Mô hình hóa và tối ưu hóa quá trình sấy thức ăn viên cho cá mú chấm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ MÔ HÌNH HÓA VÀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH SẤY THỨC ĂN VIÊN CHO CÁ MÚ CHẤM CAM - Xây dựng mô tả toán học cho thiết bị sấy tầng sôi liên tục với yếu tố ngẫu nhiên dù

D Ì E

TRƯƠNG HUỲNH HUY

MÔ HÌNH HÓA VÀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH SẤY THỨC ĂN VIÊN CHO CÁ MÚ CHẤM

(Epinephelus Coioides)

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

MÃ SỐ NGÀNH: 2.10.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 02 NĂM 2007

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

Th.S NGUYỄN VĂN NGUYỆN

CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:

CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2:

LUẬN ÁN CAO HỌC ĐƯỢC BẢO VỆ TẠI

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN ÁN CAO HỌC

DÌE

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

MÔ HÌNH HÓA VÀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH SẤY THỨC ĂN

VIÊN CHO CÁ MÚ CHẤM CAM

- Xây dựng mô tả toán học cho thiết bị sấy tầng sôi liên tục với yếu tố ngẫu nhiên dùng để dự đoán lượng ẩm trung bình của thức ăn viên và phương sai của chúng trong quá trình sấy

- Tối ưu hóa các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và hàm lượng ẩm cuối của viên thức ăn

III Ngày giao nhiệm vụ:

IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

1 PGS TSKH LÊ XUÂN HẢI

2 Th.S NGUYỄN VĂN NGUYỆN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

PGS.TSKH LÊ XUÂN HẢI

Th.S NGUYỄN VĂN NGUYỆN

Nội dung và đề cương luận văn Thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày tháng năm 2007

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin chân thành cảm ơn Thầy Lê Xuân Hải đã tận tình

hướng dẫn, chỉ bảo để em hoàn thành luận văn này Thầy đã mở cho em cách nhìn đúng đắn hơn về phân tích hệ thống, về nhãn quan khoa học, cũng như những ý tưởng quý báu Sự ân cần trong cách hướng dẫn, bình dị của Thầy trong lúc thảo luận vấn đề khoa học đã giúp cho em có thêm động lực để hoàn thành luận văn này

Em cảm ơn Th.s Nguyễn Văn Nguyện đã tạo điều kiện tốt nhất về tài chánh, thiết bị, tài liệu, cùng sự chỉ dẫn giúp em hoàn thành đề tài này

Em chân thành cảm ơn sâu sắc dành cho các Thầy: Tiến sĩ Nguyễn Kính, Tiến sĩ Lê Đức Trung đã cho em những lời khuyên quý báu để đề tài này hoàn thành có chất lượng

Em cũng chân thành cảm ơn Gia đình chú Sil tại Cần Giờ đã cho em mượn máy thiết bị tạo viên cùng những bữa ăn ngon

Cảm ơn những người bạn, đặc biệt là Thạc sĩ Nguyễn Trung Thành, đã khích lệ tôi trong lúc thực hiện đề tài này

Hơn nữa, cảm ơn Thượng Đế đã ban nguồn tình yêu và ân điển dư dật giúp tôi thêm sức lực mỗi ngày

TÓM TẮT

Sấy tầng sôi là một phương pháp sấy được lựa chọn trong đề tài này nhờ những ưu điểm của nó Vật liệu sấy luôn ở trạng thái lơ lửng giúp cho việc trao đổi nhiệt tốt và tạo sản phẩm đồng đều Hiện nay, cĩ rất nhiều nghiên cứu về kỹ thuật sấy tầng sơi như nghiên cứu về động học, nghiên cứu về mơ hình quá trình sấy tầng sơi, …Tuy nhiên, trong những nghiên cứu gần đây chưa đặt biệt quan tâm đến đặc tính và chất lượng thức ăn viên đầu vào của quá trình sấy Chất lượng thức ăn viên thu được sau sấy chưa đáp ứng được tính đặc thù của từng loại thủy sản khác nhau Do vậy, đề tài đã quan tâm đến đặc tính và chất lượng thức ăn viên đầu vào của quá trình sấy tầng sơi đáp ứng đặc tính bắt mồi của cá mú chấm cam để đảm bảo thu được thức ăn sau sấy phù hợp lồi cá mú này Ngồi ra, đề tài cũng đã nghiên cứu quá trình sản xuất thức ăn nhằm thu được chất lượng thức ăn đạt yêu cầu cho quá trình sấy

ABSTRACT

This article chosen the fluidized bed drying due to some of its advange The material must reach fluidized state in order to obtain good product These are recently amount of articles developing fluidized bed, such as: Dynamic, modeling, simulation of fluized bed drying,… However, those articles paticularly studied properites and quality of pellet prior to going in drying This article then study pellet quality to be suitable for orange grouper Furthermore, These model the manufacturing obtained quality of feed before drying

MỤC LỤC

Mục lục iv

Đặt vấn đề xiii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Cá mú chấm cam (Epinephelus Coioides) 1

