tìm hiều và tính toàn thiết kế thiết bị thanh trùng nho ép ống chùm nối với nhau dạng ống lồng ống Với nền kinh tế ngày càng phát triển thì con người càng có nhu cầu nhiều hơn về thực phẩm, đặc biệt về mặt thức uống có nguồn gốc gần với tự nhiên được ưa chuộng để chăm sóc sức khỏe, làm đẹp. Trong những năm gần đây ở Việt Nam, ngành trồng trọt các loại cây ăn quả ngày càng được chú trọng và phát triển, các loại cây ăn quả giá trị dinh dưỡng và năng suất cao như bưởi, xoài, nhãn, sầu riêng, mãng cầu, nho,... cũng đang được nhân rộng và phổ biến hơn. Từ đó, các nhà sản xuất ở nước ta đã không ngừng nghiên cứu để đưa ra thị trường nhiều loại thức uống đa dạng và phong phú trong đó không thể không kể đến nước trái cây.Nó là một sản phẩm nhiều lợi ích và dinh dưỡng. Nhưng bên cạnh đó sản phẩm này rất dễ hư hỏng nếu không được bảo quản cũng như có chế độ xử lý thích hợp. Vì thế chúng em chọn đề tài là “Tính toán và thiết kế hệ thống ống chùm dạng ghép để thanh trùng nước nho ép ” để hiểu hơn về công nghệ sản xuất sản phẩm này đồng thời tìm ra phương pháp thanh trùng thích hợp để bảo quản sản phẩm được lâu hơn và nâng cao độ an toàn cho người sử dụng.
TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM NƯỚC NHO ÉP
Tổng quan về nước quả
I.1.1 Phân loại và định nghĩa nước quả
- Dựa vào quy mô chế biến:
+ Nước uống trái cây quy mô gia đình: là nước uống chế biến tại gia đình nhằm mục đích giải khát và cung cấp một nguồn dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể như vitamin, khoáng, bổ sung chất xơ ngoài ra còn có tác dụng thanh nhiệt, lợi tiểu, tiêu hóa thức ăn
+ Nước uống trái cây quy mô công nghiệp: cũng như nước trái cây quy mô gia đình, sản xuất nước trái cây quy mô công nghiệp với mục đích giải khát, dinh dưỡng và chữa bệnh Tuy nhiên về mặt dinh dưỡng thì thấp hơn do trong quy trình chế biến, một số chất dinh dưỡng đã mất đi nên nó được dùng chủ yếu với mục đích giải khát Nước trái cây đóng hộp rất tiện lợi, thích hợp cho cuộc sống ngày nay.
- Dựa vào phương pháp chế biến:
+ Nước quả tự nhiên: là sản phẩm được chế biến từ một loại quả không pha thêm đường hoặc bất cứ phụ gia nào Nước quả tự nhiên dùng để uống trực tiếp hoặc chế biến các loại nước ngọt, rượu mùi Nước các loại quả chua khi uống phải thêm đường
Có hai loại là nước ép và dịch quả nghiền (puree).
+ Nước quả hỗn hợp: là sản phẩm được chế biến từ 2 hay nhiều loại quả pha trộn với nhau Lượng nước quả pha thêm không quá 35% so với nước quả chính.
+ Nước quả pha đường: là sản phẩm được chế biến bằng cách phối chế nước quả tự nhiên với syrup.
+ Nước quả cô đặc: chế biến bằng cách cô đặc nước ép quả tự nhiên theo phương pháp đun nóng (bốc hơi) hay phương pháp lạnh đông (tách nước đá) Nước quả cô đặc có lợi hơn là đỡ tốn bao bì, kho hàng, vận chuyển và ít bị sinh vật làm hỏng.
- Theo phương thức bảo quản:
+ Nước quả thanh trùng: sản phẩm được đóng vào bao bì kín và được thanh trùng bằng nhiệt (có thể thanh trùng trước hoặc sau khi rót vào bào bì).
+ Nước quả làm lạnh: nước quả dạng này được bảo quản lạnh hoặc lạnh đông.
+ Nước quả nạp khí CO2: dạng nước quả nạp khí CO2 để ức chế hoạt động của vi sinh vật.
- Theo trạng thái sản phẩm:
+ Nước quả dịch trong: loại này đước chế biến bằng cách tách dịch bào ra khỏi mô quả bằng phương pháp ép, sau đó được lắng lọc triệt để để loại hết thịt quả, sản phẩm ở dạng trong suốt, không có lắng thịt quả ở đáy báo bì.
+ Nước quả dạng đục: loại này cũng chế biến bằng cách tách dịch bào ra khỏi mô quả bằng phương pháp ép, sau đó được lắng lọc một phần Sản phẩm nước quả ép dạng đục vẫn còn chứa một lượng thịt quả nhất định trong sản phẩm.
+ Nước quả nghiền (nectar): dạng sản phẩm này được chế biến bằng cách nghiền mịn mô quả cùng dịch bào rồi pha thêm đường, acid thực phẩm cùng một số phụ gia khác Nước quả không có thịt quả có hình thức hấp dẫn hơn, ít bị biến đổi khi bảo quản hơn nước quả có thịt quả.
I.1.2 Tình hình nghiên cứu nước giải khát trong và ngoài nước
- Nước giải khát là một loại đồ uống đóng vai trò rất quan trọng đối với đời sống của con người, ngoài việc cung cấp cho con người một lượng nước đáng kể để tham gia vào quá trình trao đổi chất của tế bào, nó còn bổ sung cho cơ thể một lượng lớn các chất dinh dưỡng Các loại muối khoáng đủ để bù đắp cho những hao hụt về năng lượng và dinh dưỡng đã bị tiêu hao trong các hoạt động sống của con người.
- Ngày nay, khi điều kiện sống của con người ngày càng được nâng cao thì nhu cầu sử dụng nước giải khát ngày càng tăng và đang từng bước chuyển dần từ loại nước giải khát pha chế truyền thống sang sử dụng loại nước giải khát có chứa các chất dinh dưỡng như các loại: Axit amin, vitamin, muối khoáng, được sản xuất từ các loại trái cây Đây được coi là mặt hàng chiến lược chủ yếu của thế kỷ 21, nên nhiều quốc gia như: Mỹ, Hà lan, LB Đức, Nhật, Hàn Quốc, Úc, Thái Lan, Trung Quốc… đã tập trung nghiên cứu và sản xuất được nhiều loại nước giải khát từ các loại trái cây: Ổi, cam, dứa, xoài, cherry, táo, lê, dâu, mơ, nho, vải… có chất lượng rất cao đã mau chóng chiếm lĩnh được thị trường.
- Tuy nhiên việc lựa chọn nguyên liệu để có thể mang lại một loại nước giải khát từ trái cây chất lượng cao, giá cả lại thích hợp cho người tiêu dùng không phải là vấn đề đơn giản và nó cũng đang là vấn đề cấp thiết đối với ngành nước giải khát của Việt Nam Bởi chọn nguyên liệu phải nghiên cứu nguyên liệu có thỏa mãn về thành phần dinh dưỡng, giá cả, mùa vụ, trữ lượng hay không hoặc có phù hợp với công nghệ sản xuất hay không Dù chưa phổ biến nhưng những năm gần đây và trong tương lai nước giải khát từ trái cây sẽ phổ biến hơn.
Nguyên liệu trong sản xuất nước nho ép
- Nho là một trong những cây có nguồn gốc sớm nhất ở Trái Đất Cây nho dại được tìm thấy có nguồn gốc ở vùng Châu Âu, Bắc Mỹ, Trung Mỹ và Tây Bắc của Nam Mỹ thuộc dãy Andes Cho đến nay thì cây nho được trồng trên cả 5 Châu lục, ở vùng ôn đới thì nho thu hoạch mỗi năm một vụ, vùng khí hậu nhiệt đới và bán nhiệt đới cây nho có khả năng sinh trưởng liên tục và cho từ 2,5 – 3 vụ mỗi năm.
- Tại Việt Nam, thông qua Trung tâm khảo cứu Nông nghiệp Ninh Thuận ( trước
1975), cây nho đã được du nhập vào từ Thái Lan, Nam Triều Tiên, Mỹ năm 1971 và trên 70 giống có nguồn gốc là nhiệt đới và ôn đới Sau năm 1975, định hướng phát triển cây nho chưa được chú trọng nên gần như các giống nho đã bị chặt phá Vài năm trở lại đây thì cây nho đã được chú trọng nhiều hơn và lợi dụng được điều kiện tự nhiên tại nước ta, chỉ vài vùng có điều kiện thuận lợi cho việc trồng nho là: Thuận Hải ( Ninh Thuận và Bình Thuận bây giờ ) và Phú Khánh ( Phú Yên và Khánh Hòa bây giờ ) do đặc tính của cây nho là ưa khí hậu khô và nhiều nắng, ưa đất ít chua.
