TỐI ưu hóa CHO GIAI đoạn cấp ĐÔNG tôm ĐÔNG LẠNH

Phương pháp tối ưu hoá các yếu tố trong giai đoạn cấp đông tôm trong sản xuất tôm đông lạnh Xác định các yếu tố tối ưu hoá Quy hoạch thực nghiệm: Phương pháp bề mặt đáp ứng Respons

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÀI TẬP PHÒNG VỆ THỰC PHẨM

TỐI ƯU HOÁ CHO GIAI ĐOẠN CẤP ĐÔNG TRONG SẢN XUẤT TÔM LẠNH ĐÔNG

Tp Hồ Chí Minh ngày 1 tháng 12 năm 2015

1 Công đoạn cấp đông trong sản xuất tôm đông lạnh

Hạ thấp nhiệt độ thân tôm xuống dưới điểm đóng băng để làm chậm sự hư hỏng của

thực phẩm đồng thời kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm

1 2 Yêu cầu:

- Công nhân trang bị đầy đủ bảo hộ lao động

- Đảm bảo vệ sinh và an toàn cá nhân

- Đảm bảo đúng nhiệt độ tủ cấp đông cho sản phẩm

1.3 Cách thực hiện:

Thao tác:

- Trước khi xếp vào tủ đông, tôm được thay nước mới

- Khuôn tôm được đậy nắp truyền nhiệt bằng nhôm

- Khởi động tủ đông đến khi nhiệt độ của tủ đạt yêu cầu

- Xếp các khuôn tôm lên các tấm panel của tủ cấp đông

- Hạ các tấm cấp đông, ép chặt khuôn tôm và tiến hành cấp đông

Tủ cấp đông IQF

1.4 Thông số kĩ thuật

Thực hiện khảo sát và chọn 4 biến:

Tên biến Đơn vị tính Giá trị thấp nhất Giá trị cao nhất Nhiệt độ sản phẩm

Nhiệt độ xung

Xác định hiệu quả quá trình cấp đông bằng phương pháp tối ưu hóa

1 Phương pháp tối ưu hoá các yếu tố trong giai đoạn cấp đông tôm trong sản xuất tôm đông lạnh (Xác định các yếu tố tối ưu hoá)

Quy hoạch thực nghiệm: Phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Method -RSM) với phương án quay bậc 2 có tâm (cánh tay đòn α = 1,682) được áp dụng để tối ưu hóa các điều kiện của quá trình cấp đông tôm Các thông số cần tối ưu gồm có: nhiệt độ sản phẩm, thời gian cấp đông, nhiệt độ tủ đông và nhiệt độ xung quanh cabin

2 Tiến hành tối ưu hoá cho quá trình đông lạnh

a Bảng mức các yếu tố

Khi tối ưu hoá các yếu tố của quá trình cấp đông đến hiệu quả cấp đông, trước đó đã tiến hành khảo sát sơ bộ ảnh hưởng riêng lẻ của từng yếu tố: nhiệt độ sản phẩm, thời gian cấp đông, nhiệt độ tủ đông và nhiệt độ xung quanh cabin Kết quả khảo sát sơ bộ được sử dụng làm nền tảng cho việc xác định ảnh hưởng tổng hợp của các yếu tố của quá trình đông lạnh

Khi xây dựng bài toán tối ưu, các yếu tố cấp đông: nhiệt độ tâm sản phẩm (X1, oC), nhiệt độ tủ cấp đông (X2,oC) , nhiệt độ xung quanh cabin (X3,OC), thời gian cấp đông (X4, giờ), và được khảo sát đồng thời nhằm 2 mục đích: (1) Xây dựng phương trình hồi qui thực nghiệm mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình cấp đông, (2) Tìm ra điều kiện của quá trình đông lạnh để hiệu quả quá trình đông lạnh đạt cao nhất

Xây dựng các bảng mức của các yếu tố (bảng giá trị đã làm bằng phần mềm MODDE

5.0

Công thức tính giá trị X (Mức yếu tố):

α =

Các mức yếu tố trong thí nghiệm tối ưu hoá như sau (bảng 1):

