDN chất khô của VLA thì không thể xác định chính xác Theo nghiên cứu của J.M Marchello [47, 55] cho rằng, (1.11), (1.12) được sử dụng để xác định HSDN của chất khô khi đã biết HSDN của VLA Một kết quả TN khác của A.V Luikov [43, 57] đã xác định HSDN của chất khí nằm trong khoảng l = (0,005

¸ 0,5) W.m-1

.K-1, các chất lỏng l = (0,08 ¸ 0,95) W.m-1

.K-1, còn chất rắn thì biến thiên trong khoảng rộng phụ thuộc vào tính chất vật liệu (cách nhiệt hay dẫn nhiệt), đối với VLA rắn nó không chỉ phụ thuộc độ ẩm mà còn phụ thuộc nhiệt độ, khi Wa

= const thì HSDN của VLA phụ thuộc vào nhiệt độ theo dạng hàm:

f (T) a a T a T a T

Với: a0, a1, …, an: các hằng số TN, một số kết quả nghiên cứu của Shashkov

A.G [48], A.I Liapis [47], Carslaw H.S, Jaeger J.C [53], Ludger O Figura [55]

cho thấy HSDN của VLA biến thiên theo các qui luật khác nhau ở những miền nhiệt

độ khác nhau Ở miền nhiệt độ VLA lớn hơn điểm kết tinh (T > Tkt) hoặc nhỏ hơn

điểm ẩm đóng băng hoàn toàn (T < Tdbht) thì quan hệ l = f (T)3 đa phần chỉ ở dạng bậc 1, còn ở miền nhiệt độ từ điểm kết tinh đến điểm ẩm đóng băng hoàn toàn (Tdbht

£ T £ Tkt) thì quan hệ l = f (T)3 ở dạng bậc 2 trở lên Theo kết quả của Bruttini,

George, Datta [79], Lewis M.J, Pikal M.J, H.U.Akay [62] cho rằng, HSDN VLA

chủ yếu phụ thuộc vào tính chất nhiệt vật lý của ẩm bên trong VLA

Bảng 1.6 Một số mô hình xác định HSDN của VLA, T = (0 ¸ 100)0

Cá thu 73,79 l = 0,6059 + 0,00136.T J.M Marchello [47] Thịt bò 74,53 l = 0,4972 + 0,00108.T George [55, 106] Thịt heo 73,91 l = 0,4089 + 0,002081.T A.V.Luikov [57]

Cá ngừ 74,29 l = 0,5473 + 0,00187.T J.M Marchello [47] Lúa mì 69,78 l = 0,1271 + 0,00174.T

l, W.m-1.K-1

Bột nhão 70,15 l = 0.4798 + 0.00156.T Shashkov A.G [48]

Bảng 1.6 đã cho thấy, quan hệ giữa HSDN với nhiệt độ chủ yếu ở dạng bậc

1, khi nhiệt độ VLA T = (0 ¸ 100)0

C, tuy nhiên cũng như NDR thì HSDN của VLA

ở miền nhiệt độ Tdbht £ T £ Tkt biến thiên khá phức tạp, do trong miền nhiệt độ này

ẩm tồn tại ở hai pha lỏng và rắn, HSDN của ẩm ở trạng thái lỏng khác ở trạng thái

rắn, theo kết quả TN của D R Hledman và cộng sự [82] trên thịt cừu thì l = 0,532

0,00257.T2 (-220C £ T £ -20C), rõ ràng

trong miền nhiệt độ Tdbht £ T £ Tkt thì

quan hệ giữa HSDN và nhiệt độ

3

f (T)

l = ở dạng đa thức bậc 2 [106,

110]

d) Điểm kết tinh của ẩm: tại đó

xảy ra quá trình cân bằng pha lỏng và rắn của ẩm, nhiệt độ của quá trình này không

thay đổi gọi là nhiệt độ kết tinh [44, 55] Xem hình 1.6, AB – giai đoạn làm lạnh,

BC – giai đoạn chậm kết tinh (quá lạnh), CD – giai đoạn kết tinh, DE – giai đoạn lạnh đông sâu (giảm nhiệt độ tiến đến cân bằng nhiệt) Đối với nước nguyên chất ở