- Theo chiến lược phát triển của ngành nông nghiệp và phát triển nông thôn Ninh Thuận, dự kiến đến năm 2015, diện tích cây nho toàn tỉnh đạt 3.200 ha, trong đó 1.000-1.500 ha trồng giống mới, với tổng sản lượng hơn 60.000 tấn Sở Khoa học và Công nghệ Ninh Thuận cũng đang vào cuộc hỗ trợ nhà vườn ứng dụng khoa học kỹ thuật, sử dụng phân bón hữu cơ và các chế phẩm sinh học để canh tác nhằm nâng cao năng suất, chất lượng nho an toàn Mục tiêu ngày càng khẳng định thương hiệu Nho Ninh Thuận trên thị trường trong nước.
- Nho là một loại quả mọc trên các cây dạng dây leo, thân gỗ hoặc để chỉ chính các loài cây này Các loài cây này thuộc về họ Vitaceae Quả nho mọc thành chùm từ 6 đến 300 quả, chúng có màu đen, vàng, lục, đỏ-tía hay trắng.
Nho Ninh Thuận nổi tiếng với vị ngọt thanh khiết và giá cả hợp với xu hướng người tiêu dùng Nho Ninh Thuận được nhiều người ưa chuộng như vậy là nhờ có các tính chất, chất lượng đặc thù, khác biệt so với các loại nho khác Đặc trưng của nho Ninh thuận là vỏ dày, vị rôn rốt (hơi chua) và có hạt
- Nho Ninh Thuận có rất nhiều loại khách nhau, trong đó có hai giống nho ăn tươi chính là nho đỏ và nho xanh.
Nho đỏ có dạng hình cầu, vỏ quả bóng, rất mỏng, quả chín có màu đỏ tươi đến đỏ đậm, có vị ngọt hài hoà với vị chua nhẹ Trọng lượng quả từ 4,57 - 5,92g/quả, dài từ 18,23-21,21mm, rộng từ 17,27-19,44mm, trọng lượng chùm từ 166,84-254,13g/chùm.
- Nho xanh có dạng hình Oval, vỏ quả có màu xanh vàng nhạt, thịt quả trong, hơi mềm, có vị ngọt đậm đà, chua rất nhẹ, ít chát Trọng lượng quả từ 5,53 - 6,91g/quả, dài từ 21,64 - 27,21, rộng từ 16,22 - 19,4mm, trọng lượng chùm từ 206,86 -400,85g/chùm.
I.2.1.3 Cấu tạo cửa quả nho
Hình I.1: Cấu tạo của quả nho
Cuống nho: Chiếm từ 2 – 5% quả Cuống nho có dạng phân nhánh Các hợp chất hóa học quan trọng trong cuống nho là tannin, cellulose và khoáng Các hợp chất tannin trong cuống không có lợi cho chất lượng sản phẩm, tannin sẽ ảnh hưởng không tốt đến mùi vị của sản phẩm.
Vỏ nho: chiếm 2 – 6 % quả, là phần bao bọc xung quanh quả nho Các thành phần hóa học trong vỏ nho là pectin, chất chát, chất màu ( anthocyances, flavones).
Vỏ nho gồm các lớp:
- Lớp vỏ cutin: lớp cutin thường được bao phủ một lớp sáp bao phủ bên ngoài có tác dụng chống thấm nước, bảo vệ nho trước các chấn thương cơ học, thời tiết, sự mất nước, sự nhiễm nấm mốc và tia cực tím
- Lớp biểu bì (epidermis): gồm một hoặc lớp các tế bào dài xếp chồng lên nhau và độ dày của lớp tùy thuộc vào các giống nho.
- Lớp dưới vỏ (hypodermis): gồm hai vùng phân biệt: vùng các tế bào hình chữ nhật và vùng các tế bào hình đa giác Các tế bào này chứa một lượng các hợp chất phenolic tương đối cao khi nho chín Các hợp chất chủ yếu là tanin, chất màu và chất hương Hàm lượng của các hợp chất này sẽ ảnh hưởng đến hương, vị và màu sắc của quả Do đó, các hợp chất này đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng và cảm quan của sản phẩm.
-Thành tế bào của vỏ nho (CW): được cấu thành từ các polysaccharide trung tính (cellulose, xyloglucan, arabinan, galactan, xylan và manan), 20% các chất pectin acid (62% là dạng methyl ester) khoảng 15% proanthocyanidin không tan, và < 5% protein cấu trúc CW được xây dựng bởi ba lớp màng chung: phiến mỏng bên ngoài, CW chính và CW thứ cấp
+ Phiến mỏng bên ngoài có chức năng liên kết các tế bào với nhau, chủ yếu được cấu thành từ pectin
+ CW chính là thành tế bào dày hơn phiến mỏng bên ngoài Nó bao gồm ba thành phần Thành phần đầu tiên bao gồm cellulose cơ bản (8 - 25%) và xyloglucan (25- 50%) đóng vai trò là lớp khung suờn thành tế bào Thành phần này nằm đang xen vào trong một mạng lưới của thành phần thứ hai, đó là polysaccharide pectin (10-35%) Phần thứ ba là các protein cấu trúc (10%)
+ CW thứ cấp là lớp thành dày hơn cả lớp thành chính, được cấu thành chủ yếu từ các vi sợi cellulose, được tổ chức thành các bó song song nhau (40-80%) CW thứ cấp cũng chứa hemicellulose (10-40%), pectin và một số lignin (5-25%) Các nghiên cứu gần đây cho rằng các hợp chất phenol có liên kết phức tạp với các polysaccharide của
CW, được nhốt trong các không bào hay liên kết với nhân tế bào bằng các liên kết hóa học hay các tương tác vật lý.
Thịt nho chiếm 80 – 85% quả Thịt nho là thành phần quan trọng để tạo nên dịch nho Thịt nho được chia làm các phần: phần bên ngoài bao gồm các mô nằm giữa hypodermis và bộ phận ngoại biên, phần bên trong là các mô giới hạn giữa bộ phận ngoại biên và bộ phận quanh trục Hầu hết các tế bào của phần thịt có hình tròn hay dạng trứng chứa không bào lớn và các hợp chất phenol.
Hạt nho chiếm 7 – 11 % quả Hạt gồm có 3 phần chính: vỏ hạt, nội nhũ và phôi Cũng như hầu hết các hạt khác, nội nhũ chiếm phần lớn các hạt nho và phục vụ để nuôi dưỡng phôi thai trong thời gian đầu phát triển Vỏ hạt chứa một lượng tannin tương đối cao Ngoài ra trong hạt nho còn có dầu, nếu bị lẫn vào nước dịch quả thì sẽ giảm đi giá trị cảm quan của sản phẩm.
I.2.2 Giá trị dinh dưỡng của quả nho
Tổng quan công nghệ thanh trùng, lựa chọn thiết bị, chế độ công nghệ thanh trùng
Tổng quan công nghệ thanh trùng
Thanh trùng là quá trình tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh trong thực phẩm và ức chế quá trình sinh tổng hợp độc tố của chúng Chế độ xử lý trong quá trình thanh trùng nhẹ nhàng hơn so với quá trình tiệt trùng Do đó quá trình thanh trùng không làm tổn thất đáng kể chất dinh dưỡng và cảm quan của thực phẩm Tuy nhiên sau quá trình thanh trùng, hệ vi sinh vật trong thực phẩm vẫn chưa bị tiêu diệt hết, đặc biệt là nhóm vi sinh vật chịu nhiệt và vi sinh vật có khả năng sinh bào tử Một số vi sinh vật có khả năng sinh độc tố gây bệnh cho người đôi khi vẫn còn tồn tại trong thực phẩm sau quá trình thanh trùng.
II.1.2 Các phương pháp thanh trùng
Hiện nay có rất nhiều phương pháp thanh trùng: thanh trùng bằng phương pháp nâng cao nhiệt độ, thanh trùng bằng thuốc sát trùng, bằng siêu âm, bằng các tia ion hóa, trong đó phương pháp thanh trùng bằng cách nâng cao nhiệt độ là có nhiều ưu điểm và đang được sử dụng phổ biến hơn cả.
