Quy trình cơng nghệ sấy mít bằng bức xạ hồng ngoại cần nghiên cứu

Nguyên liệu

Đóng gói, Bảo quản

Xử lý, tách vỏ, hạt

Xếp khuôn, đặt vào buồng sấy

Sấy hồng ngoại Cơm mít (sản phẩm mít)

Nghiên cứu chế độ cơng nghệ sấy

Hình 2.5. Quy trình cơng nghệ sấy mít bằng bức xạ hồng ngoại Thuyết minh quy trình: Thuyết minh quy trình:

chín có gai to có mùi thơm khơng bị dập, hƣ hỏng, ấn tay nhẹ sẽ mềm và bề mặt khơng có vết thâm đen. Ngun liệu phải đạt đƣợc các chỉ tiêu về chất lƣợng: dƣ lƣợng thuốc trừ sâu, hàm lƣợng các kim loại trong nguyên liệu... trong phạm vi cho phép. Ta thƣờng thu hoạch mít già, để 2 ÷ 3 ngày ở nhiệt độ thƣờng mít tự chín tránh mít hƣ hỏng, và có thể sử dụng theo độ chín mong muốn. Tránh để mít chín trên cây sẽ thu hút côn trùng gây hƣ hỏng nguyên liệu.

Nguyên liệu sau khi đạt độ chín thích hợp đƣợc rửa sạch các cặn bẩn bên ngoài bằng nƣớc. Sau đó tiến hành cắt đơi quả mít, để lấy phần cơm. Gọt bỏ lõi và phần hạt, vỏ mít. Q trình này đƣợc thực hiện nhanh để tránh làm biến tính các thành phần của nguyên liệu. Sau khi thu nhận đƣợc cơm mít ta thu đƣợc bán thành phẩm chuẩn bị cho quá trình sấy, [1], [2], [6].

Sau khi thu nhận đƣợc cơm mít ta tiến hành xếp vào khay đặt vào buồng sấy. Khi xếp khuôn cần lƣu ý đến độ dày của lớp sấy: Độ dày của lớp nguyên liệu sấy cũng ảnh hƣởng đến quá trình sấy. Lớp nguyên liệu càng mỏng thì quá trình sấy càng nhanh và đồng đều, nhƣng nếu quá mỏng sẽ làm giảm năng suất của lò sấy. Ngƣợc lại, nếu quá dày thì sẽ làm giảm sự lƣu thơng của khơng khí, dẫn đến sản phẩm bị đổ mồ hơi do hơi ẩm đọng lại. Thông thƣờng nên xếp lớp rau quả trên các thiết bị sấy với khối lƣợng 5 ÷ 8 kg/m2 là phù hợp.

Sau khi xếp vào khuôn tiến hành sấy sản phẩm (đã đƣợc nghiên cứu các chế độ cơng nghệ sấy).

Đóng gói và bảo quản thành phẩm: Sau khi sấy xong, cần tiến hành phân loại để loại bỏ những cá thể không đạt chất lƣợng (do cháy hoặc chƣa đạt độ ẩm yêu cầu). Loại khô tốt đƣợc đổ chung vào khay hoặc chậu lớn để điều hồ độ ẩm. Sau đó quạt cho nguội hẳn rồi mới đóng gói để tránh hiện tƣợng đổ mồ hơi.

Tùy từng mặt hàng, thời gian bảo quản và đối tƣợng sử dụng mà có quy cách đóng gói khác nhau. Ngồi ra, điều kiện vận chuyển và bảo quản sản phẩm cũng có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn bao bì.

CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO 3.1. Phƣơng pháp tiếp cận

Phƣơng pháp phân tích và tiếp cận hệ thống là một phƣơng pháp luận dùng để nghiên cứu, tác động lên đối tƣợng công nghệ cần xem xét với một cách nhìn toàn diện, nhằm giải quyết các vấn đề đặt ra trên cơ sở xem đối tƣợng cơng nghệ đó là một hệ thống. Hệ thống có thể đƣợc phân hoạch hoặc tích hợp, thực thể nhận đƣợc từ sự phân hoạch hay tích hợp cũng đƣợc xem là một hệ thống. Phƣơng pháp tiếp cận hệ thống đóng vai trị quan trọng trong việc nghiên cứu tìm kiếm cơng nghệ thích hợp, tìm kiếm các thơng số cơng nghệ, các tham số động học cần thiết cho tính tốn thiết kế, chế tạo và ứng dụng vào sản xuất thực tế. [18], [26], [27], [33].