áp suất khí quyển, nhiệt độ kết tinh 00C, nhưng ẩm trong VLS ở dạng dung dịch nên điểm kết tinh dưới 00C Theo kết quả TN của Lame, Clapeiron, Planck, Veinik [1,

13], Raoult, Shijov G.B [2, 3] cho thấy, nhiệt độ kết tinh của ẩm trong thực phẩm

nằm trong khoảng (-2 ¸ -0,15)0C, một số TN khác của A.V.Luikov [44], D R

Hledman [82, 95, 96] kết quả đã xác định, các loại rau quả, thịt động vật sống trên

cạn (gia súc, gia cầm, ) thì nhiệt độ kết tinh khoảng (-1,05 ¸ -0,5)0C, còn các loại thủy sản thì nhiệt độ kết tinh dao động trong khoảng (-1,05 ¸ -2)0C

Nhận xét: Qua tổng hợp và phân tích các nghiên cứu về xác định một số tính

chất nhiệt vật lý cần thiết của VLA từ trước đến nay cho thấy:

- Các loại VLA (thực phẩm) ở Việt Nam từ trước đến nay ít được quan tâm

nghiên cứu, xác định các tính chất nhiệt vật lý, chỉ riêng với các loại nông sản ở Việt Nam đã có hai công trình nghiên cứu [18, 29]

- Đối với VLA thủy sản nhóm giáp xác (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ) nuôi

thương phẩm ở các tỉnh ĐBSCL, hiện nay vẫn chưa có công trình nào công bố số liệu TN hay phương pháp để xác định các TSNVL (KLR, NDR và HSDN) Vì vậy, việc tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu của các tác giả trên, có thể dự đoán được quan hệ giữa các TSNVL với nhiệt độ của VLA loại này là cần thiết trước khi đi khảo sát và xác định chúng

- Theo L.O Figura, A A Teixeira et al [55] thì việc khảo sát xác định các

TSNVL của thực phẩm là cần thiết khi sử dụng để giải các MHT truyền nhiệt, xác lập chế độ công nghệ

- Theo A.I Liapis [59], các TSNVL của VLA chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ,

do hàm lượng ẩm trong VLA chiếm tỉ lệ lớn nên các TSNVL của ẩm ảnh hưởng lớn đến các TSNVL của VLA, theo Haugvalstad G.H và cộng sự [60], khi hàm ẩm giảm thì các TSNVL thay đổi theo, nhưng đối với các loại SP sấy khi tách ẩm ra thì khó có thể xác định các TSNVL, bởi vì các loại vật liệu này thường là dạng xốp, keo xốp QTS sẽ tạo các lỗ xốp, không khí chui vào tạo ra môi trường rắn không đồng nhất và khó có thể xác định được, muốn xác định phải sử dụng (1.2), (1.3),

(1.6), (1.7) và (1.11), (1.12)

1.4 NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM

Vấn đề xác định TLNĐB trong VLA khi lạnh đông làm cơ sở cho việc tính toán HTL và xác định nhiệt độ và thời gian lạnh đông thích hợp, cho phép vận hành

và dừng HTL đúng lúc, tiết kiện được năng lượng, đây là một trong những vấn đề khá phức tạp Bởi vì nước trong VLA ở dạng dung dịch liên kết với các thành phần khác nhau của tế bào Cơ sở lý thuyết của lĩnh vực này hình thành vào đầu thế kỷ

19, tại các hội nghị khoa học về lạnh đông thực phẩm (1913) đã đưa ra vấn đề này thảo luận, [2, 3, 55] và Planck R đã đưa ra MHT (2.14) xác định TLNĐB theo nhiệt

độ và thời gian lạnh đông, xem bảng 1.7

Bảng 1.7 Một số MHT xác định TLNĐB của VLA dạng tấm phẳng

Trong đó: R = d/2 (m): nửa bề dày VLA; T ( 0

C): nhiệt độ lạnh đông của VLA; Z = x / R ;

x (m): bề dày lớp đóng băng; A, B là các hệ số phụ thuộc vào tính chất nhiệt vật lý của VLA; Bi: chuẩn số Bio