1.2 Kỹ thuật sản xuất thức ăn viên cho cá 3

1.2.1 Quy trình công nghệ 3

1.2.2 Kỹ thuật sấy tầng sôi 4

1.2.2.1 Khái quát về sấy tầng sôi 4

1.2.2.2 Ứng dụng kỹ thuật sấy tầng sôi 6

1.2.2.3 Các loại máy sấy tầng sôi trong công nghiệp 7

1.2.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của sấy tầng sôi 8

1.2.3 Kỹ thuật sản xuất ép đùn trong sản xuất thức ăn 9

1.2.3.1 Khái niệm 9

1.2.3.2 Các loại máy ép đùn 9

1.2.3.2.1 Cách phân loại máy ép đùn dựa vào cường độ ứng suất trượt 10

1.2.3.2.2 Cách phân loại máy ép đùn dựa vào nguồn sinh nhiệt 10

1.2.3.3 Các loại máy ép đùn sử dụng trong thực tế 11

1.2.3.3.1 Máy ép đùn trục vít đơn không phân đốt 11

1.2.3.3.2 Máy ép đùn trục vít đơn phân đốt 12

1.2.3.3.3 Máy ép đùn trục vít cánh guồng đứt quãng 12

1.2.3.3.4 Máy ép đùn trục vít đôi 13

1.3 Thành tựu nghiên cứu kỹ thuật ép đùn 14

1.3.1 Aûnh hưởng của thành phần nguyên liệu 15

1.3.2 Aûnh hưởng của nhiệt độ 17

1.3.3 Aûnh hưởng của độ ẩm 18

1.3.4 Aûnh hưởng của khuôn cối 20

1.3.5 Các thông số khác: tốc độ trục vít, tốc độ cấp liệu 20

1.4 Mô hình toán học của quá trình ép đùn 22

1.5 Khái quát về phần mềm thống kê Stat-Ease Design 28

1.5.1 Giới thiệu 28

1.5.2 Quy trình thực hiện phân tích số liệu 29

Chương 2 QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM BOX-BEHNKEN 32

2.1 Cấu trúc của phương án quy hoạch Box-Behken 32

2.2 Hình dạng của phương án Box-Behnken 35

3.3 Ưu việt của phương án quy hoạch Box-Behnken 36

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38

3.1 Phép tiếp cận thiết kế thí nghiệm 38

3.2 Vật liệu 41

3.3 Quá trình ép đùn 42

3.3.1 Thiết bị 42

3.3.2 Thiết bị đo 44

3.4 Phương pháp phân tích viên 45

3.4.1 Phương pháp đo dung trọng 45

3.4.2 Phương pháp đo tốc độ chìm 45

3.4.3 Phương pháp đo độ trương nở 46

3.4.4 Phương pháp xác định nhiệt dung riêng 46

3.4.5 Phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt 48

3.5 Xác định miền nghiên cứu 49

3.6 Quy hoạch thí nghiệm và phân tích thông kê 49

3.6.1 Quy hoạch thực nghiệm 49

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 54

Phần I: Kết quả nghiên cứu về quá trình sản xuất thức ăn 54

4.1 Kiểm định sự tương thích 55

4.1.1 Kiểm định sự tương thích cho dung trọng 56

4.1.1.1 Kiểm định tính ý nghĩa của những hệ số hồi quy 56

4.1.1.2 Kiểm định tính tương thích của mô hình so với số liệu thí nghiệm 58

4.1.2 Kiểm định sự tương thích cho độ trương nở 61

4.1.2.1 Kiểm định tính ý nghĩa của những hệ số hồi quy 61

4.1.2.2 Kiểm định tính ý nghĩa của mô hình so với số liệu thực nghiệm 62

4.2 Tương tác giữa các yếu tố đến đặc tính thức ăn viên 65

4.2.1 Aûnh hưởng đến dung trọng 65

4.2.1.1 Tác động của nhiệt độ 68

4.2.1.2 Tác động của độ ẩm 70

4.2.1.3 Tác động của tốc độ cấp liệu 71

4.2.1.4 Tác động của số lỗ trên khuôn ép 72

4.2.2 Aûnh hưởng đến độ trương nở 74

4.2.2.1 Tác động của nhiệt độ 76

4.2.2.2 Tác động của độ ẩm 77

4.2.2.3 Tác động của tốc độ cấp liệu 79

4.2.2.4 Tác động của số lỗ trên khuôn ép 80

4.3 Tối ưu hóa quá trình ép đùn 81

4.3.1 Xác lập bài toán 81

4.3.2 Kết quả tính toán 84

Phần 2: Khảo sát đặc tính nhiệt vật lý thức ăn viên 85

4.4 Khảo sát thông số thức ăn viên tạo thành 85

4.5 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đặc tính nhiệt vật lý thức ăn viên 86

4.5.1 Nhiệt dung riêng 86

4.5.1.1 Xác định hệ số chính xác của dụng thí nghiệm 86

4.5.1.2 Xác định nhiệt dung riêng thức ăn viên 87

4.5.2 Hệ số dẫn nhiệt riêng 89

Chương 6 KẾT LUẬN 92

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

PHỤ LỤC 102

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Aûnh hưởng thành phần đến đặc tính vật lý viên thức ăn 17

Bảng 1.2 Aûnh hưởng của nhiệt độ đến đặc tính vật lý viên thức ăn 18

Bảng 1.3 Aûnh hưởng của thông số quá trình đến nhiệt độ và áp suất của vật liệu tại khuôn cối 21

Bảng 1.4 Profile đặc tính của sản phẩm thu được ở những mức thông số khác nhau 25

Bảng 1.5 Thông số đặc tính sản phẩm thu được 25

Bảng 2.1 Ma trận quy hoạch theo Box-Behnken, 3 yếu tố 34

Bảng 2.2 So sánh số thí nghiệm giữa phương án Box-Behnken và cấu trúc có tâm 38

Bảng 3.1- Thành phần nguyên liệu công thức phối trộn thức ăn nuôi cá mú 41 Bảng 3.2 – Thông số thiết bị ép đùn trục vít đơn 42

Bảng 3.3 – Miền thí nghiệm theo phương án quy hoạch thực nghiệm 49

Bảng 3.4 – Các mức của các thông số đầu vào 51

Bảng 3.5 – Các thông số đầu ra 51

Bảng 3.6 – Quy hoạch thực nghiệm theo Box-Behnken 54

Bảng 4.1 – Kết quả ma trận quy hoạch thực nghiệm 56

Bảng 4.2 – Hệ số phương trình hồi quy và tiêu chuẩn student 57

Bảng 4.3 – Bảng phân tích phương sai của dung trọng 58

Bảng 4.4 – Hệ số phương trình hồi quy 61

Bảng 4.5 – Phân tích phương sai cho độ trương nở 63

Bảng 4.6 – Giá trị ràng buộc của các biến độc lập và thông số tối ưu hóa 86

Bảng 4.7 – Số liệu tính toán tối ưu bằng phần mềm StatEase 86

Bảng 4.8 – Thông số nhiệt độ và độ ẩm sau ép đùn 88 Bảng 4.9 – Biến đổi nhiệt độ khi trộn cát khô với nước trong bình thủy tinh 89

Bảng 4.10 – Biến thiên nhiệt độ khi trộn thức ăn viên với nước trong bình

cách nhiệt 90

Bảng 4.11 – Biến thiên nhiệt độ của mẫu thức ăn theo thời gian 91

Bảng 4.12 – Biến đổi nhiệt độ thức ăn viên theo thời gian 93

Bảng 4.13 – Kết quả tính hệ số dẫn nhiệt theo từng độ ẩm khác nhau 94

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 – Cá mú chấm cam 2

Hình 1.2 – Quy trình công nghệ chế biến thức ăn cho cá 3

Hình 1.3 – Thiết bị tầng sôi trộn ngược 7

Hình 1.4 – Thiết bị tầng sôi trộn ngược 7

Hình 1.5 – Thiết bị tầng sôi rung 7

Hình 1.6 – Thiết bị tầng sôi tiếp xúc 8

Hình 1.7 – Thiết bị tầng sôi đa bậc 8

Hình 1.8 – Hệ thống ép đùn trục vít đơn 11

Hình 1.9 – Máy ép đùn trục vít đơn phân đốt 12

Hình 1.10 – Máy ép đùn trục vít đơn có cánh guồng đứt quãng 12

Hình 1.11 – Máy ép đùn trục vít đôi 13

Hình 1.12 – Hạt tinh bột từ các nguồn khác nhau 16

Hình 1.13 – Độ trương nở của các loại nguyên liệu khác nhau 16

Hình 1.14 –Aûnh hưởng của nhiệt độ đến độ trương nở 18

Hình 1.15 - Đồ thị lượng nước thêm vào trong quá trình ép đùn 19

Hình 1.16 - Aûnh hưởng của tốc độ trục vít đến thông số quá trình 20

Hình 1.17 - Sơ đồ ảnh hưởng của những yếu tố đến chất lượng sản phẩm 22

Hình 1.18 - Sơ đồ thí nghiệm phương án cấu trúc có tâm cấp hai, ba yếu tố, tọa độ điểm sao (•) α = 1 26

Hình 1.19 – Sơ đồ thí nghiệm phương án Box Behnken, ba yếu tố, tọa độ điểm sao (•) α =1 27

Hình 2.1: Tọa độ không gian của thiết kế Box-Behnken 34

Hình 2.2 – Dạng bố trí khác các điểm trong không gian yếu tố 35

Hình 3.1 – Sơ đồ mô tả phép tiếp cận xây dựng mô tả toán học 40

Hình 3.2 – Thiết bị ép đùn trục vít đơn dùng cho thí nghiệm 42

Hình 3.3 – Cấu tạo của trục vít ép đùn cải tiến 43

Hình 3.4 – Dụng cụ thí nghiệm đo hệ số dẫn nhiệt 48

Hình 3.5 – Sơ đồ thao tác phần mềm Stat-Ease v.7.0.0 53

Hình 4.1- So sánh giá trị thực nghiệm và giá trị ước lượng trong PTHQ 60

Hình 4.2- So sánh độ dư và xác suất 60

Hình 4.3- Độ lệch giữa giá trị thực nghiệm và giá trị ước lượng theo phân bố chuẩn 64

