Tên biến
(nguyênliệu) Bột cá Bột gan mực
Bã
nành Glutenbột mì Bột mì Dầu Gan mực Lecithin Premix K-V; Chất bổ sung Ký hiệu X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 m Trong đĩ:
Xi (i=1-7): là tỉ lệ thành phần của nguyên liệu thứ i trong CTTA,
100 7 1 = + ∑ = m X i i
3.2.3. Tỉ lệ và vai trị của nguyên liệu trong xây dựng CTTA
Trên cơ sở nghiên cứu đặc điểm sinh học của cá, kết hợp với các kết quả nghiên cứu về nhu cầu khống vitamin được trình bày trong chương 1, mục 1.1.2.4, tỉ lệ premix vitamin – khống và di-calcium phosphate được sử dụng trong khẩu phần thức ăn nuơi cá mú là 2%. Lysine và methionine là những EAAs cĩ vai trị rất quan trọng đối với vật ni thủy sản. Tuy nhiên, hai acid amin thiết yếu này thường cĩ hàm lượng thấp trong protein thực vật và vì vậy thường được bổ sung vào khẩu phần thức ăn để đảm bảo khơng bị thiếu hụt. Do đĩ, lysine, methionine được bổ sung vào khẩu phần thức ăn với tỉ lệ lysine (0,25%) và methionine (0,155%). Vitamin C ở dạng bền nhiệt (Stay C 35%) được sử dụng
với hàm lượng là 0,03%. Hàm lượng chất chống oxy hĩa và chống mốc được sử dụng theo hướng dẫn của nhà sản xuất với tỉ lệ chất chống oxy hĩa (0,015%) và chống mốc (0,15%).
Từ các kết quả phân tích thành phần tỉ lệ ngun liệu được mơ tả ở [phụ lục 2, bảng 2.2; 2.3], hàm lượng các thành phần dinh dưỡng và chi phí nguyên liệu trong CTTA được xác định theo các biểu thức sau:
Y1 = 0,646X1 + 0,479X2 + 0,4137X3 + 0,72 X4 + 0,117X5 (3.1) Y2 = 0,079X1 + 0,1132X2 + 0,01X3 + 0,015X4 + 0,012X5 + 0,99X6 + 0,995X7 (3.2) Y3 = 0,015X1 + 0,2056X2 + 0,3436X3 + 0,1727X4 + 0,7280X5 + 0,44 (3.3) Y4= 248X1 + 95X2 + 48,30X3 + 210X4 + 40,50X5 + 155X6 + 170X7 + 718,15 (3.4) 4 , 95 7 1 = ∑ = i i X , (3.5) Từ yêu cầu đặt ra của bài tốn về giá thành, nhu cầu dinh dưỡng, dung trọng, độ bền của thức ăn trong nước và kết quả nghiên cứu đặc điểm sinh học, đặc tính lý, hĩa của nguyên liệu trong chương 3, mục 3.1. Kết hợp với các thành tựu nghiên cứu được nêu ra ở chương 1, mục 1.1.2, vai trị và giới hạn tỉ lệ sử dụng của các nguyên liệu trong CTTA được xác định và nêu ra ở bảng 3.16. Bảng 3.16. Vai trị và giới hạn tỉ lệ sử dụng các loại nguyên liệu trong CTTA
Tỉ lệ sử dụng Stt Loại nguyên liệu Mức dưới Mức trên
Vai trị của nguyên liệu trong CTTA
1 Bột cá 40 50 Cung cấp protein với tỉ lệ thích hợp đảm bảo protein động
vật cao hơn protein thực vật, phù hợp với lồi cá ăn thịt
2 Bột gan mực 1 5 Cung cấp protein, tạo mùi hấp dẫn đối với cá biển.
3 Bã nành 10 20 Cung cấp protein thực vật, dễ tiêu hĩa, giá rẻ.
4 Gluten bột mì 6 10 Kết dính, tăng độ bền trong nước của viên thức ăn.
5 Bột mì 16 24 Nguồn cung cấp carbohydrate chính, hỗ trợ kết dính.
6 Dầu gan mực 2 4 Cung cấp chất béo, EPA, DHA, tạo mùi,vị thức ăn hấp
dẫn đối với cá biển.