MHT (1.14) được Lame, Clapeiron [2, 3] kiểm chứng bằng TN và tại hội

nghị khoa học về lạnh đông thực phẩm ở Pháp (1924) đã đề nghị sử dụng mô hình này để xác định TLNĐB, tuy nhiên (1.14) chỉ dừng lại áp dụng cho trường hợp truyền nhiệt ổn định và VLA ở dạng tấm phẳng “vô hạn” Bằng TN trên các loại cá,

thịt được filê dạng phẳng của Lame, Clapeiron, Shijov G.B đã đưa ra MHT (1.15)

xác định tốc độ đóng băng của ẩm trong VLA [2, 3, 56], nhưng (1.15) chỉ áp dụng

cho VLA dạng tấm phẳng truyền nhiệt ổn định, chưa khái quát hết các loại VLA có

hình dạng khác nhau, dựa trên (1.14) và (1.15) Planck R, Veinik [2, 3] đã xây dựng

MHT xác định TLNĐB trung bình (1.16), tuy nhiên sai số giữa số liệu TN với MHT (1.16) khá lớn (trên 26,84%) [2], nguyên nhân là do quá trình lạnh đông VLA

là quá trình truyền nhiệt không ổn định Một kết quả nghiên cứu khác của Planck, Shijov G.B [1, 2], khi lạnh đông các VLA (cà rốt, khoa tây, thịt heo, thịt bò, cá hồi,

cá thu .) dạng tấm phẳng để xây dựng MHT (1.17) xác định TLNĐB trung bình theo thời gian lạnh đông, (1.17) đã được Shijov G.B kiểm chứng bằng TN Kết quả cho thấy, sai số (1.17) so với TN là 9,78% [2, 3] Vì vậy, (1.17) được chấp nhận sử dụng tính toán TLNĐB, tuy nhiên (1.17) cũng bị hạn chế khi áp dụng cho VLA dạng phẳng hữu hạn, dạng trụ và truyền nhiệt không ổn định Bởi vì, TN kiểm chứng cho thấy sai số của (1.17) quá lớn, lớn hơn 48,98% [82] Theo nghiên cứu của Raoult nghiên cứu trên filê cá mập, thịt bò dạng tấm phẳng “vô hạn” [3, 82] đã đưa ra MHT (1.18) gần đúng xác định TLNĐB trung bình, nhưng cũng bị hạn chế khi áp dụng vào thực tế (truyền nhiệt không ổn định)

Theo Charm, S E., Slavin, J [94], Shijov G.B [2, 3, 82] đã nghiên cứu trên

cà rốt dạng tấm phẳng “vô hạn” đưa ra MHT (1.19) xác định TLNĐB, nhưng cũng

chỉ áp dụng cho trường hợp truyền nhiệt ổn định, Theo Golovkin N.A đã TN trên

một số VLA dạng tấm phẳng “vô hạn” đưa ra MHT (1.20), (1.21) [2, 3] Với A, B

là các hệ số phụ thuộc vào tính chất nhiệt vật lý của VLA và xác định bằng TN, đối với thịt bò TN đã xác định được: A = 110,5; B = 0,31 Việc TN để xác định các hệ

số A, B trong (1.20), (1.21) khá phức tạp, ứng với mỗi VLA khác nhau sẽ có các giá trị A, B khác nhau Qua TN trên VLA filê cá hồi dạng tấm phẳng của Bruger.M.V,

Moller [82, 94, 96] đã kiểm chứng (1.20), (1.21) cho thấy sai số của các MHT này

quá lớn, trên 32,24%, do đó không thể sử dụng để xác định TLNĐB

Từ những kết quả nghiên cứu trên (ở bảng 1.7), cho thấy rằng, các MHT mà các tác giả đưa ra, chỉ áp dụng cho các trường hợp truyền nhiệt ổn định dạng tấm phẳng “vô hạn”, nhưng thực tế truyền nhiệt lạnh đông VLA thực phẩm là không ổn định, VLA có kích thước hữu hạn, cho nên sai số của MHT khá lớn, không phù

hợp Với những hạn chế đó, A.V Luikov [12, 56] đã đưa ra các MHT “kinh điển”

xác định TLNĐB trong trường nhiệt độ không ổn định, xem bảng 1.8

khái quát hơn Một nghiên cứu

khác của Millman M J, Liapis I

[1, 2, 3] đã sử dụng MHT (1.23) của A.V Luikov [3, 56] tính toán TLNĐB cho

VLA dạng tấm phẳng hữu hạn, Heins R.G, Jushkov P.P và cộng sự [1, 2] đã TN

trên thịt cừu dạng tấm phẳng hữu hạn, thì sai số của (1.23) so với TN là 5,27% Một