Các thiết bị thanh trùng đều làm việc theo nguyên lý nâng cao nhiệt độ hợp lý để có thể tiêu diệt được hoàn toàn vi trùng, hệ sinh vật thông thường, hệ sinh vật gây bệnh với điều kiện làm thay đổi ít nhất đến cấu trúc, tính chất hóa lý, hóa sinh, hệ enzym và các chất dinh dưỡng, vitamin của nước sữa gạo.
Căn cứ vào nhiệt độ thanh trùng mà người ta chia ra 3 phương pháp: phương pháp thanh trùng ở nhiệt độ thấp (pasteurization), phương pháp thanh trùng ở nhiệt độ cao (Sterillization) và phương pháp thanh trùng ở nhiệt độ siêu cao (Ultra High Temperature, UHT), trong đó phương pháp thanh trùng ở nhiệt độ cao và nhiệt độ siêu cao còn được gọi là phương pháp tiệt trùng.
Phương pháp Pasteurization: nguồn nhiệt được cung cấp là hơi nước có nhiệt độ từ 75–100 o C Phương pháp này có thể tiêu diệt hầu hết các vi sinh vật, nhưng các loại vi sinh vật chịu nhiệt (spore) thì vẫn còn sống sót.
Phương pháp Sterillization: nguồn nhiệt được cung cấp bằng hơi nước nóng ở nhiệt độ 110-130 o C Phương pháp này có thể tiêu diệt hầu hết các vi sinh vật và phần lớn các spore chịu nhiệt Như vậy mức độ tiệt trùng của phương pháp này cao hơn, độ an toàn vi sinh vật cao hơn. Phương pháp Ultra High Temperature (phương pháp nhiệt độ siêu cao kí hiệu UHT): nguồn nhiệt là hơi nước có nhiệt độ 140-160 o C, trong thời gian ngắn khoảng vài giây hoặc vài chục giây.
II.1.3 Phân loại theo thiết bị thanh trùng
- Theo cấu tạo: Thiết bị thanh trùng loại băng tải, loại trục quay, loại thủy lực.
- Theo áp suất tạo ra trong thiết bị: thiết bị thanh trùng ở áp suất khí quyển còn gọi là thiết bị thanh trùng hở nắp và thiết bị thanh trùng làm việc ở áp suất cao hay thiết bị thanh trùng có nắp.
- Theo cách làm việc: thiết bị thanh trùng làm việc liên tục, thiết bị thanh trùng làm việc gián đoạn.
Về cấu tạo thiết bị thanh trùng gồm có hai bộ phận chính: bộ phận gia nhiệt và bộ phận thanh trùng.
- Bộ phận gia nhiệt có nhiệm vụ cung cấp nhiệt để tạo ra nhiệt độ cần thiết cho bộ phận thanh trùng Để gia nhiệt người ta thường dùng hơi nước, khi đó thiết bị gồm có: lò hơi, hệ thống ống dẫn dẫn hơi nước nóng, van an toàn, van điều chỉnh áp suất hơi,
- Bộ phận thanh trùng có nhiệm vụ chuyển nhiệt từ thiết bị sang cho sản phẩm Khi thanh trùng trực tiếp các loại sản phẩm không đóng gói như nước gạo sữa, sữa, nước rau quả,…bộ phận thanh trùng là những bản kim loại mỏng (hình 6 20a) một mặt tiếp xúc với hơi nước nóng một mặt tiếp xúc với sản phẩm hoặc có thể là điện cực, trong đó nhiệt được sinh ra do năng lượng của từ trường.
Khi thanh trùng sản phẩm đóng gói (đựng trong bao bì như hộp sắt, chai, lọ, can nhựa,
…) bộ phận thanh trùng có thể là nồi hơi, trong đó hơi nước được đưa vào từ lò tạo hơi hoặc buồng chứa hơi trong đó hơi nước được cấp vào trực tiếp từ các cột nước nóng. a) dạng bản mỏng; b) dạng điện cực; c) dạng nồi hơi; d) dạng buồng hơi.
Hình II-1 Bộ phận thanh trùng
Tổng quan về thiết bị thanh trùng dùng nhiệt
II.2.1 Yêu cầu kĩ thuật
Các máy thanh trùng bằng tác dụng của nhiệt độ phải đáp ứng các yêu cầu kĩ thuật sau:
- Phải tiêu diệt được các loại vi khuẩn có hại trong sản phẩm, đảm bảo lượng vi khuẩn còn sống sót thấp đến mức không thể phát triển làm hỏng sản phẩm trong thời hạn
- Không làm giảm giá trị sản phẩm bao gồm cả về giá trị dinh dưỡng và giá trị cảm quan
- Các bộ phẩn làm việc của máy khi tiếp xúc với sản phẩm không gây hại cho sản phẩm và không bị sản phẩm ăn mòn
II.2.2 Các thiết bị thanh trùng phổ biến
II.2.2.1 Thiết bị thanh trùng bằng nước làm việc liên tục kiểu băng tải ở áp suất thường. Đối với các loại đồ hộp có kích thước nhỏ và không cần thanh trùng ở nhiệt độ cao trên 100ᴼC và thời gian ngắn thì có thể sử dụng băng chuyền kín làm việc liên tục đi qua các thùng chứa nước nóng để nâng nhiệt và thanh trùng, sau đó qua bộ phận nước làm lạnh hay bộ phận phun nước làm lạnh Thời gian thanh trùng và làm nguội được điều chỉnh vận tốc cảu băng chuyền thiết bị thanh trùng liên tục tương đối đơn giản, dễ dàng điều chỉnh năng suất, thuận lợi cho việc thanh trùng các loại sản phẩm như cà chua cô đặc, vải, nho.
Hình II 1 Thiết bị thanh trùng làm việc liên tục kiểu băng chuyền.
1-Động cơ, hộp giảm tốc dẫn động; 2- Xích vận chuyển; 3- Lớp nước thanh trùng; 4- Ống phun nước lạnh làm nguội; 5- Ống thoát hơi; 6- Thân thiết bị; 7- Đĩa xích; 8- Ống hơi vào; 9- khung máy; 10- thanh gạt hộp
- Cấu tạo: Thiết bị cấu tạo tương đối đơn giản gồm hai bể chứa nước để thanh trùng và làm nguội dài 12m và 6m Giữa hai bể có đoạn trung gian dài 1m để phun nước Bể thanh trùng có đáy gồm hai lớp, lớp ngoài kín, lớp trên tiếp giáp với nước, hộp, bằng lưới Ống cấp hơi nước được bố trí giữa hai lớp này để đốt nóng nước cho quá trình thanh trùng
- Nguyên lí hoạt động : Hộp sau khi ghép mí, cho vào bể thanh trùng, được các thanh gạt gạt đi Tốc độ chuyển động của hộp được quyết định bởi thời gian thanh trùng Ra khỏi bể thanh trùng, hộp được phun nước làm nguội bớt trước khi cho vào bể nước lạnh để làm nguội tiếp đến nhiệt độ 35-40ᴼC rồi đưa đi làm khô.
→ Loại thiết bị này được sử dụng thích hợp cho nhà máy có đồ hộp có năng suất lớn Txhiết bị đơn giản song diện tích chiếm chỗ lớn.
II.2.2.2 Thiết bị thanh trùng tấm bản
Hình II.3 Thiết bị thanh trùng tấm bản hãng APV.
Thiết bị thanh trùng tấm bản là thiết bị trao đổi nhiệt Trong một số nhà máy, người ta sử dụng thiết bị này để thanh trùng sản phẩm như: thanh trùng dịch hoa quả, thanh trùng sữa,…
- Cấu tạo: có thành phần cơ bản là các tấm trao đổi nhiệt Bề mặt gồm nhiều tấm xếp lên một khung đỡ, bên trong co các rãnh để lưu chất chuyển động Vật liệu thường là thép không gỉ, nhôm,
Hình II.4 Nguyên lí hoạt động của thiết bị thanh trùng tấm bản.
- Nguyên lí hoạt động: khi chất lỏng lưu dộng qua các khe rãnh, môi chất sẽ chuyển động duới dạng màng mỏng nên tạo ra hệ số trao đổi nhiệt rất cao tạo điều kiện tốt để đốt nóng hay làm lạnh lưu chất Các tấm thường dặt sông song với nhau tạo ra các khoảng không gian hẹp tạo nên các kênh dẫn riêng biệt cho các môi chất khác nhau.
+Có hệ số truyền nhiệt rất cao, gia nhiệt và làm lạnh nhanh giúp bảo vệ được những chỉ tiêu chất lượng và cảm quan của thực phẩm
+Có thể tăng thêm hay giảm bớt bề mặt truyền nhiệt bằng cách lắp thêm hoặc giảm bớt số tấm truyền nhiệt một cách nhanh chóng và dễ dàng.