Hình 4.4- So sánh giữa giá trị ước lượng và giá trị thực nghiệm 65

Hình 4.5- Bề mặt đáp ứng của dung trọng với F = 1000 g/phút và M = 30% 66

Hình 4.6- Bề mặt đáp ứng của dung trọng với M = 30% và A = 35 lỗ 67

Hình 4.7- Bề mặt đáp ứng của dung trọng với T = 1650C và M = 30% 67

Hình 4.8 - Biễu diễn tương tác giữa nhiệt độ và độ ẩm đến dung trọng ở chế độ vận hành F = 1000 g/phút, số lỗ D = 35 lỗ 71

Hình 4.9 - Bề mặt đáp ứng của độ trương nở với F = 1000 g/phút và M = 35%.74 Hình 4.10 – Bề mặt đáp ứng của độ trương nở với M = 30% và A = 35 lỗ 75

Hình 4.11 – Bề mặt đáp ứng của độ trương nở với T = 1650C và M = 30 % 75

Hình 4.12 – Hiệu ứng tương tác giữa độ ẩm và nhiệt độ 78

Hình 4.13 - Hiệu ứng tương tác giữa độ ẩm và số lỗ 78

Hình 4.14 - Hiệu ứng tương tác giữa tốc độ cấp liệu và nhiệt độ 79

Hình 4.15 – Đồ thị biễu diễn thay đổi tỷ số logarít nhiệt độ theo thời gian 91

DANH SÁCH PHỤ LỤC

PHỤ LỤC I - Tổng Quan

I.1 – Cá mú chấm cam I.2 – Nguyên liệu trong sản xuất thức ăn nuôi cá mú chấm cam I.3 – Máy ép đùn trục vít đơn không phân đốt

PHỤ LỤC II – Ma trận quy hoạch thực nghiệm theo phương án Box-Behnken PHỤ LỤC III – Công Thức Tính Các Hệ Số Hồi Quy, Tính Chuẩn Số Fisher,

Chuẩn Số Student, Tính Tổng Bình Phương (Ss), Bình Phương Trình Bình Trong Bảng Phân Tích Phương Sai

PHỤ LỤC IV – Số Liệu Tương Quan Giữa Độ Chìm Và Dung Trọng

PHỤ LỤC V – Hệ Phương Trình Mô Tả Quá Trình Sấy Tầng Sôi Và Các Tham

Số Của Mô Hình

PHỤ LỤC VI – Một Số Hình Aûnh Khi Thực Hiện Thí Nghiệm

PHỤ LỤC VII – Đồ thị

KÍ HIỆU

M (%): độ ẩm của nguyên liệu cho quá trình ép đùn

F (g/phút): Tốc độ cấp liệu

D (lỗ/cái): Số lỗ trên khuôn ép

BD (g/lít): Dung trọng

ER (%): Độ trương nở

ĐẶT VẤN ĐỀ

Cá mú chấm cam Epinephelus coioides là một trong những loại thuộc họ

cá rạn Serranidae Đây là loại cá có giá trị kinh tế cao và được ưa thích trên thị trường trong và ngoài nước do chất lượng thịt cá và tính tiệân lợi trong công nghệ chế biến thực phẩm Đặc biệt đối với thị trường cá sống trên thế giới Loài này được phân bố ở các vùng biển có khí hậu ôn hòa, cận nhiệt đới hoặc nhiệt đới Ngoài ra còn tìm thấy ở những vùng nước lợ hoặc ở cửa sông Đây là loại động vật ăn thịt, có phổ thức ăn rất rộng bao gồm các loài cá nhỏ, giáp xác và động vật thân mềm Đặc điểm bắt mồi của loài cá này là ẩn mình và nằm yên bất động chờ đến khi con mồi đến gần thì tung mình ra để bắt mồi

Hiện nay trên thế giới, các nước như Đài loan, Thái lan, Hong kong vv đã sử dụng thức ăn tự chế để nuôi và phát triển lọai cá này Ơû nước ta nghề nuôi cá mú chấm cam đã có mặt tại các vùng ven biển các tỉnh miền Trung và Nam bộ Tuy nhiên hầu hết các hộ và trang trại nuôi đều sử dụng thức ăn để nuôi là các loại cá tạp tươi sống Đây là một trong những nguyên nhân chính yếu gây ra dịch bệnh, ô nhiễm môi trường nước vv Do vậy, vấn đề thức ăn cho cá có ý nghĩa và vai trò quyết định đến khả năng phát triển loại cá này

Trong quy trình sản xuất thức ăn cho cá, công đoạn sấy là khâu quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cụ thể là đặc tính lý hóa của viên thức ăn Gần đây, trong các phương pháp sấy vật liệu rời, sấy tầng sôi đã từng bước chiếm vị trí ưu nhờ vào những ưu điểm nổi bậc: tạo được sự tiếp xúc pha lớn là yếu tố tăng quá trình truyền khối, truyền nhiệt, chất lượng sản phẩm đồng đều,… Sấy tầng sôi đã được ứng dụng nhiều trên các loại vật liệu rời trong công nghiệp hóa chất, trong nông sản thực phẩm,… Ngoài ra, cũng có một số nghiên cứu đã áp dụng phương pháp này cho loại sản phẩm thức ăn viên Tuy nhiên, những nghiên cứu này chưa chú ý đến đặc tính và chất lượng chất thức lượng thức ăn

viên trước khi sấy Do vậy, đặc tính và chất lượng thức ăn viên sau sấy chưa đáp ứng được tính đặc thù của từng loại thủy sản nói chung và cá mú chấm cam nói riêng Vì thế, vấn đề được được đặt ra là đặc tính viên thức ăn trước khi sấy ảnh hưởng thế nào đến quá trình sấy để đảm bảo thu được chất lượng thức ăn sau sấy

đáp ứng được tập tính bắt mồi của cá mú chấm cam Vì thế, luận án “Mô hình hóa và tối ưu hóa quá trình sấy thức ăn viên cho cá mú chấm cam” góp phần

giải quyết vấn đề nêu trên nhằm nâng cao chất lượng, giảm giá thành sản phẩm, phát triển nguồn lợi nuôi trồng thủy sản ở Việt nam, cụ thể ở đây là hiệu suất nuôi cá mú chấm cam, và hạn chế ô nhiễm môi trường nguồn nước Về phương diện khoa học, luận án này đã đề xuất việc sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken bổ sung những phương pháp quy hoạch thực nghiệm thường dùng như: phương án cấu trúc có tâm, phương án trực giao cấp hai,… Việc khai thác và ứng dụng phần mềm Stat-Ease Design v.7.0.0 là một trong những công cụ mạnh thuận lợi trong nghiên cứu khoa học quy hoạch thực nghiệm Ngoài ra, luận văn cũng đã giải quyết được vấn đề cải tiến thiết bị tạo viên dùng sản xuất thức ăn nuôi tôm thành thiết bị có thể sản xuất được thức ăn nổi hoặc chìm chậm phù hợp với tập tính bắt mồi của cá

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Cá mú chấm cam( E.coioides)

