Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt trong quá trình tiệt trùng thực phẩm

TÓM LƯỢC Trong nghiên cứu, sử dụng mô hình hộp đen có chứa các tham số vật lý hộp xám để biểu diễn quá trình truyền nhiệt từ dung dịch nước sản phẩm đến sản phẩm.. Tham số vật lý mô hìn

KHOA NÔNG NGHIỆP & SINH HỌC ỨNG DỤNG

NGÔ THANH THẮNG MSSV: 2071838

MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG

QUÁ TRÌNH TIỆT TRÙNG THỰC PHẨM

Luận văn tốt nghiệp Ngành: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Cần Thơ, 2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA NÔNG NGHIỆP & SINH HỌC ỨNG DỤNG

Luận văn tốt nghiệp Ngành: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

LỜI CAM ĐOAN -oOo -

Luận văn đính kèm theo sau với đề tài: “Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt trong

quá trình tiệt trùng thực phẩm” do sinh viên Ngô Thanh Thắng thực hiện và báo

cáo đã được hội đồng chấm luận văn thông qua

Giáo viên hướng dẫn

Cần Thơ, ngày……tháng……năm 2011

LỜI CẢM ƠN -oOo -

Luận văn tốt nghiệp này được thực hiện tốt đó cũng là nhờ sự nỗ lực của bản thân, sự giúp đỡ của gia đình, thầy cô và bạn bè

Con xin gửi đến ba mẹ và những người thân yêu nhất của con long biết ơn sâu sắc về những gì mọi người đã làm cho con, để con có đầy đủ điều kiện học tập và nghiên cứu Xin trân thành cám ơn thầy Võ Tấn Thành đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này

Để có được tất cả những hiểu biết và kiến thức quý giá đó, trước tiên tôi xin chân thành cám ơn quý Thầy Cô Bộ môn Công nghệ thực phẩm, Khoa Nông Nghiệp

& SHƯD, Trường Đại Học Cần Thơ đã dạy và truyền đạt những kiến thức liên quan

để tôi có thể tiếp thu những kiến thức hoàn thành luận văn này

Trước khi dứt lời, tôi xin gửi đến quý thầy cô Bộ môn Công nghệ thực phẩm lời chúc sức khoẻ và thành đạt

Chân thành cảm ơn!

Cần Thơ, ngày tháng năm 2011 Sinh viên thực hiện

Ngô Thanh Thắng

TÓM LƯỢC

Trong nghiên cứu, sử dụng mô hình hộp đen có chứa các tham số vật lý (hộp xám) để biểu diễn quá trình truyền nhiệt từ dung dịch nước sản phẩm đến sản phẩm Thí nghiệm được thực hiện với nồng độ muối dung dịch rót từ 2% ÷ 4%, thể tích dịch rót

từ 90 ml ÷ 100 ml và nhiệt độ rót từ 70 0 C ÷ 90 0 C Để thu được dữ liệu động học cho việc mô hình hóa quá trình truyền nhiệt thí nghiệm “bước” được thực hiện với nhiệt

độ thay đổi nhiệt độ môi trường trong 2 khoảng từ 50 0 C ÷ 95 0 C và từ 95 0 C ÷ 105 0 C Trong quá trình thí nghiệm 3 cảm biến loại T với độ chính xác 0,01 0 C được kết nối với máy tính thông qua Analog chuyển đổi tính hiệu Keithley 2700 Để ghi nhận dữ liệu biến đổi nhiệt độ của sản phẩm, nước sản phẩm và môi trường với khoảng cách giữ 2 lần ghi là 10 giây Thuật toán SRIV được lựa chọn để tính toán các tham số của hàm truyền

Kết quả cho thấy, hàm truyền bậc 1 từ quan hệ giữa nhiệt độ dung dịch nước của sản phẩm và nhiệt độ tâm sản phẩm thu nhận từ thí nghiệm có hệ số tương quan R 2 cao, sai số thấp, và có chỉ số YIC thấp có thể biểu diễn cho quá trình truyền Tham số vật

lý mô hình được sử dụng trong hàm truyền và có liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt, so sánh tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt từ nhiệt độ dung dịch rót trong hộp đến sản phẩm với các điều kiện thí nghiệm tương ứng (nhiệt độ, nồng độ muối, thể tích dịch rót) các kết quả cho thấy tham số có liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt hoàn toàn tuân theo các lý thuyết về truyền nhiệt

