Xây dựng mô hình toán học để điều khiển kết thúc quá trình thuỷ phân tinh bột ngô zea mays

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN DỌC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN KẾT THÚC Q TRÌNH THỦY PHÂN TINH BỘT NGƠ NGÀNH: CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐẶNG THANH THỦY Người hướng dẫn khoa học: GS.TS HỒNG ĐÌNH HỒ HÀ NỘI 2006 MỤC LỤC Các nội dung Các bảng biểu Các hình vẽ Các nội dung Phần I MỞ ĐẦU Phần II TỔNG QUAN II.1 Đặc điểm cấu tạo Ngô (Corn/Maize) II.1.1 Cấu tạo II.1.2 Thành phần hoá học II.2 Enzim chế thuỷ phân tinh bột 14 II.2.1 Phân loại chế thủy phân 14 II.2.2 Các enzim phân cắt mối liên kết α-1,4 glucozid 15 II.2.3 Các enzim phân cắt mối liên kết α-1,6 glucozid 17 II.3 Các chế phẩm enzim 19 II.4 Ứng dụng sản phẩm thủy phân 22 II.5 Lý thuyết Quy hoạch thực nghiệm điều khiển trình 23 Phần III NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35 III.1 Nguyên liệu, thiết bị 35 III.2 Phương pháp nghiên cứu 36 III.2.1 Phương pháp hoá sinh 36 III.2.1.1 Xác định hoạt độ α-amylaza (Hđ.A)- theo Rukhliadeva từ vi khuẩn 36 III.2.1.2 Xác định hoạt độ α- -amylaza (Hđ.A)- theo Rukhliadeva từ nấm mốc 38 III.2.2 Phương pháp hoá lý 38 III.2.2.1 Xác định độ ẩm 38 III.2.2.2 Xác định hàm lượng glucoza: 38 III.2.2.3 Xác định dextrin: Phương pháp kết tủa cồn 40 III.2.2.4 Xác định maltoza: Phương pháp iod 41 III.2.2.5 Xác định đường theo DNS 42 III.2.2.6 Xác định hàm lượng tinh bột 42 III.2.2.7 Xác định nồng độ chất khô theo phương pháp hoá lý dùng chiết quang kế 43 III.2.3 Phương pháp thuỷ phân 43 III.2.3.1 Phương pháp dịch hoá 44 III.2.3.2 Phương pháp đường hóa 44 III.2.4 Phương pháp toán 45 III.2.4.1 Lựa chọn thông số điều khiển trình 45 III.2.4.2 Xây dựng Kế hoạch thực nghiệm làm thí nghiệm nhận thơng tin 48 III.2.4.3 Xây dựng mơ hình tốn học 49 Phần IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 54 IV.1 Khảo sát đặc tính nguyên liệu 54 IV.1.1 Xác định độ ẩm bột ngô 54 IV.1.2 Xác định hàm lượng glucoza bột ngô 54 IV.1.3 Xác định hàm lượng dextrin bột ngô 55 IV.1.4 Xác định hàm lượng tinh bột bột ngô 55 IV.2 Xác định hoạt lực enzim chế phẩm enzim 55 IV.2.1 Termamyl 120L 55 IV.2.2 Fungamyl 800L 56 IV.3 Khảo sát sát ảnh hưởng thời gian tới q trình dịch hố 56 IV.4 Khảo sát ảnh hưởng yếu tố đơn lẻ đến q trình đường hố 57 IV.4.1 Nhiệt độ 57 IV.4.2 Thời gian 58 IV.4.3 Nồng độ Enzim 59 IV.5 Thiết lập mơ hình quy hoạch thực nghiệm: 60 IV.5.1 Lựa chọn thông số điều khiển trình 60 IV.5.2 Xây dựng Kế hoạch thực nghiệm thí nghiệm nhận thông tin 60 IV.5.3 Xây dựng mô hình thực nghiệm 61 IV.5.4 Kiểm chứng thực nghiệm 63 IV.5.5 Giải toán điều khiển trình đặt 65 Phần V KẾT LUẬN 69 Phần VI TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 Các bảng biểu Bảng II-1 Tỷ lệ trọng lượng vỏ, phôi nội nhũ Bảng II-2 Sự phân bố thành phần hóa học phần hạt ngô Bảng II-3 Thành phần hoá học số loại ngô Bảng II-4 Thành phần amyloza số loại nguyên liệu giàu tinh bột 11 -Đặng Thanh Thủy Bảng II-5 Tính chất tinh