TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LẠNH THỰC PHẨM
THỰC TRẠNG CÔNG NGHỆ LẠNH THỰC PHẨM
1.1.1 Tình hình ngành công nghiệp đông lạnh thực phẩm trên thế giới
Ngành công nghiệp đông lạnh thực phẩm đang phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu toàn cầu ngày càng tăng Theo báo cáo của Hiệp hội Kho lạnh quốc tế (IARW) năm 2010, công suất kho lạnh toàn cầu ước tính khoảng 458 triệu m³, trong đó kho lạnh công chiếm 310 triệu m³ Top 25 kho lớn nhất thế giới năm 2010 có tổng công suất khoảng 83,32 triệu m³, tăng 4,4% so với năm trước Đặc biệt, 25 kho lớn nhất khu vực Bắc Mỹ chiếm 70,72 triệu m³, tăng 2,85% so với năm 2009 Báo cáo này được thu thập từ hơn 40 quốc gia, bao gồm cả các nước mới nổi và đang phát triển.
Bản báo cáo cũng chỉ ra rằng các nước có mức tăng trưởng lớn là Pháp, Đức,
Hà Lan, Tây Ban Nha và Brazil ghi nhận mức tăng trưởng 15% so với năm 2006, cho thấy xu hướng ngày càng tăng đối với các kho lạnh nhằm phát triển thương mại và tiêu thụ sản phẩm đông lạnh Báo cáo cũng cung cấp cái nhìn chi tiết về ngành công nghiệp lưu trữ lạnh tại các nước Châu Á, đặc biệt là Ấn Độ và Trung Quốc, nơi đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn một thập kỷ qua Cụ thể, Trung Quốc đã tăng hơn 20% năng lực lưu trữ lạnh, trong khi năng lực của Ấn Độ cũng đã tăng gấp đôi.
1.1.2 Tình hình ngành công nghiệp đông lạnh thực phẩm ở Việt Nam
Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp đông lạnh thực phẩm tại Việt Nam đã có những bước tiến mạnh mẽ với sự đầu tư vào các kho lạnh lớn, đáp ứng nhu cầu xuất nhập khẩu Nổi bật là các kho lạnh có sức chứa trên 10.000 tấn tại Bình Dương, Thành phố Hồ Chí Minh và Long An, như kho Swire với sức chứa 20.000 tấn tại khu công nghiệp Sóng Thần, Bình Dương Dự kiến vào tháng 7 năm 2011, kho lạnh 30.000 tấn của công ty Hùng Vương tại khu công nghiệp Tân Tạo sẽ đi vào hoạt động, bên cạnh kho lạnh 12.000 tấn hiện có Tuy nhiên, hiện tại các kho lạnh đang hoạt động hết công suất nhưng vẫn không đủ đáp ứng nhu cầu thị trường cho các mặt hàng đông lạnh.
Các kho lạnh tại Việt Nam đóng vai trò quan trọng trong logistics ngành xuất khẩu thủy sản và rau củ quả Ngoài ra, chúng còn cung cấp dịch vụ lưu kho cho nhiều mặt hàng nhập khẩu khác như kem, thịt, sản phẩm từ sữa, gia cầm, nguyên liệu thực phẩm công nghiệp, cũng như trái cây đông lạnh và tươi.
Trong những năm tới, các công ty như Swire Cold Storage, Seaprodex Sài Gòn và Preferred Freezer Services (PFS) sẽ đầu tư mạnh mẽ vào kho lạnh có công suất lớn nhằm hỗ trợ các nhà chế biến và xuất khẩu nông, thủy sản Điều này không chỉ tạo nền tảng quan trọng cho kinh tế Việt Nam mà còn đảm bảo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm và thiết lập mối liên kết liên tục trong chuỗi trữ lạnh giữa Việt Nam và các quốc gia khác trên thế giới.
Mặc dù ngành công nghiệp thực phẩm đông lạnh Việt Nam đã có những bước phát triển đáng kể, nhưng tiềm năng xuất khẩu thủy sản của quốc gia này vẫn chưa được khai thác triệt để Theo các số liệu khảo sát, bao gồm cả từ Liên Hợp Quốc, tiềm năng xuất khẩu thủy sản của Việt Nam ước tính từ 10 đến 15 tỷ USD, trong khi hiện tại mới chỉ đạt 4,3 tỷ USD vào năm 2009, tương đương 10 triệu tấn Dự kiến xuất khẩu trong năm 2010 chỉ đạt khoảng 600 triệu USD, tức là mới chỉ đạt 15% so với tiềm năng thực sự.