+Dễ tháo lắp khi làm vệ sinh bề mặt truyền nhiệt bằng phương pháp cơ học.
+ Chế tạo các tấm truyền nhiệt thường phải qua xử lí nhiệt và gia công phức tạp.
+ Chi phí đầu tư cao do phải đảm bảo bầu khí quyển vô trùng giữa khâu chế biến và đóng gói sản phẩm Phương pháp này đòi hỏi kĩ năng vận hành cao và quá trình thanh trùng phải được duy trì cho đến khi sản phẩm được đóng gói trong bao bì vô trùng.+ Đối với sản phẩm nước quả nhiều thịt quả, trong quá trình thanh trùng sẽ không tránh khỏi hiện tượng bị tắc tấm lọc, làm quá trình truyền nhiệt diễn ra không đồng đều Có nguy cơ quá nhiệt cục bộ đồng thời với những vị trí không được thanh trùng đủ => Ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm.
II.2.2.3 Thiết bị thanh trùng ống lồng ống
Thiết bị thanh trùng dạng ống lồng ống bao gồm các bộ phận: bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống (chia làm 3 khoang: nâng nhiệt, các ống lưu nhiệt và làm lạnh nhanh), bơm dịch, thùng cân bằng, hệ thống nước gia nhiệt, nước lạnh làm mát, các van tự động, đồng hồ hiển thị nhiệt, hệ thống điều khiển điện, …
Hình II.5 Thiết bị ống lồng ống.
- Nguyên lý hoạt động chung:
Nguyên liệu được bơm từ thùng cân bằng vào khoang nâng nhiệt, ở đây nguyên liệu trao đổi nhiệt với nước để nhiệt độ đạt nhiệt độ tiệt trùng, sau đó chảy qua khoang lưu nhiệt để giữ nhiệt độ thanh trùng trong vài giây, tiếp theo nguyên liệu được đưa sang khoang làm lạnh nhanh Tất cả các điều chỉnh và điều khiển quá trình đều được thực hiện nhờ hệ thống tự động và các van.
Hình II.6: Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống.
1 Ống trong 2 Ống ngoài 3 Khủy nối 4 Ống nối 5 Mối hàn
Một ống có đường kính lớn bọc một hoặc nhiều ống nhỏ bên trong; hoặc gồm nhiều ống nối tiếp với nhau, mỗi đoạn có hai đoạn ống lồng vào nhau Ống trong có thể trơn hoặc có cánh dọc theo chiều dài của ống.
Chất tải nhiệt một đi giữa hai ống, chất tải nhiệt hai đi trong ống trong:
Thường trong thanh trùng nguyên liệu, trong khoang nâng nhiệt dòng nguyên liệu sẽ đi bên ống trong, còn nước nóng sẽ ở không gian giữa 2 ống.
Trong khoang làm lạnh nhanh: dòng nguyên liệu sẽ đi trong ống trong, nước lạnh chảy ở không gian 2 ống.
Chuyển động của môi chất thường được bố trí ngược chiều nhau.
+ Có hệ số truyền nhiệt lớn
+ Dễ điều chỉnh tốc độ chảy của môi chất
+ Dễ thay thế nếu có một đoạn ống bị hỏng
+ Cồng kềnh, giá thành cao
Hình II.7 Nguyên lý làm việc của thiết bị.
II.2.2.4 Nồi hấp thanh trùng
+ Cấu tạo tương tự thiết bị nồi 2 vỏ nhưng có lỗ thông giữa 2 không gian của lưu thể + Vỏ thiết bị được gia cố để chịu được áp suất làm việc cao
- Nguyên lí làm việc: Nước được gia nhiệt bằng bộ gia nhiệt để tạo ra hơi nước tràn vào buồng chứa phía trong, gia nhiệt cho các chai lọ nước quả ở phía trong Hơi nước mất nhiệt đọng lại thành nước ngưng thoát ra ở đáy thiết bị.
+ Chi phí đầu tư thấp
+ Nguyên lí hoạt động đơn giản nên dễ sửa chữa, vận hành.
+ Hệ số truyền nhiệt thấp nên chi phí nhiệt lượng cao
+ Do hoạt đông theo mẻ nên năng suất không cao
II.2.2.5 Thiết bị thanh trùng ống chùm
Với đặc tính kết cấu của nó, thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm diện tích trao đổi rất lớn, có thể tới hàng trăm hàng nghìn mét vông , hệ số trao đổi nhiệt cao Bởi vậy nó được sử dụng rất rộng rãi trong công nghệ hóa chất và thực phẩm
Lựa chọn thiết bị thanh trùng phù hợp
Để lựa chọn được một thiết bị phù hợp với yêu cầu công nghệ, ta cân nhắc các yếu tố:
- Phù hợp với công suất yêu cầu, ta chọn thiết bị làm việc liên tục.
- Lựa chọn thiết bị có chi phí đầu tư không quá cao, cấu tạo đơn giản, dễ vận hành và bảo trì.
- Phổ biến trên thị trường – giá thành hợp lí, cùng với linh kiện thay thế sửa chữa sẵn có.
Lựa chọn thiết bị thanh trùng ống chum dạng ghép cho mục đích thanh trùng nước nho ép năng suất 1500l/h.
PHẦN III THUYẾT MINH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NƯỚC NHO ÉP
Tiếp nhận, phân loại
Mục đích công nghệ: chuẩn bị cho các quá trình gia công tiếp theo:
Quá trình lựa chọn, phân loại nguyên liệu nhằm loại bỏ đi những trái hư dập, ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan của sản phẩm, chọn nguyên liệu có độ chín phù hợp, kích thước đồng đều.
Các biến đổi của nguyên liệu: Nguyên liệu trở nên đồng đều về kích thước và độ chín Còn các biến đổi khác không đáng kể.
- Tiến hành lựa chọn nguyên liệu bằng phương pháp thủ công Nguyên liệu được dàn mỏng trên các băng chuyền cao su có bề rộng từ 60-80cm Công nhân ở đây đứng hai bên băng chuyền và thực hiện lựa chọn, phân loại nguyên liệu.
- Yêu cầu: Nho lựa chọn đồng đều về kích thước, độ chín, không lẫn trái bị hư, dập.
- Thông số công nghệ: Tốc độ của băng chuyền khá chậm, khoảng 0.1 – 0.15m/s, chiều cao băng chuyền khoảng 0.8 – 1.2m để công nhân đứng hai bên làm việc thuận lợi.
Rửa
Mục đích công nghệ: Chuẩn bị cho quá trình gia công tiếp theo, loại bỏ đất cát, tạp chất, vi sinh vật.
Các biến đổi của nguyên liệu:
Sau quá trình rửa bề mặt nguyên liệu được làm sạch, giảm hàm lượng vi sinh vật Còn các biến đổi khác biến đổi không đáng kể.
- Nho từ xe chứa sau khi đã được kiểm tra phân loại sẽ được cho vào buồng rửa nhờ băng tải Dùng thiết bị rửa xối tưới dạng băng tải để rửa, nho sẽ trải qua 2 giai đoạn ngâm và rửa xối Ngâm làm cho nước thấm ướt nguyên liệu, làm chất bẩn mềm và bong ra Thời gian ngâm tùy thuộc vào mức độ bám bẩn của nguyên liệu và tác dụng của dung dịch rửa, có thể từ vài phút đến vài chục phút Rửa xối là dùng tác dụng chảy của dòng nước để kéo chất bẩn còn lại trên mặt nguyên liệu sau khi ngâm Nước rửa phải là nước sạch Để nước rửa ít bị nhiễm bẩn người ta dùng nước chảy liên tục trên các bể.
- Nho phải không bị dập, không bị dính quá nhiều cát, bụi, lượng nước phải vừa đủ tránh bị làm dập nho Thời gian ngâm rửa không được kéo dài, nguyên liệu sau khi rửa phải sạch, không bị dập, lượng nước tốn ít nhất.
Thường dùng tia nước phun (áp suất 2 – 3 at).
Tách cuống
Chùm nho khi mới hái về vẫn còn dính cả cuống và cành Thường thì người ta tách rời những thứ đó ra để nước ép không có vị đắng chát quá
Nghiền xé
Chuẩn bị cho quá trình ép vì phá vỡ tế bào làm cho dịch chiết tiết ra nhiều hơn, tăng hiệu suất ép Càng nhiều tế bào bị tác động thì hiệu quả quá trình nghiền càng cao.