Giới hạn tỉ lệ sử dụng các nguyên liệu (Xi) được mơ tả ở vùng giới hạn (3.6):
40 ≤ X1 ≤ 50 ; 1≤ X2 ≤ 5 ; 10 ≤ X3 ≤ 20 ; 6 ≤ X4 ≤ 10 ; 16 ≤ X5 ≤ 24 ;
2 ≤ X6 ≤ 4 ; 1≤ X7 ≤ 3. (3.6)
3.2.4. Tối ưu hĩa đa mục tiêu trong bài tốn xây dựng CTTA
Trên cơ sở phân tích các yếu tố tác động, cấu thành trong bài tốn xây dựng CTTA và xác định các hàm mục tiêu cần đạt được để đáp ứng các tiêu chí đề ra của BTTƯ đa mục tiêu. Các hàm mục tiêu thành phần và các ràng buộc được xác định và mơ tả ở bảng 3.17.
Bảng 3.17. Các hàm mục tiêu thành phần
Hàm mục tiêu I1 = (Y1 - 45,5)2 I2= ( Y2 -9)2 I3= (Y3 - 22)2 I4 (đ/kg) Giá trị tạothành
vùng cấm
C1=2,25 C2=1 C3=36 C4 = 21000
Với những phân tích nêu trên, bài tốn tối ưu cho từng hàm mục tiêu cĩ dạng:
I1min = min I1 (X1,X2,.....X 3,X7) (3.7 ) I2min = min I2 (X1,X2,.....X 3,X7) (3.8 ) I3min = min I2 (X1,X2,.....X 3,X7) (3.9) I4min = min I4 (X1,X2,.....X 3,X7) (3.10) 40 ≤ X1 ≤ 50 ; 1≤ X2 ≤ 5 ; 10 ≤ X3 ≤ 20 ; 6 ≤ X4 ≤ 10 ; 16 ≤ X5 ≤ 24 ; 2 ≤ X6 ≤ 4; 1 ≤ X7 ≤ 3. (3.11) BTTƯ cho từng hàm mục tiêu được viết lại dưới dạng:
(3.12 ) (3.13 ) (3.14) I1min = min I1 (Xi), i = 1-7
I2min = min I2 (Xi), i = 1-7 I3min = min I3 (Xi), i = 1-7
Các giá trị Ijmin được xác định từ việc giải từng bài tốn tối ưu một mục tiêu bằng cách giải hệ phương trình sau:
Ijmin = min Ij (Xi); i = 1-7 Y1 ∈ [44 - 47%] Y2 ∈ [8 - 10%] Y3 ∈ [16-28%] (3.16) Y4 < 21.000 40 ≤ X1 ≤ 50 ; 1≤ X2 ≤ 5 ; 10 ≤ X3 ≤ 20 ; 6 ≤ X4 ≤ 10 ; 16 ≤ X5 ≤ 24 ; 2 ≤ X6 ≤ 4 ; 1≤ X7 ≤ 3. 95,4 7 1 = ∑ = i i X
Bằng phương pháp luân phiên từng biến giải hệ phương trình (3.16) với trình tự theo hai giai đoạn:
Giai đoạn 1: Được xem như giai đoạn thăm dị, sử dụng biến gián tiếp Z để
chạy thuật tốn Gauss-Seidel tìm các giá trị lân cận gần với điểm tối ưu. Thực hiện bước này bằng cách chọn điểm xuất phát Z(0) (z1(0),… , zn(0)). Thực hiện n phiên giải bài tốn tối ưu lần lượt với từng biến Zi để từ điểm xuất phát Z(0) (z1(0), … , z7(0) ) tìm được giá trị R tốt nhất tại điểm Z(*n) = (z1(1), … , zk(1), zk+1(1),…, zn(1))
thỏa mãn điều kiện R
k
k R
R( )− ( −1) ≤ε [2, 10, 11, 117, 118]. Sau ba vịng lặp, kết
quả ban đầu xác định được các giá trị Ijmin, j=1-4 [phụ lục 2, bảng 2.4]
Giai đoạn 2: Tiếp tục khảo sát, tìm các giá trị Ijmin trong tồn bộ vùng (3.16). Việc xác định được tiến hành như sau:
Phiên chạy 1: Cố định 05 biến gồm Xi, i =2- 6, với các giá trị đã được xác định ở giai đoạn 1. Cho X1 chạy trong vùng [X1min – X1max] và X7 = (95.4 –∑
= 6
1
i
với điều kiện X7 thuộc [X7min - X7max]. Nếu X7 nằm ngồi vùng cho phép thì lập tức giá trị Ij = 0. So sánh các giá trị Ij và xác định giá trị Xi tương ứng với Ijmin.