bột số loại nguyên liệu giàu tinh bột 12 Bảng II-6 - Độ bền với nhiệt độ α-amylase từ malt (Miller, Johnson Palmer) 17 Bảng II-7 - Đặc tính kỹ thuật số chế phẩm enzim 20 Bảng III-1 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình thuỷ phân tinh bột 45 Bảng III-2 Mẫu ma trận thực nghiệm 23 48 Bảng III-3 Hằng số tìm phương trình hàm mục tiêu 51 Bảng IV-1 Ma trận thực nghiệm 23 60 Bảng IV-2 Ma trận thực nghiệm mở rộng 61 Bảng IV-3 Các số tìm hàm mục tiêu y 61 Bảng IV-4 Hằng số tìm hàm mục tiêu y 62 Bảng IV-5 Hằng số tìm hàm mục tiêu y 62 Bảng IV-6 Giá trị hàm mục tiêu y thực nghiệm lý thuyết 63 Bảng IV-7 Giá trị hàm mục tiêu y thực nghiệm lý thuyết 64 Bảng IV-8 Giá trị hàm mục tiêu y thực nghiệm lý thuyết 64 Bảng IV-9 Thơng số q trình thuỷ phân với tốn 65 Bảng IV-10 So sánh giá trị hàm mục tiêu lý thuyết thực nghiệm 66 Bảng IV-11 Sai số lý thuyết thực nghiệm 66 Các đồ thị Đồ thị II-1 Tỷ lệ thành phần nội nhũ hạt ngô Đồ thị II-2 Hàm lượng tinh bột loại ngô khác 10 Đồ thị II-3 Sản lượng ngô dùng cho sản xuất tinh bột 13 Đồ thị IV-1 Hàm lượng tinh bột trung bình nguyên liệu 55 Đồ thị IV-2 Hoạt lực enzim trung bình chế phẩm Termamyl 120L 56 Đồ thị IV-3 Hoạt lực enzim trung bình chế phẩm Termamyl 120L 56 Đồ thị IV-4 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hàm lượng thuỷ phân 58 Đồ thị IV-5 Ảnh hưởng thời gian đến trình thuỷ phân 58 Đồ thị IV-6 Ảnh hưởng nồng độ enzim đến trình thuỷ phân 59 Các hình vẽ Hình II-1 Cấu tạo amyloza amylopectin 11 Hình II-2 Hình dạng, kích thước tinh bột ngơ 12 Hình II-3 Sự biến đổi hạt tinh bột ngô trình hồ hố 13 Hình II-4 Sơ đồ thuỷ phân tinh bột tác dụng α β- amylaza 14 -Đặng Thanh Thủy Hình II-5 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu 28 Hình II-6 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu với nhiễu e có tính cộng 29 Hình II-7 Các bước thuật tốn xây dựng mơ hình điều khiển 32 Hình III-1 Sơ đồ thuỷ phân chế phẩm enzim 43 Hình III-2 Sơ đồ yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng thuỷ phân 46 Hình III-3 Mơ tả phần mềm giải hệ phương trình bậc ẩn 52 Phụ lục Bảng phụ lục 39 Bảng phụ lục 41 -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng Phần I MỞ ĐẦU Từ xa xưa đến xã hội ngày nay, thực phẩm mối quan tâm hàng đầu vấn đề trì xã hội loài người Cùng với phát triển tiến khoa học kĩ thuật, ngành khoa học chế biến thực phẩm phát triển tương xứng, tạo sản phẩm đa dạng, đáp ứng nhu cầu ngày khắt khe người tiêu dùng Quy hoạch thực nghiệm sở phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm đại Lý thuyết thực nghiệm cho phép lựa chọn chiến lược nghiên cứu tối ưu chưa hiểu biết q trình cách tồn diện Đối tượng phức tạp, hiệu phương pháp cao Người nghiên cứu tìm mơ hình tốn học q trình để giải tốn tối ưu theo quan điểm sử dụng mô hình để xem xét điều kiện q trình Bài tốn tìm kết phản ứng hóa-sinh học với nhiều yếu tố đầu vào khác hệ phức tạp, phù hợp để áp dụng phương pháp Phản ứng thủy phân tinh bột chẳng hạn, yếu tố đầu vào gồm nhiều yếu tố ảnh