Các biến đổi của nguyên liệu:
- Vật lý: kích thước của nguyên liệu giảm, diện tích bề mặt riêng tăng Tăng diện tích bề mặt riêng làm tăng hiệu quả truyền nhiệt và truyền khối Trong quá trình nghiền, dưới tác dụng của các lực đặc biệt là lực ma sát sẽ làm nhiệt độ của nguyên liệu tăng lên.
- Hóa học: khi nghiền nguyên liệu cấu trúc nguyên liệu bị phá vỡ các thành phần dễ bị oxy hóa bên trong nguyên liệu như vitamin sẽ có điều kiện tiếp xúc với oxy do đó sẽ xảy ra các phản ứng hóa học Trong quá trình nghiền có thể làm tăng nhiệt độ nên một số phản ứng hóa học có thể xảy ra.
- Hóa lý: do diện tích bề mặt riêng tăng lên nên tốc độ bay hơi của các cấu tử dễ bay hơi tăng lên đặc biệt là có sinh ra nhiệt trong quá trình nghiền, nên mùi của sản phẩm sẽ bị giảm đi.
- Hóa sinh: phản ứng oxy hóa được xúc tác bởi enzyme diễn ra nhanh hơn do cơ chất tiếp xúc với oxy nhiều hơn.
- Sinh học: khi nghiền có thể tiêu diệt vi sinh vật nhưng không đáng kể Tuy nhiên sau khi nghiền thì diện tích bề mặt riêng tăng lên, chất dinh dưỡng được chiết ra nhiều, nên đây là điều kiện để vi sinh vật phát triển.
- Do cấu trúc nguyên liệu mềm, dễ nghiền xé nên ta sử dụng máy nghiền trục
+ Thiết bị con lăn, hai con lăn song song có hình dạng đặc biệt quay trong đó;
+ Máy nghiền với một cơ chế chuyển động qua lại Với trình tự như vậy, các phần nguyên liệu thô được nghiền nhỏ và chuyển đến bộ tích lũy;
+ Máy nghiền hành động mài Trong đó, bộ kích hoạt quay bên trong khối nho, các lưỡi dao của nó tác động tích cực đến quả mọng và làm vỡ chúng;
+ Cơ cấu lắp đặt kiểu búa có một trục, trên đó có rôto Các trục nằm ở ngoại vi, và các tấm búa treo trên các trục Khi quay dưới tác dụng của lực ly tâm, các tấm phân ra theo nhiều hướng khác nhau Nguyên liệu thô đầu vào kết thúc trên một boong đục lỗ trong vùng va đập của các tấm Quả mọng bị vỡ ra và ở dạng thịt quả (quả nghiền nát và quả mọng nguyên liệu) được đẩy vào ổ;
+ Máy kiểu trục vít Có thể thay đổi mũi khoan Máy nghiền nho nén và di chuyển khối lượng đến, các chùm nho được ép lại, nước trái cây được tiết ra từ chúng Ở dạng nghiền, nguyên liệu được ép ra khỏi khu chế biến đưa vào quy trình kỹ thuật lên men rượu;
+ Eccentric: gồm một hình trụ bên trong có một hình trụ thứ hai quay Ở một vị trí nhất định, khối thô bị nén lại, quả bị nát, nước quả chảy ra Bột giấy thu được được ép qua bề mặt đục lỗ của hình trụ bên ngoài.
Gia nhiệt
Mục đích: Tạo điều kiện cho enzyme pectinase hoạt động tốt nhất ở quá trình sau (vì gia nhiệt lên tới nhiệt độ tối đa của enzyme), ngoài ra còn làm tăng độ trích li của sản phẩm sau khi nghiền
Dịch sau khi nghiền được gia nhiệt lên 60-63 ℃ trong thiết bị gia nhiệt chân không, rồi chuyển vào bồn giữ nhiệt
Phải dùng thiết bị chân không vì dịch sau khi nghiền rất dễ biễn đổi tính chất, bị oxi hóa(do dịch quả đã được giải phóng một phần, hàm lượng dinh dưỡng trong dịch nghiền cũng tăng)
Bồn giữ nhiệt có cánh khuấy, khuấy nhẹ để trộn enzyme pectinase vào dịch nho Thời gian xử lí kéo dài 30-60p
Quá trình xử lí bằng enzym
Trong nho có nhiều xơ, hemicellucose gây đục sản phẩm, vì vậy sử dụng enzyme nhằm cắt những khối lượng phân tử nhỏ Như vậy hàm lượng cặn sẽ giảm đi, quá trình làm trong sẽ đơn giản hơn nhiều.
Enzyme pectinase đóng vai trò chuyển hóa protein thành pectin hòa tan, sử dụng vỏ nho làm cơ chất Nhờ đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chiết thu dịch nho, dịch nho thu được sẽ được nhiều hơn, chất lượng tốt hơn Phương pháp này cũng thu được nhiều chất có lợi cho công nghệ như: chất màu, tannin…
Bổ sung SO 2 với tác dụng làm trong dịch nho, làm chậm sự oxy hóa hơn cũng như ức chế, tiêu diệt một phần vi sinh vật.
Thực hiện trong thời gian 30-60 phút.
Quá trình lọc ép tách cặn
Tiến hành lọc sơ bộ để tách riêng phần dịch lọc và phần cái Phần cái sẽ được đem đi ép bỏ bã rồi trộn với dịch lọc Ta cũng có thể tăng hiệu suất lọc bằng cách ép bã lần thứ hai với nước ấm, dịch thu được trộn chung với dịch ở trên.
Quy trình công nghệ sử dụng phương pháp ép nóng do có liên quan đến hoạt động của enzyme pectinase Với phương pháp này, nước nho ép thành phẩm sẽ có màu tối hơn.Đem toàn bộ dịch thu được đi tách cặn bằng lọc chân không hoặc li tâm.
Thanh trùng
Phương pháp thực hiện: Sử dụng thiết bị chùm để thanh trùng nước nho ép.
Nhiệt độ thanh trùng 85 o C, thời gian thanh trùng 25 giây
Mục đích: Tiêu diệt hầu hết vi sinh vật gây bệnh và gây hư hỏng thực phẩm, giúp bảo quản thực phẩm lâu hơn.
+ Vật lý: có sự thay đổi thể tích, khối lượng, tỉ trọng và xuất hiện gradient nhiệt độ. + Hóa học: thay đổi tốc độ các phản ứng hóa học.
+ Hóa lý: sự bốc hơi nước và đông tụ protein
+ Sinh học: vi sinh vật bị ức chế, tiêu diệt.
+ Hóa sinh: enzyme bị vô hoạt.
+ Độ trong tăng, mùi vị có thể bị giảm do bị phân hủy và bay hơi
+ Phải tiêu diệt các loại vi sinh vật có hại trong sản phẩm, đảm bảo số lượng vi sinh vật sống sót đến mức thấp nhất không thể gây hư hỏng thực phẩm trong thời hạn bảo quản.
+ Không làm giảm giá trị dinh dưỡng của sản phẩm cả về giá trị dinh dưỡng và giá trị cảm quan.
+ Các bộ phận của máy khi tiếp xúc với sản phẩm không gây độc hại cho sản phẩm và ngược lại không bị sản phẩm ăn mòn.
Rót chai, ghép mí
- Mục đích công nghệ: hoàn thiện, hạn chế sự nhiễm của vi sinh vật.
- Các biến đổi: không biến đổi
+ Sau rót chai mức dịch phải cách miệng chai 1-2cm.
+ Sản phẩm kín, vi sinh vật bên ngoài không thể xâm nhập vào, đồng thời nước quả không chảy ra trong vận chuyển bảo quản.
+ Từ nhiệt độ thanh trùng hạ đến nhiệt độ 30 o C thì sản phẩm bắt đầu được rót vào lon và ghép mí.
+ Khi rót sản phẩm vào lon phải rót trong điều kiện lon vô trùng và môi trường vô trùng để tránh nhiễm vi sinh vật bên ngoài vào trong dung dịch nước quả đã thanh trùng.
Bảo ôn
Trong thời gian bảo ôn cần tiến hành đảo hộp theo định kỳ: cách ba ngày đảo một lần, thời gian bảo ôn 15 ngày sản phẩm được duy trì ở hai chế độ nhiệt độ: 37 0 C và 50 0 C Sau thời gian bảo ôn sản phẩm được kiểm tra và loại bỏ những hư hỏng Sau khi bảo ôn nếu tỉ lệ hư hỏng vượt quá mức cho phép cần xem xét lại chu trình sản xuất, tìm hiểu nguyên nhân gây hư hỏng và tìm cách khắc phục, nghiêm trọng có thể hủy cả lô hàng. Đóng gói:
Sau thời gian bảo ôn đồ hộp trước khi xuất kho phải đem dán nhãn, rồi đóng thùng Các đồ hộp đó mới được coi là đủ tiêu chuẩn sử dụng.
