Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY TÁCH HẠT CA CAO RESEARCH, DESIGN OF THECOCOA BEANS SEPARATOR MACHINE TS Văn Hữu Thịnh1a, KS Nguyễn Thoại Khanh2b Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng a thinhvh@hcmute.edu.vn; bthoaikhanhspkt@gmail.com TÓM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu, thiết kế máy tách hạt ca cao Máy tách vỏ ca cao theo chiều dọc thành hai nửa Trên sở tính toán, tác giả tiến hành mô hình hóa máy tách hạt ca cao phần mềm Autodesk Inventor trước chế tạo Công việc tính toán, mô hình hóa máy tách hạt ca cao phần mềm hạn chế sai sót trình gia công, tiết kiệm thời gian mang lại hiệu cao Từ khóa: hạt, ca cao, vỏ ca cao, hạt ca cao, máy tách ABSTRACT This paper presents the results of the research and design cocoa beans separator machine The machine splits cocoa pod longitudinally into two halves.Based on calculations, the authors carry out modeling a cocoa beans separator machine on Autodesk Inventor software before fabrication Computation, modeling a cocoa pod splitting machine on the software will limit the errors in machining processes, save time and bring more highefficiency Keywords: beans, cocoa, cocoa pod, cocoa beans, separator machine ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, nước ta có nhiều địa phương trồng ca cao với quy mô lớn Số lượng ca cao thu cần chế biến, tiêu thụ để thúc đẩy phát triển sản xuất xuất Các địa phương trồng nhiều ca cao như: Bến Tre, Tiền Giang, Bình Phước, Bà Rịa Vũng Tàu, Đắc Lắc, với sản lượng số lượng ngày gia tăng Sản phẩm từ ca cao như: bơ, bột, rượu socola mặt hàng phổ biến đời sống ngày, có giá trị kinh tế cao Nước uống sản xuất từ ca cao thức uống ngày người sử dụng rộng rãi Chính mà ca cao trồng nhiều nơi Việt Nam giới Tuy nhiên trình chế biến, đa phần hạt ca cao tách tay nên gặp nhiều khó khăn, cần số lượng lớn công nhân cho việc tách hạt, thời gian tách hạt kéo dài, dẫn đến tăng giá thành sản phẩm Vì việc áp dụng khí hóa tự động hóa vào khâu tách hạt để đem lại hiệu cao kinh tế, giải phóng sức lao động, giảm thời gian để tách hạt ca cao điều cần thiết VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu 2.1.1 Tính chất vật lý Trái ca cao có chiều dài 10 – 30cm, đường kính –10cm Trái cân nặng từ 200 – 1000g Tuỳ theo loài, hình dạng trái thay đổi nhiều từ hình cầu, hình dài nhọn 707 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV hình trứng Màu sắc trái đa dạng, có loại trái màu xanh, loại màu vàng loại màu đỏ Đặc tính trái ca cao chín vỏ không nở bung bị rụng khỏi Mỗi tráica cao thường chứa 30 – 40 hạt bao quanh lớp nhầy Lớp nhầy có vị chất cho trình lên men ủ hạt Cấu trúc vật lý trái ca cao theo chiều dọc thể Hình Khoảng trống Hạt Cuống 2.2.2 Thành phần hóa học Hình Cấu trúc vật lý trái ca Ca cao giàu chất Phytochemical chất hoạt động sinh học có thực cao theo chiều dọc vật cho có tác lợi cho sức khỏe người Trong hạt ca cao chưa lên men, sắc tố chiếm từ 11 – 13% mô Các tế bào sắc tố chứa khoảng 65 – 70% (khối lượng) Polyphenol 3% Anthocyanin Trong trình lên men, Polyphenol trải qua phản ứng khác bao gồm trình tự cô đặc phản ứng với Protein Peptide Khoảng 20% (theo khối lượng) Polyphenol lại cuối trình lên men Hàm lượng Polyphenol thay đổi tùy loại hạt ca cao mức độ lên men.