Cá mú là loại cá biển được nuôi phổ biến ở các nước châu Aù và là nguồn thủy sản giàu tiềm năng nhờ vào những đặc tính như ăn mạnh, lớn nhanh và có giá trị trên thị trường thế giới, đặc biệt đối với thị trường cá sống Hiện nay các nhà phân loại học đã xác định có trên 503 loài cá mú được phát hiện, trong đó

332 loài có mặt tại các vùng thuộc Aán Độ Dương và nhiều loài chưa xác định được tên Cá mú có thể sống ở nước lợ hoặc nước mặn trong khoảng từ 5 - 45‰ độ mặn và có thể tắm bằng nước ngọt trong thời gian khoảng 15 phút Trong

phân loại học phụ họ epinephelinae thuộc họ cá rạn serranidae và được gọi là cá

mú Các nhà khoa học đã chia 110 loài cá mú ở Aán Độ Dương thành 11 giống

bao gồm: Aethalopetorca, Anyperodon, Caphalopholis, Cromileptis, Dermatolepis, Epinephilus, Gracila, Plectropomus, Saloptia, Triso, Variola Trong đó có khoảng 76 loài thuộc giống Epinephilus, những loài này là những

loại cá ăn đáy và được phân loại:

Thuộc ngành : Chordata

Phụ ngành : Vertebrata Lớp : Pisces Bộ : Perciformes Họ : Serranidae Phụ họ : Epinephelinae

Nhìn chung, cá mú là loài ăn tạp và có phổ thức ăn rất rộng Hầu hết ăn cá tạp tươi sống, một vài loài ăn thực phẩm bị thối rửa Một trong những loài cá mú có giá trị được nuôi nhiều ở các nước Tây nam châu Á là cá mú chấm cam

Đây là lọai cá thuộc phụ họ epinephelus và họ serranidae, có tên khoa học là

Epinephelus coioides, tên tiếng Anh: Orange-spotted grouper Về hình thái, bên

ngoài cá có màu nâu vàng nhẹ trên lưng, màu trắng hai bên hông và bụng, nhiều chấm cam nâu và vàng nâu có kích thước không đều trên đầu, thân và các vây Cằm và bụng có màu kem hoặc màu trắng sữa và không có chấm cam (xem hình 1.1)

Hình 1.1 – Cá mú chấm cam

Tập tính ăn, đặc điểm phân bố về giới tính và sinh sản của cá mú được bàn kỹ chi tiết hơn trong phần phụ lục I.1 và nhu cầu dinh dưỡng được trình bày trong phần phụ lục I.2 Nhìn chung, loài cá này thường ẩn náu, nằm yên bất động, chờ con mồi xuất hiện thì thình lình tung mình, há miệng to ăn con mồi vào bụng ngay tức khắc Thức ăn cho loài cá này là những loại thức ăn chìm chậm, nhưng cũng ăn những thức ăn rơi xuống đáy bể nuôi

Ở Việt nam, việc nuôi cá mú tập trung tại các vùng duyên hải và cửa sông dọc theo bờ biển thuộc các tỉnh ven biển từ Bắc đến Nam Đặc biệt tại các tỉnh miền Trung như Phú Yên, Khánh hòa và Bà rịa Vũng Tàu Một số vấn đề vẫn còn hạn chế trong việc nuôi cá này là con giống, kỹ thuật nuôi đặc biệt là thức ăn cho cá Hiện tại các hộ nuôi sử dụng cá tạp để cho cá ăn Đây là nguyên nhân chủ yếu gây ra tỉ lệ sống thấp, dịch bệnh và ô nhiễm nguồn nước

Do vậy cần thiết phải sản xuất thức ăn viên đáp ứng yêu cầu dinh dưỡng

cho sự phát triển của loài cá này và đặc tính vật lý phù hợp với tập tính bắt mồi

ăn viên thu được sau sấy đạt chất lượng đáp ứng nhu cầu phát triển cá mú chấm cam là mục tiêu chính của luận văn này Quá trình sấy được giải quyết bằng kỹ thuật sấy tầng sôi nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và bảo quản Thức ăn viên được chế biến bằng kỹ thuật ép đùn

1.2 Công nghệ sản xuất thức ăn viên cho cá

1.2.1 Quy trình công nghệ

Công nghệ chế biến thức ăn vật nuôi nói chung và thức ăn thủy sản nói riêng cần phải đảm bảo cho thức ăn có hàm lượng dinh dưỡng cân đối, không bị biến chất và ít hao tổn trong quá trình chế biến và bảo quản Quy trình này được trình bày ở hình 1.2

Hình 1.2 – Quy trình công nghệ chế biến thức ăn cho cá

Nguyên liệu phụ Nguyên phụ chính

Quy trình trên cho thấy sấy và tạo viên là hai công đoạn nắm giữ vai trò then chốt Viên thức ăn được đùn ép nhờ vào máy ép đùn Vừa ra khỏi khuôn ép của máy ép đùn, viên thức ăn còn chứa một hàm lượng ẩm tương đối cao Lượng ẩm này cần phải làm giảm xuống hàm lượng ẩm cần thiết nhằm để bảo quản Ngoài ra, hàm lượng ẩm cao còn ảnh hưởng đến tính chất vật lý của thức ăn viên Điều này có nghĩa là nó sẽ ảnh hưởng đến độ chìm, độ bền trong môi trường nước của thức ăn viên Do vậy, viên thức ăn tiếp tục vận chuyển vào máy sấy để giảm ẩm cho đến một hàm lượng nhất định

Như vậy, quá trình sấy nhằm đảm bảo cho thức ăn viên đạt các chỉ tiêu

quy định về độ ẩm, vi sinh Đồng thời góp phần tăng giá trị cảm quan, tạo mùi thơm cho thức ăn viên cũng như tăng đặc tính vật lý của nó phù hợp với từng loại vật nuôi thủy sản

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp sấy để làm giảm hàm lượng ẩm thức ăn viên, như: phơi khô bằng ánh nắng mặt trời, sấy khô bằng phương sấy tĩnh, sấy tháp, sấy thùng quay, sấy tầng sôi, Tuy nhiên, phương pháp sấy tầng sôi là phương pháp được sử dụng nhiều trong những năm gần đây nhờ vào những ưu điểm của kỹ thuật này Phần sau bàn luận cụ thể hơn về vấn đề này

1.2.2 Kỹ thuật sấy tầng sôi

1.2.2.1 Khái quát về sấy tầng sôi

Tầng sôi là quá trình dùng dòng khí tạo cho lớp hạt rắn chuyển thành trạng thái linh động gần giống như chất lỏng Dòng khí được thổi từ dưới lên xuyên qua lớp hạt tạo ra một lực nâng đủ để xáo trộn trật tự sắp xếp giữa các hạt trong khối hạt Tới một tốc dộ nào đó, lực nâng của khí đủ để nâng hạt lên và xáo trộn nhẹ nhàng, bắt đầu có sự giản nở thể tích hạt Giai đoạn này được gọi là giai đoạn tiền tầng sôi, lớp hạt từ trạng thái tĩnh trở nên linh động

Mức độ tầng sôi phụ thuộc vào tốc độ tương đối của dòng khí với hạt, từ

cuốn theo dòng khí, quá trình tầng sôi bị phá vỡ chuyển sang quá trình vận chuyển bằng khí

Trong quá trình sấy tầng sôi vật liệu dạng hạt, vật liệu được sấy khô trong trạng thái lơ lửng với dòng khí thổi từ dưới lớp hạt lên Những đặc điểm chính khi vật liệu ở trạng thái sôi là bề mặt tiếp xúc giữa hai pha khí – rắn rất lớn, lớp tầng sôi có đặc tính gần giống như lớp chất lỏng đang sôi “ Độ nhớt” của lớp hạt (ma sát trong của lớp hạt) lúc này rất nhỏ Ngoài ra, tầng sôi ở mức độ yếu thường đi kèm hiện tượng phân lớp theo khối lượng riêng của hạt