Nguyên nhân của tình trạng giảm chất lượng thực phẩm ở Việt Nam là do công nghệ chế biến lạnh còn kém phát triển Việc chưa có khái niệm chuỗi lạnh trong chế biến thực phẩm là một yếu tố quan trọng dẫn đến vấn đề này.
Trong quá trình vận chuyển nông sản, Việt Nam gặp khó khăn do thiếu phương tiện vận tải và thiết bị làm lạnh sơ bộ Khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam cùng với khoảng cách từ nơi thu hoạch đến nhà máy sản xuất, chế biến tương đối xa, khiến sản phẩm nông sản mất từ 6 đến 48 giờ mới đến được tay người tiêu dùng.
MÔ HÌNH TOÁN HỌC NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG THỰC PHẨM
Quy trình làm lạnh cấp đông cho sản phẩm thủy sản tại Việt Nam hiện nay còn lạc hậu, chủ yếu dựa vào công nghệ của các nước như Liên Xô, Úc, Mỹ và Châu Âu, nhưng không phù hợp với đặc điểm hóa lý và dinh dưỡng của thực phẩm Việt Nam Điều này dẫn đến chất lượng sản phẩm không ổn định và mức hao hụt lớn sau chế biến, cũng như tiêu tốn năng lượng nhiều hơn so với các quốc gia trong khu vực như Thái Lan và Ấn Độ Nguyên nhân chủ yếu là do nghiên cứu về công nghệ lạnh thực phẩm tại Việt Nam còn hạn chế, thiếu sự kết nối giữa các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau Do đó, cần có nghiên cứu hệ thống và sâu rộng về công nghệ lạnh đông thực phẩm, tập trung vào các thông số như nhiệt độ, tốc độ gió, thời gian làm lạnh và mật độ dòng nhiệt để cải thiện chất lượng sản phẩm.
1.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG THỰC PHẨM
Quá trình cấp đông thực phẩm là một quá trình truyền nhiệt phức tạp giữa thực phẩm và môi trường cấp đông, được mô tả qua các định luật bảo toàn năng lượng và khối lượng cũng như định luật Fourier về dẫn nhiệt Thực phẩm có tính chất không đồng nhất và không đẳng hướng, với hình dạng phức tạp và phân bố nhiệt độ thay đổi theo thời gian và tọa độ Hiện nay, nhiều nghiên cứu chỉ dừng lại ở mức độ nhất định, chủ yếu tập trung vào thời gian cấp đông và trường nhiệt độ, trong khi ít khi xem xét đến phụ tải lạnh thay đổi theo thời gian Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu quá trình truyền nhiệt giữa thực phẩm và môi trường cấp đông trong thiết bị đông gió (Air blast freezer).
Stefan (1889) đã phát triển phương trình vi phân dẫn nhiệt tổng quát để mô tả quá trình làm lạnh cấp đông thực phẩm, áp dụng cho phân tố có tọa độ vectơ r tại thời điểm τ.
Nhiệt dung riêng c(t), khối lượng riêng ρ(t) và hệ số dẫn nhiệt λ(t) của đối tượng đều phụ thuộc vào nhiệt độ.
– nguồn nhiệt trong tại phân tố toạ độ vector r
Nghiệm của phương trình (1.1) sẽ cho trường nhiệt độ trong không gian ba chiều
Trong quá trình lạnh đông thực phẩm, nước trong thực phẩm chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn, và nhiệt ẩn tỏa ra trong quá trình này là nguồn nhiệt trong q(τ) Khi nhiệt độ vượt quá nhiệt độ kết đông ban đầu (t > tf), nguồn nhiệt trong q(τ) bằng 0 Tuy nhiên, khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết đông ban đầu, quá trình chuyển pha từ lỏng sang rắn diễn ra, với nhiệt ẩn tỏa ra được coi là nguồn nhiệt bên trong và có thể được biểu diễn bằng công thức: q( ) x (t)L(t)wo .
(1.2) Thay phương trình (1.2) vào phương trình (1.1) ta được phương trình sau:
(1.3) Trong đó: xwo, ω, L(t) lần lượt là thành phần khối lượng nước ban đầu, thành phần băng trong thực phẩm, nhiệt ẩn đông đặc phụ thuộc nhiệt độ.
TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA THỰC PHẨM
Để xác định trường nhiệt độ và thời gian cấp đông của thực phẩm trong bài toán (1.1), cần nắm rõ các tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm, bao gồm khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, entanpi, hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn nhiệt độ Những tính chất này phụ thuộc vào thành phần hóa học, cấu trúc và nhiệt độ của thực phẩm Để dự đoán chính xác, cần có mô hình toán học phù hợp với nhiệt độ và dữ liệu về các thành phần chính như nước, protein, chất béo, cacbon hydrat, chất xơ, tro và nước đá khi đông lạnh.
Tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm dễ đoán hơn khi nhiệt độ vượt quá nhiệt độ kết đông ban đầu Dưới điểm kết đông, các thông số này biến đổi mạnh mẽ trong quá trình đóng băng Thực phẩm chứa nhiều nước, do đó thành phần nước ảnh hưởng lớn đến tính nhiệt vật lý Đối với rau quả, hàm lượng nước thay đổi theo loại cây trồng, giai đoạn phát triển, độ chín và điều kiện thu hoạch Còn với thịt và cá, các yếu tố như giống nòi, tuổi tác, điều kiện chăn nuôi và phương pháp giết mổ cũng tác động đến hàm lượng nước Khác nhau giữa các phần của thịt và cá cũng dẫn đến sự biến đổi về hàm lượng nước, cho thấy vai trò quan trọng của nước trong các thông số nhiệt vật lý của thực phẩm.
Trên thế giới, nhiều tài liệu nghiên cứu đã đề cập đến các mô hình toán học liên quan đến tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm, nhưng chủ yếu tập trung vào từng thành phần riêng lẻ Các thông số nhiệt vật lý của các thành phần này thường được nghiên cứu kỹ lưỡng và xây dựng dưới dạng mô hình chính xác Tuy nhiên, một số nghiên cứu về mô hình tính chất nhiệt vật lý của toàn bộ khối thực phẩm đã trở nên lạc hậu, vì chúng thường dựa vào phương pháp thực nghiệm mà không có nền tảng lý thuyết vững chắc, dẫn đến sai số lớn từ vài chục đến vài trăm phần trăm.
Khối lượng riêng là một khái niệm đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong vật lý và hóa học, với độ chính xác cao và công thức tính toán ổn định Tuy nhiên, nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ, dẫn đến những kết quả chưa đáp ứng được yêu cầu của các nhà nghiên cứu và thiết kế.
Nhiệt dung riêng của thực phẩm được xác định dựa trên các giá trị trung bình trước và sau điểm đóng băng ban đầu (ASHRAE-2002) Khi nhiệt độ vượt quá điểm đóng băng, các giá trị trung bình này có thể được áp dụng, nhưng dưới nhiệt độ đó, đặc biệt là gần điểm băng, độ sai lệch trở nên lớn và giá trị không còn chính xác Các mô hình hiện tại chủ yếu dựa vào thực nghiệm thông qua việc xây dựng phương trình hồi quy cho kết quả thí nghiệm, trong khi các mô hình lý thuyết vẫn tồn tại một số bất hợp lý.
Hệ số dẫn nhiệt trong thực phẩm rất phức tạp với nhiều mô hình khác nhau Các thành phần khí trong thực phẩm có hệ số dẫn nhiệt nhỏ, ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt Chiều dòng nhiệt trong thực phẩm cũng thay đổi do cấu trúc của các thớ thực phẩm Một số mô hình chỉ áp dụng cho dẫn nhiệt một chiều, không phản ánh đúng thực tế Để giải quyết vấn đề làm lạnh và cấp đông thực phẩm, cần xác định hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng, điều mà các mô hình hiện tại chưa làm được Hơn nữa, các nghiên cứu thực nghiệm về dẫn nhiệt của thực phẩm, đặc biệt là thịt và cá, còn hạn chế và chưa chính xác ở nhiệt độ dưới điểm đông.
Các thông số nhiệt vật lý của thực phẩm vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ và chính xác Luận văn này giới thiệu mô hình nhiệt vật lý của thực phẩm dựa trên các nghiên cứu mới nhất về các thông số này.
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN MÔ PHỎNG
Các phương pháp giải bài toán cấp đông được phân loại thành ba nhóm: phương pháp giải tích, phương pháp dựa vào kinh nghiệm và phương pháp số Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào đối tượng mô phỏng và công cụ kỹ thuật sử dụng Phương pháp giải tích cho kết quả chính xác nhưng thường đơn giản hóa thực tế, dẫn đến sai số lớn Phương pháp kinh nghiệm cung cấp câu trả lời nhanh, thường dùng trong tính toán tay và bảng tính, nhưng chỉ định hướng về thời gian cấp đông mà không xác định được nhiệt độ Ngược lại, phương pháp số có khả năng đưa ra dự đoán chính xác cho nhiều trường hợp, mặc dù độ chính xác vẫn bị hạn chế do chưa nắm bắt đầy đủ các yếu tố liên quan như tính chất thực phẩm và hình dạng Đối với các vấn đề phức tạp như kết đông kèm theo truyền nhiệt và truyền chất, phương pháp số luôn là sự lựa chọn ưu tiên.