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM LƯỢC iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH HÌNH .v

DANH SÁCH BẢNG vi

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1

1.1 Tổng quan 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu .1

CHƯƠNG II LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2

2.1 Quá trình truyền nhiệt trong thực phẩm .2

2.2 Các hình thức truyền nhiệt 2

2.2.1 Truyền nhiệt do dẫn nhiệt 2

2.2.2 Truyền nhiệt do đối lưu 3

2.2.3 Truyền nhiệt do bức xạ nhiệt 3

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt 4

2.4 Tính chất của sản phẩm thực phẩm 4

2.5 Tình hình nghiên cứu 4

CHƯƠNG III PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 6

3.1 Phương tiện nghiên cứu 6

3.1.1 Địa điểm thực hiện 6

3.1.2 Phương tiện dùng trong nghiên cứu 6

3.1.2 Nguyên liệu cá viên 8

3.2 Phương pháp nghiên cứu 9

3.2.1 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát 9

3.2.2 Mô tả thí nghiệm 10

3.3 Nội dung nghiên cứu 11

3.3.1 Các giả sử trong nghiên cứu 11

3.3.2 Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt từ nhiệt độ nước sản phẩm truyền nhiệt đến nhiệt độ trung tâm sản phẩm 11

3.4 Mô hình hộp đen có chứa các tham số có ý nghĩa vật lý (Data based mechanistic modelling) 13

3.5 Xác định hàm truyền từ dữ liệu thu nhận thực tế 14

3.6 Xây dựng hàm truyền từ các định luật của quá trình truyền 15

CHƯƠNG IV KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 17

4.1 Tính toán các tham số trong hàm truyền bậc 1 17

4.2 Ý nghĩa vật lý trong hàm truyền 20

4.3 Kết quả ảnh hưởng điều kiện chế biến đến tham số truyền nhiệt bề mặt α1 trong trường hợp nhiệt độ từ 500C ÷ 950C 21

4.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tham số liên quan hệ số truyền nhiệt bề mặt α1 trong trường hợp nhiệt độ từ 500C ÷ 950C 21

4.3.2 Ảnh hưởng của nồng độ rót đến tham số liên quan hệ số truyền nhiệt bề mặt α1 trong trường hợp nhiệt độ từ 500C ÷ 950C 22

4.3.3 Ảnh hưởng của thể tích rót đến tham số liên quan hệ số truyền nhiệt bề mặt α1 trong trường hợp nhiệt độ từ 500C ÷ 950C 23

4.4 Kết quả ảnh hưởng điều kiện chế biến đến tham số truyền nhiệt bề mặt α2 trong trường hợp nhiệt độ từ 950C ÷ 1050C 24

4.4.1 Ảnh hưởng của nồng độ muối rót đến tham số liên quan hệ số truyền nhiệt bề mặt α2 trong trường hợp nhiệt độ từ 950C ÷ 1050C 24

4.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tham số liên quan hệ số truyền nhiệt bề mặt nhiệt độ từ 950C ÷ 1050C 26

4.4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tham số liên quan hệ số truyền nhiệt bề mặt α2 trong trường hợp nhiệt độ từ 950C ÷ 1050C 27

4.5 Mối quan hệ tham số liên quan hệ số truyền nhiệt bề mặt α trong trường hợp nhiệt độ từ 950C ÷ 1050C và trong trường hợp nhiệt độ 950C ÷ 1050C 28

CHƯƠNG V KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 29

5.1 Kết luận 29

5.2 Đề nghị 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 PHỤ LỤC viii

DANH SÁCH HÌNH

Hình 3.1: Hệ thống thiết bị tiệt trùng 6

Hình 3.2: Analog chuyển đổi tính hiệu Keithley 2700 7

Hình 3.3: Hệ thống điều khiển nhiệt độ PID 7

Hình 3.4: Thiết bị tiệt trùng 7

Hình 3.5 Nguyên liệu cá viên 8

Hình 3.6: Sơ đồ nghiên cứu tổng quát 9

Hình 3.7: Hệ thống thiết bị dùng trong nghiên cứu 10

Hình 3.8 Các cảm biến nhiệt độ được gắn vào bao bì và sản phẩm: 11

Hình 3.9: Quá trình tiệt trùng ghi nhận dữ liệu và cách bố trí mẫu trong thiết bị tiệt trùng 11