Các hộp nước táo đưa vào dán nhãn phải sạch, nguyên vẹn, không nứt mẻ, kín hoàn toàn Các hộp bị bẩn sau khi thanh trùng nhất thiết phải rửa hay phun hơi nóng, làm khô rồi mới đưa vào dán nhãn Tiến hành dán nhãn đồ hộp có thể dán bằng tay hay bằng máy Hiện nay ở các nước sản xuất đồ hộp phát triển, người ta in nhãn hiệu ngay trên thân hộp, vừa làm cho hộp khỏi bị rỉ, bền, vừa có hình thức đẹp. Đóng thùng:
Các hộp nhỏ được đựng trong các thùng giấy carton, Các thùng giấy phải được làm chắc chắn và chỉ dùng giấy dày Xếp hộp vào kiện, xiết đai và in mã hiệu, có thể tiến hành bằng tay hoặc bằng máy.
Sản phẩm
Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm:
Màu sắc Đặc trưng cho nước nho Mùi Đặc trưng, không có mùi lạ Trạng thái Dạng trong, không vẩn đục
Vị Có hoặc không có vị ngọt, không có vị lạ
Bảng III.1: Chỉ tiêu cảm quan của sản phẩm (TCVN 4042 – 85)
Chỉ tiêu Giới hạn cho phép trong 1ml thực phẩm
1 Tổng số vi sinh vật hiếu khí, số khuẩn lạc 10 2
4 Cl perfringens, số vi khuẩn 0
5 Streptococci faecal, số vi khuẩn 0
6 Tổng số nấm men - nấm mốc, số khuẩn lạc 10
Bảng III.2: Chỉ tiêu vi sinh vật của đồ uống pha chế sẵn không cồn
Chỉ tiêu về hóa lí: Độ Brix: 10-14; pH: 4-5
Thành phần hóa học: protein, glucid, lipid, vitanmin.
Chỉ tiêu hàm lượng kim loại nặng.
Tên kim loại Giới hạn tối đa (mg/l)
Bảng III.3 Giới hạn tối đa của hàm lượng kim loại nặng của đồ uống pha chế sẵn không cồn.
Tính toán thiết bị chính
Bài toán
Thiết kế thiết bị thanh trùng dạng ống chùm để thanh trùng nước nho ép năng suất
Thiết kế ống chùm dạng ghép, ống truyền nhiệt Φ25x2mm được làm từ vật liệu INOX
Tác nhân làm nóng là hơi nước bão hòa Do kết cấu của thiết bị, ta sẽ cho nước nóng đi vào khoảng không gian bên ngoài ống, dịch nho ép đi bên trong ống.
Do kết cấu thiết bị nên ta cho hơi nước đi vào khoảng không gian ngoài ống, nước nho ép đi trong ống, thiết bị làm việc ở áp suất thường
Chọn nhiệt độ các lưu thể như sau: Đầu vào Đầu ra
Thông số nguyên liệu
Bảng IV.1 Thành phần giá trị dinh dưỡng có trong 100g nước nho ép theo đơn vị %
Hình IV.1 Phương trình tính nhiệt cho các thành phần thực phẩm
Bảng IV.2 Các thông số vật lý của nước phụ thuộc vào nhiệt độ
Tính toán truyền nhiệt
Cách tính các thiết bị truyền nhiệt theo trình tự như sau:
- Xác định lượng nhiệt trao đổi theo phương trình cân bằng nhiệt: Q = G×C×∆t (G - khối lượng chất tải nhiệt, C - nhiệt dung riêng).
- Xác định lượng chất tải cần đun nóng hoặc làm nguội: ∆t.
- Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình:
- Tính các hệ số cấp nhiệt: α1, α2.
- Tính nhiệt tải riêng phía dịch nho và nước (q1 và q2), sau đó xét tỷ số nếu | q1−q2 q1 ∨¿ 5% thì cần giả thiết lại chênh lệch nhiệt độ giữa dịch nho và thành ống.
- Tính hệ số truyền nhiệt K và bề mặt truyền nhiệt F: F = K × Δt Q = q Q tb
- Kiểm tra nhiệt độ của bề mặt hoặc nhiệt tải riêng.
- Khi tính α đối với chất tải nhiệt lỏng hoặc khí ta luôn phải chọn chế độ chảy rối (Re
> 10^4) để đảm bảo α lớn, ngoài ra khi chọn chế độ dòng chảy rối (Re > 10^4) thuận tiện cho việc truyền nhiệt xảy ra.
IV.3.1 Hiệu số truyền nhiệt trung bình
Hiệu số truyền nhiệt trung bình giữa 2 lưu thể
Trao đổi nhiệt ngược chiều:
12 Dựa vào hình IV.1, ta tính được các bảng thông số sau:
Công thức tính Kết quả ρ H 2 O 997,18 + 3,1439.10 −3 T - 3,7574.10 −3 T 2 985,98 ρ protein 1329,9 – 0,5184 T 1301,388 ρ lipid 925,59 – 0,41757 T 902,62 ρ CHO 1599,1 – 0,31046 T 1582,02 ρ c h ấ t x ơ 1311,5 – 0,36589 T 1291,38 ρ tro 2423,8 – 0, 28063.T 2408,36 ρ d ị chnho ∑ ρ i X i w 1091,75
Bảng IV.3a Khối lượng riêng của dịch nho ở 55 o C (kg/m 3 ) Với ρ i : Khối lượng riêng của thành phần i (kg/m 3 )
X i w : % khối lượng của thành phần i
Công thức tính Kết quả
Bảng IV.3b Nhiệt dung riêng của dịch nho ở 55 o C (J/kg o C) Với C i : Nhiệt dung riêng của thành phần i (J/kg o C)
X i w : % khối lượng của thành phần i
Công thức tính Kết quả λ H 2 O 5,7109.10 −1 + 1,7625.10 −3 T - 6,7036.10 − 6 T 2 0,65 82.1 λ protein 1,7881.10 −1 + 1,1958.10 −3 T - 2,7178.10 − 6 T 2 0,24 0.4 λ lipid 1,8071.10 −1 - 2,7604.10 −3 T - 1,7749.10 −7 T 2 0,021 0.2 λ CHO 2,0141.10 −1 + 1,3874.10 −3 T - 4,3312.10 − 6 T 2 0,27 16.3 λ chấ t xơ 1,8331 10 −1 + 1,2497 10 −3 T – 3,1683 10 −6 T 2 0,24 0,6 λ tro 3,2962.10 −1 + 1,4011.10 −3 T - 2,9069.10 − 6 T 2 0,40 0,4 λ d ị chnho ∑ λ i X i w 0,59
Bảng IV.3c Hệ số dẫn nhiệt của dịch nho ở 55 o C (W/m o C) Với λ i : Hệ số dẫn nhiệt của thành phần i (W/m o C)
X i w : % khối lượng của thành phần i
IV.3.2 Tính nhiệt lượng trao đổi
IV.3.2.1 Cân bằng vật chất
- Chọn hao hụt nguyên liệu là 5% => Hiệu suất thu hồi là: Hth %
Ta có: Gdv = Gdr = Hth Gdv
Gdv là lưu lượng lưu thể nước nho ép nhập liệu (L/h)
Gdr là lưu lượng lưu thể nước nho ép thu được (L/h)
Hth là hiệu suất thu hồi dịch nho sau thanh trùng.
IV.3.2.2 Cân bằng nhiệt lượng
Q= Gnd Cnd (T22 – T21) η = Gw Cw (T11 – T12) (W) (1)(Tr 11 – CT V.27 – TL [1]) Trong đó
Qlà nhiệt lượng cần để thanh trùng dịch nho (W)
Gnd là lưu lượng khối lượng dịch nho
Gnd = G dv ρ nd = 1000 1579 3600 1091,75= 0,48 (kg/s) ρ nd =¿1091,75 (kg/m 3 ) – khối lượng riêng của dịch nho ở 55 0 C
Cnd = 3734 J/kg o C - nhiệt dung riêng của dịch nho tại 55 0 C
T22 là nhiệt độ sau thanh trùng của dịch nho; T22 = 85 0 C
T21 là nhiệt độ trước thanh trùng của dịch nho; T21 = 25 0 C η là hiệu suất nhiệt; η = 0,95
Cw là nhiệt dung riêng của nước ở 87,5℃; Cw = 4224,45(J/kg độ) (Tính theo bảng 3.2)
T11 là nhiệt độ trước thanh trùng của nước bằng 120 o C
T12 là nhiệt độ sau thanh trùng của nước bằng 55℃
Trong đó: α 1 là hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt chảy trong ống nhỏ đến bề mặt trong của ống nhỏ [ W/m 2 K ]. α 2 là hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của ống nhỏ đến chất tải nhiệt chảy giữa 2 ống [ W/m 2 K ].