Nếu tốc độ thấp, không khí đơn thuần chỉ len lỏi qua khoảng trống giữa các hạt đứng yên, tổn thất áp suất khí qua lớp hạt tỷ lệ với tốc độ không khí Trường hợp này xảy ra khi sấy lớp vật liệu ở trạng thái tĩnh Khi tốc độ khí tăng lên tới một mức nào đó, các hạt có xu hướng tách xa nhau va dao động qua lại trong một giới hạn nhất định Lớp hạt bắt đầu có sự giản nở về thể tích

Ơû trạng thái tầng sôi, lực nâng khí động tương đương với trọng lực của hạt, thành phần thẳng đứng của lực nén giữa các hạt triệt tiêu, tổn thất áp suất tại mọi vị trí trong lớp hạt tương đương trọng lượng của khối hỗn hợp không khí

va hạt tại vị trí đó

Sau khi lớp hạt đạt trạng thái tầng sôi, việc tăng vận tốc khí lên nữa không làm tăng tổn thất áp suất khí qua lớp hạt Các hạt có xu hướng tự sắp xếp lại sao cho tạo nhiều khe hở cho dòng khí qua, độ rỗng tăng lên làm tăng chiều cao lớp hạt Tại một số điểm trong lớp hạt xuất hiện các túi khí (bọng khí) và lỗ hổng Tại đó sẽ có hai pha: pha phân bố là pha gồm các bọng khí rời rạc và lớp hạt là pha liên tục

Sự xuất hiện các bọng khí làm hạt bị xáo trộn tạo sự đồng đều nhiệt độ và thành phần cho lớp hạt Trái lại, nếu các bọng khí lớn, lượng nhiệt do bọng khí mang theo chưa kịp dùng cho sấy, gây lãng phí nhiệt Đồng thời, khi vận tốc khí quá cao sẽ cuốn theo các hạt nhỏ làm tổn thất vật liệu

Quá trình sấy xảy ra theo ba giai đoạn:

9 Giai đoạn làm nóng vật liệu: giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật

liệu vào buồng tiếp xúc vơi tác nhân sấy cho tới khi nhiệt độ vật liệu bằng nhiệt độ bầu ướt Trong quá trình này, toàn bộ vật liệu sấy được gia nhiệt Aåm lỏng trong vật liệu cũng được gia nhiệt cho tới khi đạt được nhiệt độ sôi tứng với phần áp suất hơn nước trong môi trường không khí trong buồng sấy

9 Giai đoạn sấy tốc độ không đổi: kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ

vật liệu bằng nhiệt độ bầu ướt Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật liệu sẽ hóa hơi còn nhiệt độ của vật giữa không đổi nên nhiệt lượng cung cấp chỉ để hóa hơi nước Aåm sẽ hóa hơi ở giữa lớp bề mặt vật , ẩm lỏng ở bên trong sẽ truyền ra ngoài bề mặt để hóa hơi Do nhiệt độ không khí nóng không đổi, nhiệt độ vật cũng không đổi nên chênh lệch nhiệt độ giữa vật và môi trường cũng không đổi Do đó, tốc độ bay hơi ẩm của vật liệu cũng không đổi

9 Giai đoạn sấy giảm tốc: kết thúc giai đoạn sấy đẳng tốc, ẩm tự do bay

ra hết, còn lại là ẩm liên kết Năng lượng bay hơi ẩm liên kết lớn do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn đẳng tốc có nghĩa là tốc độ sấy trong giai đoạn này nhỏ đi theo thời gian sấy

1.2.2.2 Cơ sở lý thuyết

a) Các thông số trạng thái không khí ẩm

Các thông số trạng thái không khí ẩm bao gồm nhiệt độ T, độ ẩm tương

Nhờ đó, khi biết được hai trong số các thông số này ta có thể tìm ra được các thông số còn lại qua các quan hệ sau :

( )

bh

k kr

k k

bh bh

P P

RT v

H T

H I

P P

P H

ϕ

ϕϕ

−

++

=

−

=

249397

11

6220

,

Quan hệt giữa các thông số khôngk hí ẩm còn được thể hiện bằng các độ thị trạng thái không khí ẩm, rất tiện lợi cho việc tra cứu các thông số về không khí ẩm, phục vụ cho tính toán quá trình sấy Các đồ thị này hiện tow62n tại hai dạng : đồ thị I-x củ Ramzin và đồ thị T-x ủa Grosvernor

b) Hiệu ứng hút nhả ẩm và đường độ ẩm cân bằng của vật liệu

Hiệu ứng hút nhả ẩm là một khái niệm quan trọng khi nghiên cứu lý thuyết sấy và bảo quản vật liệu Tùy vào điều kiện môi trường và độ ẩm mà vật liệu có thể hút hoặc nhả ẩm Khi vật liệu được đặt trong một môi trường ổn định với một thời gian đủ lớ, quá trình h1ut và nhả ẩm trở nên cân bằng, vật liệu đạt giá trị độ ẩm cân bằng với môi trường

độ ẩm tương đối ϕ của môi trường không khí ở một nhiệt độ không đổi gọi là đường đẳng nhiệt Hình 1.18 miêu tả dạng đường đẳng nhiệt của vật liệu lượng thực, thực phẩm được trình bày trong nhiều tài liệu kỹ thuật sấy Dạng đường đẳng nhiệt mô hình hóa đầu tiên bằng phương trình BET Sự phụ thuộc theo chiều tăng ϕ được gọi là đường đẳng nhiệt hút ẩm, ngược lại được gọi là đường đẳng nhiệt nhả ẩm Hai đường này thường bị lệch nhau ít nhiều Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng trển ẩm

Đường đẳng nhiệt chia thành ba vùng đặc trưng cho dạng và mức độ liên kết ẩm trong vật liệu: vùng liên kết ion, vùng liên kết mao dẫn và vùng ẩm không liên kết hay ẩm tự do

Bảng 1.8: Đường đẳng nhiệt của thực phẩm

c) Phương trình tốc độ sấy

Phương trình bán thực nghiệm biễu diễn tốc độ sấy vật liệu dạng hạt, còn được gọi là phương trình sấy lớp mỏng, cũng do Luikov đề xuất Oâng cho rằng tốc độ sấy tỷ lệ thuật với chênh lệch giữa độ ẩm vật liệu và độ ẩm cân bằng:

(M M cb)

k dt

Phương trình thường được biễu diễn dưới dạng hàm số mũ (hoặc hàm logarith) và đã được dùng rộng rãi để mô hình hóa tốc độ sấy hạt bởi nhiều nhà nghiên cứu Hệ số sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố liên quan tới bản chất vật liệu và tác nhân sấy và thường được tính bằng công thức thực nghiệm

Động học quá trình sấy gồm hai giai đoạn chính: giai đoạn đẳng tốc và giai đoạn giảm tốc Độ ẩm vật liệu ứng với thời điểm chuyển tiếp giữa hai giai

độ sấy có dạng:

Aåm cần tách

Aåm cân bằng Vùng hút ẩm

Vùng nhả ẩmM%

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ϕ

τ và độ ẩm cân bằng của vật liệu

A: hệ số tính đến ảnh hưởng nhiệt độ ban đầu của vật liệu

Trong những năm gần đây, nhiều nhà nghiên cứu được ra những phương trình mô tả quá trình động học khác nhau nhằm có thể mô tả chính xác, tổng quát cho quá trình sấy tầng sôi A.Midilli et al [1] đã đề xuất ra một phương trình mô tả động học quá trình sấy như sau:

( )kt bt a

t n b a

(M t M e e)

M M MR

−

−

=

0trong đó:

Mt: độ ẩm vật liệu tại thời điểm t

Me: đô ẩm vật liệu tại thời điểm cân bằng

M0: độ ẩm vật liệu tại thời điểm ban đầu

a: hằng số sấy không thứ nguyên

b: thông số của mô hình, (1/ thời gian)

k: hằng số tốc độ sấy (1/thời gian)

n: hằng số sấy không thứ nguyên

Mô hình động học này được sử dụng để tiến hành thí nghiệm trong đề tài này Tuy nhiên, do hạn chế của đề tài nên phần này sẽ được đề cập cụ thể hơn trong phần nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Nguyện

Để tiến hành xây dựng phương trình đường cong sấy và tốc độ sấy, phương pháp quy hoạch thực nghiệm sẽ được sử dụng Hàm mục tiêu là hằng số

lên tốc độ sấy bao gồm, nhiệt độ T, vận tốc không khí Vk, chiều dày lớp hạt Hb,

Từ những yếu tố này, tiến hành quy hoạch thực nghiệm, dựa vào phần mềm StatEase Design Expert v.7.0 sẽ đề cập phần dưới và cụ thể trong phần phụ lục để tiến hành tìm ra phương trình mô tả ảnh hưởng của những yếu tố nhiệt độ, vận tốc không khí, chiều dày lớp hạt, kích cỡ viên, độ ẩm tương đối đến hằng số tốc độ sấy theo phương trình dưới đây:

k, kc = f(T, Vk, Hb, Dh)

d) Vận tốc tầng sôi tối thiểu

một thông số quan trọng khi nghiên cứu thiết kế thiết bị sử dụng kỹ thuật tầngsôi Nhiều tác giả cố gắng nghiên cứu tìm công thức tổng quát tính toán giá trị tốc độ này Phương trình Ergun va Ornig là một trong những phương trình đầu

hiện tầng sôi

3 3

2 2

e tt k tt s

tt k

e k

h

µ

ρεφµ

ρε

φ

εµ

ρ

ρ

de = φds

ds = 1.24 Vh1/3

Tốc độ tầng sôi tối thiểu có thể xác định bằng các tiến hành thí nghiệm trên thiết bị tầng sôi Khi thiết kế máy sấy tầng sôi liên tục cho sấy thức ăn viên, điều quan trọng là cần phải xác định vận tốc tầng sôi tối thiểu của không khí

khuếch tán và chi phí năng lượng Để có được mô tả sự phụ thuộc giữa tốc độ tối thiểu với đường kính và khối lượng riêng thức ăn viên, ta dùng phương pháp luân phiên từng biến Gauss Seidel để hiệu chỉnh các tham số của các phương trình đã được các tác giả nghiên cứu cho các vật liệu tương tự, nhằm làm phương trình phù hợp với số liệu thực nghiệm trên thức ăn viên Trong đề tài này chọn phương trình Wen Yu và phương trình Zabrodski để làm hiệu chỉnh

µ

ρ

=Re

2 3

k

k h k

d Ar

µ

ρρ

= A,B,C là các hệ số cần phải xác định cho phù hợp với số liệu thực nghiệm

Phần này sẽ được đề cập kỹ hơn, và số liệu nghiên cứu sẽ được chỉ ra rõ trong nghiên cứu của nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Nguyện

e) Mô hình toán học quá trình sấy tầng sôi

Trong phương thức tiếp cận toán học, đối tượng công nghệ (nguyên bản) được đặc trưng bằng các đại lượng và quan hệ giữa các đại lượng Parry đã phát triển một mô hình toán miểu tả khá chính xác sự làm việc của thiết bị tầng sôi liên tục Các giả thiết được nên ra như sau:

1) Hạt được đảo trộn đều trong mặt cắt ngang vuông góc với phương chuyển động của dòng

2) Nhiệt độ không khí ra môi trường cân bằng với nhiệt độ lớp hạt

3) Bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trường của máy sấy

Bằng cách xem thiết bị tầng sôi là tổ hợp N đoạn, trong mỗi đoạn vật liệu được trộn đều, phương trình cân bằng nhiệt và ẩm cho đoạn thứ i sẽ là:

Phương trình cân bằng nhiệt:

Phương trình cân bằng ẩm

( i − i−1)+ hi + hi ( i − cb)=0

d

dM m M

M

G

τ

Mô hình Pary thực ra là mô hình dãy hộp, trong mỗi hộp tính cân bằng nhiệt, cân bằng ẩm trong mỗi hộp

Phần mô hình quá trình sấy tầng sôi với yếu tố ngẫu nhiên sẽ được đề cập kỹ hơn trong phần nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Nguyện

1.2.2.3 Ứng dụng kỹ thuật sấy tầng sôi

Kỹ thuật sấy tầng sôi được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp như:

9 Thực phẩm và các loại sản phẩm về sữa, phụ gia thực phẩm, thực phẩm y tế, bột súp, …

9 Hóa chất: polmer, sứ chất tẩy rửa, thuốc nhuộm, phân bón,…

9 Dược liệu và sản phẩm hóa sinh: kháng sinh, sản phẩm lên men, protein, nấm men, vitamin,

9 Nhựa: ABS, polypropylene, polystyrene,…

Sản phẩmKhí vào

Khí raNguyên liệu

Hình 1.3 Thiết bị tầng sôi trộn ngược

Hình 1.5 Thiết bị tầng sôi rung

Khí raNguyên liệu

Khí vào

Sản phẩm

1.2.2.4 Các loại máy sấy tầng sôi trong công nghệ

a) Tầng sôi trộn ngược

b) Tầng sôi ngăn dòng

c) Tầng sôi rung

Loại này ứng dụng cho dòng nhập

liệu ban đầu không phải ở trạng thái tầng

sôi, khi đưa vào thiết bị sẽ chuyển sang

trạng thái tầng sôi trong khoảng thời gian

ngắn

Loại này ứng dụng cho dòng nhập

liệu ban đầu ở trạng thái tầng sôi và hạn

chế dòng rắn trộn theo phương ngang để

giảm thời gian lưu

Loại máy sấy tầng sôi được trang

bị bộ phận tạo dao động lắc cho tấm phân

phối nhằm hổ trợ cho quá trình di chuyển

của lớp hạt Loại này được sử dụng khi

vật liệu khó tạo tầng sôi và kém linh

động, ví dụ các loại vật liệu có tính kết

dính, vật liệu có kích thước lớn, vật liệu

có khoảng phân bố kích thước rộng hoặc

vật liệu dễ vỡ

Hình 1.6 Thiết bị tầng sôi tiếp xúc

Nguyên liệu

Sản phẩmKhí vào

Khí ra

Hình 1.7 Thiết bị tầng sôi đa bậc

Sản phẩmKhí vào

Nguyên liệu Khí ra

d) Tầng sôi tiếp xúc

e) Tầng sôi đa bậc

1.2.2.5 Các ưu điểm và nhược điểm của sấy tầng sôi

a) Các ưu điểm

™ Tạo được bề mặt tiếp xúc rất lớn giữa pha rắn với pha lỏng và khí, kết quả là tốc độ truyền nhiệt và truyền khối xảy ra giữa các pha là rất cao