Hình 3.10 Thí nghiệm bước để mô tả quá trình truyền nhiệt: 12

Hình 3.11 Sơ đồ mô hình hóa “hộp đen” với các tham số vật lý có ý nghĩa 12

Hình 3.12 Sơ đồ mô hình hóa quá trình truyền nhiệt, (1) mô hình hộp đen, (2) mô hình hộp trắng 13

Hình 3.12: Vị trí cảm biến nhiệt độ được bố trí trong vật thể dùng trong nghiên 15

Hình 4.1: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt α1 22

Hình 4.2: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nồng độ rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt α1 23

Hình 4.3: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của thể tích rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt α1 24

Hình 4.4: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nồng độ rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt α2 25

Hình 4.5: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt α2 26

Hình 4.6: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của thể tích rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt α2 27

Hình 4.7: Mối quan hệ giữa hệ số α1 và α2 28

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1: Tổng kết các kết quả nghiên cứu ở trong và ngoài nước liên quan đến đề tài 4 Bảng 3.1: Thành phần dinh dưỡng trong cá viên 8 Bảng 4.1: Kết quả tính toán các tham số của mô hình khi thực hiện thí nghiệm bước từ nhiệt độ 500C ÷ 950C 17 Bảng 4.2: Kết quả tính toán các tham số của mô hình khi thực hiện thí nghiệm bước từ nhiệt độ 500C ÷ 950C 18 Bảng 4.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt α1 nhiệt độ từ 500C ÷ 950C 21 Bảng 4.4: Ảnh hưởng của nồng độ muối rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt α1 nhiệt độ từ 500C ÷ 950C 22 Bảng 4.5: Ảnh hưởng của thể tích rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt α1 nhiệt độ từ 500C ÷ 950C 23 Bảng 4.6: Ảnh hưởng của nồng độ muối rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt α2 nhiệt độ từ 500C ÷ 950C 25 Bảng 4.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt α2 nhiệt độ từ 950C ÷ 1050C 26 Bảng 4.8: Ảnh hưởng của thể tích rót đến tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề mặt α2 nhiệt độ từ 950C ÷ 1050C 27

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan

Chế biến nhiệt là hình thức bảo quản thực phẩm với mục đích giảm mật số vi sinh vật trong sản phẩm ở mức độ cho phép vừa bảo quản được thực phẩm vừa bảo đảm mức

độ an toàn cho người tiêu dùng Và sự truyền nhiệt đến nhiệt độ trong sản phẩm là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến việc xây dựng chế độ tiệt trùng cũng như mức

độ an toàn của các sản phẩm chế biến cần phải được kiểm soát chính xác

Hiện nay việc kiểm soát nhiệt độ sản phẩm bên trong đồ hộp gặp rất nhiều khó khăn ở các nhà máy Đặc biệt là những loại đồ hộp có chứa dung dịch nước sản phẩm và vật thể bên trong hộp như: đồ hộp quả nước đường, cá ngâm dầu… Do sản phẩm bên trong hộp khó để đo đạc, việc đo đạc nhiệt độ của sản phẩm có thể thực hiện được khi đưa các cảm biến nhiệt độ đo đạc trực tuyến nhiệt độ sản phẩm và môi trường chỉ có thể thực hiện được tại phòng thí nghiệm không thể sử dụng trong sản xuất lớn Việc hiện nay ở các nhà máy chỉ đo đạc nhiệt độ của môi trường và xem nhiệt độ môi trường là tham số cần kiểm soát, điều này không đúng vì nhiệt độ môi trường luôn dao động trong quá trình sản xuất, dẫn đến chỉ số truyền nhiệt không đúng cho các vật thể

ở bên trong hộp

Chính vì vậy đề tài “Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt trong quá trình tiệt trùng

thực phẩm” giúp kiểm soát nhiệt độ mà không cần đo đạc nhiệt độ của sản phẩm một

cách chính xác làm tiện lợi cho quá trình kiểm soát nhiệt độ trong quá trình sản xuất

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là kiểm soát nhiệt độ của sản phẩm với đồ hộp có chứa các chất rắn lơ lửng trong dung dịch

Để thực hiện được mục tiêu trên, nghiên cứu được thực hiện:

+ Mô hình tìm tham số có ý nghĩa vật lý trong mô hình có thể để kiểm soát nhiệt độ sản phẩm bên trong hộp

