Báo cáo thực hành thiết kế máy thực phẩm sản phẩm thiết bị tiệt trùng nằm ngang

Như vậy quá trình tiệt trùng không những đảm bảo cho thực phẩm toàn về mặt vệ sinh mà còn kéo dài thời gian bảo quản cho thực phẩm, giúp ổn định các chi tiêu chất lượng của sản phẩm tron

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & THỰC PHẨM

TP HCM, ngày 04 tháng 05 năm 2024

MỤC LỤC

PHẦN I: TỔNG QUAN 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TIỆT TRÙNG 1

1 Cơ sở lí thuyết 1

2 Phân loại 1

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU 2

CHƯƠNG III: CHỌN THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 2

1 Chọn thiết bị 2

2 Phương pháp tiệt trùng 3

3 Chọn chế độ tiệt trùng 3

PHẦN II: TÍNH TOÁN 4

CHƯƠNG I: TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 4

1 Công thức tiệt trùng cho đồ hộp pate 4

2 Giai đoạn nâng nhiệt 4

3 Giai đoạn giữ nhiệt 8

4 Tính toán lượng hơi nước 8

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 9

1 Tính toán thiết bị chính 9

2 Tính toán bồn tiệt trùng 11

CHƯƠNG 3: CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 14

1 Chọn thiết bị phụ 14

2 Chọn và tính toán thiết bị phụ 15

3 Tính toán ống dẫn hơi nước vào 15

4 Tính toán ống nước ngưng 15

5 Tính chân đỡ 16

CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN CHI PHÍ CHẾ TẠO THIẾT BỊ 16

PHẦN 3 : THIẾT LẬP HỆ THỐNG KIỂM SOÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 18

CHƯƠNG 1: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ ( BẢN VẼ ) 18

CHƯƠNG 2; LẮP RÁP HỆ THỐNG 18

PHẦN 4: KẾT LUẬN 19

PHẦN 5: TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

PHẦN I: TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TIỆT TRÙNG

1 Cơ sở lí thuyết

Khái niệm về tiệt trùng : tiệt trùng là quá trình tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật ( ở dạng tế bào sinh dưỡng hoặc bào tử) và ức chế không thuận nghịch các enzym trong thực phẩm Sau quá trình tiệt trùng, sản phẩm sẽ trở thành vô trùng Như vậy quá trình tiệt trùng không những đảm bảo cho thực phẩm toàn về mặt vệ sinh mà còn kéo dài thời gian bảo quản cho thực phẩm, giúp ổn định các chi tiêu chất lượng của sản phẩm trong một khoảng thời gian dài sau sản xuất [1]

Trong điều kiện sản xuất quy mô lớn, việc xử lí thực phẩm để trở nên vô trùng rất khó thực hiện Do đó, các nhà sản xuất thực phẩm đã đưa ra khái niệm “thực phẩm vô trùng công nghiệp” Những thực phẩm này chưa đạt đến mức độ tiệt trùng vô đối nhưng không chưa

vi sinh vật gây bệnh, còn những sinh vật không gây bệnh và không sinh tổng hợp độc tố thì

có thể vẫn còn sống sót trong thực phẩm nhưng số lượng rất hạn chế “Thực phẩm vô trùng công nghiệp có thể bảo quản trong thời gian 6 tháng trong những điều kiện xác định mà vẫn không bị thay đổi các chỉ tiêu chất lượng về dinh dưỡng và cảm quan [1]

2 Phân loại

Tiệt trùng có 2 loại:

- Tiệt trùng trong bao bì: sản phẩm sẽ được rót vào bao bì rồi tiến hành tiệt trùng

- Tiệt trùng ngoài bao bì: sản phẩm được tiệt trùng riêng, bao bì được tiệt trùng riêng rồi tiến hành rót sản phẩm vào bao bì trong điều kiện vô trùng Tiệt trùng ngoài bao

bì có 2 loại: trực tiếp và gián tiếp

Các biến đổi của nguyên liệu trong quá trình tiệt trùng:

- Vật lý: trong quá trình tiệt trùng, một số chỉ tiêu của thực phẩm được thay đổi như thể tích, trọng lượng, độ giòn, độ dai,…Trong công nghệ sản xuất đồ hộp cá thì quá trình tiệt trùng sẽ làm cho cấu trúc của mô và xương cá trở nên mềm mại giúp cho người sử dụng dễ tiêu hóa thức ăn, nhờ đó làm tăng giá trị của sản phẩm

- Hóa học: nhiệt độ là một tác nhân quan trọng thúc đẩy các phản ứng hóa học xảy ra Phản ứng hóa học phi enzym (dưới tác dụng của nhiệt độ) phổ biến nhất là phản ứng Mailard Đây là phản ứng giữa nhóm khử (-CHO, =CO) của đường và nhóm amino (-NH2) của các acid amin, peptide và protein trong sản phẩm

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU

Trong thời đại công nghiệp ngày nay, việc sử dụng các loại thực phẩm chế biến sẵn như thực phẩm đóng hộp đã trở nên quen thuộc, đặc biệt là các sản phẩm đồ hộp thịt, cá, pate,

Pate là sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, mùi vị đặc trưng, là sản phẩm thịt hay phụ phẩm của thịt ở dạng pate nhão Pate có thể được đóng hộp như các loại thịt hộp Để bảo quản và kéo dài hạn sử dụng của pate, người ta sẽ sử dụng phương pháp tiệt trùng nhầm tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật gây hại có trong thực phẩm

Quá trình tiệt trùng là một quá trình quan trọng trong quy trình sản xuất đồ hộp Mục đích của quá trình tiệt trùng là ức chế và tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật gây hại có trong thực phẩm Sản phẩm pate hộp có thể được dùng ngay sau khi mở hộp, do đó trong quá trình tiệt trùng cần chọn nhiệt độ đủ cao và thời gian dài để làm biến tính protein và làm chín khối thịt

Phương pháp thực hiện: Sử dụng thiết bị tiệt trùng hình trụ nằm ngang

CHƯƠNG III: CHỌN THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

1 Chọn thiết bị

Thiết bị tiệt trùng hình trụ, nằm ngang, nắp đậy kín

Bồn tiệt trùng được đặt nằm ngang trên chân đế Hơi nóng vào bồn theo ống đặt ở trên thiết

bị, nước ngưng theo ống thoát ra ngoài Các xe đẩy chở đồ hộp được đẩy vào bồn trên các đường ray Phía trên bồn có lắp các thiết bị: Áp kế, van xả khí, đồng hồ nhiệt độ, van an toàn

Trình tự thao tác: Cho xe đẩy vào bồn, đậy nắp kín Mở van xả khí cho hơi vào để đuổi khí (5p) Đóng van xả khí tiếp tục cho hơi vào đun nóng đến khi đạt nhiệt độ tiệt trùng Tiệt trùng xong ngưng cho hơi vào, xả từ từ hơi trong thiết bị cho đến khi đạt áp suất bằng áp suất khí quyển Mở nắp thùng, kéo xe đến khu vực xối nước làm nguội

PHẦN II: TÍNH TOÁN Các thông số ban đầu

Thiết bị chính: Thiết bị tiệt trùng hình trụ nằm ngang hoạt động theo mẻ

- Công suất: 3000 hộp/mẻ

- Khối lượng hộp: 170g, khối lượng hộp rỗng: 30g

- Cỡ hộp: 84mm 40mm (đường kính đáy chiều cao)

- Nhiệt độ: 121oC

- Nhiệt độ hộp pate sau khi tiệt trùng: 40-50oC

- Áp suất cài đặt: 2,0kg/cm2 = 0,196MPa = 19600Pa

- Thời gian tiệt trùng: 25 phút

- Tổng thời gian tiệt trùng: 60 phút

CHƯƠNG I: TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

1 Công thức tiệt trùng cho đồ hộp pate

𝐴 − 𝐵 − 𝐶

𝑇 𝑃 =

20 − 25 − 15

121 2 Trong đó:

A: thời gian nâng nhiệt cho thiết bị lên đến nhiệt độ tiệt trùng T (phút)

B: thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ tiệt trùng T (phút)

C: thời gian làm nguội thiết bị (phút)

=> Quá trình tiệt trùng gồm 2 giai đoạn: nâng nhiệt và giữ nhiệt

2 Giai đoạn nâng nhiệt

Nhiệt lượng cho giai đoạn đun nóng được tính theo công thức tổng quát:

QT = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 (kcal) (CT4.62, trang 239, [1])

Trong đó:

Q1: Nhiệt lượng đun nóng nồi tiệt trùng

Q2: Nhiệt lượng đun nóng xe đẩy

Q3: Nhiệt lượng đun nóng bao bì sắt tây

Q4: Nhiệt lượng đun nóng thực phẩm trong hộp

Q5: Nhiệt lượng đun nóng nước trong thiết bị

Q6: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh

➢ Tính Q 1 : Nhiệt lượng đun nóng nồi tiệt trùng

Q1 = G1.C1.(tT-t1) (kcal) (CT4.63,trang 240,[1])

Trong đó: G1: khối lượng thiết bị

C1: Nhiệt dung riêng của thép, C1=0,5 (kJ/kg.độ)

[1] Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm gia dụng, Phan Văn Thơm

G1 = m thân nồi + m đường ray + m nắp và đáy = 1203,234 (kg)

C1 = 0,5 (kJ/kg.độ) = 0,5

4,186 = 0,1196 (kcal/kg.độ) Chọn tT (nhiệt độ tiệt trùng) (oC) = 121oC

t1 (nhiệt độ ban đầu) (oC) = 35oC

=> Q1 = G1.C1.(tT-t1) = 1203,234.0,1196.(121-35) = 12375,98 (kcal)

➢ Tính Q 2 : Nhiệt lượng đun nóng xe đẩy

Q2 = G2.C2.(tT-t2)

Trong đó:

G2: khối lượng xe đẩy (kg)

C2: nhiệt dung riêng của vật liệu làm xe đẩy (kcal/kg.độ)

(chọn vật liệu xe đẩy là thép CT3, có C2 = 0,5(kJ/kg.độ) = 0,1196(kcal/kg.độ))

G3: khối lượng bao bì

C3: nhiệt dung riêng của bao bì sắt tây, C3= 0,1196 (kcal/kg.độ)

G4 : Trọng lượng của pate, G4 = (170 − 30) 10−3 3000 =120 (kg)

C4 : Nhiệt dung riêng của pate, chọn C4 = 3,52 (kJ/kg độ) = 0,8409 (kcal/kg độ)

tT’ : Nhiệt độ của thực phẩm lúc tiệt trùng (giả sử tT’ = tT = 121℃ )

t4 : Nhiệt độ ban đầu của thực phẩm lúc rót vào hộp (cho t4 = 60 ℃ )

→ Q4 =120 0,8409 ( 121 – 60 ) = 6155,39 (kcal)

➢ Tính Q 5 : Nhiệt lượng đun nóng nước trong thiết bị

Q5 = G5 .C5 .(tT-t5) (kcal)

Trong đó:

G5 : Trọng lượng nước trong nồi, Q5= 55,73 (kg)

C5 : Nhiệt dung riêng của nước (kcak/kg.độ), C5 = 1,0038 (kcal/kg ℃)

t5 : Nhiệt độ ban đầu của nước (℃) , t5 = 30℃

F: bề mặt toàn phần của nồi tiệt trùng (m2)

𝜏: Thời gian nâng nhiệt theo công thức tiệt trùng ( giờ ), 𝜏 = 20

60=1

3 ( giờ )

𝑡𝑁: Nhiệt độ trung bình ở vỏ ngoài của nồi rong giai đoạn đun nóng (℃)