Bảng 1.Các mức của yếu tố trong thí nghiệm tối ưu hóa

Trong đó: , ta có bảng sô liệu sau

Yếu tố thí

nghiệm

Mức yếu tố

Nhiệt độ sản

phẩm ()

Các mức của biến mã hóa: mức trên, +1; mức cơ sở, 0; mức dưới,-1; α = 1,682

a Ma trận thực nghiệm

Bảng số liệu về biến mã hóa (bên trái), giá trị y thực nghiệm (Observed), y dự đoán (Predicted) (bảng bên phải) đã xử lý bằng phần mềm MODDE 5.0

b.

b Phương trình hồi quy

Số thí nghiệm được tính theo công thức:

N = 2 k + 2.k +n o

Trong đó:

● k: số yếu tố thí nghiệm (k = 4)

● no: số thí nghiệm tại tâm (no = 8)

Vậy số lượng thí nghiệm thực hiện là:

N = 2k + 2.k +no = 24 + 2.4 + 8 = 32 (thí nghiệm)

Mỗi thí nghiệm lặp 1 lần nên ta có: 32 x2 =64 (thí nghiệm)

Phương trình hồi quy thực nghiệm là một đa thức bậc 2 có dạng:

Phương trình hồi quy tuyến tính có dạng :

y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b4x4 + b11x1 + b22x2 + b33x3 + b44x4 b12x1x2 + b13x1x3 +

b14x1x4 + b23x2x3 + b24x2x4 + b34x3x4

Trong đó:

● Y là hàm mục tiêu (hiệu quả cấp đông)

● Xi và Xj là các mức của biến độc lập (yếu tố thí nghiệm) đại diện cho ảnh hưởng của X1, X2, X3 lên hàm mục tiêu Y

● β0 là hằng số; βi,βii, βij là các hệ số của phương trình hồi quy

Bảng số liệu ANOVA

Các hệ số, xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính

Để xây dựng mô tả toán học dưới dạng phương trình hồi quy, cần phải tiến hành xác định các hệ số của phương trình Các hệ số của phương trình hồi quy có giá trị như sau:

b0 = 91,889 b1 = 0,49446 b2 = 0,144444 b3= 0,175 b4 = 0,247223

b11 = - 0,674248 b22 = - 2,02428 b33 = - 1,84925 b44 = -1,99926

b13 = 0,0968745 b24 = 0,0843756 b14 = 0,0843746

b34 = 0,0781259

Kết quả cho thấy 2 hệ số b12 và b23 không có ý nghĩa thống kê (P > 0,05) Như vậy,

hệ số b12 và b23 bị loại khỏi phương trình hồi quy Phương trình hồi quy thực nghiệm có dạng sau:

Ta có phương trình hồi quy tuyến tính

y = 91.889 + 0.494446x1 + 0.144444x2 + 0.175x3 + 0.247223x4 – 0.674248x1 – 2.02428x2 – 1.84925x3 – 1.99926x4 + 0.0968745x1x3 + 0.0843746x1x4 +

0.0843756x2x4 + 0.0781259x3x4

Chạy tối ưu hóa

a Kiểm tra tính tương thích

Kết quả kiểm tra tính tương thích của phương trình hồi quy với thực nghiệm cho thấy các yếu tố thí nghiệm có ảnh hưởng mạnh lên hiệu quả quá trình cấp đông (P < 0,05)

Tính tương thích của phương trình hồi quy (lack of fit) được kiểm tra với sự hỗ trợ của phần mềm Modde 5.0 Kết quả kiểm định “lack of fit” là không có ý nghĩa thống kê (Lack of fit có P= 0,443 như vậy P > 0,05) nên phương trình hồi qui có sự tương thích cao với thực nghiệm

c Vẽ biểu đồ, biện luận

Sự ảnh hưởng của các yếu tố thí nghiệm lên hiệu quả đông lạnh được thể hiện trên biểu đồ đường đồng mức như trong hình sau:

Hình 1: Thời gian và nhiệt độ xung quanh cabin

Hình 3: Mối tương quan giữa hiệu suất, nhiệt độ tủ đông, nhiệt độ tâm sản phẩm và nhiệt