Phiên chạy 2: Cố định các giá trị Xi, i = 3 - 6 (ở giai đoạn 1) và giá trị X1
đã xác định ở phiên chạy 1. Tiếp tục cho X2 chạy trong vùng trong tồn bộ vùng nghiên cứu [X2min –X2max] và X7 = 95.4 – (X1+ ∑
=
6 3
i
Xi). Xác định giá trị X2 với điều kiện X7 ∈ [X7min - X7max] và Ij = 0 nếu X7 nằm ngồi vùng cho phép (3.16).
So sánh các giá trị Ij và xác định giá trị X2 .
Tương tự như vậy, tiến hành các phiên chạy tiếp theo với các biến X3,… X6. Kết quả sau các vịng lặp [phụ lục 2, bảng 2.5; 2.6; 2.7; 2.8] đã xác định được các giá trị Ijmin như sau:
I1min = 0 tương ứng với các giá trị X1 = 46%; X2 = 4,84%; X3 = 12,86%; X4 = 8,17%; X5 = 19,36%; X6 = 2,97%; X7 = 1,2% và Y1= 45,5%, Y2= 8,8%; Y3= 22,05%, Y4 = 16371.
I2min = 0 tương ứng với các giá trị X1= 45,5%; X2 = 5,0%; X3 = 13,5%; X4 = 7,8% ; X5 = 19,2%; X6 = 3,4%; X7 = 1,0% và Y1= 45,24%, Y2= 9,0%; Y3= 22,11%, Y4 = 16242.
I3min = 0 tương ứng với các giá trị X1= 44,5 %; X2 = 4,69%; X3 = 13,20%; X4 = 9,97% ; X5 = 18,77%; X6 = 2,99%; X7 = 1,3% và Y1= 45,83%, Y2= 8,79%; Y3 = 21,994%,Y4=16372.
I4min = 15146 tương ứng với các giá trị X1= 41,5%; X2 = 4,8%; X3 = 20%; X4 = 6,2% ; X5 = 18,8%; X6 = 3,1%; X7 = 1,0% và Y1= 44,05%, Y2= 8,4%; Y3= 23,68%,Y4=15146.
