3.3. NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH VÀ CHẾ ĐỘ CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT
3.3.2.2. Ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ ép đùn đến độ bền trong nước
của viên thức ăn
Tiến hành các thực nghiệm theo phương án qui hoạch D-optimal bảng 3.22 và xác định được mơ hình tốn học độ bền trong nước [phụ lục 3]:
Y2 = 116,39 + 35,558X1 + 4,96X2 + 46,81X3 + 6,660X4 – 4,91X1X2 + 15,23X1X 3
+17,05X1X4 – 1,89X2X3 – 5,865X2X 4 + 3,098X3X 4 +20,58X12 -25,504X22 + 10,919X32 – 26,004X42. (3.31)
Kiểm định sự tương thích của mơ hình
Tra bảng “Phân vị phân bố Student” với mức ý nghĩa p = 0,05 với t0.05/2, n-k-1 ta cĩ t0.05/2, (25) = 2,06 [78, 87]. Các hệ số hồi qui b0, b1, b3, b13, b14, b12, b22, b42 là cĩ ý nghĩa và được chọn cho mơ hình hồi qui. Kết quả phân tích xác định được mơ hình độ bền trong nước ở dạng mã hĩa:
Y2 = 116,39 + 35,558X1 + 46,81X3 + 15,23X1X3 + 17,05X1X4 + 20,58X12 – 25,504X22 – 26,004X42. (3.32) Chuyển qua biến thực ta được:
ζ = -280,28 - 0,37611F +17,853M + 0,4181T + 45,829H + 0,001269FT + 0,0213FH + 0,0001286F2 - 0,25504M2 - 6,501H2. (3.33)
Chuẩn Fisher của mơ hình F0 = 37,42 và ở mức ý nghĩa p = 0,05 cĩ F0,05,4,25 = 2,76 [78, 87], do đĩ F0 > F0,05,4, 25 , hệ số tương quan của mơ hình R2 = 0,97 [phụ lục 3], do đĩ mơ hình tìm được tương thích với thực nghiệm. Từ phương trình
(3.33) cho thấy tốc độ cấp liệu, nhiệt độ, chiều cao viên ảnh hưởng mạnh đến độ bền trong nước của viên thức ăn.
Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ ép đùn đến độ bền trong
nước của viên thức ăn
Ảnh hưởng của độ ẩm và tốc độ cấp liệu đến độ bền trong nước tại nhiệt độ 1000C và chiều cao viên 5 mm:
500.00 700.00 900.00 1100.00 1300.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 60 90 120 150 180 Do be n t ron g nu oc (m in )
Toc do cap lieu (g/ph)
Do am (%) 500.00 700.00 900.00 1100.00 1300.00 25.00 30.00 35.00 40.00
45.00 Do ben trong nuoc (min)
Toc do cap lieu (g/ph)
Do am ( % ) 83.7949 101.545 101.545 119.294 137.044 154.794
Đồ thị 3.7. Ảnh hưởng của độ ẩm và tốc độ cấp liệu đến độ bền trong nước
Ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ cấp liệu đến độ bền trong nước tại độ ẩm
35% và chiều cao viên 5 mm:
500.00 700.00 900.00 1100.00 1300.00 70.00 85.00 100.00 115.00 130.00 70 115 160 205 250 D o ben t rong nuoc ( m in )
Toc do cap lieu (g/ph
Nhiet do (0c) 500.00 700.00 900.00 1100.00 1300.00 70.00 85.00 100.00 115.00
130.00 Do ben trong nuoc (min)
Toc do cap lieu (g/ph)
Nh ie t d o ( 0 c ) 103.825 132.161 160.497 188.833 217.169
Đồ thị 3.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ cấp liệu đến độ bền trong nước Ảnh hưởng của độ ẩm và nhiệt độ đến độ bền trong nước tại tốc độ cấp liệu 900 Ảnh hưởng của độ ẩm và nhiệt độ đến độ bền trong nước tại tốc độ cấp liệu 900
g/ph và chiều cao viên 5 mm:
25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 70.00 85.00 100.00 115.00 130.00 40 75 110 145 180 D o b en t rong n uoc ( m in ) Do am (%) Nhiet do (0c) 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 70.00 85.00 100.00 115.00