CHƯƠNG II LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1 Quá trình truyền nhiệt trong thực phẩm

Truyền nhiệt là quá trình di chuyển nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp Trong đó có hai quá trình truyền nhiệt là truyền nhiệt ổn định và truyền nhiệt không ổn định

- Truyền nhiệt ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt lượng không thay đổi trong suốt quá trình truyền (không phụ thuộc vào thời gian)

- Truyền nhiệt không ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt lượng thay đổi khi truyền nhiệt từ vị trí này sang vị trí khác (nhiệt độ sản phẩm là hàm số của không gian

và thời gian)

Quá trình truyền nhiệt xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ trong hệ thống Khi đó, dòng nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp Bản chất của quá trình là do chuyển động của các phân tử ở nơi có nhiệt độ cao truyền năng lượng cho các phân tử ở nơi có nhiệt độ thấp thông qua va chạm, làm cho phân tử có nhiệt độ

thấp nóng lên còn phân tử có nhiệt độ cao lạnh đi (Nguyễn Huy Sinh, 2006)

2.2 Các hình thức truyền nhiệt

Sự truyền nhiệt diễn ra dưới 3 hình thức: dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt (tia

hồng ngoại) Trong đó, dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt là hai hình thức truyền nhiệt chủ yếu

trong quá trình tiệt trùng thực phẩm Tất cả vật liệu, bao gồm cả không khí, vật liệu

xây dựng (chẳng hạn như gỗ, kính nhựa và vật liệu cách nhiệt) và thực phẩm đều có

hình thức truyền nhiệt như nhau Các vật liệu rắn có sự khác biệt ở hệ số truyền nhiệt, phụ thuộc vào tỷ trọng, trọng lượng, hình dạng và cấu trúc phân tử Vật liệu có tính dẫn nhiệt kém được xem là vật liệu cách nhiệt Hướng truyền nhiệt là một yếu tố quan trọng cần được xem xét Nhiệt lượng được bức xạ và truyền dẫn theo mọi hướng, tuy nhiên đối lưu nhiệt chủ yếu từ thấp lên cao

2.2.1 Truyền nhiệt do dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là kết quả của sự va chạm giữa các phân tử đang chuyển động nhanh trên bề mặt có nhiệt độ cao với các phân tử đang chuyển động chậm hơn ở bề mặt có nhiệt độ thấp và truyền năng lượng cho các phân tử này Nhiệt độ càng cao thì phân tử chuyển động càng nhanh, trong khi chuyển động các phân tử có sự tương tác lẫn nhau và tạo thành năng lượng

Trong quá trình truyền nhiệt, hệ số dẫn nhiệt là một hệ số quan trọng Hệ số dẫn nhiệt

là tốc độ truyền năng lượng bên trong vật liệu và hệ số dẫn nhiệt:

+ Biểu thị cho tốc độ nhiệt có thể thêm vào hoặc loại bỏ nhiệt khỏi vật liệu

+ Hiểu biết về hệ số dẫn nhiệt giúp phỏng đoán hoặc kiểm soát mật độ dòng nhiệt trong các quá trình chế biến: sấy, chiên, lạnh đông, thanh trùng, tiệt trùng …

+ Tham số cần xác định để bảo đảm an toàn thực phẩm và hiệu quả sử dụng thiết bị

2.2.2 Truyền nhiệt do đối lưu

Là quá trình truyền nhiệt từ lưu chất đến vật thể khi có sự khác biệt nhiệt độ giữa dòng lưu thể và vật thể

Khác với tính toán truyền nhiệt do dẫn nhiệt Tính toán các quá trình truyền nhiệt do đối lưu dựa trên việc giải các phương trình thực nghiệm với các thực nghiệm và phân tích thứ nguyên

Phương trình truyền nhiệt trong đối lưu nhiệt được mô tả ở công thức

T : nhiệt độ của môi trường (0C)

Hệ số truyền nhiệt bề mặt h (W/m2 0C) phụ thuộc vào vận tốc lưu thể và tính chất vật

lý của môi trường như môi trường không khí, chất lỏng, hơi nước hay môi trường hỗn hợp hơi nước và không khí

- Trong truyền nhiệt đối lưu xảy ra trao đổi nhiệt như sau:

+ Trao đổi nhiệt đối lưu:

Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt nhờ sự chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí không thể không có những phần tử có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau, do đó trao đổi nhiệt đối lưu luôn luôn kèm theo hiện tượng dẫn nhiệt trong chất lỏng hoặc chất khí Tuy nhiên quá trình truyền nhiệt ở đây chủ yếu được thực hiện bằng đối lưu cho lên gọi là trao đổi nhiệt đối lưu Trong thực tế ta thường gặp quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn với chất lỏng hoặc chất khí chuyển động, quá trình này tỏa nhiệt đối lưu

2.2.3 Truyền nhiệt do bức xạ nhiệt

Là sự truyền nhiệt (năng lượng nhiệt) dưới dạng sóng điện từ (tia tử ngoại) xuyên qua

khoảng không Sóng bức xạ, giống như sóng radio nằm giữa sóng ánh sáng và sóng

radar (có quang phổ từ 3 ÷15  m) Vì vậy, khi nói đến sóng bức xạ, ta chỉ đề cập đến sóng phóng xạ, chẳng hạn như dàn nóng máy lạnh, bếp, vách và ngay cả các vật liệu cách nhiệt thong thường, đều phát xạ ở các cấp độ khác nhau Nhiệt bức xạ không nhìn thấy được và không có nhiệt độ, thực chất là một dạng truyền năng lượng Chỉ khi tia bức xạ đập vào một bề mặt, năng lượng bức xạ mới sinh ra nhiệt làm cho bề mặt này nóng lên

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt

- Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm

- Bề mặt truyền nhiệt của thực phẩm

- Khoảng cách mà nhiệt phải di chuyển xuyên qua thực phẩm (kích cỡ của nguyên

Tính dẫn nhiệt và độ dầy của bao bì chỉ có ảnh hưởng đáng kể đến thời gian truyền nhiệt trong chế độ tiệt trùng khi có các dòng đối lưu mạnh Trường hợp đồ hộp chứa sản phẩm đặc, sự truyền nhiệt chủ yếu bằng dẫn nhiệt, chủ yếu là tính chất của sản phẩm, sản phẩm càng đặc, càng có hệ số dẫn nhiệt nhỏ và bề dầy lớp sản phẩm từ

ngoài vào lớp giữa hộp càng lớn, thời gian truyền nhiệt càng lâu (Hồ sưởng, 1982)

Sử dụng mô hình data based mechenistic để xác định các hằng

số trong phương trình nhằm mục đích kiểm soát nhiệt độ của môi trường

hệ số truyền nhiệt bề mặt

R Simpson

et al

2007 Advances with intelligen

on-line retort control and automation in thermal processing of canned foods

Sử dụng phương pháp đo nhiệt độ trực tuyến, ghi nhân thời gian gia nhiệt từ đó mô hình hóa tính toán

hệ số truyền nhiệt bề mặt với giả

sử nhiệt độ môi trường là hằng số trong quá trình chế biến nhiệt thực phẩm

B.Woinet

et al

1998 Experimental and theoretical

study of model food freezing

Part I Heat tranfer modelling

Mô hình phỏng đoán nhiệt độ trung tâm sản phẩm bằng phương pháp dùng số liệu để tính sự thay đổi nhiệt độ liên tục của thực phẩm dựa vào mô hình Newton

Vo Tan

Thanh et al

2008 “Data-based mechanistic

modelling of dimensional temperature in ventilated rooms filled with biological material”

thanh trùng luôn giả sử nhiệt độ môi trường là đồng nhất (Young and Garnier., 2006;

R Simpson et al.,2007) Ngoài ra còn có các nghiên cứu về sự di chuyển nhiệt của

thực phẩm dựa trên cơ sở nhiệt độ môi trường ổn định (Woinet et al., 1998), phương

pháp xác định các tham số của mô hình dựa vào thuật toán SRIVC có thể dùng để tính

toán hệ số truyền nhiệt bề mặt (Thanh et al., 2008) Tuy nhiên chưa có thấy nghiên

cứu nào liên quan đến kiểm soát nhiệt độ của các vật thể lơ lửng ở bên trong hộp trong quá trình tiệt trùng Việc phát triển đề tài mô hình hóa quá trình truyền nhiệt trong quá trình tiệt trùng thực phẩm là rất cần thiết, nhằm kiểm soát nhiệt độ sản phẩm bên trong hộp tiến tới chế biến sản phẩm an toàn