™ Có sự xáo trộn chất rắn liên tục nên chất lượng sản phẩm đồng đều, không bị vón cục hoặc dính kết

™ Chất rắn trong lớp tầng sôi có tính chất linh động gần giống chất lỏng nên dễ xử lý, vận chuyển và làm sạch

b) Các nhược điểm:

™ Quá trình cần tốn năng lượng đáng kể cho tàng sôi hóa vật liệu rắn,

Thiết bị kết hợp giữa tầng sôi

ngược dòng và tầng sôi vách ngăn, dùng

cho loại vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ

Thiết bị gồm tầng sôi ngược dòng

hoặc vách ngăn ở trên để sấy lần một và

lớp tầng sôi vách ngăn ở dưới để sấy lần

hai

™ Một số loại vật liệu không thể sử dụng quá trình tầng sôi do tính chất dễ nát vụn, bào mòn, hoặc đông kết dưới tác dụng thổi của dòng khí

™ Động lực học hệ thống chưa nghiên cứu đầy đủ

Tóm lại, kỹ thuật sấy tầng sôi cũng có nhiều điểm hạn chế Để ứng dụng

thành công kỹ thuật này, một mặt cần phải có sự hiểu biết cặn kẽ những ưu điểm và trở ngại nhằm khắc phục các nhược điểm và phát huy triệt để các điểm mạnh của quá trình tầng sôi Mặt khác, cần thiết phải khảo sát đặc tính nguyên liệu được sấy để chọn chế độ công nghệ sấy thích hợp Do vậy, để đạt được mục đích quá trình sấy, trước tiên cần phải chế biến thức ăn viên có đặc tính chìm chậm để tiến hành thí nghiệm Thức ăn viên được sản xuất bằng kỹ thuật ép đùn

1.2.3 Kỹ thuật sản xuất ép đùn trong chế biến thức ăn

1.2.3.1 Khái niệm

Kỹ thuật ép đùn trong chế biến thực phẩm là một quá trình đẩy dòng nguyên liệu chuyển động qua khuôn ép tạo thành sản phẩm Quá trình này thực hiện được là sự kết hợp của các quá trình: nhào trộn, tạo nhiệt, lực nép ép, tạo hình

Máy ép đùn là một thiết bị nhằm biến đổi khối nguyên liệu thành những sản phẩm dạng viên Nhiệt độ được sử dụng cho quá trình ép đùn khá cao, nằm

20 – 40 giây Chính vì lý do này, quá trình ép đùn có thể gọi là quá trình nhiệt độ cao thời gian ngắn (HTST)

1.2.3.2 Các loại máy ép đùn

Có nhiều cách khác nhau để phân loại máy ép đùn, như: máy ép đùn khô và máy ép đùn ướt; loại trục vít có phân đốt và trục vít không phân đốt; hoặc theo cường độ ứng suất trượt (extent of shear) sinh ra trong quá trình ép đùn;

hoặc nguồn sinh nhiệt Tuy nhiên, trong thực tế người ta có thể phân loại máy ép đùn dựa vào ứng suất trượt và nguồn sinh nhiệt

1.2.3.2.1 Cách phân loại máy ép đùn dựa vào cường độ ứng suất trượt

Theo cách phân loại của Raiz (2000) thì máy ép đùn có thể chia ra làm những loại sau:

+ Máy ép nhiệt độ thấp: trục vít loại này có guồng xoắn sâu và tốc độ trục vít chậm, thành của buồng vít xoắn (barrel) phẳng, nên loại này tạo ứng suất trượt thấp và thường sử dụng để ép bột làm bánh putđinh

+ Máy ép áp suất cao: loại này cũng tạo ứng suất trượt thấp với thành của buồng vít xoắn dạng rãnh, trục vít cấu tạo có thể tạo được lực nén ép Máy ép này được sử dụng để tạo sản phẩm dạng viên

+ Máy ép đùn làm chín ứng suất thấp (low shear cooking extruders): thành của buồng vít xoắn này dạng rãnh và trục vít có cấu tạo có thể tạo lực nén ép để tăng cường khả năng nhào trộn vật liệu, nên loại này tạo ra ứng suất trượt trung bình Những loại thức ăn snack giả thịt được tạo ra từ loại máy ép đùn này

+ Máy ép (collet extruders): thành thiết bị của loại này dạng rãnh và trục vít có guồng xoắn cạn Ưùng dụng của loại này thường làm bánh snack từ bột bắp

+ Máy ép đùn làm chín ứng suất cao (high shear cooking extruders): trục vít có guồng xoắn thay đổi và bước vít thay đổi, nên có khả năng nén ép cao, tạo nhiệt độ cao, và khả năng trương nở sản phẩm Ưùng dụng tạo ra bánh snack, thức ăn nổi, loại thức ăn nhanh (RTE cereal), bánh phồng (crispbread),

1.2.3.2.2 Cách phân loại máy ép đùn dựa vào nguồn sinh nhiệt

Theo Raiz (2000), có thể chia ra làm những loại sau:

+ Máy ép đùn đoạn nhiệt: nguồn nhiệt trong máy ép này chủ yếu từ năng lượng ma sát Độ ẩm sử dụng trong khi vận hành máy ép đùn này khá thấp (8 –

+ Máy ép đùn đẳng nhiệt: nhiệt độ của nguyên liệu bằng nhau dọc theo chiều dài thiết bị

+ Máy ép đùn phân bố nhiệt: Loại máy ép đùn này có gắn thêm thiết bị vỏ áo nhằm tạo nên các vùng nhiệt độ khác nhau dọc theo chiều dài thiết bị và tùy theo đặc thù của từng loại sản phẩm tạo ra mà sự phân bố này là khác nhau

1.2.3.3 Các loại máy ép đùn sử dụng trong thực tế

1.2.3.3.1 Máy ép đùn trục vít đơn không phân đốt

Hình 1.8 – Hệ thống ép đùn trục vít đơn

Trục

máy

liệu

Thiết bị làm ẩm

Thiết bị vỏ áo gia nhiệt Khuôn cối

Trục vít có đường kính trục tăng dần

Bộ phận hộp số giảm tốc

Bộ phận cung cấp hơi

Vùng vận chuyển Vùng nhào trộn Vùng nóng chảy

Máy ép trục vít đơn này có tính năng nhào trộn kém, nên nguyên liệu phải được trộn ẩm sơ bộ trước khi đưa vào máy ép Quá trình này được thực hiện trong thiết bị trộn ẩm (hình 1.8) Thiết bị trộn ẩm là bộ phận phụ trong máy ép đùn Nguyên liệu được trộn đều với nước hoặc hơi nước đến khi đạt độ ẩm cần thiết thì lập tức đưa khối nguyên liệu vào thiết bị ép đùn

Cấu tạo của thiết bị ép đùn này gồm có trục vít, buồng vít xoắn, thiết bị vỏ áo, khuôn ép, dao cắt, Trục vít là một bộ phận quan trọng của thiết bị ép đùn vì nó không những quyết định đến năng suất mà còn tác động đến chất lượng sản phẩm tạo ra Cấu hình của trục vít gồm có bước vít, đường kính lõi

trục vít, guồng xoắn, và những thanh chặn Ngoài ra, xung quanh buồng vít xoắn có bọc thêm thiết bị vỏ áo để gia nhiệt hoặc làm nguội cho thiết bị Tùy vào yêu cầu chất lượng sản phẩm mà người ta gia nhiệt hay làm nguội