130.00 Do ben trong nuoc (min)
Do am (%) N h ie t d o ( 0 c ) 69.1561 69.1561 90.1684 111.181 132.193 153.205
Ảnh hưởng của chiều cao viên và độ ẩm đến độ bền trong nước tại nhiệt độ 1000C và tốc độ cấp liệu 900 g/ph. 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 47 64.5 82 99.5 117 D o ben t ron g nuo c ( m in ) Do am (%) Chieu cao vien (mm)
25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 3.00 4.00 5.00 6.00
7.00 Do ben trong nuoc (min)
Do am (%) C h ie u c a o vi en ( m m ) 58.9966 70.5946 82.1927 82.1927 82.1927 82.1927 93.7907 93.7907 105.389
Đồ thị 3.10. Ảnh hưởng của chiều cao viên, độ ẩm vật liệu đến độ bền trong nước
Đồ thị 3.7 và 3.8 mơ tả ảnh hưởng của độ ẩm vật liệu, nhiệt độ vùng ép, tốc độ cấp liệu đến độ bền trong nước ở nhiệt độ 1000C, độ ẩm 35% và chiều cao viên 5 mm. Từ đồ thị 3.7 cho thấy ở một độ ẩm xác định, khi tăng tốc độ cấp liệu sẽ làm tăng độ bền trong nước. Nguyên nhân là do gluten trong khối vật liệu cĩ khả năng kết dính, khi tăng tốc độ cấp liệu sẽ làm tăng độ nén vật liệu dẫn đến làm tăng khả năng liên kết giữa gluten và các phần tử khác và làm tăng độ bền trong nước. Tại một tốc độ cấp liệu xác định, khi tăng độ ẩm sẽ làm tăng độ bền trong nước, tuy nhiên nếu tiếp tục tăng độ ẩm vượt qua ngưỡng giới hạn sẽ làm giảm độ bền trong nước. Nguyên nhân là do ở giai đoạn đầu, khi tăng độ ẩm sẽ làm tăng khả năng hồ hĩa, kết dính của gluten bột mì và làm tăng độ bền trong nước. Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng độ ẩm sẽ làm giảm lực ma sát, nén ép giữa các phần tử vật liệu dẫn đến làm giảm độ bền trong nước của viên thức ăn. Đồ thị 3.8 cho thấy ở độ ẩm 35%, chiều cao viên 5 mm và tại một tốc độ cấp liệu xác định, khi tăng nhiệt độ sẽ làm tăng độ bền trong nước. Tuy nhiên tại một nhiệt độ xác định khi tăng tốc độ cấp liệu sẽ làm giảm độ bền trong nước. Nếu tiếp tục tăng tốc độ cấp liệu vượt qua một ngưỡng xác định sẽ làm tăng độ bền trong nước. Nguyên nhân là do ở giai đoạn đầu khi tăng tốc độ cấp liệu sẽ làm tăng lực nén, đẩy giữa các phần tử vật liệu và làm giảm khả năng liên kết giữa các phần tử vật
liệu, dẫn đến độ bền trong nước giảm. Tuy nhiên, khi tốc độ cấp liệu vượt quá ngưỡng giới hạn sẽ làm tăng lực nén ép, ma sát giữa các phần tử vật liệu và làm tăng q trình hồ hĩa, kết dính dẫn đến làm tăng độ bền trong nước. Đồ thị 3.9 cho thấy độ bền trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm vật liệu tại tốc độ cấp liệu 900 g/ph và chiều cao viên 5 mm. Ở một nhiệt độ xác định, khi tăng độ ẩm sẽ làm tăng độ bền trong nước. Tuy nhiên nếu độ ẩm vượt quá ngưỡng giới hạn sẽ làm giảm độ bền trong nước. Nguyên nhân là do ở giai đoạn đầu, khi tăng độ ẩm sẽ làm tăng quá trình hồ hĩa tinh bột và khả năng kết dính của gluten dẫn đến làm tăng độ bền trong nước. Tuy nhiên khi tiếp tục tăng độ ẩm, sẽ làm giảm khả năng nén ép, ma sát, hồ hĩa, kết dính của các phần tử vật liệu dẫn đến làm giảm độ bền trong nước của viên thức ăn. Xét ở