𝑡𝑘𝑘: Nhiệt độ của không khí (℃), 𝑡𝑘𝑘 = 30 ℃

Với F = π D L

D: là đường kính ngoài thiết bị

L: là chiều dài của thiết bị không tính nắp và đáy

𝛼1 = 8,4 + 0,06(75,5 − 35)= 11,13 (kcal/m2.giờ ℃)

→ Q6 =11,13𝜋 1414.3,265 ⋅1

3(75,5 − 35) = 2179,27 (kcal)

3 Giai đoạn giữ nhiệt

Trong giai đoạn này, nhiệt lượng chi phí dùng để bù đắp cho nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh, vì nồi, giỏ, bao bì, thực phẩm, nước, đều đã được đun nóng tới nhiệt

𝐹 : Bề mặt toàn phần của nồi tiệt trùng (m2)

𝜏2 : Thời gian giữ nhiệt không đổi theo công thức tiệt trùng (℃),

Q = 𝑄1+ 𝑄2+ 𝑄3+ 𝑄4+ 𝑄5+ 𝑄6+ 𝑄7= 34552,76 (kcal)

4 Tính toán lượng hơi nước

➢ Lượng hơi nước cung cấp cho giai đoạn nâng nhiệt

𝐷1 = 𝑄𝑎

𝑖 2 −𝑖 1 (kg) (CT4.65, trang 241, [1] ) Trong đó:

i1 : Nhiệt hàm của nước ngưng (kcal/kg)

Tra bảng phụ lục 7 trang 134 [3] dùng ct nội suy tính i1 ở nhiệt độ 121 ℃, ta có i1 = 507,97(kJ/kg) =121,345 (kcal/kg)

i2: Nhiệt hàm của hơi nước (kcal/kg)

Tra bảng phụ lục 8 trang 135 [3] ở nhiệt độ 130℃, i2 =2720,7 (kJ/kg) =649,953 (kcal/kg)

Ta có: 𝑄𝑎 = 𝑄1+ 𝑄2+ 𝑄3+ 𝑄4+ 𝑄6= 24131,918 (kcal)

→𝐷1= 𝑄𝑎

𝑖2−𝑖1 = 24131,918

649,953−121,345 = 45,65 (kg) Lượng cung cấp hơi cho giai đoạn giữ nhiệt:

- Chiều rộng của khay = 0,084 10 = 0,84 (m)

- Chiều dài của khay = 0,084 15 = 1,26 (m)

- Mỗi xe đẩy chứa được: 10 10 15 = 1500 (hộp)

- Khay có chiều cao là 0,02m

- Khoảng cách giữa hai khay là 0,04m (bằng chiều cao một lon)

- Độ dày thành khay là 0,002m

- Độ dày thành đáy là 0,003m

Thể tích đựng của khay: V1 = (1,26 – 0,02 2) (0,84 – 0,02 2) (0,02 – 0,003) = 0,018 (m3) Thể tích của cả khay: V2 = 1,26 0,84 0,02 = 0,021 (m3)

Thể tích của vật liệu làm khay: V = V2 – V1 = 0,021 – 0,018 = 0,003 (m3)

mkhay = V ρino.SUS304 với ρino.SUS304 = 8000 kg/m3

mkhay = 0,003 8000 = 24 (kg)

∑mkhay= 24 10 2 = 480 (kg)

1.3 Tính toán khung xe

Vật liệu sử dụng làm khung xe là thép không gỉ SUS 304

Khung xe được hàn bởi:

- 4 thanh thép dài 1,3m

- 4 thanh thép dài 0,9m

- 4 thanh thép dài 0,7m

Chọn ống inox có Ø là 34mm, độ dày là 2mm [2]

mống = 0,003141 dày (Dn - dày) tỷ trọng dài [4]

Với tỷ trọng của inox SUS 304 là 7,93 g/cm3 = 7930 kg/m3

- ống 1,3m: mống = 4 [0,003141 0,002 (0,038 - 0,002) 7930 1,3] = 0,00466 (kg)