1.4.1 Các phương pháp nghiên cứu bài toán cấp đông thực phẩm trên thế giới a, Phương pháp của Plank
Phương trình của Plank được rút ra từ phương trình cân bằng năng lượng Phương trình dẫn nhiệt qua lớp băng được viết như sau: s f
(1.4) Mặt khác ta cũng có thể viết phương trình cân bằng nhiệt như sau: m s q A(t t ) (1.5)
Từ hai phương trình (1.4) và (1.5) ta thu được phương trình sau: m f t I t t t q R ( X 1 )
Rt – nhiệt trở tổng, Rt I
Mặt khác ta có thể tính được lượng nhiệt ẩn đóng băng thoát ra là: v q AdX L
dt (1.7) Với dX/dt là vận tốc của bề mặt đóng băng
Từ hai phương trình (1.6) và (1.7) ta thu được phương trình sau: f v
(1.8) Đưa về dạng tích phân: t f a /2 v f I
Dạng phổ biến của phương trình Plank có thể được viết như sau:
Trong công thức (1.10), các yếu tố quan trọng bao gồm tf, nhiệt độ đóng băng ban đầu của sản phẩm; ts, nhiệt độ bề mặt của sản phẩm; và λI, hệ số dẫn nhiệt của thành phần thực phẩm đã đóng băng.
X – chiều dày của thực phẩm đã kết đông; α – hệ số trao đổi nhiệt đối lưu;
A – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt; tm – nhiệt độ môi trường xung quanh;
Lv – nhiệt ẩn đông đặc; ρ – khối lượng riêng của thực phẩm;
P, R – hệ số hình dạng của thực phẩm
Bảng 1-1 Hệ số phụ thuộc hình dạng trong phương trình Plank
Tấm phẳng Hình trụ vô hạn Hình cầu
Phương trình tính toán thời gian đông lạnh thực phẩm của Plank rất đơn giản và thuận lợi, song có những mặt hạn chế như sau:
Bỏ qua lượng nhiệt hiện ở giai đoạn cần thiết trên điểm kết đông ban đầu;
Không xem xét đến sự dịch chuyển từ từ của nhiệt ẩn trên toàn bộ giải nhiệt độ của quá trình đóng băng;
Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm được xem là không đổi;
Giả thiết rằng thực phẩm hoàn toàn ở pha lỏng, đồng chất, đẳng hướng
Hình 1-1 Hình vẽ biểu diễn các thông số cơ bản cho phương trình của Plank
Mặc dù phương pháp của Plank có những hạn chế, nhưng đây vẫn là phương pháp cơ bản và dễ hiểu nhất để tính toán thời gian cấp đông thực phẩm, giúp tiếp cận các phương pháp khác một cách rõ ràng hơn Nhiều cải tiến đã được đề xuất để nâng cao độ chính xác của phương trình Plank Ngoài ra, Phạm Quang Tuấn đã phát triển phương pháp riêng của mình, chia thành ba giai đoạn: làm lạnh sơ bộ, biến đổi pha và giữ sản phẩm ở nhiệt độ yêu cầu.
Trong nghiên cứu của Phạm Quang Tuấn, công thức tính toán liên quan đến kích thước xác định của thực phẩm (ai), hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm chưa đóng băng (λu) và nhiệt độ ban đầu của thực phẩm (ti) được trình bày với công thức: 3 = 6, t f, ave = t f – 1,5.
Phương pháp cải tiến của ông được phát triển dựa trên việc tính toán tổng ba giai đoạn: làm lạnh sơ bộ, biến đổi pha và giai đoạn giữ ở nhiệt độ yêu cầu Hệ số hình dạng thực phẩm E được tham khảo từ tài liệu khác Phương pháp này áp dụng cho quá trình kết đông và rã đông, cho các đối tượng có kích thước giới hạn và hình dạng bất kỳ, bằng cách coi chúng tương đương với một vật thể có dạng elip Các giả thiết được sử dụng để phát triển phương pháp này rất quan trọng trong việc đảm bảo tính chính xác của kết quả.
Nhiệt độ ban đầu của sản phẩm đồng đều, và có giá trị là ti
Điều kiện biên là giống nhau và không đổi xung quanh sản phẩm
Nhiệt độ cuối cùng của sản phẩm là một giá trị t cố định
Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu tuân theo định luật Niuton
Thời gian kết đông của thực phẩm rộng vô hạn được cho như sau:
Phương trình (1.12) đúng trong điều kiện 0,02 < NBi < 11; 0,01 < NSte