một độ ẩm xác định cho thấy khi tăng nhiệt độ sẽ làm tăng độ bền trong nước của viên thức ăn. Đồ thị 3.10 mơ tả ảnh hưởng của độ ẩm vật liệu và chiều cao viên đến độ bền trong nước tại nhiệt độ 1000C và tốc độ cấp liệu 900 g/ph. Kết quả phân tích cho thấy độ bền trong nước bị ảnh hưởng bởi độ ẩm vật liệu và chiều cao viên thức ăn theo dạng bề mặt paraboloid. Ở một chiều cao viên xác định, khi tăng độ ẩm sẽ làm tăng độ bền trong nước, tuy nhiên nếu tiếp tục tăng độ ẩm vượt qua một ngưỡng giới hạn sẽ làm giảm độ bền trong nước. Tương tự như vậy, ở một độ ẩm xác định, khi tăng chiều cao viên sẽ làm tăng độ bền trong nước, tuy nhiên nếu tiếp tục tăng vượt qua ngưỡng xác định sẽ làm giảm độ bền trong nước của viên thức ăn. Nguyên nhân là do viên thức ăn hình trụ, khi tăng chiều cao viên thức ăn vượt qua một ngưỡng xác định sẽ dẫn hiện tượng viên thức ăn bị hút nước, trương nở và làm viên nặng hơn, khả năng giữ nguyên cấu trúc của viên bị giảm, do vậy khi cĩ một lực tác động sẽ làm gãy, vở hay cĩ độ bền kém. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến độ bền trong nước về cơ bản phù hợp với các nghiên cứu trước đây về độ bền trong nước của thức ăn bằng kỹ thuật ép đùn. Ding & Ainsworth
(2003) cho rằng các yếu tố như độ ẩm vật liệu, tốc độ cấp liệu và nhiệt độ ống dẫn là những yếu tố chính ảnh hưởng rõ rệt đến độ bền trong nước của sản phẩm ép đùn, trong đĩ độ ẩm vật liệu là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến độ bền trong nước, ngược lại tốc độ trục vít hầu như cĩ ảnh hưởng khơng đáng kể. Khi tăng tốc độ cấp liệu ở độ ẩm phối liệu thấp sẽ làm giảm độ bền trong nước, tuy nhiên nếu tăng độ ẩm vật liệu và đồng thời giảm tốc độ cấp liệu cũng sẽ dẫn đến làm giảm độ bền trong nước. Ganjyal & Hanna (2001) nghiên cứu kỹ thuật ép đùn bột gạo, tinh bột gạo và cho rằng độ bền trong nước của các viên sản phẩm này phụ thuộc chủ yếu vào độ ẩm vật liệu, tiếp theo là nhiệt độ ống dẫn và tốc độ trục vít cĩ ảnh hưởng nhẹ đến độ bền trong nước. Tumuluru & Bandyopadhyay (2001) thì cho rằng nhiệt độ ống dẫn là yếu tố cĩ ảnh hưởng rõ nhất đến WS của viên thức ăn nuơi tơm, tiếp theo là tỉ lệ chiều dài và đường kính ống dẫn, độ ẩm vật liệu và tốc độ trục vít. De Silva & Anderson (1995) thì khẳng định rằng độ bền trong nước của viên thức ăn phụ thuộc vào nhiều yếu tố cơng nghệ, trong đĩ chủ yếu là thành phần nguyên liệu, chế độ cơng nghệ ép đùn và loại chất kết dính được sử dụng. Nghiên cứu của Brigge & cộng sự (1999) đối với hỗn hợp nguyên liệu như bột bắp, bắp nhiều béo, bột đậu nành và bã nành nhiều béo bằng kỹ thuật ép đùn cho rằng tỉ lệ giữa các nguyên liệu cĩ ảnh hưởng mạnh nhất đến độ bền của viên thức ăn, trong đĩ khi tăng hàm lượng protein trong khẩu phần sẽ làm tăng độ bền trong nước, ngược lại khi tăng hàm lượng dầu > 7,5% trong khẩu phần sẽ làm giảm độ bền trong nước. Ngồi ra, các nhà nghiên cứu này cịn cho rằng việc tạo ra viên thức ăn cĩ chất lượng thực chất phụ thuộc rất nhiều vào vai trị, kinh nghiệm của người vận hành thiết bị tạo viên.