hưởng khác như: hóa chất, enzim, nhiệt độ, mơi trường, pH, thời gian, Bản thân yêu tố có tác động lẫn tham gia q trình Trong luận văn nghiên cứu cách áp dụng phương pháp điều khiển trình cho phản ứng thuỷ phân tinh bột từ nguyên liệu ngô Nước ta nước nông nghiệp với sản lượng lương thực lên đến 39,9 triệu tấn, ngơ nguồn ngun liệu chưa trọng tạo sản phẩm có giá trị kinh tế cao, chủ yếu sử dụng cho gia súc Từ nguyên liệu giàu tinh bột qua giai đoạn dịch hoá, đường hoá, lên men kết hợp với yếu tố sinh, hoá, lý khác nhau…tạo nhiều sản phẩm đa dạng bánh kẹo, rượu, đồ uống… -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng Trong q trình thuỷ phân tinh bột, enzim đóng vai trò đặc biệt quan trọng suốt thời gian phản ứng Chúng tạo thành phần khác gluco, malto, dextrin… thay đổi tỷ lệ thành phần hỗn hợp Quá trình phản ứng xảy phức tạp, người ta dừng mức nhận biết kết đầu so với yếu tố đầu vào phản ứng xác định thay đổi yếu tố tham gia trình phản ứng thời gian, nhiệt độ, pH, nồng độ enzim…Trong đề tài nghiên cứu cách áp dụng phương pháp điều khiển trình cho phản ứng thuỷ phân tinh bột từ nguyên liệu ngô Luận văn giải vấn đề sau đây: Lựa chọn phương pháp thuỷ phân bột ngô Lựa chọn nguyên liệu loại enzim phù hợp cho thực phản ứng thuỷ phân Xây dựng phương pháp thực nghiệm Tiến hành thực nghiệm lấy số liệu Xây dựng đường hồi quy thực nghiệm dựa số liệu có Xây dựng đường hồi quy lý thuyết theo phương pháp bình phương bé Kiểm tra xác nhận đường hồi quy lý thuyết chuẩn thống kê toán học thực nghiệm Đưa kết luận phương pháp điểm cần phát triển, địi hỏi có thời gian nghiên cứu sâu -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng Phần II II.1 TỔNG QUAN Đặc điểm cấu tạo Ngô (Corn/Maize) II.1.1 Cấu tạo Ngô giống cho có nguồn gốc từ Mexico vùng Trung Mỹ Ngơ lương thực quan trọng sau lúa mì gạo, loại lương thực quan trọng Từ ngô chế biến nhiều loại thực phẩm cho người, nguyên liệu công nghiệp thức ăn gia súc Đặc biệt ngô nguồn sản xuất tinh bột nhiều quan trọng so với loại ngũ cốc khác Hạt ngô dùng nhiều công nghiệp sản xuất rượu, bia, tinh bột, đường glucoza Phôi ngô để ép dầu ngô sản xuất vitamin E, vitamin B1 [6] Hạt ngô mặt thực vật loại dĩnh; hạt riêng rẽ có vỏ hạt hạt Có cấu trúc chính: vỏ hạt, phôi mầm, phôi nhũ cuống hạt [19] Tỷ lệ thành phần số loại ngũ cốc sau: Bảng II-1 Tỷ lệ trọng lượng vỏ, phôi nội nhũ Loại hạt Vỏ, % Phôi, % Nội nhũ, % Lúa 16,0 – 27,0 2,0 – 2,5 72 Ngô 5,0 - 8,5 10,0 – 15,0 79 – 83 Lúa mì 15,0 - 19,0 2,2 – 3,2 77 – 82 Vỏ Là phận bảo vệ cho phôi nội nhũ khỏi bị tác động học hóa học từ bên ngồi Thành phần vỏ xenluloza, hemixenluloza, lignin, khơng có dinh dưỡng Lớp alơrong nội nhũ -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng Bên lớp vỏ lớp alơrong cấu tạo từ hàng tế bào lớn, thành dày Trong tế bào alơrong có chứa hợp chất nitơ, chất khoáng giọt chất béo Sau lớp alơrong tế bào lớn, thành mỏng có hình dạng khác nhau, xếp khơng thứ tự Đó tế bào nội nhũ Nội nhũ phần dự trữ chất dinh dưỡng hạt Thành phần chủ yếu