Qua việc tổng hợp, phân tích các kết quả nghiên cứu ở Chương 1 đã cho thấy, khả năng ứng dụng sấy hồng ngoại trong bảo quản các sản phẩm sẽ làm tăng thêm giá trị của sản phẩm. Việc tối ƣu hóa q trình sấy hồng ngoại nhằm mục đích tiết kiệm mặt năng lƣợng, giảm chi phí giá thành cho sản phẩm. Tuy nhiên, việc mơ hình hóa và tối ƣu hóa cơng nghệ sấy hồng ngoại khá phức tạp, chúng phụ thuộc rất nhiều vào việc phân tích các yếu tố cơng nghệ đến q trình sấy bằng bức xạ hồng ngoại của sản phẩm mít. Nếu phân tích các yếu tố cơng nghệ thiếu hoặc sai thì việc mơ hình hóa không đúng, không giải quyết đƣợc các u cầu của bài tốn đặt ra và khơng thể ứng dụng vào thực tế.

3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu

Trong nghiên cứu sấy mít bằng bức xạ hồng ngoại đã sử dụng các phƣơng pháp sau đây:

 Phƣơng pháp thực nghiệm phân tích xác định các thành phần hóa học cơ bản của nguyên liệu [34], [35].

 Phƣơng pháp thực nghiệm để xác định nhiệt độ môi trƣờng bằng cảm biến nhiệt độ, thời gian sấy bằng bộ đếm thời gian thời gian và cƣờng độ bức xạ riêng (số bóng đèn thắp sáng/m2 quy đổi ra kW/m2) của buồng sấy trong q trình sấy mít bằng bức

xạ hồng ngoại, [34], [35], [36], [37].

 Phƣơng pháp thực nghiệm xác định chi phí năng lƣợng cho 1kg sản phẩm sau khi sấy, xác định độ ẩm, hàm lƣợng carbohydrate của sản phẩm mít trƣớc và sau khi sấy bằng bức xạ hồng ngoại [34], [35], [36], [37].

 Phƣơng pháp mơ hình hóa bằng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm để xây dựng mơ tả tốn học mơ tả cho q trình sấy mít bằng bức xạ hồng ngoại [1], [16], [19], [20], [29], [30], [31], [32], [36], [37], [38], [39], [40].

 Sử dụng các cơng cụ tốn học, tin học để giải mơ hình tốn mơ tả cho q trình sấy mít bằng bức xạ hồng ngoại [38], [39], [40], [41].

 Phƣơng pháp kiểm chứng mơ hình tốn bằng thực nghiệm [38], [41].

3.2.1. Phƣơng pháp xác định các thông số công nghệ và các hàm mục tiêu

 Xác định nhiệt độ môi trƣờng sấy Z1(0

C) bằng cảm biến nhiệt độ đo lƣờng và điều khiển bằng bộ điều áp thơng qua q trình thực nghiệm.

 Xác định thời gian sấy hồng ngoại Z2(h) bằng bộ đếm thời gian hiển thì bằng LCD thơng qua q trình thực nghiệm.

 Xác định cƣờng độ bức xạ riêng của quá trình sấy hồng ngoại Z3(kW/m2) bằng các chế độ thắp sáng đèn hồng ngoại khác nhau đã lắp đặt trên hệ thống sấy điều khiển bằng bộ điều áp, kiểm tra bức xạ bằng máy đo bức xạ Tenmax thơng qua q trình thực nghiệm.