3.3.2.3. Tối ưu hĩa đa mục tiêu quá trình ép đùn tạo viên thức ăn ni cá mú chấm cam bằng phương pháp vùng cấm
Độ chìm, nổi của viên thức ăn cho vật ni thủy sản trong mơi trường nước phụ thuộc rất nhiều yếu tố bao gồm sức căng bề mặt giữa viên thức ăn và nước, nhiệt độ của nước và dung trọng. Trong đĩ dung trọng là yếu tố then chốt quyết định đến khả năng chìm, nổi của viên thức ăn. Dung trọng càng lớn thì viên thức ăn càng dễ chìm và ngược lại thì viên thức ăn cĩ xu hướng nổi trên mặt nước. Để cĩ thể đáp ứng được thĩi quen, tập tính ăn của cá mú chấm cam, đồng thời đảm bảo hiệu quả sử dụng thức ăn của cá trong q trình ni. Vấn đề được đặt ra là thức ăn cần nghiên cứu phải cĩ thời gian chìm chậm. Do vậy, thức ăn cần phải cĩ dung trọng phù hợp sao cho cĩ tốc độ chìm chậm, đồng thời độ bền trong nước của viên thức ăn phải đủ dài để cá cĩ thể ăn được và khơng bị hịa tan làm giảm chất lượng và gây tác động ơ nhiễm mơi trường. Trên cơ sở phân tích ảnh hưởng của dung trọng đến tốc độ chìm của viên thức ăn trong nước. Kết quả thực nghiệm đã xác định được quan hệ giữa dung trọng thức ăn và tốc độ chìm của thức ăn viên được thể hiện trên đồ thị 3.11 và phụ lục 3.
Quan he giua dung trong & toc do chim
Dung trong (g/cm3) 0 .70 0.68 0.66 0.63 0.6 2 0.60 0 .58 0.57 0.56 0.55 0.5 4 0.53 0 .52 0.50 0 .46 0.44 0.4 2 T o c d o c h ìm ( c m /s ) 14 12 10 8 6 4 2 0
Đồ thị 3.11. Quan hệ giữa dung trọng và tốc độ chìm
Số liệu từ đồ thị 3.11 cho thấy rằng với dung trọng của thức ăn ≤ 0,46 g/cm3 thì viên thức ăn sẽ hồn tồn nổi trên bề mặt. Điều này phù hợp với các kết
Dung trọng (g/cm3) T ố c độ chìm (cm /s)
quả nghiên cứu của Botting (1999), Halver & Hardy (2002). Dung trọng của viên thức ăn > 0,5 g/cm3 sẽ chìm với tốc độ tăng dần. Như vậy vấn đề đặt ra là cần thiết phải xác định một giá trị dung trọng thích hợp sao cho thức ăn khơng chìm quá nhanh nhằm tránh hiện tượng cá khơng ăn được và dư thừa thức ăn, đồng thời cũng khơng chìm q chậm để tránh hiện tượng rị rỉ dưỡng chất ra mơi trường bên ngồi. Số liệu thực nghiệm cho thấy thức ăn với dung trọng trong khoảng [0,5 – 0,6 g/cm3] cĩ tốc độ chìm chậm thỏa mãn u cầu đặt ra. Đối với cá mú là lồi cá cĩ đặc tính ăn mạnh, bắt mồi nhanh trong tự nhiên. Thực nghiệm cho thấy cá giống cĩ khả năng tiêu hĩa nhanh và cĩ thể tiếp tục sử dụng thức ăn sau khi ăn khoảng 01 giờ. Vì vậy độ bền trong nước của thức ăn được chọn tối thiểu là 2giờ (120 phút). Đây là khoảng thời gian cần thiết để trong trường hợp thức ăn bị dư thì lượng thức ăn thừa này vẫn cĩ thể được cá tiếp tục sử dụng sau khi ăn. Mặt khác, đối với những đối tượng cá khơng được ăn ngay khi đưa thức ăn vào do bị cạnh tranh sẽ cĩ điều kiện sử dụng thức ăn mà khơng bị tranh giành hay tấn cơng bởi các thành viên khác. Vì vậy việc chọn độ bền trong nước tối thiểu 120 phút là phù hợp với các lồi cá biển ni nĩi chung và cá mú chấm cam nĩi riêng về đặc điểm, tập tính ăn, thĩi quen ăn và số lần cho cá ăn trong ngày.