CHƯƠNG III PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Phương tiện nghiên cứu

3.1.1 Địa điểm thực hiện

Thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ thực phẩm, Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng, Trường Đại học Cần Thơ

3.1.2 Phương tiện dùng trong nghiên cứu

- Analog chuyển đổi tính hiệu Keithley 2700 (USA) Hình 3.2

- Hệ thống điều khiển nhiệt độ PID Hình 3.3

- Thiết bị tiệt trùng có đường kính  = 42 cm, chiều cao h= 43 cm, với thể tích V= 0,018 m3, Hình 3.4

- Cảm biến nhiệt độ loại T Farnell 163-3499 (Anh) với độ chính xác 0,010C

- Đồ hộp thực phẩm, hộp hình trụ có đường kính  = 7,8 cm, cao h = 4,5 cm, khối lượng hộp m = 0,05 kg

- Máy tính và phần mềm Matlab R2009a

1 là Analog chuyển đổi tính hiệu Keithley 2700; 2 Là hệ thống điều khiển nhiệt độ PID; 3 Là thiết bị tiệt trùng THC 888 (China)

Hình 3.1: Hệ thống thiết bị tiệt trùng

3

2

1

Hình 3.2: Analog chuyển đổi tính hiệu Keithley 2700 (USA)

Hình 3.3: Hệ thống điều khiển nhiệt độ PID

Hình 3.4: Thiết bị tiệt trùng THC 888 (China)

3.1.3 Nguyên liệu cá viên

Hình 3.5: Nguyên liệu cá viên

Cá viên được làm từ cá basa được mua từ siêu thị Metro Cần Thơ của công ty cổ phần xuất nhập khẩu thủy sản An Giang sản xuất Khối lượng 500 (g) với kích thước chiều dài là 30 cm, chiều rộng là 25 cm Thành phần dinh dưỡng trong cá viên được thể hiện

trong Bảng 3.1

Bảng 3.1 Thành phần dinh dưỡng trong cá viên

3.2 Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát

Nghiên cứu được tiến hành theo sơ đồ Hình 3.6

Hình 3.6: Sơ đồ nghiên cứu tổng quát

Nhiệt đô môi trường

95oC

50oC

105oC

Sản phẩm tiệt trùng

95oC

50oC

105oC Nhiệt độ nước sản phẩm

95oC

50oC

105oC Nhiệt độ tâm sản phẩm

Mô hình hóa các tham

số từ dung dịch bên trong hộp đến vật thể

cá viên trong dung dịch, tìm hệ số truyền nhiệt bề mặt

Phỏng đoán quá trình

Thí nghiệm được bố trí theo sơ đồ Hình 3.7

Hình 3.7: Hệ thống thiết bị dùng trong nghiên cứu

3.2.2 Mô tả thí nghiệm

Đầu tiên các cảm biến nhiệt độ được gắn vào sản phẩm cá viên như Hình 3.8 Tiếp

đến mẫu được rót với các mức nồng độ muối rót, nhiệt độ rót, thể tích dịch rót theo

từng thí nghiệm, tiếp đến mang ghép nắp và cho vào thiết bị tiệt trùng (cách bố trí

mẫu như Hình 3.9) Lượng nước chứa trong thiết bị bằng 1/6 thể tích thiết bị 0,003 m3

(3 lít), sao cho lượng nước ngập điện trở trong thiết bị (nếu thấp hơn sẽ gây hư hỏng

thiết bị, nếu lượng nước nhiều thời gian gia nhiệt kéo dài gây hao phí) Nhiệt độ của

thiết bị điều chỉnh bởi bộ điều khiển nhiệt độ PID Hình 3.3 Tiến hành gắn mẫu có

cảm biến nhiệt độ trong thiết bị tiệt trùng với các cảm biến nhiệt độ được kết nối với

hệ thống Analog chuyển đổi tín hiệu Hình 3.2 Mở máy tính và hệ thống chuyển đổi

tính hiệu Analog kiểm tra sự hoạt động của các kênh (cảm biến nhiệt độ) ghi nhận

nhiệt độ Mở chương trình ghi dữ liệu, nhiệt độ của sản phẩm trong quá trình tiệt trùng được ghi nhận trực tuyến với khoảng cách hai lần ghi là 10 giây Nhiệt độ được khảo sát từ 500C lên 950C và đến 1050C như Hình 3.10 Tại nhiệt độ 500C giữ nhiệt ổn định trong 10 phút, sau đó nâng lên 950C với tổng thời gian nâng và giữ nhiệt là 50 phút, cuối cùng ta nâng lên 1050C với tổng thời gian nâng và giữ nhiệt ổn định là 40 phút