 Xác định chi phí năng lƣợng bằng Watt kế cho q trình sấy hồng ngoại đồng hồ đo

điện năng Hioki 3286–20 hoặc sử dụng công tơ điện:

G I U G P y .  . ..cos , kWh/kg (3.1) Với: P(kW) – số chỉ của Watt kế;

τ(h) – thời gian sấy;

G (kg) – khối lƣợng của sản phẩm mít sau khi sấy. U(V) – chỉ số vôn kế

I(A) – chỉ số ampe kế Cosφ – hệ số công suất

 Xác định hàm lƣợng ẩm của sản phẩm mít sau khi sấy khô (y2, %) bằng phƣơng

pháp bảo toàn khối lƣợng thông qua cảm biến độ ẩm và khối lƣợng:

 i e i W G G y2 100 100 , % (3.2) Trong đó:

Gi (kg) - Trọng lƣợng của nguyên liệu ban đầu trƣớc khi sấy bức xạ hồng ngoại;

Ge(kg) - Trọng lƣợng của sản phẩm mít sau khi sấy bằng bức xạ hồng ngoại;

Wi(%) – Lƣợng nƣớc cịn lại của sản phẩm mít.

 Xác định thành phần carbohydrate bằng phƣơng pháp HPLC/UVis (chất lỏng sắc ký

hiệu suất cao / UV-vis), độ tổn thất các thành phần carbohydrate của sản phẩm mít trƣớc và sau khi sấy bằng bức xạ hồng ngoại, đƣợc phân tích đánh giá bởi Trung tâm Hóa sinh Trƣờng ĐHSPKT TpHCM.

0 0 1 0 0 1 2 1 3 100 x100 m m x m m m y     (3.3)

Với: m1, m2 (mg/100g) – hàm lƣợng carbohydrate của sản phẩm mít trƣớc và

sau khi sấy khơ.

3.2.2. Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm

Phƣơng pháp này xin đƣợc trích dẫn ở [43], [44], [45], [46] do Fisher R đề xuất, để nghiên cứu và khái quát hóa các quá trình cơng nghệ xảy ra trên một đối tƣợng cơng nghệ nào đó, dƣới dạng các mơ hình thống kê thực nghiệm (mơ hình thực nghiệm), hay các phƣơng trình hồi qui (PTHQ) bằng phƣơng pháp tổng bình phƣơng cực tiểu của các độ lệch giữa số liệu thực nghiệm với số liệu xác định bằng hàm mục tiêu mô tả cho đối tƣợng công nghệ (ĐTCN) đang xét. Trên cơ sở đó sẽ tính tốn các hệ số của PTHQ và xây dựng đƣợc mơ tả tốn học cho đối tƣợng công nghệ. Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là cần phải xác định phƣơng án thực nghiệm (TN) và dạng hàm của PTHQ.

Thực nghiệm có thể tiến hành theo phƣơng pháp cổ điển hay phƣơng pháp quy hoạch tối ƣu. Nếu tiến hành theo phƣơng pháp cổ điển thì thực hiện nhiều thí nghiệm nhƣng khó mơ tả đồng thời các yếu tố ảnh hƣởng đến hàm mục tiêu. Nếu tiến hành

theo phƣơng pháp quy hoạch tối ƣu thì cho phép thay đổi đồng thời nhiều yếu tố, xác định đƣợc sự tƣơng tác giữa các yếu tố nhờ đó mà giảm bớt số thí nghiệm, phƣơng pháp này cũng đƣợc gọi là phƣơng pháp qui hoạch thực nghiệm.

Do các mặt đáp ứng mơ tả cho các ĐTCN có miền lân cận điểm cực trị là miền phi tuyến. Để mơ tả cho miền gần điểm cực trị đó thì ngày nay phổ biến nhất vẫn sử dụng dạng đa thức bậc hai. Bởi vì, những phƣơng án bậc hai đã đƣợc nghiên cứu một cách đầy đủ và có hệ thống từ việc thiết kế phƣơng án thực nghiệm, tính tốn và kiểm định các hệ số của PTHQ, kiểm tra sự tƣơng thích của PTHQ, cho đến việc xác định điểm cực trị. Trƣờng hợp, nếu tăng số bậc đa thức thì dẫn đến tăng số thí nghiệm lên nhiều lần, PTHQ phức tạp gây khó khăn trong việc xác định điểm cực trị, vận hành và điều khiển hệ thống, kiểm sốt q trình cơng nghệ khó đạt tới chế độ ổn định. Mặt khác, việc lựa chọn phƣơng án nghiên cứu không những phụ thuộc vào nhiệm vụ cần giải quyết của các mục tiêu đặt ra mà còn phụ thuộc vào điều kiện thiết bị, kỹ thuật và khả năng thực nghiệm.