1.2.3.3.2 Máy ép đùn trục vít đơn phân đốt

Hình 1.9 – Máy ép đùn trục vít đơn phân đốt

Khác với loại máy ép đùn ở phần trên, đường kính trục vít của loại này không đổi, bước vít thay đổi (hình 1.9) và bên trong thành thiết bị xẻ rãnh dọc hoặc xẻ rãnh hình xoắn ốc dọc theo chiều dài thiết bị Do tính đặc thù này, vật liệu di chuyển trong thiết bị bị nén ép, nhào trộn rất lớn Trục vít phân đốt này có ưu điểm là dể chế tạo, dễ dàng thay thế, ít tốn chi phí khi trục vít bị bào mòn

1.2.3.3.3 Máy ép đùn trục vít có cánh guồng đứt quãng

Hình 1.10 – Máy ép đùn trục vít đơn có cánh guồng đứt quãng

Khác với hai loại máy ép đùn trước, trục vít máy ép đùn này có cánh guồng đứt đoạn Một thanh tròn được gắn vào buồng vít xoắn và lắp vào kẻ hở của cánh guồng (hình vẽ) Với cấu tạo như vậy, vật liệu bị nhào trộn mạnh đều và sinh nhiệt ma sát lớn

1.2.3.3.4 Máy ép đùn trục vít đôi

Hình 1.11 – Máy ép đùn trục vít đôi

Theo quan điểm phân loại của Happer, Riaz (2000) Máy ép đùn trục vít đôi có thể phân loại dựa vào chiều quay của từng trục vít và mức độ khớp nhau (intermeshing):

+ Máy ép đùn trục vít đôi quay cùng chiều

+ Máy ép đùn trục vít đôi quay ngược chiều

Loại máy ép đùn thứ nhất, chiều quay của 2 trục vít ngược chiều nhau trong khi đó loại thứ hai, chiều quay của 2 trục vít là cùng chiều và thường được sử dụng nhiều trong thực tế do có sản lượng lớn Trong 2 loại máy ép đùn này khi phân loại theo mức độ khớp nhau chia ra: loại có vị trí trục vít khớp vào nhau và loại có trục vít không khớp vào nhau Các loại thiết bị này được mô tả và bàn luận kỹ hơn được trình bày trong phần phụ lục I.3

Như vậy, có rất nhiều dạng máy ép đùn có cấu tạo khác nhau như đã được

trình bày ở trên Sự khác nhau chủ yếu giữa các loại với nhau là cấu tạo của trục vít tức là nguồn sinh nhiệt cung cấp cho vật liệu để thực hiện những phản ứng biến đổi tạo thành tính chất đặc thù cho chế phẩm Tùy theo yêu cầu của sản phẩm và năng suất thiết bị mà người sử dụng chọn loại thiết bị phù hợp

Do tính chất đặc thù thức ăn viên cá mú chấm cam là chìm chậm, nên quá trình ép đùn phải thực hiện ở nhiệt độ cao Nguyên liệu di chuyển trong máy ép ép đùn bị chuyển hóa trước khi bị đùn ép qua khuôn tạo thành sản phẩm Việc nghiên cứu, tìm hiểu thiết bị ép đùn định hướng cho việc cải tiến thiết bị sản xuất thức ăn nuôi tôm thành thiết bị ép đùn sản xuất thức ăn chìm chậm hoặc nổi Do đó, ở luận văn này, thiết bị tạo viên nuôi tôm đã được cải tiến bộ phận trục vít và gắn thêm những thanh điện trở xung quanh thành thiết bị dùng để tiến hành thí nghiệm

1.3 Thành tựu nghiên cứu kỹ thuật ép đùn

Trong kỹ thuật ép đùn, có rất nhiều biến số ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm tạo thành Tùy theo nhu cầu sử dụng mà sản phẩm phải đáp ứng yêu cầu riêng về độ bền trong nước, màu sắc, mùi vị, dung trọng, độ chìm, nổi, vv

Trong quá trình chế biến, vật liệu di chuyển bên trong thiết bị dần biến đổi lý hóa dưới ảnh hưởng của các thông số đầu vào Các thông số này được chia thành làm hai loại: thông số công nghệ và thông số nguyên liệu Sự tương quan giữa các thông số này làm cho vật liệu bị biến tính, và tạo thành những sản phẩm có đặc tính riêng biệt Để có thể hiểu rõ sự tương quan này, cần thiết phải phân lập từng yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

1.3.1 Aûnh hưởng của thành phần nguyên liệu

Đây là một yếu tố đầu tiên và rất quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Sản phẩm tạo thành có những đặc tính như độ hòa tan trong nước, độ chìm hoặc nhanh, chậm hoặc nổi, chính là do cách thức lựa chọn thành phần nguyên liệu trong công thức phối trộn (Charles C.Botting,1991; S.J.Kaushik, 2001) Tính chất hóa lý như kích thước, hình dáng hạt, độ chìm, đặc tính lưu biến, dung trọng của bột, độ hấp thụ, cũng như hàm lượng protein, loại tinh bột góp phần tạo nên những tính chất đặc trưng cho nguyên liệu

Theo Riaz (2000), kích thước hạt vật liệu được nghiền trước khi cho vào máy ép đùn phải qua rây 20 mesh, nhưng tốt nhất là loại qua rây 40 mesh Nếu có bất kỳ hạt vật liệu nào có kích thước lớn hơn 20 mesh, thì quá trình phá vỡ hạt không hoàn toàn Ngoài ra, kích thước vật lý của từng hạt tinh bột khác nhau dẫn đến tính chất cơ lý khác nhau như nhiệt độ hồ hóa Hạt tinh bột có kích thước càng nhỏ càng dễ dàng nâng nhiệt độ hạt đến nhiệt độ nóng chảy tới hạn Điều này có thể thấy rõ ràng khi làm nóng chảy tinh bột gạo và tinh bột lúa mì hoặc tinh bột ngô (R.Guy, 2000) Vì hạt tinh bột gạo có kích thước nhỏ nhất, 2µm còn tinh bột lúa mì, bắp có kích thước lớn hơn lần lượt là 5 µm, 10µm (H.M.Anh, 2005) Hình 1.12 dưới được chụp dưới kính hiển vi điện tử cho thấy rõ điều đó

Các loại tinh bột khác nhau ảnh hưởng khác nhau đến chất lượng sản phẩm như độ trương nở (Mercier and Feillet,1975; Launay và Lisch,1983) Tinh bột là hỗn hợp của hai loại glucan: amylose và amylosepectin Hầu hết các loại tinh bột đều chứa từ 20 – 30% amylose, nhưng cũng có loại hạt có hàm lượng amylose trong tinh bột chiếm tới 50% (bắp) hoặc chiếm 100% amylopectin (bắp sáp) Hình so sánh 1.13 cho thấy rõ điều đó

Hình 1.12 – Hạt tinh bột từ các nguồn khác nhau

Hình 1.13 – Độ trương nở của các loại nguyên liệu khác nhau

Thí nghiệm của Kaushik và Melsion [31] cho thấy: khi pha trộn thêm một lượng gluten đáng kể vào thành phần hỗn hợp ban đầu thì sản phẩm tạo thành có dung trọng nhỏ hơn, tốc độ chìm trong nước chậm hơn so với thành phần hỗn hợp ban đầu nhưng độ hòa tan lại ít hơn (bảng 1.1) Điều này đã góp phần nâng cao hiệu quả cho ăn và sự tăng trưởng cho vật nuôi cũng như giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước đáng kể

Bảng 1.1 - Aûnh hưởng thành phần đến đặc tính vật lý viên thức ăn