Cả hai tiêu chí dung trọng (∂) và độ bền trong nước (ζ) của viên thức ăn đều phụ thuộc vào các đại lượng đặc trưng cho chế độ ép đùn tạo viên thức ăn: tốc độ cấp liệu F (g/ph), độ ẩm phối liệu đưa vào ép viên M (%), nhiệt độ tại vùng ép T (oC), chiều cao viên thức ăn H (mm). Thực tế cho thấy tại vùng ép khi nhiệt cục bộ cao hơn 105oC, bề mặt viên thức ăn thơ ráp, thường xảy ra hiện tượng khối vật liệu bị tắc nghẽn tại vùng ép. Mặt khác khi độ ẩm vật liệu vượt quá 38% và nhiệt độ thấp dưới 70oC khối vật liệu sẽ dễ bị nhão, dẫn đến làm giảm mức độ chín của vật liệu, viên thức ăn dễ bị gãy vỡ, ít mùi thơm sau khi
sấy. Do vậy điều kiện xác lập cho việc tối ưu hĩa đa mục tiêu q trình ép đùn là: 700 ≤ F ≤1300 ; 25 ≤ M ≤ 38 ; 70 ≤ T ≤ 105 ; 3 ≤ H ≤ 7 .
Với những phân tích trên, bài tốn tối ưu (BTTƯ) về chế độ tạo viên được xác lập dưới dạng BTTƯ hai mục tiêu. Hàm tiêu thứ nhất I1 được xét đến là bình phương độ lệch giữa dung trọng của viên thức ăn so với giá trị trung tâm ∂o trong khoảng giới hạn [∂min, ∂max] phù hợp với tốc độ chìm cần khống chế. Từ những dữ liệu đã trình bày xác định được ∂o= 0,55 ; ∂min = 0,5; ∂max = 0,6. HMT thứ nhất được xác định là I1 = (∂ - 0,55)2 và HMT thứ hai được xét đến là độ bền trong nước I2 = ζ. BTTƯ với từng hàm mục tiêu cĩ dạng:
I1min = min I1 (F,M,T,H) (3.34) I2max = max I2 (F,M,T,H) (3.35)
700 ≤ F ≤ 1300 ; 25 ≤ M ≤ 38 ; 70 ≤ T ≤ 105 ; 3 ≤ H ≤ 7 (3.36)
Các giá trị I1min, I2max được xác định từ việc giải các BTTƯ một mục tiêu. Tiến hành sử dụng chương trình Excel Solve để xác định các giá trị I1min, I2max và thu được kết quả I1min = 0, I2max = 237,38.
BTTƯ hai mục tiêu (3.34)+(3.35) được hiểu theo nghĩa xác định các giá trị F, M, T, H trong khoảng (3.36) sao cho I1 đạt giá trị nhỏ nhất cĩ thể được và I2 đạt giá trị lớn nhất cĩ thể được. Để giải BTTƯ hai mục tiêu đã đặt ra, sử dụng phương pháp vùng cấm với hàm mục tiêu tổ hợp R(F,M,T,H). Như vậy BTTƯ hai mục tiêu đã được nghiên cứu theo hướng chuyển việc giải bài tốn tối ưu hĩa đa mục tiêu về dạng BTTƯ một mục tiêu với HMT tổ hợp R(F,M,T,H), đồng thời nghiệm tối ưu phải thỏa mãn các điều kiện và ràng buộc đặt ra của BTTƯ. Các