Do vậy, việc mơ hình hóa q trình sấy hồng ngoại đƣợc thực hiện theo phƣơng pháp thống kê thực nghiệm và mơ hình dự đốn để mơ tả cho các q trình này là các mơ hình bậc hai. Đồng thời, trên cơ sở phân tích các phƣơng pháp qui hoạch tối ƣu thì mơ hình tốn học mơ tả cho q trình hồng ngoại đƣợc thực hiện theo phƣơng án qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 [43], [44], [47], [48], [49]. Phƣơng án này đƣợc tiến hành theo các bƣớc nhƣ sau:

Mơ hình tốn học dự đốn có dạng:   k k k 2 0 j j ji i j jj j j 1 j, i = 1; i j j 1 y y b b x b x x b x              (3.4)

 Trong đó: xj là các biến mã hóa của các biến thực Zj đƣợc tính:

0 j j j j Z Z x Z    , j 1, k (3.5)

Với: Zminj ZjZmaxj ;

max min j j 0 j Z Z Z 2   ; max min j j j Z Z Z 2    (3.6)

 Số thí nghiệm đƣợc thiết kế theo phƣơng án thực nghiệm là:

N = nk + n* + n0 = 2k + 2k + n0 (3.7) Với: nk = 2k: số thí nghiệm của phƣơng án thực nghiệm yếu tố từng phần.

n* = 2k: số thí nghiệm của phƣơng án thực nghiệm ở điểm (*). n0: số thí nghiệm của phƣơng án thực nghiệm ở tâm (0)

 Cánh tay đòn của điểm (*): 2 1

2 2 .     k k N  (3.8)

 Điều kiện để ma trận TN trực giao :  2

. 2 2 1    k  N (3.9)

 Xác định các hệ số của PTHQ ở (2.4) theo hệ phƣơng trình sau [1, 3, 13]:

 T  1 T 

B X X  X Y

(3.10)

Với: X, Y là các ma trận đƣợc xác định bằng thực nghiệm và ma trận B sẽ xác định dễ dàng theo (3.10). Sau khi tính tốn các hệ số PTHQ, kiểm định sự có nghĩa của các hệ số trong PTHQ theo chuẩn Student, kiểm tra sự tƣơng thích của PTHQ với kết quả thực nghiệm theo chuẩn Fisher sẽ nhận đƣợc các PTHQ [26, 27, 35].

 Tính phƣơng sai tái hiện:

    0 0 n 2 n 2 0 0 0 0 u u u u 2 u 1 u 1 th 2 0 y y y y s f n 1          (3.11) Với: 0 n 0 0 u u u 1 0 1 y y n 

  : giá trị trung bình của yu0

tại tâm (mức: 0)

 Xác định phƣơng sai của các hệ số bj: 2 th bj N 2 ju u 1 s s x    ; 2 th bjj N 2 2 j u u 1 s s (x )          ;   2 th bij N 2 i j u u 1 s s x x        (3.12)

 Xác định tiêu chuẩn Student [26, 27, 35]: j j bj b t s  (3.13)

 Kiểm định tiêu chuẩn Student: nếu tj < tp(f2) = t0,05(f2) thì các hệ số bj bị loại khỏi

Với: f2 = n0 – 1: bậc tự do của số mẫu thí nghiệm ở tâm; n0: số thí nghiệm song song ở tâm; tp(f2): tiêu chuẩn Student tra bảng với mức ý nghĩa p = 0,05.

