Xây dựng mô hình dự đoán thời gian cấp đông hoặc làm lạnh một số loại thực phẩm

Tuy nhiên vì thành phần hóa lý và dinh dưỡng của thực phẩm Việt Nam có nhiều điểm khác biệt các nước nói trên cho nên với cách áp dụng quy trình làm lạnh cấp đông của nước ngoài vào sản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN THỊ THUỲ DUNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN THỜI GIAN CẤP ĐÔNG HOẶC LÀM LẠNH MỘT

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC BẢNG 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT LẠNH THỰC PHẨM 5

1.1 KỸ THUẬT ĐÔNG LẠNH THỰC PHẨM 5

1.1.1 Khái niệm về đông lạnh thực phẩm 5

1.1.2 Các biến đổi của thực phẩm trong quá trình làm lạnh đông 5

1.1.3 Các phương pháp lạnh đông 7

1.1.4 Vai trò của lạnh đông trong bảo quản thực phẩm 8

1.1.5 Ý nghĩa của việc nghiên cứu lạnh đông 9

1.2 HIỆN TRẠNG CÔNG NGHỆ LÀM LẠNH CẤP ĐÔNG THỰC PHẨM 9

1.2.1 Công nghệ làm lạnh cấp đông thực phẩm trên thế giới 9

1.2.2 Công nghệ làm lạnh cấp đông thực phẩm ở Việt Nam 10

1.3 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LÀM LẠNH VÀ KẾT ĐÔNG THỰC PHẨM TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 14

1.3.1 Tình hình nghiên cứu quá trình làm lạnh cấp đông thực phẩm trên thế giới 15

1.4 MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN 29

1.4.1 Mục tiêu 29

1.4.2 Đối tượng nghiên cứu 29

1.4.3 Phương pháp và nội dung nghiên cứu 30

CHƯƠNG II XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA THỰC PHẨM TRONG QUÁ TRÌNH KẾT ĐÔNG 31

2.1 SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA THỰC PHẨM TRONG QUÁ TRÌNH KẾT ĐÔNG 32

2.1.1 Thành phần nước đóng băng 32

2.1.2 Khối lượng riêng của thực phẩm kết đông 35

2.1.3 Nhiệt dung riêng của thực phẩm kết đông 36

2.1.4 Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm kết đông 39

3.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN ĐOẠN THỜI GIAN 42

3.1.1 Cơ sở toán học của phương pháp 42

3.2 PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN GIẢI BÀI TOÁN DẪN NHIỆT KHI CẤP ĐÔNG THỰC PHẨM 46

3.2.1 Xây dựng mô hình toán học của quá trình làm lạnh đông thực phẩm trên cơ sở phương trình dẫn nhiệt 46

3.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với sai phân hữu hạn giải hệ phương trình dẫn nhiệt trong quá trình lạnh đông thực phẩm 57

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA MÔ HÌNH NHIỆT VẬT LÝ SO VỚI CÁC MÔ HÌNH KHÁC 65

4.1 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 65

4.2 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 67

4.3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NHIỆT VẬT LÝ ĐỂ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHÍNH TỚI QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG 70

4.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ buồng cấp đông 70

4.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ gió 72

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 74

5.1 KẾT LUẬN 74

5.2 ĐỀ XUẤT 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 78

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh số lượng TBCĐ điều tra năm 2002 và năm 2006-2007 theo các miền 11 Bảng 1.2 Số lượng, sức chứa của kho lạnh và kho mát trong các doanh nghiệp CBTSĐL

11

Bảng 1.3: Một số công trình nghiên cứu xử lý nhiệt thực phẩm dựa trên phương pháp sai phân hữu hạn 24

Bảng 1.4 Thời gian làm lạnh đông bản phẳng 27

Bảng 2.1: Các công thức tính nhiệt dung riêng trong thực phẩm kết đông 37

Bảng 2.3: Các công thức tính hệ số dẫn nhiệt trong thực phẩm kết đông 40

Bảng 2.4: Thành phần cấu tạo của thịt [12] 41

Bảng 5.3: Thời gian đông lạnh ứng với các nhiệt độ môi trường khác nhau 71

Bảng 5.4: Thời gian đông lạnh ứng với vận tốc gió khác nhau 72

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các phân tố được chia trên bắp thịt bò 24

Hình 1.2: Quy trình làm lạnh đông theo ba giai đoạn 27

Hình 3.1: Mô hình bài toán dẫn nhiệt khi làm lạnh đông thực phẩm 48

Hình 3.3 Thuật toán xác định trường nhiệt độ Tij 65

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh 2 cấp dùng thí nghiệm 67

Hình 4.2 Mô hình thiết bị cấp đông dùng để thí nghiệm 68

Hình 4.3 a) Thiết bị điều khiển nhiệt độ và tốc độ gió; b) Thiết bị đo nhiệt độ đa kênh68 Hình 4.4: Miếng thịt bò hình chữ nhật trước và sau khi kết đông 69

Hình 4.5: Sự thay đổi của nhiệt độ tại tâm khi cấp đông thịt bò kích thước 5x15x15(cm), vận tốc gió 1,5 m/s, nhiệt độ môi trường -25 độC 69

Hình 4.6: Sự thay đổi của nhiệt độ tại bề mặt khi cấp đông thịt bò kích thước 5x15x15(cm), vận tốc gió 1,5 m/s, nhiệt độ môi trường -25độC 70

Hình 4.7: Sự thay đổi của nhiệt độ tại tâm khi cấp đông thịt lợn kích thước 8x10x25(cm), vận tốc gió 2 m/s, nhiệt độ môi trường -30 độC 70

Hình 4.8: Sự thay đổi của nhiệt độ tại bề mặt khi cấp đông thịt lợn kích thước 8x10x25(cm), vận tốc gió 2 m/s, nhiệt độ môi trường -30 độC 71

Đồ thị 5.3: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ môi trường và thời gian làm lạnh đông 74

Đồ thị 5.4: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ môi trường và hệ số toả nhiệt đối lưu 76

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT LẠNH THỰC PHẨM

1.1 KỸ THUẬT ĐÔNG LẠNH THỰC PHẨM

1.1.1 Khái niệm về đông lạnh thực phẩm

Làm lạnh, đông lạnh là quá trình hạ nhiệt độ của sản phẩm xuống một giá trị nhiệt

độ thấp hơn 200C ( từ 200C đến 300C là khoảng nhiệt độ có nhiều sinh vật sống hoạt động mạnh nhất) Đối với thực phẩm, tùy loại thực phẩm được bảo quản dài hay ngắn ngày, phụ thuộc vào tính chất của loại thực phẩm đó mà người ta làm lạnh hay làm đông lạnh

Làm lạnh: là thuật ngữ để gọi lạnh thường, là quá trình hạ nhiệt độ của sản phẩm nhưng chưa tới điểm kết đông

Đông lạnh: là quá trình hạ nhiệt độ của sản phẩm, đưa nhiệt độ của sản phẩm xuống thấp hơn điểm đông đặc nhưng vẫn cao hơn -1000C, nếu thấp hơn -1000C thì được gọi là lạnh đông sâu Đông lạnh chủ yếu được sử dụng để bảo quản các loại sản phẩm có nguồn gốc từ động vật

1.1.2 Các biến đổi của thực phẩm trong quá trình làm lạnh đông

Quá trình làm lạnh và bảo quản lạnh, nhiệt độ thấp chỉ có tác dụng ức chế, kìm hãm sự biến đổi sinh hoá, lý hoá… Các biến đổi về hình dạng, màu sắc… của thực phẩm vẫn diễn ra, nhưng quan trọng hơn cả là sự khô hao thực phẩm Trong buồng bảo quản đông hoặc lạnh luôn luôn xảy ra sự dịch chuyển ẩm từ sản phẩm đến dàn bay hơi (dàn lạnh) Do sự chênh lệch phân áp suất hơi nước giữa không khí và sản phẩm, ẩm từ bề mặt sản phẩm bay hơi vào không khí rồi đến bám vào dàn lạnh làm cho bề mặt sản phẩm luôn khô ráo, rau quả mau bị héo Bị mất nước, bề mặt thịt có thể trở nên tối sẫm, một phần do mao quản bị teo không phản quang, một phần do bề mặt thịt bị oxi hoá Đây chính là nguyên nhân chính gây ra sự hao tổn khối lượng khi bảo quản lạnh