Hình 1.7 Quan hệ w-T, tính toán từ MHT (1.22)

và thực nghiệm (TN)

TN (1): trên thịt cừu tấm phẳng “vô hạn”

TN (2): trên thịt cừu tấm phẳng “hữu hạn”

nghiên cứu khác của D R Hledman [82] đã kiểm chứng (1.23) bằng TN trên filê

cá thu dạng tấm phẳng hữu hạn Kết quả cho thấy, sai số của (1.23) so với TN nhỏ hơn 8,71% Tại hội nghị khoa học về lạnh đông thực phẩm ở Bỉ (1972), (1.23) được

đề nghị sử dụng tính toán quá cho quá trình lạnh đông Tuy nhiên theo Gorbatov

A.V [2, 3] khi (1.23) áp dụng cho VLA dạng hình trụ hay cầu thì sai số quá lớn,

kiểm chứng bằng TN trên xúc xích bò cho thấy sai số (1.23) lớn hơn 38,27%

Để tính toán cho VLA dạng hình trụ hay hình cầu Theo nghiên cứu của A.V

Luikov [56], Mayer V.N, Greenfield, Moller [46, 90] đã đưa ra MHT (1.24) xác

định TLNĐB của quá trình truyền nhiệt lạnh đông không ổn định cho VLA hình trụ

“vô hạn”, và được Moller, Flink

[63], D R Hledman và cộng sự

[82] giải và kiểm chứng bằng

TN Kết quả xem hình 1.8, sai

số của (1.24) so với TN đối với

[63, 82] Tại hội nghị khoa học

ở Nhật Bản (1974), (1.24) được đề nghị sử dụng xác định TLNĐB cho VLA dạng

hình trụ “vô hạn” Theo kết quả nghiên cứu của D.R Hledman [82], W J

Mascarenhas, H.U.Akay [62] bằng TN trên các loại VLA cà rốt, củ cải, xúc xích bò,

cho rằng nếu chiều cao và bán kính của hình trụ: H/R = (20,5 ¸ 25) thì VLA đó xem gần đúng với trụ “vô hạn”, vì lúc đó trao đổi nhiệt bề mặt xung quanh hình trụ với môi trường lớn hơn 95%, còn trao đổi nhiệt 2 mặt đáy của hình trụ với môi trường xung quanh nhỏ hơn 5%, xem như không đáng kể

Theo A.V Luikov [56], J.P Goerge [79], Daryl B Lund, et al [82] đã đưa ra

MHT (1.25) xác định TLNĐB cho VLA dạng hình trụ hữu hạn, kiểm chứng bằng

TN trên xúc xích bò Cho thấy sai số của (1.25) so với TN là 8,26%, tại hội nghị khoa học ở Mỹ (1975), (1.25) được đề nghị sử dụng xác định TLNĐB cho VLA dạng hình trụ hữu hạn

Hình 1.8 Quan hệ w - T tính toán từ (1.24) và thực

nghiệm (TN), với T¥ = -45 0 C

TN - 1: trên xúc xích bò dạng trụ “vô hạn”;

TN - 2: trên xúc xích bò dạng trụ “hữu hạn”

Cũng một nghiên cứu khác của A.V Luikov [56], D R Hledman, Daryl B Lund và cộng sự [82] đã đưa ra MHT (1.26) xác định TLNĐB cho VLA dạng hình

cầu, bằng TN trên 2 VLA: táo và lê, kết quả cho thấy sai số của (1.26) đối với táo là 4,38%, còn đối với lê là 5,09%, tác giả cho rằng (1.26) phù hợp cho việc áp dụng

xác định TLNĐB cho các loại VLA dạng hình cầu Theo J Carpenter, et al [83] đã

sử dụng MHT (1.26) tính toán cho viên cá, kết quả cũng cho thấy sai số của (1.26)

so với TN là 4,76% Vì vậy, tại hội nghị khoa học ở Hungary (1976), (1.26) đã đề nghị sử dụng xác định TLNĐB cho VLA hình cầu