Bảng 3.18. Các giá trị Ijmin , Xi, Yi cho từng HMT Stt Iimin X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 Y1 Y2 Y3 Y4 Stt Iimin X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 Y1 Y2 Y3 Y4 1 0,00 46,0 4,84 12,86 8,17 19,36 2,97 1,2 45,502 8,80 22,05 16371 2 0,00 45,50 5,00 13,50 7,80 19,20 3,40 1,0 45,24 9,004 22,11 16242 3 0,00 44,5 4,69 13,20 9,97 18,77 2,99 1,3 45,83 8,79 21,994 16372 4 15146 41,5 4,8 20,0 6,2 18,8 3,1 1,0 44,05 8,4 23,68 15146
Từ bảng 3.18 cho thấy khơng thể cĩ được một giá trị X = {Xi}, i=1-7 thỏa mãn đồng thời các điều kiện (3.12) ÷ (3.15), do đĩ BTTƯ với bốn mục tiêu thành phần (3.12) ÷ (3.15) sẽ phải được giải quyết theo định hướng xác định nghiệm paréto-tối ưu để hiệu quả paréto-tối ưu IP {IiP} đứng cách xa vùng cấm nhất [11,12,103,104]. BTTU bốn mục tiêu được chuyển thành BTTU xét với HMT tổ hợp R(Xi) theo phương pháp vùng cấm [11,12,103]. Vùng cấm C{Ci} = [Ii ≥ Ci ] là vùng khi điểm I(X) rơi vào vùng cấm C thì lập tức các giá trị Yi sẽ nằm ngồi vùng giới hạn cho phép. Với BTTƯ đang xét ta cĩ C1 = (1,5)2 = 2,25, C2 = 1; C3 = (6)2 = 36; C4 = 21000 (bảng 3.17). HMT tổ hợp được xây dựng từ biểu thức (2.5; 2.6; 2.7) cĩ dạng: R(Z) = r1(Xi).r2(Xi)...rn(Xi) = ( ) 4 1 X ri i ∏ = (3.17) Trong đĩ:
r1(Xi) = [2,25 -I1]/ [2,25 –I1min] khi I1 ≤ 2,25 (3.18 ) r1 = 0, - I1 > 2,25 (3.19) r2(Xi) = [1 -I2]/[1 –I2min] - I2 ≤ 1 (3.20) r2 = 0, - I2 > 1 (3.21) r3(Xi) = [36 -I3]/[36 –I3min] - I3 ≤ 36 (3.22) r3 = 0, - I3 > 36 (3.23) r4(Xi) = [21000 -I4]/ [21000- I4min] - I4 < 21000 (3.24) r4 = 0, - I4 ≥ 21000 (3.25)
Bài tốn xây dựng CTTA ni cá mú chấm cam để sản xuất được thức ăn dạng viên đảm bảo tối ưu đối với bốn mục tiêu I1 – I4 được phát biểu như sau:
Hãy xác định các giá trị tối ưu XiR thuộc miền giới hạn (3.11) sao cho hàm mục tiêu tổ hợp R được xác định bởi (3.17) ÷ (3.25) đạt cực đại.
Như vậy việc giải bài tốn tối ưu bốn mục tiêu được chuyển thành bài tốn một mục tiêu R(X) và được xác lập dưới dạng:
Rmax = R(XiR) = max R(Xi) (3.26)
40 ≤ X1 ≤ 50 ; 1≤ X2 ≤ 5 ; 10 ≤ X3 ≤ 20 ; 6 ≤ X4 ≤ 10 ; 16 ≤ X5 ≤ 24 ;
2 ≤ X6≤ 4 ; 1≤ X7 ≤ 3. (3.27)
Khi HMT tổ hợp R đạt được giá trị Rmax thì nghiệm tối ưu {XiR} tạo ra một hiệu quả paréto tối ưu đứng cách xa vùng cấm C nhất.
Trên cơ sở giải bài tốn tối ưu tìm các giá trị Ijmin cho từng HMT như đã trình bày ở bảng 3.18, các giá trị Ij, rj, Rj, j =1-4 tương ứng được xác định [phụ lục 2, bảng 2.5; 2.6; 2.7; 2.8], được tổng hợp và nêu ra ở bảng 3.19.