Sự biến đổi sinh hoá bị kìm hãm ở nhiệt độ thấp nhưng không hoàn toàn bị triệt tiêu Trong thực phẩm vẫn có những biến đổi sinh hoá tuy không đáng kể Với các loại rau quả, biến đổi về sinh hóa chủ yếu là do có sự hô hấp khi bảo quản Đó là quá trình trao đổi chất của tế bào cơ thể sống: hấp thụ oxy, thải khí cacbonic, hơi nước và nhiệt Đối với sản phẩm từ động vật, biến đổi sinh hoá sau khi chết làm nhiệt độ sản phẩm tăng lên khá nhiều Nhiệt toả ra trong giai đoạn này nhiều hơn cả khi động vật còn sống Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng đối với các loại sản phẩm này cần làm lạnh càng sớm càng kịp thời kìm hãm được những biến đổi sinh hóa trong thực phẩm

Nói chung, động vật sau khi chết và đem làm lạnh đều trải qua ba giai đoạn biến đổi sinh hoá là:

Giai đoạn tê cóng khi chết

Giai đoạn chín tới (chín hoá học)

Giai đoạn phân huỷ sâu sắc (thối rữa)

Giai đoạn tê cóng là quá trinh biến đổi sinh hoá – cơ lý trong tế bào động vật chết, khác hẳn với sự tê cóng khi cơ thể sống gặp lạnh Giai đoạn này tuỳ thuộc vào nhiều yếu

tố khác nhau như: loài động vật, tuổi, giống nòi, điều kiện sống, nhiệt độ bảo quản… ở cá

có thể chỉ vài phút, ở bò và lợn có khi lên đến hàng giờ Trong quá trình tê cóng độ chắc của cơ bắp tăng dần, độ đàn hồi giảm dần, trở lực cắt có thể tăng gấp đôi do đó đem chế biến thịt đang ở giai đoạn tê cóng sẽ mất ngon

Giai đoạn chín tới diễn ra sau giai đoạn tê cóng làm thịt bắt đầu mềm ra Ở cá không có giai đoạn chín hoá học mà chuyển ngay sang giai đoạn phân huỷ sâu sắc hay thối rữa Các quá trình sinh hoá xảy ra trong giai đoạn này gần như ngược với giai đoạn tê cóng Độ chắc của thịt giảm mạnh nhất là khoảng 6 ngày sau khi giết thịt Thịt chín hóa học có độ tiêu hoá cao, ngon hơn hơn thịt tươi, khi chế biến thịt cho nhiều hương vị thơm ngon hơn Thịt được bảo quản lạnh sau khoảng 2 ngày có hương vị thơm ngon hơn, sau 5 ngày hương vị rất tốt, sau 10 đến 14 ngày hương vị càng dễ nhận rõ hơn Vị ngọt của thịt chủ yếu nhờ lượng axit glutamic và các muối của nó tạo ra trong thịt

Giai đoạn phân huỷ sâu sắc: xảy ra sau quá trình chín tới do các men ở chính trong thịt súc vật Nếu thịt để ở nhiệt độ thân nhiệt của con vật thì tốc độ phản ứng xảy ra mãnh liệt và con vật bắt đầu thối rữa [1]

1.1.3 Các phương pháp lạnh đông

1 Phương pháp lạnh đông chậm

Trong phương pháp lạnh đông chậm, nhiệt độ của môi trường làm lạnh là tương đối cao (lớn hơn -250C), vận tốc chuyển động của không khí nhỏ Thời gian làm lạnh đông tương đối dài, số tinh thể nước đá hình thành ít nhưng có kích thước lớn do vậy có thể làm rách màng tế bào cho nên sản phẩm có hiện tượng chảy dịch khi rã đông Điều này làm cho chất lượng thực phẩm giảm giá trị dinh dưỡng Vì vậy, ngày nay phương pháp này chỉ được sử dụng để làm tăng năng suất khi ép rau quả, hoặc để bảo quản thịt dùng cho chế biến xúc xích chứ không được sử dụng để bảo quản thực phẩm lạnh đông

2 Phương pháp lạnh đông nhanh

Môi trường lạnh thường là không khí hoặc các chất lỏng Nhiệt độ môI trường đạt khoảng -350C đến -400C, vận tốc gió đạt từ 3 đến 5m/s.Sản phẩm được làm lạnh đông nhanh lên số tinh thể đá tạo ra nhiều với kích thước bé nên không làm phá hủy tế bào khi

rã đông Phương pháp này có thể bảo toàn được 95% chất lượng của sản phẩm tươi khi đông lạnh Phương pháp này thường được áp dụng trong sản xuất công nghiệp

3 Phương pháp làm lạnh đông cực nhanh

Ngày nay, khoa học kĩ thuật cho phép tạo ra những môi trường có nhiệt độ âm rất sâu Đây chính là cơ sở cho phương pháp lạnh đông cực nhanh Sản phẩm được bao gói

và nhúng trực tiếp vào môi trường lỏng ( CO2 lỏng, N2 lỏng…) Thời gian làm lạnh đông chỉ từ 5 đến 10 phút tùy loại sản phẩm Sản phẩm loại này hầu như không thay đổi chất lượng so với sản phẩm tươi Phương pháp này được sử dụng để bảo quản cá cơ quan của

cơ thể người phục vụ cho nghành phẫu thuật ghép tạng

1.1.4 Vai trò của lạnh đông trong bảo quản thực phẩm

Đông lạnh trong bảo quản thực phẩm có một vai trò to lớn và ưu thế nổi trội, được

sử dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành kỹ thuật rất khác nhau: trong công nghiệp chế biến

và bảo quản thực phẩm, công nghiệp hoá chất, công nghiệp dầu mỏ, công nghiệp rượu, bia, sinh học, kỹ thuật sấy nhiệt độ thấp, y học, thể thao, trong đời sống con người Cụ thể là:

* Đông lạnh thực phẩm là một biện pháp tương đối an toàn để dự trữ thực phẩm lâu dài Có nhiều nguyên nhân gây hư hại thực phẩm, trong đó có ba nguyên nhân chính là:

Do tác dụng của men trong chính thực phẩm

Do vi sinh vật từ bên ngoài

Do các độc tố tiết ra từ các loài vi sinh vật, nấm mốc hoặc từ thực phẩm

Trong ba nguyên nhân trên thì nguyên nhân do vi sinh vật xâm nhập là lớn hơn cả Không những thế, chúng còn có thể xâm nhập vào cơ thể và tấn công hệ thống tiêu hóa, gây ra ảnh hưởng đến sức khoẻ cho con người Bảo quản lạnh sẽ ức chế sự hoạt động của các vi sinh vật và các phản ứng hóa sinh diễn ra trong thực phẩm Bảo quản thực phẩm ở nhiệt độ thấp không có nghĩa là tiêu diệt vi khuẩn mà chỉ góp phần làm giảm tốc độ tăng trưởng của chúng

* Thực phẩm tươi sống được bảo quản lạnh sẽ có chất lượng cao nhất so với các phương pháp bảo quản khác như muối, sấy, chế biến đồ hộp Đồng thời phương pháp này giúp bảo tồn tối đa các thuộc tính tự nhiên, giữ gìn được hương vị, màu sắc, các vi lượng

và dinh dưỡng trong thực phẩm

* Việc bảo quản thực phẩm bằng đông lạnh được thực hiện rất nhanh chóng và phù hợp với tính chất mùa vụ của nhiều loại thực phẩm nông sản Phương pháp này có thể áp dụng cho hầu hết các loại thực phẩm, nông sản: thủy hải sản, thịt, cá, rau, củ, quả, lạnh đông sữa và các sản phẩm từ sữa…

1.1.5 Ý nghĩa của việc nghiên cứu lạnh đông

Đông lạnh thực phẩm là một khâu cơ bản và rất quan trọng trong dây chuyền chế biến thực phẩm Việc nghiên cứu quá trình đông lạnh thực phẩm sẽ giúp ta kiểm soát được các thông số chính của quá trình cấp đông: trường nhiệt độ, thời gian cấp đông, tốc

độ cấp đông và tải lạnh của đối tượng nghiên cứu

Biết được trường nhiệt độ và tốc độ cấp đông ta sẽ giải quyết được bài toán đảm bảo chất lượng, giảm thiểu hao hụt trong quá trình chế biến