Quá trình thí nghiệm tiệt trùng được biểu diễn theo các Hình 3.8 và Hình 3.9

Hình 3.8: Các cảm biến nhiệt độ được gắn vào bào bì và sản phẩm

Hình 3.9: Quá trình tiệt trùng ghi nhận dữ liệu và cách bố trí mẫu trong thiết bị tiệt trùng

3.3 Nội dung nghiên cứu

3.3.1 Các giả sử trong nghiên cứu

+ Nhiệt độ của nước và vật thể bên trong hộp đồng nhất và một nhiệt độ khác biệt chấp nhận

+ Tính chất của thực phẩm ít thay đổi (nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, khối lượng

riêng) và xem như không có sự khác biệt ở bên trong hộp sản phẩm trong quá trình

tiệt trùng

3.3.2 Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt từ nhiệt độ dung dịch nước sản phẩm truyền nhiệt đến nhiệt độ trung tâm sản phẩm

Hình 3.10: Thí nghiệm bước để mô tả quá trình truyền nhiệt

- Thí nghiệm đo đạc tham số dung dịch nước sản phẩm và sản phẩm bên trong hộp

theo diễn biến “bước” (step) Thí nghiệm “bước” (step experimental method) thay đổi

nhiệt độ của dung dịch nước sản phẩm, thu nhận biến đổi nhiệt độ của tâm sản phẩm

bên trong hộp Diễn biến thí nghiệm bước được thể hiện ở Hình 3.10

- Sử dụng kỹ thuật mô hình hóa “hộp đen có chứa các tham số vật lý có ý nghĩa”

(Data Based mechanistics modeling approach) để tìm tham số có liên quan đến hệ số

truyền nhiệt bề mặt được mô tả theo sơ đồ Hình 3.11

Hình 3.11 Sơ đồ mô hình hóa (hộp đen) với các tham số vật lý có ý nghĩa

) ( )

a s t



Mô hình hóa (hộp đen có ý nghĩa vật lý)

Data Based Mechanistics (DBM)

Tham số liên quan đến hệ số truyền nhiệt bề

mặt (Heat transfer coefficient)

(t

- Sử dụng kỹ thuật mô hình hóa “Data based mechanistics modelling approach” để tìm các tham số có ý nghĩa vật lý trong mô hình từ dữ liệu biến thiên nhiệt độ dung dịch nước sản phẩm theo thời gian và biến thiên nhiệt độ sản phẩm theo thời gian Các

tham số của mô hình được thu nhận dựa vào thuật toán SRIVC (Simplified Refined

Instrusmental Variable Countinous Method) được tích hợp trong “Captain Toolbox

Matlab”

3.4 Mô hình hộp đen có chứa các tham số có ý nghĩa vật lý (Data based mechanistic modelling)

Mô hình động học hộp đen có chứa các tham số có ý nghĩa vật lý (hộp xám) được chia

làm hai giai đoạn thể hiện ở Hình 3.11

- Sử dụng dữ liệu từ thí nghiệm, để tìm các hàm truyền để thể hiện dữ liệu (có thể bậc

1, bậc 2,…), đây là phương trình thực nghiệm

- Dựa trên các phương trình truyền lý thuyết, biến đổi các phương trình truyền thành

các hàm truyền có thể biểu diễn cho quá trình truyền (hay nói cách khác là tìm

phương trình truyền từ lý thuyết) Từ đó đồng dạng các phương trình tìm được ở hai

giai đoạn và tìm các tham số có ý nghĩa vật lý liên quan đến quá trình truyền, chi tiết

Mô hình hóa tìm tham số các

tham số của hàm truyền thực

tế với R2 cao, độ lệch chuẩn

thấp, YIC thấp

Đồng dạng

hàm truyền thực tế và hàm truyền lý thuyết

Tham số có ý nghĩa vật lý biểu thị cho quá trình

(2) Lý thuyết

(Mechanistic phase)

Từ các phương trình truyền lý thuyết

Biến đổi tìm các hàm

truyền tương ứng (hàm truyền lý thuyết)