IV.3.3 Hệ số tỏa nhiệt từ thành ống cho nước nho ép α 2
+) Nhiệt độ trung bình của nước nho ép: 55 o C:
C = 3734 (J/kg o C) - nhiệt dung riêng của nước nho ép tại 55 o C à = 0,294.10 − 3 (N.s/m 2 ) – độ nhớt động lực học của nước nho ộp tại 55 o C λ = 0,59 (W/m ℃) – hệ số dẫn nhiệt của nước nho ép tại 55 o C
1,45.10 −7 =1,63 Trong đó: v: Độ nhớt động học (m 2 ∕ s¿ v=μ ρ=0,294 10 −3
1091,75 =2,69 10 −7 (m 2 /s) a: Số dẫn nhiệt của lưu thể (m 2 /s¿ a = c ρ λ =3734.1091,750,59 =1,45.10 −7 (m 2 /s)
Trong đó ω : vận tốc của nước nho chảy trong ống. ω= v n f=G dv / ( n × ρ× π/4× d 2 ) v = lưu lượng của nước nho ép (m 3 /s) f:tiết diện dòng chảy (m/s) n:số ống
G n :nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ (kg/s) d t d 2 :đường kính trong tương đương của thiết bị
Chọn chế độ dòng chảy trong thiết bị truyền nhiệt là dỏng chảy rối với
=> n=7,01(m) => lấy n=7 Đường kính trong của thiết bị là:
Trong đó, b = 3 ống d: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, d = 0,025m; t: bước ống, thường chọn t = (1,2 ¿ 1,5)D
Khi có số ống trên mặt phẳng cắt n=7, ta có
Chọn chế độ dòng chảy trong thiết bị truyền nhiệt R>10 000 nên hệ số cấp nhiệt của nước được xác định theo phương trình:
PrT: chuẩn số Pran của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của tường, các thông số còn lại tính theo nhiệt độ trung bình của dòng.
Thay số vào ta được:
Nu=0,021.ε k ℜ 0,8 Pr 0,43 [ Pr Pr t ] 0,25 ¿0,021.(14107,44) 0,8 (1,63) 0,47 [ 1,89 Pr t ] 0,25 n¿ 55,14 [ 1,89 Pr t ] 0,25
Từ công thức: Nu=α d td λ ⇒α 2 =Nu λ d ¿ ) α 2 =Nu λ d 2 U,14.0,59
IV.3.4 Hệ số tỏa nhiệt của nước nóng cho thành ống α 1
+) Nhiệt độ trung bình của nước: 87,5 o C, ta có:
C = 4210,15 (J/kg o C) - nhiệt dung riêng của nước 87,5 o C à = 0,3165.10 −3 (N.s/m 2 ) – độ nhớt động lực học của nước tại 87,5 o C λ = 0,67 (W/m ℃) – hệ số dẫn nhiệt của nước tại 87,5 o C ρ8,69(kg/m 3 ) – khối lượng riếng của nước tại 87,5 o C
1,64.10 −7 =1,99 Trong đó: v: Độ nhớt động học (m 2 ∕ s¿ v=μ ρ=0,3165 10 −3
968,69 =3,27 10 −7 (m 2 /s) a: Số dẫn nhiệt của lưu thể (m 2 /s¿ a = c ρ λ =4210,15.968,690,67 =1,64 10 −7 (m 2 /s)
+) Chuẩn số Reynolds: ℜ=ω d ρ μ Trong đó ω : vận tốc của nước chảy trong ống. ω=G ⅆv v n f=G dv / ( ρ × π /4 × d 2 ) f:tiết diện dòng chảy (m/s)
G n :nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ (kg/s) d:đường kính tương đương của thiết bị d t d 1 =D t 2 −n d n 2
+) Chuẩn số Nusselt: ống có vách ngăn dạng viên phân nên ta có
Từ công thức: Nu= α d λ ⇒ α 1=Nu λ d ¿ ) α 1 =Nu λ d 184,67.( μt μ ) 0,14 0,67
IV.3.5 Tính tổng nhiệt trở Σr r =r 1 +δ λ+r 2 (m 2 ℃ ∕ W)
Trong đó: r1, r2 - nhiệt trở của cặn bẩn bám vào hai bên thành ống phía nước và phía nước ép nho (m 2 ℃/W) δ : chiều dày ống truyền nhiệt (2 mm) λ: hệ số dẫn nhiệt của thành ống, λ = 16,3 W/ ℃ m 2 (chọn ống được làm từ INOX
304) r 1 =0,232×10 −3 m 2 ℃ /W (nước) (Tr4 - V.1 – TL [1]) r 2 =0,464×10 −3 m 2 ℃ /W (nước nho ép) (Tr346 - bảng PL.12 – TL [3])
- Chọn nhiệt độ chênh lệch giữa nước và tường phía nước: Δt 1 =t 1 −t T 1 (với t 1 =
- Tính q 1 ( nhiệt tải riêng phía nước)
- Tính Δt=t T 2 −t T 1 chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên thành ống: Δt= q 1 × ∑ r Từ đó suy ra tT2 là nhiệt độ tường phía nước táo ép.
- Tính chuẩn số Prandlt tường PrT theo nhiệt độ tT2 Tính α 2 theo công thức đã xác định, từ đó tính q 2 =α 2 ×Δt 2
- Tính qtb là nhiệt tải riêng trung bình: q tb = 1
Trong tính toán, vì chuẩn số Pr ít thay đổi theo nhiệt độ nên có thể coi.
- Nhiệt độ tường phía nước nho ép tT2 = 79,5 –13,5= 66 o C
- Tại 63,3 o C: Các thông số của nước nho ép (Tính dựa theo bảng hình 3.1 Mục 3.1.1) vì chuẩn số Pr ít thay đổi theo nhiệt độ nên có thể coi:
IV.3.7 Tính bề mặt truyền nhiệt
+) Số chùm ống truyền nhiệt: n = π ⋅ d F td ⋅l = 7,2 (chùm ống) n=7 ( đoạn ống chùm)
IV.3.8 Xác định độ dày thành thiết bị
Theo cơ sở tính toán thiết bị thì thiết bị thuộc loại vỏ mỏng chịu áp suất trong, nên chiều dày của thiết bị được tính theo công thức 23a.182 trang 360 sổ tay hóa công tập 2.
P: áp suất bên trong thiết bị, coi bằng áp suất khí quyển: 𝑃 = 0.1 N mm 2
D: đường kính trong của vỏ, 𝐷 = 500𝑚𝑚
[𝜎 𝑘 ]: là ứng suất kéo cho phép của inox 304
𝜑: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc
C: Hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, mm
Nguyên nhân làm cho thiết bị yếu đi là do hàn và khoét lỗ ở thiết bị.
- Giá trị hệ số bền của mối hàn 𝜑ℎ phụ thuộc vào dạng mối hàn và vật liệu chế tạo: ở đây vật liệu chế tạo thân thiết bị là thép tấm Inox 304 và kiểu hàn giáp mối một bên, cách hàn là hàn tay bằng hồ quang điện Tra bảng XIII.8 sổ tay hóa công tập 2 trang 362 ta có: 𝜑ℎ = 0,9
- Giá trị hệ số bền của thân hình trụ do khoét lỗ phụ thuộc vào vị trí và đường kính lỗ: trên thân thiết bị có khoét 3 lỗ: một cửa dẫn hơi cồn vào, một cửa dẫn cồn lỏng ra và một cửa thoát khí không ngưng Áp dụng công thức XIII.14 và XIII.15 sổ tay hóa công tập 2 trang 361 ta có:
Hệ số bền: 𝜑 = 𝜑 ℎ + 𝜑 𝑙 = 0,9 + 1,86 = 2,76 Đại lượng bổ sung C phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày Ta xác định đại lượng C theo công thức sau:
C 1 - bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị Đối với vật liệu bền như Inox- 304 ta lấy 0,05 mm/ năm, cho thời gian làm việc 20 năm Vậy lấy C1 = 0,05.20 = 1 mm.