Biết được phụ tải lạnh ta sẽ thiết kế được hệ thống lạnh tương thích phục vụ cho bài toán tiết kiệm năng lượng, tối ưu hóa trong quá trình sản xuất

Như vậy chúng ta sẽ nâng cao được hiệu quả kinh tế khi giải quyết được hai bài toán này

1.2 HIỆN TRẠNG CÔNG NGHỆ LÀM LẠNH CẤP ĐÔNG THỰC PHẨM

1.2.1 Công nghệ làm lạnh cấp đông thực phẩm trên thế giới

Trên thế giới tại các nước có nền kinh tế phát triển, hệ thống bảo quản lạnh, lạnh đông thực phẩm được hết sức chú trọng phát triển Nó chính là thước đo mức phát triển của ngành nông nghiệp và khả năng đảm bảo an ninh lương thực của các nước

Nước có công nghiệp lạnh đông phát triển nhất châu Âu là Anh Theo tổng kết của hãng đông lạnh thực phẩm lớn nhất thế giới “ Beo-zơ-ai” thì có những năm như 1979 ở thị trường Anh không có bán rau quả tươi vì toàn bộ rau quả đều được đưa vào chế biến đông lạnh Hiện nay, ở Anh có hơn 320 hãng đông lạnh thực phẩm bảo đảm cung cấp cho hơn 80.000 cửa hàng chuyên nghiệp, trong đó có 1.050 cửa hàng thuộc loại đặc biệt, cao cấp và kiểu mẫu Lương thực thực phẩm chế biến sẵn đông lạnh chiếm tới hơn 50%

Pháp cũng là một trong những nước có ngành công nghiệp lạnh đông thực phẩm phát triển, có đến hơn 300 mặt hàng thực phẩm đông lạnh và cứ trung bình mỗi năm tăng thêm khoảng 30 sản phẩm mới đông lạnh về khoai tây, thịt, cá, về các hỗn hợp rau, về thịt

phẩm đông lạnh phục vụ thị trường tăng 2 lần đạt 450.000 tấn/năm và chiếm 7% đến 15% lượng thực phẩm bán cho người dân Pháp

Ở Italia, sản lượng thực phẩm đông lạnh ngày càng tăng rõ rệt, năm 1964 đạt 12.000 tấn (0,25 kg/người), năm 1974 đạt 80.000 tấn (1,3 kg/người) và cuối năm 1985 đạt 280.000 tấn ( 5kg/người), mà chủ yếu là tăng nhiều làn sản lượng lương thực phẩm chế biến sẵn và thức ăn chín đông lạnh

Ở Nhật, thực phẩm đông lạnh tăng từ 5.500 tấn năm 1960; 245.000 tấn năm 1972

và hơn 1.000.000 tấn năm 1980 Hiện nay, Nhật có 422 xí nghiệp lạnh thực phẩm, trong

đó hơn một nửa có sản xuất thức ăn chín đông lạnh

Nói chung rất nhiều nước đã và đang phát triển mạnh công nghệ thực phẩm đông lạnh, đặc biệt là món ăn chế biến sẵn, thức ăn chín đông lạnh chiếm trung bình tới gần 50% và có xu hướng phát triển hơn để đẩy mạnh xuất khẩu và giảm nhẹ việc chẩn bị, nấu nướng trong các bữa ăn gia đình[6]

1.2.2 Công nghệ làm lạnh cấp đông thực phẩm ở Việt Nam

Trong những năm gần đây ngành công nghiệp đông lạnh thưc phẩm Việt Nam phát triển mạnh mẽ Theo số liệu điều tra năm 2006, 2007 của Viện nghiên cứu hải sản Hải Phòng, cả nước có khoảng 500 cơ sở chế biến thủy sản đông lạnh của gần 400 doanh nghiệp Tổng số các thiết bị cấp đông tiếp xúc, cấp đông gió và hầm đông đang được các

cơ sở sử dụng là 1.318 thiết bị, trong đó miền Bắc có 90 thiết bị, chiếm 6,8%; miền Trung

có 272 thiết bị, chiếm 20,6%; miền Nam có 956 thiết bị chiếm 72,6 % (Bảng 1.1) So với điều tra năm 2002, tổng số thiết bị cấp đông của cả nước tăng 1,6 lần (năm 2002 có 836 thiết bị cấp đông, năm 2007 có 1318 thiết bị cấp đông) Nhưng số lượng TBCĐ tại miền Bắc, miền Trung tăng không đáng kể, còn miền Nam tăng gấp 1,75 lần

Bảng 1.1: So sánh số lượng TBCĐ điều tra năm 2002 và năm 2006-2007 theo các miền

Số lượng, sức chứa và sự phân bố các kho lạnh, kho mát được thể hiện ở bảng 1.2 Theo kết quả điều tra năm 2006-2007, các doanh nghiệp sử dụng khoảng 1094 kho lạnh

và kho mát với sức chứa tổng cộng 158.742,7 tấn (chưa kể các kho lạnh của các doanh nghiệp thuộc loại hình sản xuất khác, trong đó có cả kho lạnh thương mại…)

Qua bảng số liệu ta thấy số lượng kho lạnh kho mát tập chung chủ yếu ở miền Nam với 720 kho, chiếm 65,8% , sức chứa là 127.184,7 tấn Miền Bắc có 99 kho, chiếm 9%, sức chứa là 9.032 tấn Miền Trung có 275 kho, chiếm 25%, sức chứa là 22.526 tấn

Vệ sự phát triển của các kho lạnh qua các thời kì, theo số liệu ngiên cứu trong tổng

số 878 kho lạnh được điều tra trong cả nước thì giai đoạn trước năm 1995 có 169 kho lạnh được đầu tư, chiếm 19,2%; giai đoạn 1996-1999 có 123 kho chiếm 14% Giai đoạn 2000-2002 có 279 kho chiếm 35% và giai đoạn gần đây nhất là 2003-2007 có 279 kho chiếm 31,8% Không chỉ số lượng mà công suất kho lạnh cũng tăng lên đáng kể So với

số liệu điều tra năm 2002 trong cả nước chỉ có 19 kho lạnh trên 500 tấn, nhưng đến năm 2006-2007 thì số lương kho lạnh trên 500 tấn thuộc các doanh nghiệp CBTSĐL đã tăng lên là 50 kho (chưa kể các kho lạnh của các doanh nghiệp thuộc loại hình sản xuất khác, trong đó có cả kho lạnh thương mại…) [20]

Cùng với sự phát triển của thiết bị làm lạnh cấp đông giá trị kim ngạch xuất khẩu thực phẩm đông lạnh của Việt Nam cũng có những bước tiến đáng kể

Xuất khẩu thủy sản đông lạnh của Việt Nam từ chỗ không có tên trong các nước xuất khẩu thủy sản, đến nay Việt Nam đã đứng vào hàng 10 nước có giá trị kim ngạch lớn nhất thế giới Từ năm 1986 đến nay kim ngạch xuất khẩu thủy sản Việt Nam không ngừng tăng lên qua các năm Năm 1986 giá trị kim ngạch xuất khẩu mới đạt 102 triệu USD, năm 1992 là 307,7 triệu USD, nhưng 10 năm sau giá trị này đã tăng gấp 6,57 lần đạt 2,023 tỷ USD (năm 2002) Tốc độ tăng trưởng xuất khẩu thủy sản bình quân trong 5 năm gần đây đạt 10-15% năm Theo đánh giá của FAO, Việt Nam nằm trong số các nước

có nhành thủy sản phát triển với tốc độ nhanh nhất thế giới Đây là mặt hàng nằm trong nhóm 4 ngành có có giá trị xuất khẩu đạt hơn 3 tỷ USD của Việt Nam Dự kiến giá trị kim ngạch xuất khẩu thủy sản năm 2010 là 4,5 tỷ USD

Thịt lợn đông lạnh được đánh giá là một mặt hàng xuất khẩu đầy triển vọng của Việt Nam Từ các năm 2001-2002, nước ta xuất khẩu khoảng 10-15 ngàn tấn thịt lợn đông lạnh sang các thị trường truyền thống như Nga, Hồng Kông, Trung Quốc, Malaysia Giá xuất khẩu thịt lợn vào thời điểm đó là khá khả quan, bình quân 1624 USD/tấn