Nếu sử dụng MHT (1.23)

tính toán TLNĐB cho tôm sú,

tôm bạc và tôm thẻ, thay các

nhau về TSNVL, khi nhiệt độ

trung bình của VLA: T = -100C,

nước trong VLA kết tinh hoàn toàn (w = 1), còn ở nhiệt độ T= 00C thì nước trong VLA kết tinh: tôm sú: w = 9,87%; tôm bạc: w = 39,6%, tôm thẻ: w = 58,8% Kết quả không phù hợp, vì T ≤ Tkt

(Tkt < 00C) thì nước mới kết

tinh, còn ở 00C nước chưa kết

tinh Thực tế, các nhà máy lạnh

đông tôm với nhiệt độ trung

bình của VLA phải đạt (-25 ¸

-18)0C Như vậy, trường hợp này

không thể sử dụng (1.23)

Nếu sử dụng MHT (1.23)

dạng tấm phẳng, (1.24) dạng

hình trụ “vô hạn” và (1.25) dạng hình trụ hữu hạn tính toán TLNĐB cho VLA tôm

sú Thay các TSNVL của chúng (xem PL 1) vào các MHT, rồi tính toán và mô phỏng trên đồ thị (hình 1.10) Kết quả cho thấy, sai số của các MHT so với TN khá lớn, kết quả tính toán với (1.23) là 36,14%, với (1.24) là 29,41%, còn đối với (1.25)

Hình 1.9 Mô hình dạng phẳng áp dụng cho VLA: tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ, với T¥ = -45 0 C

Hình 1.10 Mô hình (1.23), (1.24) và (1.25) áp dụng

cho tôm sú, T¥ = -45 0 C

là 15,61% Có thể thấy, không có MHT nào phù hợp để có thể sử dụng tính toán cho quá trình TNLĐ tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ Bởi vì, chúng không phải là dạng tấm phẳng, cũng không phải là dạng trụ vô hạn hay hữu hạn mà chỉ gần đúng với dạng nón cụt không cân Đây là nguyên nhân dẫn đến sai số của MHT

Nhận xét: từ những kết quả nghiên cứu trên cho thấy:

- Mô hình hóa QTLĐ để xác định TLNĐB đã được nhiều người quan tâm

trong thời gian qua Bởi vì, đây là thông số cần thiết cho tính toán và vận hành

HTL Nhiều tác giả dựa trên MHT A.V Luikov [56] (ở bảng 1.8) nghiên cứu đưa ra

MHT xác định TLNĐB áp dụng cho từng trường hợp cụ thể

- Như đã phân tích, TLNĐB của VLA phụ thuộc vào thành phần hóa học,

cấu trúc, sự liên kết ẩm, tính chất nhiệt vật lý của vật liệu Vì vậy, ở những vùng thổ nhưỡng, môi trường nuôi trồng khác nhau thì các yếu tố này của VLA sẽ thay đổi khác nhau, dẫn đến TLNĐB sẽ khác nhau [1, 2]

- Thông qua việc xác định TLNĐB sẽ xác định được nhiệt độ và thời gian

lạnh đông thích hợp của VLA tại nhiệt độ MTLĐ xác định (ẩm trong VLA đóng băng hoàn toàn) và xác lập các thông số vận hành HTL, tiết kiệm năng lượng, giảm thời gian làm việc, tăng tuổi thọ cho máy nén lạnh

- Ở nước ta từ trước đến nay, vấn đề này ít được quan tâm, đối với các loại

thủy sản tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ hiện nay vẫn chưa có số liệu TN hay phương pháp nào xác định nhiệt độ và thời gian lạnh đông thích hợp cho SP đông lạnh

1.5 NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ STH THỰC PHẨM

Lịch sử công nghệ STH (Sublimation Lyophilization, Freeze drying) luôn gắn liền với lịch sử phát triển của ngành Công nghệ nhiệt lạnh và ngành Vật lý chân không Tuy đã phát hiện về hiện tượng thăng hoa nước đá thành hơi rất sớm của người Trung Quốc (1019) nhưng trong suốt khoảng thời gian dài chưa có một cơ sở

lý thuyết thăng hoa nào ra đời Một nghiên cứu của Black [1] về ẩn nhiệt hóa hơi (rhh, J.kg-1), ẩn nhiệt thăng hoa (rth, J.kg-1), ẩn nhiệt đóng băng (L, J.kg-1) của nước, nhiệt độ ngưng tụ, kết tinh, hóa hơi và thăng hoa, đây là công trình mang tính then chốt, nó làm cơ sở khi nghiên cứu lạnh đông, sấy và STH sau này [1, 25, 29]