tế bào nội nhũ tinh bột protein Ngồi nội nhũ cịn có lượng nhỏ chất béo, muối khống sinh tố Phơi Phơi phần phát triển thành non hạt nảy mầm, có nhiều chất dinh dưỡng: 35% protein, 25% gluxit hòa tan, 40% chất béo Phần lớn lượng sinh tố enzim hạt tập trung phôi [5] Bảng II-2 Sự phân bố thành phần hóa học phần hạt ngơ Thành phần hóa học Vỏ hạt Nội nhũ Mầm Protein 3,7 8,0 18,4 Chất béo 1,0 0,8 33,2 Chất xơ thô 86,7 2,7 8,8 Tro 0,8 0,3 10,5 Tinh bột 7,3 87,6 8,3 Đường 0,34 0,62 10,8 -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng Đồ thị II-1 Tỷ lệ thành phần nội nhũ hạt ngơ II.1.2 Thành phần hố học Yêu cầu chất lượng ngô tùy thuộc vào mục đích sử dụng sản xuất tinh bột, đường glucoza cần loại ngơ có hàm lượng tinh bột cao, hàm lượng protit chất béo thấp Ngày có nhiều giống ngơ lai nhằm cải thiện tính chất thành phần Dưới số loại ngơ thành phần hóa học chúng (% theo chất khơ) [5, 19, 20] Bảng II-3 Thành phần hố học số loại ngô Loại ngô Protit Tinh bột Lipid Tro Ngô bột 11,3 64,2 7,2 1,05 Ngô ngựa 12,2 61,5 7,7 1,16 Ngô đá 12,3 60,0 7,9 1,28 Ngô sáp 12,9 61,6 7,8 1,10 Ngô đường 13,8 31,2 14,4 1,37 Ngô nổ 14,3 59,9 6,36 1,33 -Đặng Thanh Thủy Điều khiển q trình phản ứng 57 Ngơ 30 phút 60 phút 90 phút 120 phút Phản ứng màu xanh tím xanh tím nâu nâu Ta thấy bột ngơ, thời gian giai đoạn dịch hố lâu tỷ lệ enzim bổ sung mức độ nhiều (0,2%) Mặt khác, enzim hoạt động vùng nhiệt độ cao, tạo điều kiện thuận lợi cho trình dịch hóa IV.4 Khảo sát ảnh hưởng yếu tố đơn lẻ đến q trình đường hố Q trình thuỷ phân biết chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố: pH, nồng độ chất, nồng độ Ca lựa chọn cố định dựa theo tài liệu nghiên cứu cơng bố cịn lại yếu tố: nhiệt độ, thời gian thuỷ phân, nồng độ enzim có ảnh hưởng rõ rệt đến việc tạo sản phẩm lựa chọn để khảo sát khoảng tác động ảnh hưởng Việc khảo sát có vai trò quan trọng việc xác định khoảng khảo sát biến hàm mục tiêu Trong thí nghiệm này: cố định pH = 5,5 nồng độ chất: 25% [Ca++] = 40- 80ppm IV.4.1 Nhiệt độ Với yếu tố cố định lựa chọn trên, tiến hành thuỷ phân đường hoá với enzim Fungamyl nhiệt độ khác nhau: 45, 50, 55, 600C theo mô tả phần phương pháp nghiên cứu Thời gian thu chế phẩm 24h Kết thí nghiệm biểu diễn hình sau: -Đặng Thanh Thủy Ham luong (%) Điều khiển trình phản ứng 80 70 60 50 40 30 20 10 45 58 50 55 Gluco Malto 60 65 Nhiet do( C) Đồ thị IV-4 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hàm lượng thuỷ phân Nhìn hình vẽ cho thấy hàm lượng malto gluco tăng dần từ 45 đến 550C, với malto khoảng nhiệt độ 50- 550C tốc độ tăng mạnh nhất, cịn gluco tăng mạnh khoảng nhiệt độ thấp chút (45- 500C) Như ta lựa chọn khoảng nhiệt độ (50- 60) làm khoảng khảo sát quy hoạch thực nghiệm IV.4.2 Thời gian Ta tiếp tục tiến hành khảo sát với yếu tố nhiệt độ giữ 550C, hàm Hàm lư?ng, % lượng đường thu qua thuỷ phân thể hình 70 60 50 40 30 20 10 Gluco 12 18 Malto 24 36 Th?i gian, gi? Đồ thị IV-5 Ảnh hưởng thời gian đến trình thuỷ phân -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng 59 Thời gian thuỷ phân nhìn chung kéo dài so với số enzim loại khác công bố Như với tài liệu kỹ thuật chế phẩm beta-amylaza (Novo), với điều kiện thuỷ phân 600C, pH= 5,3 tỷ lệ enzim 0,151kg/tấn thời gian thủy phân 18 giờ, với chế phẩm Promozyme D2 (Novo) 24h; với mầm mạ thời gian lại lên đến 40h Như khoảng khảo sát thời gian lựa chọn 12- 36h quy hoạch thực nghiệm IV.4.3 Nồng độ Enzim Việc khảo sát nồng độ enzim tiến hành với dãy nồng độ: 0,05; 0,1; 0,15; Hàm lư?ng, % 0,2% so với lượng tinh bột (tính theo chất khơ) 80 70 60 50 40 30 20 10 0,05 Gluco 0,1 Malto 0,15 0,2 N?ng đ?, % Đồ thị IV-6 Ảnh hưởng nồng độ enzim đến trình thuỷ phân Qua khảo sát cho thấy nồng độ enzim có ảnh hưởng lớn đến vận tốc tạo sản phẩm Nhưng đến ngưỡng đó, vận tốc chững lại Và việc sử dụng nhiều lượng enzim yếu tố không thuận lợi sử dụng chế phẩm ảnh hưởng đến vấn đề kinh tế Và lựa chọn khoảng khảo sát cho thí nghiệm quy hoạch từ 0,05- 015% -Đặng Thanh Thủy Điều khiển q trình phản ứng 60 IV.5 Thiết lập mơ hình quy hoạch thực nghiệm: IV.5.1 Lựa chọn thông số điều khiển trình Theo lý thuyết nêu phần phương pháp tốn, ta có kế hoạch thực nghiệm sau: với yếu tố (k= 3) coi có ảnh hưởng rõ rệt đến q trình thuỷ phân: x1- tỷ lệ enzim (%), [0,05; 0,15]% x2- nhiệt độ thuỷ phân (0C), [50; 60]0C x3- thời gian thủy phân (giờ), [12; 36] IV.5.2 Xây dựng Kế hoạch thực nghiệm thí nghiệm nhận thơng tin Ta xét ma trận quy hoạch thực nghiệm với k = Số tổ hợp có yếu tố với mức N= 2k = 23 = Bảng IV-1 Ma trận thực nghiệm 23 Số thí Giá trị yếu tố thực tế nghiệm Giá trị yếu tố hệ toạ độ Giá trị hàm mục tiêu không thứ nguyên x1 x2 x3 x1* x2* x3* y1 (%) y2 (%) y3 (%) 0,05 50 12 - - - 45 33,5 0,15 50 12 + - - 9,5 52 24,6 0,05 60 12 - + - 7,5 54 40,6 0,15 60 12 + + - 13,4 74,1 28,0 0,05 50 36 - - + 8,6 50,6 26,4 0,15 50 36 + - + 15 62,5 16,7 0,05 60 36 - + + 10,2 61,3 33,4 0,15 60 36 + + + 17,1 77 20,3 -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng 61 Để phương pháp nội suy xác ta chọn thêm số thí nghiệm với chế độ sau: Bảng IV-2 Ma trận thực nghiệm mở rộng Giá trị yếu tố Số thí thực tế nghiệm Giá trị yếu tố hệ toạ độ Giá trị hàm mục tiêu không thứ nguyên x1 x2 x3 x1* x2* x3* y1 (%) y2 (%) y3 (%) 0,05 55 12 - - 7,1 49,2 31,0 10 0,15 55 12 + - 13 59 21,3 11 0,1 55 12 0 - 9,9 51,6 24,0 12 0,1 60 12 + - 9,1 56,1 35,0 13 0,1 55 36 0 + 10,9 59,9 16,6 14 0,1 50 12 - - 49,5 28,6 15 0,1 60 36 + + 10,4 62,8 26,0 16 0,1 50 36 - + 13 53,6 19,0 17 0,05 55 36 - + 12,7 57,2 22,6 18 0,15 55 36 + + 17,8 67,7 14,6 IV.5.3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm Theo phương pháp tốn trình bày phần phương pháp Ta có bảng số hàm mục tiêu y1 sau: Bảng IV-3 Các số tìm hàm mục tiêu y1 ∑x1i2 = 0.2100 = A ∑x2i2 = 54750 = D ∑x1iy1i = 20,410 = H1 ∑x1ix2i = 99 =B ∑x2ix3i= 23760 = E ∑x2iy1i = 10570,0 = M1 ∑x1ix3i = 43.2 =C=G ∑x3i2 = 12960 = F ∑x3iy1i = 4982,4 = N1 -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng 62 Chạy phần mềm Solve Simu Eq, ta tìm hệ số hàm mục tiêu y1: a11 = 