Bên cạnh đó nhóm mặt hàng rau, củ, quả cũng đang được nhiều địa phương chú trọng đầu tư phát triển Điển hình có thể kể đến như An Giang, Đà Lạt, Tiền Giang Kim ngạch xuất khẩu rau quả từ năm 2004 đến nay tăng trưởng khá đều, bình quân khoảng 20% năm, từ 179 triệu USD năm 2004 lên 439 triệu USD năm 2009 Hiện nay, sản phẩm rau quả đã có mặt tại 50 quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới, chủ yếu là Nhật Bản, Hà Lan, CHLB Nga, Đức, Pháp, Anh, Australia, Canada, Hàn Quốc, Singapore, Thái Lan… Theo số liệu thống kê, kim ngạch xuất khẩu rau quả của Việt Nam trong tháng 1/2010 đạt

40 triệu USD, tăng 27,8% so với cùng kỳ năm ngoái, dự kiến kim ngạch xuất khẩu ngành rau, quả sẽ đạt 600 triệu USD vào năm 2010

Tuy nhiên những bước phát triển đó vẫn chưa nói hết tiềm năng của ngành công nghiệp thực phẩm đông lạnh Việt Nam Theo nhiều số liệu khảo sát, kể cả số liệu của Liên Hợp Quốc tiềm năng xuất khẩu thủy sản của Việt Nam là 10-15 tỷ USD, hiện nay mới đạt 4,3 tỷ USD (2009) tức là khoảng 40% Tiềm năng xuất khẩu rau quả là 4 tỷ USD tương đương với 10 triệu tấn, hiện nay ta mới dự kiến xuất khẩu 600 triệu USD (2010) tức là cũng chỉ đạt 15%

Nguyên nhân của tình trạng trên là do công nghệ chế biến mà cụ thể là công nghệ chế biến lạnh của Việt Nam vẫn còn kém phát triển Ở nước ta chưa tồn tại khái niệm chuỗi lạnh, đây chính là lý do giảm chất lượng của thực phẩm

Trong khâu vận chuyển, chúng ta thiếu hẳn các phương tiện vận tải và các thiết bị làm lạnh sơ bộ Trong khi đó, Việt Nam có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, khoảng cách từ nơi thu hoạch đến nhà máy sản xuất, chế biến tương đối xa Sản phẩm nông sản phải mất 6 -

48 giờ mới về đến nơi tiêu thụ

Trong khâu chế biến, các dây chuyền công nghệ làm lạnh cấp đông thực phẩm của nước ta hoặc nhập khẩu theo thiết kế của nước ngoài hoặc sao chép thiết kế các thiết kế của họ Các quy trình làm lạnh cấp đông cho từng loại sản phẩm của Việt Nam đều đã cũ

và dựa trên quy trình nước ngoài Các xí nghiệp xuất khẩu thủy sản ở phía Bắc sử dụng quy trình của Liên Xô cũ, còn xí nghiệp xuất khẩu thủy sản ở phía Nam sử dụng quy trình của Úc, Mỹ và Châu Âu Tuy nhiên vì thành phần hóa lý và dinh dưỡng của thực phẩm Việt Nam có nhiều điểm khác biệt các nước nói trên cho nên với cách áp dụng quy trình làm lạnh cấp đông của nước ngoài vào sản xuất trong nước sẽ dẫn đến chất lượng sản phẩm không phải lúc nào cũng tốt và đạt yêu cầu.Độ hao hụt trong khối lượng sản phẩm sau chế biến và tiêu phí năng lượng (suất tiêu hao năng lượng trên một đơn vị sản phẩm) của Việt Nam lớn hơn rất nhiều so với các nước trong khu vực như Thái Lan, Ấn Độ

Điều này được lý giải bởi các nghiên cứu về lạnh thực phẩm chỉ mới ở mức độ manh mún, nghiên cứu và mô phỏng quá trình riêng lẻ, rời rạc không có sự liên kết với những người nghiên cứu về công nghệ chế biến và những người nghiên cứu về sinh học

và công nghệ thực phẩm Chính vì điều này cho đến nay chưa có một nghiên cứu có hệ thống sâu rộng về công nghệ lạnh đông thực phẩm với các tiêu chí kiểm soát các thông số chính của quá trình: trường nhiệt độ thời gian làm lạnh, tốc độ làm lạnh, mật độ dòng nhiệt tiến tới mục tiêu tối ưu hóa quy trình làm lạnh cấp đông thực phẩm theo hướng đảm bảo chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng

Đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu lựa chọn phương pháp xây dựng mô hình làm lạnh cấp đông thực phẩm theo các tiêu chí như đã trình bày ở trên

1.3 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LÀM LẠNH VÀ KẾT ĐÔNG THỰC PHẨM TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

Bài toán làm lạnh cấp đông thực phẩm không đơn giản là bài toán đốt nóng hay làm nguội một vật Trong quá trình cấp đông còn có sự chuyển pha Như vậy ở mức độ vật lý coi thực phẩm như vật đồng chất là không xảy ra Ngoài ra tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm cũng thay đổi theo nhiệt độ Vì tính phức tạp của quá trình làm lạnh cấp đông nên hiện nay phần lớn các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở các mức độ nhất định Phần lớn

các mô hình này tập trung vào việc tính toán thời gian cấp đông, một số là trường nhiệt độ

và hiếm khi đưa ra được phụ tải lạnh thay đổi theo thời gian

1.3.1 Tình hình nghiên cứu quá trình làm lạnh cấp đông thực phẩm trên thế giới

Trong trường hợp tổng quát thực phẩm làm lạnh đều là những vật không đồng chất, không đẳng hướng, có hình dạng không xác định Phân bố nhiệt độ tại thời điểm ban đầu và nhiệt độ môi trường xung quanh tương ứng là hàm của tọa độ và thời gian Hệ số tỏa nhiệt α phụ thuộc vào vị trí bề mặt, nhiệt độ bề mặt, vận tốc gió và nhiệt độ môi trường xung quanh Thông số nhiệt vật lý và mật độ nguồn nhiệt bên trong là hàm phụ thuộc nhiệt độ (bài toán phi tuyến loại 3) Có rất nhiều phương pháp nghiên cứu lý thuyết khác nhau đã được áp dụng để nghiên cứu quá trình làm lạnh cấp đông như: phương pháp giải tích, phương pháp số kết hợp thực nghiệm … Tuy nhiên bản chất các phương pháp này đều có chung bản chất là giải phương trình vi phân dẫn nhiệt với điều kiện ban đầu (bài toán Euler) kết hợp với điều kiện biên

Stefan (1889) đã nêu nên phương trình vi phân dẫn nhiệt mô tả quá trình làm lạnh cấp đông thực phẩm viết cho phân tố có toạ độ vector rr

, thời điểm τ như sau

Trong đó: C(T) - nhiệt dung riêng của đối tượng phụ thuộc vào nhiệt độ

ρ(T) - khối lượng riêng của đối tượng phụ thuộc vào nhiệt độ

λ(T) - hệ số dẫn nhiệt của đối tượng phụ thuộc vào nhiệt độ

( )r , τ

q r - nguồn nhiệt trong tại phân tố toạ độ vector rr, thời điểm τ

Trong quá trình lạnh đông thực phẩm luôn xảy ra quá trình chuyển pha từ lỏng sang rắn của nước trong thực phẩm, do đó nhiệt ẩn tỏa ra trong quá trình đóng băng chính

là nguồn nhiệt trong q r,τ( )r

1 Phương pháp giải tích-công thức Plank

Năm 1913, Plank R [] đã đề nghị áp dụng mô hình và phương pháp giải bài toán làm lạnh đông bản phẳng trên cơ sở phương pháp giải tích với một số điều kiện đơn giản hoá, như vật trước khi làm lạnh đông thì đã được làm lạnh đến nhiệt độ kết tinh, sự tạo thành nước đá trong sản phẩm không có sự quá lạnh và kết tinh ở điều kiện đẳng nhiệt như nước đơn chất tinh khiết, đặc tính nhiệt của các phần tử đã kết tinh và chưa kết tinh không phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt dung phần đã kết tinh bằng không, hệ số truyền nhiệt đối lưu ở bề mặt của tấm là bằng nhau và không đổi theo thời gian Khi đó thời gian làm lạnh đông từ hai phía bản phẳng dày δ = 2 R theo Plank được xác định như sau:

R q

1 mt kt

(1.2)

với: “1” và “2” tương ứng chỉ lớp sản phẩm đã đóng băng và chưa đóng băng

q - nhiệt toả ra từ sản phẩm do nước kết tinh [J/kg]

λ - hệ số dẫn nhiệt của lớp sản phẩm đã kết tinh [W/mK] 1

t kt - nhiệt độ kết tinh của sản phẩm ( nhiệt độ nghiệm lạnh ) [0C]

t mt- nhiệt độ môi trường lạnh [0C]

Trên thực tế quá trình đông lạnh thực phẩm như đã mô tả ở trên xảy ra khá phức tạp không giống như các giả thiết đơn giản hóa của Plank Vì vậy ứng dụng công thức (1.2) để tính toán thời gian cấp đông thực phẩm cho sai số rất lớn Mặc dù vậy hiện nay công thức của Plank vẫn được thừa nhận là quan trọng, đặc trưng và đơn giản Nó được Viện lạnh quốc tế IIR đề nghị sử dụng cho các tính toán sơ bộ cho quá trình cấp đông

Để bổ khuyết cho công thức của Plank, các tác giả nghiên cứu tiếp theo đề xuất các dạng biến thể khác nhau của thức (1.2) Cho tới nay các biến thể của công thức này lên tới gần một trăm Dưới đây là một số dạng tiêu biểu []

Shijov G.B đề nghị thay nhiệt tạo ẩn đông đặc của nước (q) bằng tổng lượng nhiệt thoát đi khi giảm nhiệt độ của sản phẩm đầu (t d) đến nhiêt độ cuối (t c) và công thức tính thời gian làm lạnh đông sẽ có dạng:

−

=

αλ

2 1

R t

t

R i i q

mt kt

c

d (1.3)

Tuy nhiên điểm yếu của công thức (1.3) là làm sao xác định được iđ và ic Để xác định được 2 đại lượng này cần phải có trường nhiệt độ của vật thể thay đổi theo thời gian Mà nếu đã xác định được phân bố trên thì xác định thời gian cấp đông không khó

Veinik A.I cải tiến công thức Plank bằng phương pháp của như sau.Từ điều kiện của Plank, ta có phương trình vi phân cân bằng nhiệt ở bề mặt bản phẳng:

0 x

1 1 2

x

t d

d W.

r

=

∂

∂ λ

−

= τ

ξ ρ

ω (1.4)

Nếu cho rằng nhiệt độ trong vùng đã đóng băng phân bố theo quy luật parabol với

hệ số mũ là n1 theo kiểu Veinik:

1 1

kt mt kt

1

x 1 n 1

t t t

− +

=

τ thì ta có:

αλ+ζ

−λ

=τ

ξρω

/n

)tt(nd

d W

r

1 1

mt kt 1 1

λ + ξ

2

mt kt 1 1

2 1 1

rW

t t n n

kt 1 1

) t t ( n

λ + ξ

− λ

− λ

ωρ

=

mt kt 1 1

) t t ( n 2

rW

(1.7)

Trong trường hợp n1= 1, ta thu được công thức Plank

λτβ

rW

t t

β

ξ = , nghĩa là ta thu được gần đúng Lame – Clapeiron khi giải bài toán Stefan

Năm 1936, Rewtov giải bài toán làm lạnh đông bản phẳng với nhiệt độ ban đầu

const

t

t d = kt = , trong trường hợp thoát nhiệt đối xứng Bài toán được chia làm 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Rewtov giải bài toán làm lạnh đông bản phẳng với nhiệt độ ban đầu

const

t

t d = kt = , và đã chấp nhận lời giải của Plank Thu được τ1

Giai đoạn 2: Rewtov giải bài toán làm lạnh bản phẳng đã kết đông hoàn toàn

Để giải bài toán này Rewtov cho rằng các đường phân bố nhiệt độ trong bản phẳng

có dạng như hai cạnh của một tam giác cân, do đó có thể khai triển chúng thành chuổi số Fourier với một số vô hạn Sinusoide Nhờ chuỗi số ấy hội tụ rất nhanh, nên Rewtov hạn chế chuỗi bằng cách chỉ lấy số hạng đầu tiên của nó và từ đó xác định thời gian quá lạnh của bản phẳng có chiều dày δ là:

2

mt tc

mt kt

t t

t t a

m

α

λδπ

δ

Với m là một hệ số chỉ phụ thuộc vào Bi

tc

t là nhiệt độ tâm cuối của bản phẳng

Cộng thời gian τ và thời gian 1 τ và kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu của 2thực nghiệm lớn hơn nhiệt độ kết tinh t bd >t kt, bằng cách dùng hệ số thực nghiệm

(1+0,0053t bd), Rewtov thu được công thức tính thời gian làm lạnh đông bản thịt phẳng như sau:

2 1

mt kt e

kt

bd

t t

t t mC t

t

t q

π

ωα

λδλρδ

Chumak I.G dùng điều kiện biên truyền nhiệt loại 3 vào bài toán Stefan (mà lời giải cho điều kiện biên loại 1 do Lame-Clapeiron đã tìm được), bằng cách bổ sung vào chiều dày từ hai phía một lớp vô hình dày

=β

rW

)tt(

−ωρ

λ

=β

rW2

)tt(c1

)tt(rW2

mt kt 1

mt kt 1 2

Và thời gian làm lạnh đông bản phẳng sẽ là:

ρ +

R C 1 2

R t t

R rW

1

1 1 1

mt kt

(1.11)

Nhận xét: Số hạng đầu tiên của công thức trên trùng với công thức Plank Do đó có

thể xem giải gần đúng thứ 2 này là sự hiệu chỉnh cho công thưc Plank

Heins R.G và Jushkov P.P đã giải bài toán này với giả thiết rằng nhiệt độ trong lớp

đã đóng băng phân bố theo đường thẳng, còn trong lớp chưa đóng băng theo đường Parabol bậc 2 và dùng phương pháp biến đổi tích phân điều kiện biên kiểu Leibenzon L.S

để tính thời gian đạt được chiều dày lớp băng ξ như sau:

− ρ

αξ + α

λ ρ

λ +

− ρ + λ

ρ +

− λ

=

τξ

3 1

3 1 e kt 1

kt d 2 2 1

211 1

1 kt

d 2 2 1

1 1 mt kt 1

1 1

2

t t R 9

t t C 4 1

ln 2 C

R R

3

) t t ( C 4 2

C ) t t (

rW 2

2 1

(1.12)

Từ công thức này ta có thể rút ra công thức Plank bằng cách bỏ qua các số hạng có

giá trị nhỏ và bậc cao

Năm 1977, Cleland và Earle [] dựa trên tiêu chuẩn Plank (Pk) và tiêu chuẩn Stefan

(Ste) đã đưa ra công thức tính thời gian làm lạnh đông bản phẳng khi nhiệt độ tâm cuối

−

∆

= τ

S

2

mt kt

t t

h

(1.13)

Với P, R là hàm số của tiêu chuẩn Pk, Ste

λ là hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm đã kết đông hoàn toàn [W/mK] S

∆h10là sự biến thiên entanpi của thực phẩm từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ

yêu cầu ở tâm là -100C, [J/kg]

Chúng ta có thể thấy trong công thức trên nhiệt ẩn đông đặc được thay thế bằng

biết thiên Entanpy thể tích của thực phẩm ∆h10 Tuy nhiên công thức này không chính xác

khi nhiệt độ tâm khác −100C Năm 1984, Cleland và Earle đã đề xuất một hệ số bổ chính

cho phương trình trên để áp dụng cho trường hợp nhiệt độ tâm cuối cùng khác −100C:

−

∆

=

mt ref

mt c S

S mt

t t Ste RD

PD t

t

h

ln65,11

2 10

λλ

α

với t 100C

Năm 1983, Hung và Thompson đã cùng hoàn thiện phương trình Plank để đưa ra

một phương pháp tính toán thời gian khác cho bài toán bản phẳng rộng vô hạn Trong

phương trình (1.14), sự thay đổi Entanpy thể tích ∆h18(hiệu Entanpy ở nhiệt độ kết tinh và

nhiệt độ cuối tâm sản phẩm được giả thiết là −180C) trong quá trình kết đông và hiệu

nhiệt độ trung bình giữa nhiệt độ ban đầu của thực phẩm và môi trường lạnh là cao hơn