- ống 0,9m: mống = 0,00646 (kg)

- ống 0,7m: mống = 0,00502 (kg)

➢ ∑mkhung = 0,00466 + 0,00646 + 0,00502 = 0,01614 (kg)

mbánh xe = V ρ = 3,14 + 0,032 0,052 8000 = 2 (kg)

∑mbánh xe = 2 4 = 8

∑mxe = mkhay + mkhung + mbánh = 240 + 20,1 + 8 = 268,1 (kg)

2 Tính toán bồn tiệt trùng

2.1 Tính toán thân thiết bị

Chọn vật liệu làm bồn tiệt trùng là thép SUS 304, có độ dày σ = 7mm = 0,007m

l0 : khoảng cách của xe với 2 đầu nồi (r = 0,3 2 = 0,6 m)

Chọn đường kính trong của thiết bị: D = 1400 mm (theo bảng xIII.6, trang 359, [5]) Đường kính ngoài bồn tiệt trùng: Dn = D + 2.σ = 1,4 + 2 0.007 = 1,414 (m)

2.3 Tính toán bề dày cho thân, nắp và đáy thiết bị

➢ Độ dày của thân thiết bị:

Tính bề dày của thân thiết bị chịu áp suất trong

S = 𝐷𝑡.𝑝2.[𝜎𝑘].𝜑−𝑝 + C ( ct xIII.8, 360, [5]) Trong đó:

p = p m + khí = 106 N/m2

Dt = 1,4 m

σk : hệ số bền, ứng suất chịu kéo nén

Tra bảng xII.4 (Tính chất cơ học của thép tấm), trang 310, [5], đối với thép không gỉ ta có:

C2 : đại lượng bổ sung do hao mòn trong các trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động tốc độ lớn trong thiết bị Trong bài này, C2 = 0mm

C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày vật liệu, theo bảng xIII.9 (các loại thép tấm): C3 = 0,6mm

➢ Tính bề dày của thân thiết bị chịu áp suất chân không

Đối với thiết bị làm việc chịu áp suất ngoài hay áp suất chân không, chiều dày S được tính theo công thức sau:

Et : mô đun đàn hồi ở nhiệt độ t của thành; E = 2,1.1011 (N/m2)

φ: hệ số bền của thành trụ, φ = 0,95 (bảng xIII.8, trang 362, [5])

C = C1 + C2 + C3; C1 phải tính đến khả năng bị ăn mòn cả mặt trong và ngoài

0,4+ 0,0016

= 2,085 10-3 (m) = 2,085 mm

Vậy chọn S thân = 7mm (Tính theo áp suất trong)

➢ Tính bề dày cho đáy và nắp elip:

Chọn bề dày đáp, nắp elip bằng với bề dày của thân thiết bị

Vậy S nắp = S đáy = S thân = 7(mm)

2.4 Tính toán đường ray

2.5 Tính toán khối lượng cho vành đai đỡ

Chọn số lượng đai đỡ là 4, vật liệu thép CT3, độ dày 𝜎 = 0,02𝑚

Chiều dài : 𝜋 𝐷 = 3.14 1.4 = 4,396𝑚

Chiều rộng : 0,1m

 𝛴𝑚đ𝑎𝑖 đỡ = 4 (4,396 0,1 0,02) 7850 = 276,07 (𝑘𝑔)

Tổng khối lượng của thiết bị bồn tiệt trùng là :

m thiết bị = m thân + m nắp + m ray + m đai đỡ

= 788,694 + 84,55 + 20,1 + 276,07

= 1169,414 (kg)

CHƯƠNG 3: CHỌN THIẾT BỊ PHỤ

1 Chọn thiết bị phụ

Sử dụng bơm ly tâm để bơm nước cung cấp cho thiết bị với lý do:

- Bơm ly tâm có kích thước và trọng lượng bé hơn so với bơm piston

- Điều chỉnh lưu lượng đơn giản, dễ dàng, lưu lượng ổn định

- Dễ vận hành, phù hợp với sản phẩm dạng lỏng có chứa các hạt rắn

- Ít phải sửa chữa trong quá trình vận hành

Van cho vật liệu làm van là gang

Các loại van trong bồn tiệt trùng gồm: van an toàn để tự động xả khí, van cửa để điều chỉnh hướng đi của nước và hơi nước

Thiết bị gia nhiệt: điện trở Ưu điểm của điện trở là:

- Tiết kiệm điện

- Hiệu suất ổn định, truyền nhiệt tốt

- Có thể tùy biến kích cỡ, công suất tùy theo nhu cầu sử dụng

𝐺ₕ : lưu lượng khối lượng của hơi bão hòa

4 Tính toán ống nước ngưng

Lượng nước ngưng = Lượng hơi nước bão hòa

Gnn = Gh = 0,045 kg/s

dnn = √ 4.𝐺ₙₙ

𝜋.ωₙₙ 𝜌ₙₙ = √4.0,045

𝜋.1.983,8 = 7,63.10-3

Trong đó:

ωₙₙ: Tốc độ hơi nước ngưng (m/s)

Chọn ωₙₙ = 1 (m/s)

ρₙₙ = 938,8 (kg/m3) – Khối lượng riêng của nước ngưng ở nhiệt độ 130oC

Vậy chọn kích thước ống nước ngưng là 24 mm (bảng xIII.33, trang 435, [3])

5 Tính chân đỡ

Theo trang 439, [5]

L = 0,866Dt =0,866.1400 = 1212, 4 (mm)

L1 =L + 40 = 1212,4 + 40 = 1252,4 (mm)

CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN CHI PHÍ CHẾ TẠO THIẾT BỊ

Bảng giá tiền vật liệu bồn tiệt trùng

Tên chi tiết Vật liệu Số lượng Đơn giá (VNĐ) Tổng giá (VNĐ) Thân bồn tiệt trùng Thép SUS304 1 6.000.000 6.000.000

Ampe kế 1 275.000 275.000 Máy cảm biến nhiệt

PHẦN 3 : THIẾT LẬP HỆ THỐNG KIỂM SOÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHƯƠNG 1: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ ( BẢN VẼ )

CHƯƠNG 2; LẮP RÁP HỆ THỐNG

Bước 1: Lắp đặt bộ điều khiển

Bước 2: Lắp đặt cảm biến nhiệt độ

(Cảm biến nhiệt độ được lắp đặt gần bồn tiệt trùng để đo nhiệt độ trong bồn Được lắp đặt bằng cách hàn hoặc bắt vít)

Bước 3: Lắp đặt cảm biến áp suất

Bước 4: Lắp đặt van điện từ

(Van được lắp ở đường dẫn nước để nước được cấp vào bồn tiệt trùng)

Bước 5: Dùng để đóng/mở van điện từ

Bước 6: Lắp đặt mạch điện

Cách thức hoạt động của hệ thống:

- Khi nhấn nút khởi động, bộ điều khiển sẽ kích hoạt hệ thống gia nhiệt

- Cảm biến nhiệt độ sẽ đo nhiệt độ ở bồn tiệt trùng và truyền tính hiệu về bộ điều khiển

- Bộ điều khiển sẽ so sánh nhiệt độ thực tế với nhiệt độ yêu cầu Nếu nhiệt độ thực tế

< nhiệt độ yêu cầu bộ điều khiển van điện từ để cấp hơi nước vào bồn tiệt trùng

- Khi nhiệt độ trong bồn đạt đến nhiệt độ yêu cầu, bộ điều khiển sẽ tắt hệ thống gia nhiệt và mở van xả để xả hơi nước ra khỏi bồn tiệt trùng

Khi vận hành hệ thống cần lưu ý:

- Đảm bảo các thiết bị hoạt động tốt

- Thực hiện đúng quy trình vận hành thiết bị

- Kiểm tra thường xuyên các thông số của quá trình tuyệt trùng