độ xung quanh cabin

Hình 2: Mối tương quan giữa hiệu suất, nhiệt độ tủ đông và nhiệt độ tâm sản phẩm

Nhìn chung, hiệu quả quá trình đông lạnh tăng dần cùng với sự gia tăng của các yếu

tố thí nghiệm đến một giá trị tới hạn, tuy nhiên khi các mức yếu tố tăng quá mức tới hạn này thì hiệu quả quá trình giảm xuống

Trong hình 1, thể hiện sự ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ xung quanh cabin và thời gian đông lạnh lên hiệu quả quá trình , hiệu quả này tăng đến 91,98% khi các yếu tố nhiệt

độ và thời gian đều tăng, tuy nhiên khi nhiệt độ vượt quá 2 oC và thời gian đến 5h thì hiệu suất giảm xuống, có nghĩa là khi gia nhiệt quá nhiệt độ và thời gian này thì chất lượng tôm sau đông lạnh bắt đầu giảm xuống (điều này thể hiện rõ ở biểu đồ dạng mặt phẳng) Trong hình 2, thể hiện sự ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ tủ đông và nhiệt độ của tâm sản phẩm , hiệu quả này cũng tăng lên đến 91,98% tương ứng khi nhiệt độ hấp tăng đến

-40oC và nhiệt độ tân sản phẩm -18oC Cũng theo quy luật trên, vượt quá các giá trị này thì hiệu quả quá trình hấp làm nguội giảm xuống

Khi khảo sát từng yếu tố riêng lẻ, yếu tố nhiệt độ đông lạnh, thời gian đông lạnh và nhiệt độ tâm sản phẩm cũng ảnh hưởng tác động riêng lẻ đến hiệu quả của quá trình:

- Nhiệt độ đông lạnh càng thấp → hiệu quả quá trình càng cao

- Thời gian đông lạnh càng dài → hiệu quả quá trình càng cao

- Nhiêt độ tâm sản phẩm càng cao → hiệu quả càng cao

Kết quả tối ưu hoá cho thấy, khi tổ hợp cả 3 yếu tố thí nghiệm thì hiệu quả quá trình đông lạnh cao nhất là 91,98% với điều kiện như sau: nhiệt độ tủ đông là -40 oC, thời gian đông lạnh là 5h và nhiệt độ tâm sản phẩm là -16,5oC

KẾT LUẬN

Hiệu quả quá trình đông lạnh đạt giá trị cao nhất là 91,98%, tương ứng với điều kiện tối ưu hoá của quá trình đông lạnh như sau:

● Nhiệt độ tủ đông là -40 oC

● Thời gian đông lạnh là 5h

● Nhiệt độ nhiệt độ tâm sản phẩm là -16,5oC

● Nhiệt độ xung quanh cabin là 2oC

Nhiệt độ tủ đông: Nhiệt độ để đông lạnh qui định tại mức -50 đến -30oC Qua thực nghiệm chọn được giá trị nhiệt độ tối ưu là -40oC

Thời gian đông lạnh: Thời gian càng dài, tôm bị tổn hao chất dinh dưỡng càng

nhiều và càng tốn năng lượng, thời gian ngắn thì không đủ để kết đông toàn bộ nước trong tôm và ức chế toàn bộ vi sinh vật cũng như mục đích công nghệ của sản phẩm chưa cao, qua thực nghiệm chọn được giá trị thời gian đông lạnh tối ưu là 5 giờ

Nhiệt độ tâm sản phẩm: Nhiệt độ tâm sản phẩm tối thích ở đây khoảng -16,50C

Nhiệt độ xung quanh cabin: tối thích là 2oC

Tóm lại, giai đoạn cấp đông là một trong những giai đoạn quan trọng trong sản xuất tôm lạnh đông vì sẽ tạo khả năng bảo quản lâu dài, hiệu quả cấp đông đạt tối ưu thì sẽ tiêu diệt vi sinh vật, hạn chế đến mức tối đa những biến đổi về chất lượng, dinh dưỡng và cảm quan của tôm sau quá trình chế biến