Hiệu nhiệt độ này được tính như sau:

( )

18

S 2 c kt 2 2 f d m f

h

2

C)tt(2

C)tt(ttt

∆

−

−

−+

h

λα

∆

∆

=

mt ref

mt c S

t t Ste RD

PD t

h

ln65,11

2 18

λλ

2 1

t

h t

h hF

t =1,8+0,26 +0,105 là nhiệt độ điểm đông đặc thấp, 0C

Các công thức kiểu công thức Plank (1.7÷1.17) tồn tại những hạn chế như sau:

- Chỉ xác định được thời gian cấp đông mà không xác định được trường nhiệt độ

và mật độ dòng nhiệt

- Tồn tại hiệu entanpi trung bình không thể tính chính xác được nếu không xác định được trường nhiệt độ

- Không phản ánh được sự chuyển pha của nước thành băng

- Đại lượng nhiệt ẩn đông đặc và sự biến đổi của tính chất nhiệt vật lý được thể hiện dưới các tiêu chẩn đồng dạng Ste, Bi, Pk…Tuy nhiên lại không chỉ rõ các đại lượng này xác định như thế nào khi tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ và tọa độ tại mỗi thời điểm của quá trình cấp đông

- Bản chất của công thức Plank xây dựng trên giả thuyết coi bài toán làm lạnh cấp đông là bài toán có mặt phẳng chuyển pha, một bên là phần chưa đóng băng, một bên là phần đã đóng băng Trong khi thực tế ở thực phẩm không tồn tại mặt phẳng phân cách giữa phần chuyển pha và phần không chuyển pha Do đó lời giả

đưa ra là chưa thuyết phục

Do đó hiện nay để phục vụ cho việc nghiên cứu quá trình cấp đông thực phẩm thông qua

mô phỏng cần thiết phải sử dụng các phương pháp số

2 Phương pháp số

Điểm hạn chế của phương pháp lý thuyết là lời giải của bài toán dẫn nhiệt phi tuyến loại 3 quá phức tạp, các nhà nghiên cứu thường sử dụng các giả thiết đơn giản hóa bài toán Điều này làm cho mô hình của bài toán dẫn nhiệt khi cấp đông có nhiều điểm không phù hợp với thực tiễn Để khắc phục được nhược điểm đó, từ những năm 80 của thế kỷ 20, một số nhà nghiên cứu đã đề xuất sử dụng các phương pháp số để giải trực tiếp phương trình vi phân dẫn nhiệt Ưu điểm của hướng nghiên cứu này là xét đến sự biến đổi của tính chất nhiệt vật lý theo nhiệt độ Cùng với việc nâng cao khả năng tính toán của máy tính, các phần mềm mô phỏng hiện nay đã có thể giải được bài toán dẫn nhiệt khi cấp đông 2 chiều, 3 chiều với điều kiện biên thay đổi

Hình 1.1: Các phân tố được chia trên bắp thịt bò

Năm 1984, Cleland D.J, Cleland A.C, Earle R.L.Byrne S.J đã đưa ra lời giải bài toán dẫn nhiệt cấp đông 1 chiều cho các vật thể 1 chiều dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn Độ chính xác của lời giải này được kiểm chứng thong qua các số liệu thực nghiệm và có sự tương đồng với lời giải dựa trên phương pháp sai phân hữu hạn Năm

1987, chính các tác giả này đã đưa ra lời giải cho bài toán cấp đông nhiều chiều, các vật thể được xem xét là các vật thể có hình dạng bất kỳ Tuy nhiên, do sự hạn chế về khả năng tính toán của máy tính, các tác giả trên đã sử dụng một số giả thiết đơn giản hóa dẫn đến kết quả có nhiều sai lệch Năm 1988, Salvadori V.O, Mascheroni đã sử dụng phương pháp sai phân dự đoán thời gian cấp đông và rã đông cho 3 dạng tấm phẳng, ống trụ và cầu Độ sai lệch trung bình của kết quả đạt được so với thực nghiệm là khoảng 6,5% Năm 1991, Irene Lind đã sử dụng phương pháp phần tử biên 1 chiều để giải bài toán cấp đông có xét đến ảnh hưởng của quá trình bay hơi trên bề mặt thực phẩm

Những năm gần đây, phương pháp số đã được áp dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực

xử lý bài toán nhiệt thực phẩm Các phương pháp số và kết quả đạt được tính từ năm 1995 đến năm 2003 được trình bày trong bảng 1.3

Bảng 1.3: Một số công trình nghiên cứu xử lý nhiệt thực phẩm dựa trên

phương pháp sai phân hữu hạn

Quá trình Tác giả Địa điểm nghiên

cứu

Mô hình truyền nhiệt

Mô hình truyền chất Số chiều

Ảnh hưởng nhiệt độ tới tính chất nhiệt vật lý

Wang và Chen (1999) Hong Kong U of

Sci and Tech

Sấy

Farkas (1996) North Carol State

U & U of California, Davis, USA

Pan (2000) Archer Daniels

Midland Co, USA

& U of California

hamburger

Akterian (1995, 1997) Higher Inst of

Food & Flavour

Industries, Bulgaria

Coulter (1995) và

Davey và Pham (1997)

U of New South Wales , Australia

Gowda (1997) Indian Inst of Sci √ 2 D Rau đóng gói

De Elvira (1996) Ciudad U., Spain √ 3 D √ Thực phẩm

Chavez (1997) U Nacional del

Litoral & Ciudad U., Argentina

Với việc công bố hàng loạt các công trình nghiên cứu sử dụng các phương pháp số

đã cho thấy đây là một hướng nghiên cứu tiềm năng, có khả năng giải quyết được nhiều vấn đề trong đó có bài toán dẫn nhiệt trong cấp đông thực phẩm

1.3.2 Tình hình nghiên cứu quá trình làm lạnh cấp đông thực phẩm ở Việt Nam

Hiện nay ở nước ta đang có một số nhà khoa học nghiên cứu bài toán dẫn nhiệt trong đông lạnh thực phẩm Các nghiên cứu này được tiến hành theo những phương pháp khác nhau với nhiều cách tiếp cận vấn đề Trong phần này ta sẽ đi tìm hiểu một số phương pháp nghiên cứu của các tác giả trong nước

Tác giả Nguyễn Bốn dựa trên phương pháp ba giai đoạn, trong mỗi giai đoạn thời gian cấp đông, làm lạnh được xác định bằng phương pháp tựa giải tích, để tính thời gian làm lạnh đông bản phẳng

Hình 1.2: Quy trình làm lạnh đông theo ba giai đoạn

Giai đoạn thứ nhất ứng với thời gian τ1 là giai đoạn làm lạnh khối thực phẩm từ nhiệt độ ban đầu t1 đến nhiệt độ đóng băng t0= 00C Các giả thiết đơn giản hóa bài toán được chấp nhận ở đây là :

Tại mỗi thời điểm τ, coi nhiệt độ t trong vật ẩm là phân bố đều, bằng nhiệt độ trung bình trong thể tích V Giả thiết này càng đúng khi độ ẩm φ tăng và λ cũng tăng theo φ

Các thông số đã cho không thay đổi theo thời gian khảo sát

Giai đoạn thứ hai ứng với thời gian τ2 là giai đoạn chuyển pha ở nhiệt độ t0, tác giả giả thiết rằng sự phân bố nhiệt độ trong phần đã đóng băng có dạng tuyến tính Giai đoạn

hai này kết thúc khi chiều dày đóng băng tiến đến tâm của sản phẩm, tức là lúc nhiệt độ tâm đạt nhiệt độ nghiệm lạnh t0

Giai đoạn thứ ba ứng với thời gian τ3 là giai đoạn quá lạnh sản phẩm sau kết đông, giai đoạn này tác giả sử dụng nghiệm của bài toán làm nguội tấm phẳng với nhiệt độ ban đầu bằng nhiệt độ nghiệm lạnh Sự phụ thuộc của nhiệt độ vào thời gian theo phương pháp phân đoạn thời gian được biểu diễn trên hình 1.1 Các công thức tính toán cụ thể được cho trong bảng 1.4 Theo tác giả thì các công thức đưa ra cho kết quả có thể áp dụng tính toán thời gian kết đông cho các sản phẩm dạng khối bằng máy cấp đông đối lưu hay tiếp xúc với các thông số tùy chọn