40,75 a12 = 0,056 a13 = 0,146 Vậy ta có phương trình hàm y1: y1= 40,75x1 + 0,056x2 + 0,146x3, Phương trình mơ tả q trình thuỷ phân bột ngô tạo thành gluco với chế phẩm enzim Fungamyl 800L Tương tự vậy, ta có bảng số với hàm mục tiêu y2 sau: Bảng IV-4 Hằng số tìm hàm mục tiêu y2 ∑x1i2 = 0.2100 = A ∑x2i2 = 54750 = D ∑x1iy2i = 104,72 = H2 ∑x1ix2i = 99 =B ∑x2ix3i= 23760 = E ∑x2iy2i = 55689= M2 ∑x1ix3i = 43.2 =C=G ∑x3i2 = 12960 = F ∑x3iy2i = 25153,2 = N2 Chạy phần mềm Solve Simu Eq, ta tìm hệ số hàm mục tiêu y2: a21 = 127,04 a22 = 0,63 a23 = 0,36 Tương tự vậy, ta có bảng số với hàm mục tiêu y3 sau: Bảng IV-5 Hằng số tìm hàm mục tiêu y3 ∑x1i2 = 0.2100 = A ∑x2i2 = 54750 = D ∑x1iy3i = 43,12= H3 ∑x1ix2i = 99 =B ∑x2ix3i= 23760 = E ∑x2iy3i = 25593,50= M3 ∑x1ix3i = 43.2 =C=G ∑x3i2 = 12960 = F ∑x3iy3i = 10240,80 = N3 -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng 63 Chạy phần mềm Solve Simu Eq, ta tìm hệ số hàm mục tiêu a31 = -99,5 y3: a32 = 0,79 a33 = -0,32 Như mơ hình thiết lập là: y1= 40,75x1 + 0,056x2 + 0,146x3, y2= 127,04x1 + 0,63x2 + 0,36x3 y3= -99,5x1 + 0,79x2 - 0,32x3 IV.5.4 Kiểm chứng thực nghiệm Với mơ hình thực nghiệm này, ta thay giá trị biến x1, x2, x3 ma trận quy hoạch vào phương trình Tính tốn lại giá trị hàm mục tiêu theo lý thuyết (mơ hình vừa thiết lập), thể bảng IV- 6: Bảng IV-6 Giá trị hàm mục tiêu y1 thực nghiệm lý thuyết Số thí Giá trị hàm mục Giá trị hàm mục tiêu thực tế tiêu tính tốn y1(%) y1tt(%) 5,5 6,59 7,6 nghiệm Số thí nghiệm Giá trị hàm Giá trị hàm mục mục tiêu thực tế tiêu tính tốn y1(%) y1tt(%) 10 15,5 10,95 10,67 11 10,5 8,91 7,1 7,16 12 8,7 9,19 9,1 11,23 13 13,3 12,41 8,4 10,09 14 6,8 8,63 12,9 14,16 15 12,3 12,69 10 10,65 16 11,6 12,13 14,2 14,73 17 11,7 10,37 8,7 6,88 18 17,5 14,44 -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng 64 Bảng IV-7 Giá trị hàm mục tiêu y2 thực nghiệm lý thuyết Số thí Giá trị hàm mục Giá trị hàm mục tiêu thực tế tiêu tính tốn y2(%) y2tt(%) 39,4 42,22 50 nghiệm Số thí nghiệm Giá trị hàm Giá trị hàm mục mục tiêu thực tế tiêu tính tốn y2(%) y2tt(%) 10 66,9 58,08 54,93 11 54 51,73 48 48,53 12 52,9 54,89 62 61,24 13 61,3 60,39 53,4 50,88 14 43,4 48,58 60,3 63,59 15 61,6 63,54 57 57.19 16 55.7 57.24 69.4 69.90 17 55.2 54.04 47.5 45.38 18 70.1 66.74 Bảng IV-8 Giá trị hàm mục tiêu y3 thực nghiệm lý thuyết Số thí Giá trị hàm mục Giá trị hàm mục tiêu thực tế tiêu tính tốn y3(%) y3tt(%) 78,4 79,3 82,2 nghiệm Số thí nghiệm Giá trị hàm Giá trị hàm mục mục tiêu thực tế tiêu tính tốn y3(%) y3tt(%) 10 103,7 93,5 86,1 11 88,5 90,1 95.7 94,0 12 96,6 97,4 99,1 100,9 13 91,2 94,6 88,2 83,8 14 78,8 82,7 89,9 90,6 15 99,9 102,0 100,4 98,5 16 86,3 87,2 103,9 105,4 17 89,5 91,2 87,2 86,7 18 102,2 98,0 -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng 65 Theo cơng thức phần phương pháp tốn, ta có Sai số tương quan r (y1) = 0,050 ≤ 0,05 Sai số tương quan r (y2) = 0,031 ≤ 0,05 Sai số tương quan r (y3) = 0,049 ≤ 0,05 Như mơ hình thực nghiệm y1, y2 y3 tương thích (có sai số nằm khoảng cho