Bảng 3.19. Các giá trị Ij, rj và Rj ứng với Ijmin của các BTTƯ một mục tiêu
Stt Ijmin I1 I2 I3 I4 r1 r2 r3 r4 Rj
1 0,00 0,000 0,04 0,002 16371 0,999 0,960 0,996 0,791 0,756
2 0,00 0,070 0,000 0,013 16242 0,969 0,999 0,997 0,813 0,785
3 0,00 0,108 0,045 0,000 16372 0,952 0,955 0,994 0,791 0,714 4 15146 2,115 0,354 2,817 15146 0,06 0,645 0,957 0,999 0,037
Từ bảng 3.19 cho thấy tương ứng với mỗi Ijmin ta cĩ các giá trị Ij, rj và Rj khác nhau. So sánh các giá trị Rj, j =1-4 chỉ ra rằng Rj đạt giá trị cao nhất (0,785) tương ứng với giá trị I2min. Như vậy cĩ thể thấy rằng các giá trị {Xi}, i =1-7 tương ứng với giá trị I2min cho giá trị R cao nhất. Do đĩ cĩ thể sử dụng các giá trị {Xi} với i = 1-7 tại vị trí I2min làm điểm xuất phát trong phương pháp luân phiên từng biến để giải bài tốn tối ưu (3.26; 3.27).
Tiến hành khảo sát, xác định các các giá trị {Xi}; Yi tối ưu trong tồn bộ vùng (3.27), việc xác định được tiến hành như sau:
Phiên chạy 1: Cố định 05 biến gồm Xi, i = 2- 6, với các giá trị đã được xác định tương ứng với I2min (bảng 3.19). Cho X1 chạy trong vùng [X1min – X1max] (3.27) và X7 = ( 95,4 – ∑
= 6
1
i
Xi ) với điều kiện X7 thuộc [X7min- X7max]. Nếu X7 nằm ngồi vùng cho phép thì lập tức giá trị R= 0. So sánh các giá trị R và xác định giá trị {Xi} tương ứng với Rjmax.
Phiên chạy 2: Cố định các giá trị Xi, i=3-6 (tương ứng với I2min) và giá trị X1 đã xác định ở phiên chạy 1, cho X2 chạy trong vùng [ X2min –X2max] và X7 = 95.4 – (X1+ ∑
=
6 3
i
Xi). Xác định X2 với điều kiện X7 ∈ [X7min - X7max] và R=0 nếu X7 nằm ngồi vùng cho phép (3.27), so sánh các giá trị R và xác định giá trị X2. Tương tự như vậy, tiến hành thực hiện các phiên chạy tiếp theo với các biến X3,… X6. Kết quả sau một vịng lặp đã xác định được các giá trị tối ưu YR1, YR2, YR3, YR4 với điều kiện R(k)−R(k−1) ≤0,001 [phụ lục, bảng 2.9] lần lượt là 45,24%; 9,0%;
21,67% và 16.242 đ/kg tương ứng với các giá trị: XR1= 45,5%; XR2 = 5,0%; XR3 = 13,5%; XR4 = 7,8% ; XR5 = 19,2%; XR6 = 3,4%; XR7 = 1%. Với các biến XiR nêu trên, HMT tổ hợp R(XR) đạt giá trị cao nhất bằng 0,785.
Giá trị HMT (j=1-4) tương ứng với nghiệm tối ưu được mơ tả ở bảng 3.20. Bảng 3.20. Giá trị hàm mục tiêu tương ứng với nghiệm tối ưu
Giá trị HMT 1 2 3 4 rRj 0,969 0,999 0,997 0,813 IR j 0,070 0,000 0,013 16.242 YRj 45,24% 9% 22,11% 16242 đ/kg
Từ bảng 3.2.7 cho thấy rằng các giá trị {XRi}, i = 1-7 một cách ngẫu nhiên trùng hợp với các giá trị {Xi}, i = 1-7 tương ứng với I2min.
Như vậy tỉ lệ thành phần nguyên liệu đã được xác định và CTTA cho cá mú chấm cam ở giai đoạn cá giống được nêu ra ở bảng 3.21.