Một số phát hiện của Simonersi, Ecuadonol và các cộng sự [72, 73], về thăng hoa vật chất (nước, các hợp chất hữu cơ, một số chất vô cơ đặc biệt, …) từ thể rắn sang thể hơi, nhưng chỉ dừng lại ở mức độ nhận biết Một phát minh của G.I.Lappa Starsinexki [25, 29] làm khô SP bằng cách hạ thấp nhiệt độ VLA xuống làm ẩm

đóng băng, sau đó đưa VLA vào môi trường chân không để thăng hoa từ thể rắn trực tiếp sang thể hơi, [25, 57] Từ đây kỹ thuật STH bắt đầu có những nghiên cứu

về lý thuyết, tại hội nghị khoa học về STH ở London (1929), M Held bằng TN đã đưa ra MHT (1.27) mô tả động học STH, xem bảng 1.9

Bảng 1.9 Một số MHT mô tả động học quá trình STH

Ở MHT (1.27), với W0 độ ẩm ban đầu của VLA, %; A0, A1, A2, B, n, m, r: là các hệ số xác định bằng TN; q độ chênh nhiệt độ giữa MTS với VLA; t : thời gian sấy, h Có thể thấy (1.27) chỉ áp dụng cho trường hợp cụ thể, chưa mang tính khái quát Hội nghị khoa học về truyền nhiệt, truyền khối trong STH toàn Liên Bang Nga mở rộng (1956) đã đề nghị các phương trình hay định luật có thể sử dụng khi xây dựng và giải MHT trong điều kiện STH đó là định luật bảo toàn vật chất và năng lượng của M.V Lomonosov, hệ phương trình dẫn nhiệt trong chất rắn, lỏng của J.B.J Fourier, Newton, Rickman, dẫn khối của Fick, các phương trình truyền nhiệt bằng bức xạ của Planck R, Stefan, Bozltmann, Enstein, Kirchhoff, … và việc nghiên cứu xây dựng MHT mô tả động học QTS sẽ cho biết cơ chế của quá trình

cấp nhiệt và tách ẩm [57] Một số nghiên cứu của Becker, Fish, Nickerson [25, 82]

đã ứng dụng định luật Fick đưa ra MHT (1.28) mô tả QTS VLA

Chrife, Roman, et al [82], đã giải (1.28) đưa ra MHT (1.29) để sấy VLA dạng tấm phẳng, như: bột sắn dây định dạng tấm phẳng, táo xắt lát tấm phẳng

Lawrence, Scott, et al, Andrieu [82], đã giải (1.28) đưa ra MHT (1.30) để sấy VLA dạng hình trụ, như khoai tây, patê được tạo hình trụ

Becker, Sallans, Kitic, Alves - Filho, Rumsey et al [82] đã giải (1.28) đưa ra

MHT (1.31) để sấy VLA hình cầu, như: quả óc chó, đậu nành, đậu ván,…

Có thể thấy từ (1.29), (1.30) và (1.31) muốn tính toán động học của QTS thì trước hết phải xác định hệ số khuếch tán D và ms, hai đại lượng này khó xác định Chẳng hạn đối với VLA rắn cho đến nay vẫn chưa có phương pháp xác định chính xác Vì vậy, việc áp dụng các MHT (1.29), (1.30) và (1.31) để mô tả động học cho QTS không thể thực hiện được

Chính vì vậy, A.V Luikov [57] đã nghiên cứu xây dựng MHT mô tả cho quá

trình STH một cách tổng quát như sau, xem bảng 1.10

Bảng 1.10 Một số MHT truyền nhiệt tách ẩm trong điều kiện STH

Chú thích: k là hệ số ảnh hưởng của dòng bức xạ nhiệt; R (m) nửa bề dày của tấm

phẳng hoặc bán kính của hình trụ hay hình cầu; H (m) chiều cao hình trụ; x là bề dày lớp khô; L0 (J/kg) là ẩn nhiệt thăng hoa, t (0C) là trường nhiệt độ của vùng (1) lớp khô ẩm đã thăng hoa; vùng (2) lớp ẩm rắn chưa thăng hoa; ack là hệ số dẫn nhiệt độ của lớp khô