phép) IV.5.5 Giải toán điều khiển trình đặt Bài tốn 1: “Điều khiển q trình thủy phân bột ngô chế phẩm enzim cho tạo sản phẩm có cấu sau: sau 18 tạo dịch thủy phân có nồng độ maltoza đạt 60%” Bài toán đặt cho trước số điều kiện thủy phân: thời gian (x3 =18) điều kiện sản phẩm (hàm mục tiêu): maltoza (y2 = 60) Như vậy, ta tìm biến (x1, x2) giá trị hàm mục tiêu (y1, y3) Ta có hệ phương trình: y1= 40,75x1 + 0,056x2 + 0,146.18, 60= 127,04x1 + 0,63x2 + 0,36.18 y3= -99,5x1 + 0,79x2 - 0,32x3 Sau có mơ hình, ta xây dựng thuật tốn ngơn ngữ lập trình C# - cơng cụ mạnh Microsoft tích hợp nhiều tính chương trình Nhập số liệu tương ứng vào phần mềm, ta có tương ứng giá trị cần tìm: x1, x2 y1, y3.(Bảng IV-9) -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng 66 Bảng IV-9 Thơng số q trình thuỷ phân với toán x1 0.09 12 x2 60 55 x3 30 38 y1 11.41 12.06 y2 60.03 59.97 y3 28.84 22.55 Tiến hành thực nghiệm với số nghiệm thu kết sau: Bảng IV-10 So sánh giá trị hàm mục tiêu lý thuyết thực nghiệm Giá trị biến Giá trị hàm STT x1 x2 x3 y1tt y1LT 0.09 60 30 11.02 11.41 0.12 55 38 11,53 12.06 y2tt y2LT y3tt y3LT 62,9 60.03 27,74 28.84 60,6 59.97 23,14 22.55 Bảng IV-11 Sai số lý thuyết thực nghiệm y1tt y1LT Sai số y2tt y2LT (%) Sai số y3tt y3LT (%) Sai số (%) 11.02 11.41 3.4% 62.9 60.03 4.6% 27.74 28.84 3.8% 11.53 12.06 4.4% 60.6 59.97 1.05% 23.14 22.55 2,6% Như nghiệm lựa chọn toán điều khiển đặt là: x1- nồng độ enzim Fungamyl 800L = 0,12% x2- nhiệt độ phản ứng thủy phân = 55 0C x3- thời gian thủy phân = 38 y1- hàm lượng glucoza dịch thủy phân = 12,06 % y2- hàm lượng maltoza dịch thủy phân = 59,97 % y3- hàm lượng dextrin dịch thủy phân = 22,55 % -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng 67 Tóm lại, tốn đặt đề tài đặt toán điều khiển phạm vi điều khiển hẹp: Khoảng điều khiển biến Khoảng điều khiển hàm x1: 0,05 – 0,15% y1: 6,6 – 14,72 % x2: 50 – 60 0C y2: 42,18 – 69,81 % x3: 12 – 36 y3: 13,06 – 38,85 % Bài tốn 2: “Tìm điều kiện q trình thuỷ phân bột ngơ chế phẩm enzim cho với thông số cần điều chỉnh y2 =60% ta tìm thơng số cịn lại q trình thuỷ phân (y1, y3, x1, x2, x3) (điều kiện thuỷ phân cấu sản phẩm)” Bảng IV-12 So sánh giá trị hàm mục tiêu lý thuyết thực nghiệm Giá trị biến Giá trị hàm STT x1 x2 x3 y1tt y1LT y2tt y2LT y3tt y3LT 0,173 50 18 11,68 12,47 61,5 60 16,34 16,76 0,148 55 18 11,82 11,74 64,9 60 22,74 26,74 0,12 60 18 11,53 11,01 63,6 60 29,14 33,28 -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng 68 Bảng IV-13 Sai số lý thuyết thực nghiệm y1tt y1LT Sai số y2tt y2LT (%) Sai số y3tt y3LT (%) Sai số (%) 11,68 12,47 6,37% 61,5 60 2,50% 16,34 16,76 2,56% 11,82 11,74 0,65% 64,9 60 8,17% 22,74 26,74 17,61% 11,53 11,01 4,69% 63,6 60 6,00% 29,14 33,28 14,20% -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng Phần V 69 KẾT LUẬN Với enzim Fungamyl 800L, điều khiển trình thủy phân tạo maltoza chủ yếu ( < 70%) Để tạo glucoza với khoảng điều khiển rộng hơn, phải sử dụng loại enzim khác (như AMG) độc lập kết hợp với Fungamyl Khi ma