Bảng 1.4 Thời gian làm lạnh đông bản phẳng

Thời gian Cấp đông kiểu tiếp xúc Cấp đông kiểu đối lưu

Tác giả Phạm Văn Bôn đã dựa trên giả thuyết có một tuyến nhiệt độ lan truyền từ

bề mặt vào tâm sản phẩm với tốc độ hữu hạn Như vậy quá trình truyền nhiệt được coi là

có ba giai đoạn:

Giai đoạn 1: Là giai đoạn nhiệt độ tại tâm chưa thay đổi tức là tuyến nhiệt độ chưa

di chuyển vào đến tâm sản phẩm

Giai đoạn 2: Là giai đoạn nhiệt độ tại tâm đã có sự thay đổi tức là tuyến nhiệt độ

đã di chuyển vào đến tâm sản phẩm

Giai đoạn 3: Là giai đoạn tiếp tục hạ nhiệt độ của vật thể đã lạnh đông đến nhiệt độ tâm cuối theo tiêu chuẩn công nghệ

Giả thiết này là hợp lý do hệ số dẫn nhiệt độ của thực phẩm khá bé Bên cạnh đó tác giả đưa ra và sử dụng khái niệm “ Trung bình hóa đạo hàm trường nhiệt độ”

1 0 0

Fo – thời gian không thứ nguyên;

θ – nhiệt độ không thứ nguyên;

ξ – chiều dày không thứ nguyên;

a2, a3 – hệ số dẫn nhiệt độ của sản phẩm chưa và đã đông lạnh;

2L – chiều dày của bản phẳng

Nhận xét: Ta có thể thấy rằng lời giải của các phương pháp tính toán thời gian đông lạnh thực phẩm đều dựa trên đều chấp nhận các giả thuyết đơn giản hóa mô hình bài toán:

- Coi trường nhiệt độ là một chiều

- Bỏ qua ảnh hưởng của nguồn nhiệt bên trong

- Tuyến tính hóa phương trình phi tuyến trong trong từng giai đoạn

- Các tính thông số nhiệt vật lý của thực phẩm trong từng giai đoạn được coi là không thay đổi và được tính theo nhiệt độ trung bình đầu giai đoạn

- Do đó, các mô hình toán học này chưa thực sự mô tả được đúng chính xác bản chất của quá trình dẫn nhiệt bên trong thực phẩm

Để giải quyết triệt để hơn những vấn đề trên, các tác giả Chumark.IG, Onhishenko

đã đề xuất phương pháp giải trực tiếp phương trình vi phân dẫn nhiệt viết cho quá trình làm lạnh cấp đông thực phẩm dựa trên phương pháp số Một số nhà nghiên cứu trong nước dựa trên ý tưởng này đã xây dựng và phát triển các mô hình toán học và sử dụng các phương pháp số khác nhau để giải quyết bài toán cấp đông như Nguyễn Xuân Tiên [6], Nguyễn Việt Dũng [7], Trong khuôn khổ đề tài này sẽ trình bày việc ứng dụng phương pháp số, để giải quyết mô hình bài toán làm lạnh cấp đông thực phẩm từ đó đưa ra được những phân tích, đánh giá và so sánh với các kết quả thực nghiệm

1.4 MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN

1.4.1 Mục tiêu

Xây dựng mô hình làm lạnh và cấp đông trên cơ sở phát triển phương pháp Chumark.IG , Onhishenko V.P mô phỏng tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm trong điều kiện Việt Nam; so sánh mức độ chính xác của mô hình này trong việc dự đoán thời gian cấp đông, trường nhiệt độ với các mô hình khác hiện có

1.4.2 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài đi sâu nghiên cứu 2 loại sản phẩm chính là thịt bò và thịt lợn với điều kiện thực tế ở Việt Nam

1.4.3 Phương pháp và nội dung nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu: lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

Trên cơ sở các tính chất nhiệt vật lý của thịt lợn đã được công bố, đề tài tập trung phát triển phần mềm mô phỏng quá trình làm lạnh cấp đông thực phẩm, mở rộng cho thịt lợn có mỡ của Việt Nam

So sánh kết quả tính toán các thông số cấp đông cho thịt bò và thịt lợn với số liệu thí nghiệm và kết quả tính bằng các phương pháp khác

CHƯƠNG II XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA THỰC PHẨM TRONG QUÁ TRÌNH KẾT ĐÔNG

Thịt, là một hệ phức tạp không đồng nhất bao gồm nhiều thành phần như nước, chất béo, protit, axit amin, muối khoáng, … mà thành phần của chúng không ổn định phụ thuộc rất nhiều yếu tố khác nhau (điều kiện chăn nuôi, điều kiện thời tiết, tình trạng sức khoẻ,…) Ngoài ra, thực phẩm là một hệ có hướng do sự hình thành các thớ thịt bên trong nên tính chất nhiệt vật lý khác nhau khi xét theo các phương truyền nhiệt khác nhau Vì vậy, tính chất nhiệt vật lý của thịt bị phân tán trên một dải tương đối rộng Hơn nữa, quá trình kết đông của thành phần nước bên trong thực phẩm diễn ra trên một dải nhiệt độ rất rộng Theo các nghiên cứu mới nhất thì đến -196,15oC thực phẩm vẫn chưa kết đông hoàn toàn Do vậy, tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm trong quá trình làm lạnh đông có

sự thay đổi tương đối lớn phụ thuộc vào nhiệt độ

Nhiệt độ kết đông thực phẩm luôn thấp hơn điểm đông của nước (0,15oC) do thành phần chất tan trong thành phần ẩm của thực phẩm Ở điểm đông thực phẩm, lượng nước trong thực phẩm kết tinh làm cho dung dịch chứa chất tan còn lại đậm đặc hơn Kết quả là nhiệt độ đông của thực phẩm bị đẩy xuống thấp Trong khi đó thành phần nước và thành phần băng phụ thuộc vào nhiệt độ, mà thông số nhiệt vật lý của nước và băng rất khác nhau nên thông số nhiệt vật lý của thực phẩm thay đổi rất đáng kể theo nhiệt độ

Vì nước là thành phần nổi trội trong hầu hết thực phẩm nên nó có ảnh hưởng quyết định đến thông số nhiệt vật lý của thực phẩm Thực phẩm không kết đông hoàn toàn ở một điểm mà trong một dải nhiệt độ Thực tế là thực phẩm chứa lượng đường cao hoặc dưới dạng liên kết xiro đậm đặc thì không thể kết đông hoàn toàn ngay cả ở nhiệt độ kết đông thực phẩm hoàn toàn thông thường Kết quả là không có sự khác biệt nhiều ở các điểm kết đông thực phẩm hoàn toàn mà chủ yếu là khác nhau ở các điểm đông ban đầu của thực phẩm (tại đó nước bắt đầu kết đông)

Điểm đông ban đầu của thực phẩm đóng vai trò quan trọng trong xác định điều kiện bảo quản cũng như tính toán thông số nhiệt vật lý của thực phẩm Trong quá trình bảo quản rau quả, nhiệt độ thương mại phải cao hơn nhiệt độ điểm kết đông ban đầu để tránh phá huỷ khi kết đông Thêm vào đó, sự thay đổi mạnh mẽ của thông số nhiệt vật lý trong quá trình kết đông nên ta phải biết được điểm đông ban đầu của thực phẩm nhằm xác định thông số nhiệt vật lý của thực phẩm

Bởi vậy, để nghiên cứu quá trình làm lạnh đông thực phẩm, chúng ta cần xem xét cụ thể sự thay đổi của tính chất nhiệt vật lý trong quá trình kết đông

2.1 SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA THỰC PHẨM TRONG QUÁ TRÌNH KẾT ĐÔNG

2.1.1 Thành phần nước đóng băng

Như trên đã trình bày, thành phần nước có ảnh hưởng quyết định đến thông số nhiệt vật lý do nó là thành phần biến đổi pha trong thực phẩm Để dự đoán thông số nhiệt vật lý của thực phẩm kết đông cần phải xác định thành phần băng trong thực phẩm Dưới điểm đông của thực phẩm, thành phần băng là một hàm của nhiệt độ