Bảng 3.21. CTTA nuơi cá mú chấm cam
Số liệu từ bảng 3.21 cho thấy CTTA đáp ứng các điều kiện đặt ra như nhu cầu protein (45,24%), chất béo (9,00%), dẫn xuất khơng đạm (22,11%) và chi phí nguyên liệu (16242 đ/kg). Ngồi ra cịn cĩ GE = 4,31 (kcal/g thức ăn); tỉ lệ: P/E = 105 (mg/kcal), thỏa điều kiện cân bằng tỉ lệ protein / năng lượng từ 81 -117 mg/kcal (NRC, 1993). Tỉ lệ Ca/P = 1,34 đáp ứng tiêu chuẩn tỉ lệ Ca/P đối với cá biển [96], cĩ chi phí nguyên liệu thấp hơn so với chi phí nguyên liệu để sản xuất thức ăn cá mú thương mại (ước tính 21.000 đ/kg). Như vậy bằng việc giải bài tốn tối ưu đa mục tiêu đã xây dựng được CTTA cho cá mú chấm cam thỏa mãn nhu cầu dinh dưỡng và cĩ tổng chi phí nguyên liệu hợp lý.
Stt Thành phần Ký hiệu Tỉ lệ (%) 1 Bột cá 65% XR1 45,5 2 Bột gan mực XR2 5,0 3 Bã nành 43% XR3 13,5 4 Gluten bột mì XR4 7,8 5 Bột mì XR5 19,2 6 Dầu gan mực XR6 3,4 7 Lecithin XR7 1,0 8 Di Ca-P - 2,0 9 Premix khống-vitamin - 2,0 10 Lysine - 0,25 11 Methionine - 0,155 12 Stay C 35% - 0,030 13 Chống mốc - 0,150 14 Chống oxi hố - 0,015 Tổng cộng - 100
Thành phần dinh dưỡng và chi phí Giá trị
Protein (%) 45,24
Lipid (%) 9,00
NFE (%) 22,11
3.3. NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH VÀ CHẾ ĐỘ CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT THỨC ĂN NUƠI CÁ MÚ CHẤM CAM XUẤT THỨC ĂN NUƠI CÁ MÚ CHẤM CAM
3.3.1. Nghiên cứu qui trình cơng nghệ sản xuất thức ăn nuơi cá mú chấm cam
Từ những dữ liệu được mơ tả ở chương 1, mục 1.1; 1.2, kết quả đúc kết từ các đợt khảo sát về cơng nghệ, thiết bị sản xuất thức ăn nuơi thủy sản và hiện trạng nghề nuơi cá mú ở nước ta, qui trình cơng nghệ sản xuất thức ăn ni cá mú chấm cam dùng để nghiên cứu được đề xuất theo sơ đồ hình 3.4.
Nguyên liệu
Xay nghiền Trộn Tạo viên Sấy Làm nguội Bảo quản Đĩng bao
Hình 3.4. Sơ đồ qui trình cơng nghệ sản xuất thức ăn nuơi cá mú chấm cam
Nguồn nguyên liệu để làm thức ăn cho cá mú chấm cam tương đối đa dạng và cĩ cấu trúc, hình dạng, kích thước khác nhau. Để cĩ thể liên kết các phần tử nguyên liệu với nhau để tạo thành thức ăn dạng viên và dễ tiêu hĩa đối với cá thì các loại nguyên liệu cần phải được làm mịn, do vậy nguyên liệu phải trải qua quá trình xay nghiền để làm mịn. Sau khi nghiền mịn, các nguyên liệu cần phải được đưa đi trộn nhằm phân bố đồng đều nguyên liệu và bổ sung nước để chuyển qua q trình tạo viên nhằm làm chín và tạo hình viên thức ăn. Viên thức ăn sau khi tạo viên cĩ độ ẩm cao, do vậy cần thiết phải đưa đi sấy để đạt đến độ ẩm bảo quản < 11%. Sau khi sấy, do nhiệt độ viên thức ăn cịn cao, nên nếu đem đi đĩng bao ngay sẽ xảy ra hiện tượng hút ẩm, đọng sương trên bao bì, gây ra hiện tượng mốc, hư hỏng sản phẩm và vì vậy cần phải làm nguội thức ăn đến nhiệt độ