trận thực nghiệm phải thiết lập lại Khoảng điều khiển giá trị hàm mục tiêu (cơ cấu dịch thủy phân) phụ thuộc vào việc lựa chọn chế phẩm enzim cho phù hợp Việc sử dụng chế phẩm enzim định chủ đạo khoảng cấu dịch thủy phân Phương pháp toán học biện pháp hữu hiệu, tiết kiệm đường ngắn nhất, có tính khoa học để ứng dụng thực tế, tạo sản phẩm thủy phân có thành phần mong muốn loại hàm lượng -Đặng Thanh Thủy Điều khiển trình phản ứng Phần VI 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo sư Nguyễn Minh Tuyển -2004, "Quy hoạch thực nghiệm", NXB khoa học kỹ thuật Tô Cẩm Tú -1997, "Một số phương pháp tối ưu kinh tế", NXB khoa học kỹ thuật PGS Ts Nguyễn Đình Thưởng, Ts Nguyễn Thanh Hằng -2005, "Cơng nghệ sản xuất kiểm tra cồn etylic", NXB Khoa học kỹ thuật PGS TS Lê Thanh Mai (chủ biên) -2005, "Các phương pháp phân tích ngành cơng nghệ lên men", NXB Khoa học kỹ thuật Lê Ngọc Tú (chủ biên) -1998, "Hố sinh cơng nghiệp", NXB Khoa học kỹ thuật Nguyễn Văn Đạt, Ngô Văn Tám -1974, "Phân tích lương thực thực phẩm", Bộ Lương thực Thực phẩm Tạ Văn Đĩnh- 1998, “Phương pháp tính”, NXB Giáo dục TS Quản Lê Hà -1998 Luận án tiến sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu số đặc tính ứng dụng hệ enzim thủy phân tinh bột Protein sản xuất đồ uống” Trường ĐH Bách Khoa Hà nội Bùi Đức Hợi, Mai Văn Lề-1988 “Bảo quản lương thực” Nhà xuất khoa học kỹ thuật 10 Lê Văn Nhương-1979 “Quy hoạch toán học thí nghiệm nghiên cứu tìm tối ưu” Tạp chí lương thực thực phẩm 11 Lê Ngọc Tú, Bùi Đức Hợi, Lưu Duẩn, Ngô Hữu Hợp, Đặng Thị Thu, Nguyễn Trọng Cẩn-1994,“Hóa học thực phẩm” NXB Khoa học Kỹ Thuật -Đặng Thanh Thủy Điều khiển q trình phản ứng 71 12 Hồng Đình Hịa, 1998, “Tối ưu hóa cơng nghệ thực phẩm”, Trường ĐH BK Hà nội 13 Nguyễn Đức Nghĩa, 1994, “Tối ưu hóa: Quy hoạch tuyến tính rời rạc", Trường ĐH BK Hà nội 14 Tổng cục thống kê-9/2006 “Số liệu thống kê kinh tế-xã hội tháng năm 2006” 15 Starch, Application Sheet, NOVOZYMES 16 1996, "Quy hoạch thực nghiệm", Trường Đại học Giao thông vận tải 17 1988, "Hand book: Analysis of food and beverages" 18 SASTA, 1985, "Laborotory Manual for South African Sugar Factories" 19 Cao Đắc Điểm, Trần Hữu Miện, Lê Dỗn Diên, 1988, "Cây ngơ", Trường ĐH NN Hà nội 20 Người dịch: Vũ Đình Hồ, Bùi Thế Hùng -1995, "Ngơ- nguồn dinh dưỡng loài người" – Tài liệu lương thực dinh dưỡng FAO - Nhà xuất nông nghiệp -Đặng Thanh Thủy ... amyloza amylopectin 11 Hình II-2 Hình dạng, kích thước tinh bột ngô 12 Hình II-3 Sự biến đổi hạt tinh bột ngơ q trình hồ hố 13 Hình II-4 Sơ đồ thuỷ phân tinh bột tác dụng α β- amylaza... pháp toán III.2.4.1 Lựa chọn thơng số điều khiển q trình Q trình thuỷ phân chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố Bảng III-1 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình thuỷ phân tinh bột STT Bột gạo STT Enzim Hình. .. -Đặng Thanh Thủy Điều khiển q trình phản ứng 46 Bột ngơ Cấu tạo tinh bột (Am, Ap) Nhiệt độ hồ hố Hình dạng tinh bột Kích thước tinh bột Xây dựng mơ hình Đặc hiệu chất Thời gian Nồng