 Xác định phƣơng sai dƣ: 2 2 N N u u u u 2 u 1 u 1 du 1 y y y y s f N L                        (3.15)

Với: L: số hệ số bj có ý nghĩa trong PTHQ; f1 = N – L: bậc tự do.

 Xác định tiêu chuẩn Fisher: 2du 2 th s F s  (3.16)

 Kiểm định tiêu chuẩn Fisher: nếu F < F1-p(f1, f2) (3.17) thì PTHQ tƣơng thích với thực nghiệm, ngƣợc lại thì khơng tƣơng thích thì phải chọn lại mơ hình thực nghiệm khác, tiến hành qui hoạch thực nghiệm và xây dựng mơ hình thực nghiệm lại từ đầu. Với: F1-p(f1, f2) = F0,95(f1, f2): tiêu chuẩn Fisher tra bảng ở bậc tự do f1 và f2, với mức ý nghĩa là p  0,05.

3.2.3. Phƣơng pháp Mơ hình hóa thiết lập bài tốn tối ƣu đa mục tiêu

Đối tƣợng của qui hoạch thực nghiệm trong các ngành cơng nghệ là một q trình hoặc hiện tƣợng nào đó có những tính chất, đặc điểm chƣa biết cần nghiên cứu. Ngƣời nghiên cứu có thể chƣa hiểu biết đầy đủ về đối tƣợng, nhƣng đã có một số thông tin tiên nghiệm dù chỉ là sự liệt kê sơ lƣợc những thông tin biến đổi, ảnh hƣởng đến tính chất đối tƣợng. Có thể hình dung chúng nhƣ một ―hộp đen‖ trong hệ thống điều khiển gồm các tín hiệu đầu vào và đầu ra.

Hình 3.1 Bài tốn hộp đen

Hình 3.1 mơ tả một bài tốn hộp đen. Trong đó, bài tốn hộp đen với các thông số đầu vào là những thơng số có thể đo lƣờng và điều khiển đƣợc, còn các yếu tố đầu ra là các yếu tố có thể đo lƣờng đƣợc nhƣng khó điều khiển đƣợc. Do

đó xác định hàm trạng thái đặc trƣng biểu diễn mối quan hệ của thông số đầu vào và đầu ra chính là mục đích trong nghiên cứu. Các biến nhiễu làm ảnh hƣởng đến hàm mục tiêu là không đo kiểm đƣợc và không xác định đƣợc.

3.2.3.1. Phân tích đối tƣợng cơng nghệ sấy hồng ngoại mít

Hình 3.2. Sơ đồ đối tƣợng cơng nghệ đa mục tiêu

Có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình sấy hồng ngoại nhƣ: nhiệt độ môi trƣờng, nhiệt độ tác nhân sấy, vận tốc tác nhân sấy, năng suất thiết bị, tính chất vật lý của vật liệu sấy, thời gian sấy, bề dày của vật kiệu sấy, .... Giữa chúng luôn tồn tại mối quan hệ tác động qua lại lẫn nhau. Vì vậy, việc lựa chọn yếu tố nào là thông số đầu vào hay đầu ra là một vấn đề cân nhắc để phù hợp với mục tiêu nghiên cứu.

A. Lựa chọn các yếu tố đầu vào

 Nhiệt độ mơi trƣờng sấy: đề tài thực hiện sấy mít với ý nghĩa có thể ứng dụng vào thực tế trong các nhà máy chế biến thực phẩm. Để sát với thực tế, nhiệt độ tại các nhà máy chế biến thực phẩm thì đề tài chọn nhiệt độ 250

C làm cơ sở tính tốn máy sấy hồng ngoại.

 Nhiệt độ tác nhân sấy: nhiều nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ sấy ảnh hƣởng đến quá trình sấy cũng nhƣ ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản phẩm. Đối với sản phẩm Mít thì nhiệt độ nằm trong khoảng 50 ÷ 700C sẽ khơng ảnh hƣởng đến hàm lƣợng chất dinh dƣỡng có trong nó [15].

 Thời gian sấy: cũng là yếu tố quan trọng trong q trình sấy, nó ảnh hƣởng đến