C2 - đại lượng bổ sung do hao mòn chỉ cần tính đến trong các trường hợp nguyên liệu chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn trong thiết bị Đại lượng này thường được chọn theo thực nghiệm Đa số trường hợp khi tính toán thiết bị hóa chất ta có thể bỏ qua C2 = 0
C3 - đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu Đối với vật liệu Inox 304 có chiều dày từ 3- 5mm lấy C 3 = 1,5 mm ( Tra bảng XIII.9, Sổ tay hóa công tập II)
Suy ra: 𝐶 = 𝐶 1 + 𝐶 2 + 𝐶 3 = 1 + 1,5 = 2,5(𝑚𝑚) Ứng suất cho phép giới hạn chảy – theo công thức XIII.2 và bảng XIII.3 sổ tay hóa công tập 2 ta có:
Chiều dày vỏ thiết bị: Để đảm bảo độ bền cơ học cũng như đồng bộ thiết kế của thiết bị ta chọn độ dày vỏ ngoài thiết bị 𝛿 𝑣 = 3 𝑚𝑚
IV.3.9 Tính toán khoang giữ nhiệt
Trong đó: Hnd – lưu lượng nước dứa ép (m 3 /h) r – bán kính trong của ống trong (m) h – chiều dài của ống lưu nhiệt (m) t – thời gian lưu nhiệt (s) h = H π r nd ⋅ 2 t = ( 1,5793600) 25 π (0,02
Số ống lưu nhiệt: n = h l = 3,2 1,5 = 2,1 (ống)
Vậy ta chọn đoạn ống lưu nhiệt 1à 2 đoạn ống chum
Vậy tổng số ống dùng trong thiết bị:
Cần (7+2).7 = 63 ống 25 x 2mm, mỗi ống dài 1,5mCần 9 ống 200 x 3mm, mỗi ống dài 1,5m
Tính toán thiết bị phụ
Mặt bích
- Cho cửa vào/ra của lưu thể nước dứa ép, nối ống chữ U (Tr140 – bảng XIII.26 – TL [1]) áp suất Đường kính trong
Kích thước ống nối Bu long
N/mm 2 Mm Mm mm Mm mm mm cái M m
Bơm
Trong đó: λ – hệ số ma sát
+) Tại khoang nâng nhiệt và lưu nhiệt: Re > 10 4
Có 8 ống nối chữ U bán kính 200mm
+) l – tổng chiều dài ống dẫn; l = 1,5 63 + 9 0,1 2+ 8 π 0.2 = 101,13 (m)
+) D = 0,025 m – đường kính chất lỏng ω=4.G nd π d 1 2 = 4.
V.2.2 Trở lực cục bộ d tđ =2ab a+b=2 0,1 0,2
Với cút 90 o , ta có: (sổ tay hoá công) (có 1 cút 90 o ) d
2g (mH2O) (Tr94 - CT 2.128 – TL [6]) Trong đó: ξ 1 ,ξ 2 - hệ số trở lực cục bộ w = 0,158 (m/s) – tốc độ dòng chảy
Z 2 và Z 1 lần lượt chiều cao đầu ra và đầu vào của ống dẫn
P 2 và P 1 lần lượt là áp suất đầu ra và đầu vào của ống dẫn ω 2 và ω 1 lần lượt là vận tốc chất lỏng ở 2 đầu ống
∑ h f là tổng tổn thất ma sát trong đường ống
Bỏ qua chênh lệch độ cao đầu vào đầu ra của ống dẫn dịch dứa:
Coi chênh lệch áp suất đầu vào và đầu ra là không đáng kể P 2−P 1 ≈ 0
Vận tốc đầu vào và đầu ra của dòng chảy là bằng nhau nên ω 2 2 – ω 1 2 = 0
Với P là công suất bơm (kW)
H là cột áp bơm (m H 2 O) ρ là khối lượng riêng của dịch dứa η là hiệu suất bơm suất bơm – chọn η=0,85
P m = η P m = 0,49 0,8 =0,61 ( W ) là công suất bơm tối thiểu để thắng được trở lực của đường ống
=> Chọn bơm với công suất 370W, cấu tạo phần đầu bơm bằng inox không rỉ để đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm
Sử dụng Máy bơm Ebara CDX 90/10 1HP
3 Bơm cho lưu thể nước nóng
Trong đó : λ – hệ số ma sát thuộc bề mặt Do Re = 40129,71 > 10 4 , ta có: λ = (1,82 logRe−1,64)1 2 = (1,82 log (40129,71)−1,641 ) 2 = 0,063
L là tổng độ dài ống dẫn
Hệ thống ống dẫn có 12 ống nối Ở khoang ngoài cuối mỗi ống truyền nhiệt, có một khu vực “nước quẩn” Việc tính trở lực cục bộ cho những vị trí này khá khó khăn. Để có một con số cụ thể cho việc chọn bơm, ta đơn giản hóa ống chữ T thành cút nối
90 độ có hệ số trở lực ε=0,75
Z 2 và Z 1 lần lượt chiều cao đầu ra và đầu vào của ống dẫn
P 2 và P 1 lần lượt là áp suất đầu ra và đầu vào của ống dẫn ω 2 và ω 1 lần lượt là vận tốc chất lỏng ở 2 đầu ống
∑ h f là tổng tổn thất ma sát trong đường ống
+) Bỏ qua chênh lệch độ cao đầu vào đầu ra của ống dẫn dịch dứa:
+) Coi chênh lệch áp suất đầu vào và đầu ra là không đáng kể P 2−P 1 ≈ 0 +) Vận tốc đầu vào và đầu ra của dòng chảy là bằng nhau
Với P là công suất bơm (kW)
H là cột áp bơm (m H 2 O) ρ là khối lượng riêng của dịch nho η là hiệu suất bơm suất bơm – chọn η=0,7
P m = η P m = 0,7 62 ,6 ( W ) là công suất moto bơm tối thiểu để có thể thắng được trở lực của đường ống
Chọn bơm với công suất và lưu lượng phù hợp, cấu tạo phần đầu bơm bằng inox không rỉ để giảm bám cặn ở thiết bị.
Chọn bơm ly tâm PENTAX U3S – 90/4T
4 Van
Các van được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng của dứa, nước nóng và lạnh vào ra từ các bơm, đảm bảo đạt lưu lượng cần thiết.
Sử dụng các van điều khiển tự động và có thể điều chỉnh cả bằng tay.
+) Chọn bọc bảo ôn làm bằng bông thủy tinh
+) Chọn lưu thể nước nóng đại diện để tính toán lớp bọc bảo ôn
- Nhiệt lượng có ích của nước nóng: Qnn2162,24 kW
- Ta muốn tổn thất nhiệt khoảng 5%
Trong đó: Q = Qtổn thất = 5,4 (kW)
K – hệ số truyền nhiệt Δt = 99 – 23 = 76 o C – chênh lệch nhiệt độ giữa nước nóng và môi trường
Trong đó: α 1 $098,98 (W/m 2 ℃)– hệ số cấp nhiệt của lưu thể nước nóng α 2 = 25 (W/m 2 o C) – hệ số cấp nhiệt của môi trường r1 = 0,232.10 -3 (m 2 o C /W) – nhiệt trở của cặn bẩn bám vào thành ống phía hơi nước δ 1 = 0,002 (m) – bề dày của thành ống λ 1 = 16,2 (W/ o C.m) – hệ số dẫn nhiệt của thành ống δ 2 – bề dày lớp bọc bảo ôn λ 2 = 0,045 (W/ o C.m) – hệ số dẫn nhiệt của lớp bọc bảo ôn
Vậy, ta có thể chọn lớp bọc bảo ông bằng bông khoáng dày 25 mm.
PHẦN VI Tài liệu tham khảo
[1] PGS TS Tô Đăng Hải, Nguyễn Kim Anh, “Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2” – NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006.
[2] PGS TS Tô Đăng Hải, Nguyễn Kim Anh, “Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – tập 1” – NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006.
[3] GS TSKH Nguyễn Bin, “Tính toán quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 1” - NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2004.
[4] Phạm Xuân Toản, “Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 3” – NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2003
[5] Nguyễn Văn May, “Thiết bị truyền nhiệt và truyền khối” – NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006.
[6] GS TSKH Nguyễn Bin, “Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 1” – NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2004
[7] Phạm Thanh Hương, “Slide bài giảng quá trình thiết bị I”
[8] “QCVN 01:2009/BYT” [Online] Available: https://thuvienphapluat.vn/TCVN/Tai- nguyen-Moi-truong/Quy-chuan-ky-thuat-Quoc-gia-QCVN-01-2009-BYT-ve-chat- luong-nuoc-an-uong-901137.aspx