Nói chung thực phẩm chứa nước, chất khô hoà tan và chất khô không hoà tan Trong quá trình đóng băng, vì một lượng nước tinh thể hoá nên chất khô hoà tan trong lượng nước còn lại trở nên đặc lại, kết quả là làm giảm nhiệt độ đông đặc Dịch không tan này được cho là tuân theo phương trình điểm đông của định luật Raoult Dựa trên định luật này, Chen (1985) đưa ra mô hình dự đoán thành phần băng trong thực phẩm như sau[]:

2

s o fo ice

s o fo

W RT (t t)W

M L t t

−

= (2.1)

Trong đó: Ws – thành phần chất khô trong thực phẩm

Ms – nguyên tử khối của chất khô tan

R=8,314 - hằng số khí lý tưởng, kJ/kgK

To=273,2 - nhiệt độ đông của nước, K

Lo=333,6 - nhiệt ẩn đông đặc của nước, kJ/kg

tfo - đông ban đầu của thực phẩm, oC

wo b o fo

x RTM

=

− − (2.2)

Trong đó: Wwo – thành phần của nước ban đầu

Wb – thành phần nước liên kết trong thực phẩm (thành phần nước liên kết với chất khô và không kết đông)

Theo Schwartzberg (1976), nước liên kết được tính như sau[]:

W =0,4W (2.3) Trong đó: Wp – thành phần protein trong thực phẩm

Có thể thấy rằng, mô hình của Chen có tính đến cả lượng nước không đóng băng được do liên kết với protein trong phân tử Song nếu tính như công thức (2.3) chỉ là công thức thực nghiệm mà chỉ đúng cho phân loại thực phẩm nhất định trong nghiên cứu của Chen

Thay (2.2) vào (2.1) ta được thành phần băng đơn giản như sau:

Công thức của Chen đưa ra (2.4) đưa ra từ một mô hình không dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt và việc tính toán thành phần nước liên kết không kết đông trong thực phẩm chỉ mang tính ước lượng Bởi vậy, mô hình gặp phải những sai số nhất định

Do phương trình (2.4) đánh giá quá thấp thành phần băng ở nhiệt độ gần điểm đông của thực phẩm và đánh giá quá cao thành phần băng ở nhiệt độ thấp Tchigeov (1979) đưa ra môi quan hệ như sau[]:

wo ice

fo

1,105WW

0,87651

ln(t t 1)

=+

− +

(2.5)

Dựa theo các kết quả thực nghiệm và lý thuyết hệ nhiệt động cân bằng nhiều cấu tử

có biến pha, Latushev [] đã đưa ra công thức

α ∆ - là các hệ số thực nghiệm phụ thuộc từng loại thực phẩm

Công thức (2.6) là công thức được Trumack I.G và Onhishenko V.P phát triển và ứng dụng để xây dựng các tính chất nhiệt vật lý khác của thực phẩm

2.1.2 Khối lượng riêng của thực phẩm kết đông

Khối lượng riêng ρ thay đổi khá rộng trong quá trình kết đông và phụ thuộc vào thành phần tính chất của từng loại thực phẩm nhưng mức độ thay đổi nhỏ hơn Khi nghiên cứu về lạnh đông thịt bò và thịt lợn, Phikin đã đề nghị áp dụng trị số không đổi

3

1070 kg / m

ρ = trong tất các các tính toán kỹ thuật[].Tuy nhiên, trong khuôn khổ luận án này, để tăng độ chính xác của lời giải, ta áp dụng công thức tính khối lượng riêng ở dạng tổng quát:

i

1W

ρ - khối lượng riêng của thành phần thứ i trong khối thực phẩm, kg/m3

Sử dụng các công thức khối lượng riêng phụ thuộc nhiệt độ của từng thành phần sẵn có []:

Đối với dải nhiệt độ dưới điểm băng, tức là một phần nước ở thể lỏng đã hóa rắn, khối lượng riêng của thực phẩm được xác định theo công thức:

p

1W

2.1.3 Nhiệt dung riêng của thực phẩm kết đông

Công thức chung và đơn giản nhất để tính nhiệt dung riêng của thực phẩm trong quá trình kết đông khi biết các thành phần thực phẩm được xây dựng từ định luật bảo toàn năng lượng

u i i

c =∑c x (2.10) Trong đó: c , xi i lần lượt là nhiệt dung riêng và thành phần khối lượng của các thành phần thực phẩm

Đối với thực phẩm chưa kết đông, Chen đề nghị sử dụng công thức thực nghiệm sau nếu số liệu về thành phần cấu tạo của thực phẩm không được biết chính xác:

3

c =4,19-2,30.x -0,628.x (2.11) Trong đó x Slà thành phần khối lượng của thể rắn trong khối thực phẩm

Đối với thực phẩm đã biết chính xác hàm lượng các thành phần ta có thể áp dụng các công thức trong bảng 2.1 để tính toán

Theo các nghiên cứu mới về đông lạnh thực phẩm, nhiệt dung riêng của thực phẩm xác định qua các thí nghiệm không phải là nhiệt dung riêng thuần nhất mà là nhiệt dung riêng hiệu dụng có tính đến ảnh hưởng của thành phần nhiệt chuyển pha Nhiệt dung riêng hiệu dụng được định nghĩa theo công thức:

d

C (T) C(T) W L(T)

dTω

Bảng 2.1: Các công thức tính nhiệt dung riêng trong thực phẩm kết đông

5 Phikin c =c 1-xa k ( wo)+c x 1-xw wo ( ice)+c x xice wo ice

6 Latushev c =c x +c x +c x 1-xa k k m m w wo ( ice)+c x xice wo ice

Đối với thực phẩm có nhiệt độ trên điểm đóng băng, lúc này chưa xuất hiện hiện tượng

chuyển pha nên nhiệt dung riêng hiệu dụng không có thành phần ẩn nhiệt chuyển pha:

Để tiện theo dõi ta gộp các thành phần protein, mỡ và tro lại và gọi là thành phần

khô được tính như sau:

e wo wo s s wo wo w s

C (T) W C (T) W C (T) W C (T) (1 W ).C (T)= + = + − (2.13) Các thành phần protein, mỡ, tro có nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ dưới dạng như sau []:

T 228

Y

228

−

= - nhiệt độ không thứ nguyên

Nếu nhiệt độ của nước nằm dưới 228 K thì được tính theo công thức:

w

C (T)= −548,4 3,163T+

Đối với thực phẩm dưới điểm băng, lúc này, nước trong thực phẩm bắt đầu đóng băng và lượng băng hình thành bên trong thực phẩm là hàm của nhiệt độ Đồng thời, nhiệt dung riêng có xuất hiện thành phần của nhiệt chuyển pha của nước:

L(T) - nhiệt ẩn đông đặc phụ thuộc nhiệt độ được tính như sau:

C (T) 0,4024 6,0769.10 T= + −

w

C (T) - nhiệt dung riêng của thành phần nước

Trong [] , các tác giả đã khảo sát sự hội tụ của các công thức trên đối với thịt bò và đưa ra kết luận các công thức (2.13), (2.14), (2.15) có độ sai lệch nhỏ nhất khi so sánh với các giá trị thực nghiệm Vì vậy, các công thức này sẽ được sử dụng trong các tính toán của luận văn

2.1.4 Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm kết đông

So với khối lượng riêng và nhiệt dung riêng, việc xác định hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm kết đông phức tạp hơn rất nhiều vì những lý do sau:

Hệ số dẫn nhiệt của các thành phần thực phẩm thay đổi mạnh theo nhiệt độ đặc biệt là khi có sự chuyển pha Điều này được giải thích là do hệ số dẫn nhiệt của nước đá lớn hơn nước rất nhiều (Hệ số dẫn nhiệt của nước lỏng và nước đá lần lượt là 0.59 và 2,2 W/m.K)

Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm ngoài phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của thực phẩm còn phụ thuộc vào kết cấu của thực phẩm Tuỳ theo thành phần hoá học và kết cấu của thực phẩm, kết hợp với hướng của dòng nhiệt sẽ có các giá trị hệ số dẫn nhiệt khác nhau

Căn cứ vào hai đặc điểm này một số nhà nghiên cứu đã đưa ra các mô hình toán học khác nhau để xác định hệ số dẫn nhiệt Các công thức này được cho trong bảng 2.3