[1] Bảng1 Thành phần ca cao Thành phần dinh dưỡng mg/100g Bảng Thành phần vỏ ca cao Khoáng chất mg/100g STT Thành ph T Trung bình(%) Protein 6,25 Protein 18,5 Na 950 Chất xơ 27,30 Chất béo 21,7 K 1500 Tro 8,10 Carbohydrate 11,5 Ca 130 Na 0,01 Năng lượng(Kcal) 312 Mg 520 K 3,20 Bảng Thành phần hóa học hạt sau lên men sấy Thành phhần hóa họ Mhành phhần hóa học hạt s Vhành phhần h Nước 3.2 6.6 Chất béo 57 5.9 Tro 4.2 20.7 Nitơ 2.5 3.2 Theobromine 1.3 0.9 Caffeine 0.7 0.3 Tinh bột 5.2 3.2 19.2 Chất xơ dạng thô (Nguồn: Knight, Chocolate and cocoa [1]) 2.2 Phương pháp tách hạt ca cao 2.2.1.Tách hạt ca cao thủ công Tách hạt ca cao thủ công cách thức tách hạt hoàn toàn thực thủ công cách sử dụng dao để tách vỏ sau lấy hạt ca cao từ vỏ 708 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Ưu điểm:dễ thực hiện, dụng cụ đơn giản cần dao, thớt, bao tay - Nhược điểm: tốn nhiều thời gian lao động (1) (2) (3) Hình Quy trình tách hạt ca cao tay Trái ca cao (1) dùng tay dụng cụ để tách phần vỏ (2), sau tách hạt ca cao khỏi vỏ (3) 2.2.2 Tách hạt ca cao máy Trái ca cao • Quy trình tách hạt ca cao máy Trái ca cao sau nhà vườn thu hoạch vận chuyển đến sở sản xuất bóc vỏ trước đưa vào khâu chế biến Quy trình bóc vỏ máy thực sau: Trái ca cao đưa vào phận cấp liệu, phận cấp liệu đưa phôi đến phận dẫn hướng ca cao đến phận cắt, sau phôi đưa đến phận tách vỏ, phận phân loại vỏ riêng thu sản phẩm hạt Bộ phận cấp liệu Bộ phận dẫn hướng Bộ phận cắt Thành phẩm - Ưu điểm: dễ sử dụng, suất cao, tiết kiệm sức lao động, rút ngắn thời gian bóc vỏ, có hiệu kinh tế Hình Quy trình tách - Nhược điểm: tốn điện để vận hành máy hạt ca cao máy • Sơ đồ nguyên lý Trái ca cao đưa vào phễu (1) băng tải (2) đưa đến bánh dẫn (3); bánh dẫn thiết kế gồm bánh xe, bên hai bánh quay ngược chiều để ép dẫn hướng ca cao xuống theo chiều dọc Bộ bánh dẫn đưa trái ca cao qua dao cắt (4) Tại vỏ ca cao cắt làm hai theo chiều dọc sau rơi xuống máng hứng (5) đưa vào phận sàng thùng(6) để phân loại Trong trình phân loại hạt rơi xuống máng (7) vỏ theo hướng nghiêng sàng thùng Hình 4: Sơ đồ nguyên lý máy tách hạt ca cao • Thiết kế máy tách hạt ca cao (1) Phễu (3) bánh dẫn Thiết kế cụm dao cắt (2) băng tải (4) dao cắt (5) máng hứng (7) máng Vấn đề lưu ý việc thiết kế dao là: (6) sàng thùng 709 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Đảm bảo cắt vỏ ca cao thành hai nửa theo chiều dọc - Quá trình cắt dao không phạm vào hạt ca cao - Dao phải đủ sắc bén để trình cắt đạt hiệu Dao theo biên dạng đĩa tròn không thiết kế hợp lý không cắt phần đầu cuối trái ca cao Thậm chí cắt trái ca cao bị bể, ảnh hưởng đến trái ca cao ảnh hưởng đến trình sàng tách hạt ca cao Hình dạng dao trái ca cao trình cắt vỏ thể Hình Qua cho thấy diện tích lớp cắt trái ca cao không đổi, có đường kính dao cắt thay đổi Thực tế cho thấy, để cắt hết toàn trái ca cao theo chiều dọc đường kính dao cắt nhỏ 200mm dao bố trí gối đầu [2] Đường kính 250mm, không gối đầu Đường kính 200mm, không gối đầu Đường kính 200mm, gối đầu 25mm Đường kính 250mm, gối đầu 25mm Hình Các kích thước đường kính dao cắt ca cao Hình Sơ đồ truyền động cụm dao cắt Động giảm tốc quay với tốc độ n = 47,7 vòng/phút qua đĩa xích trung gian z =15 𝑧𝑧2 𝑧𝑧3 𝑧𝑧4 15 24 24 truyền chuyển động cho dao thông qua tỉ số truyền 𝑧𝑧1 × 𝑧𝑧2 × 𝑧𝑧3= 24 × 15 × 24 , dao quay với tốc độ n = 47,7 vòng/phút, đồng thời dao quay ngược chiều với dao 𝑧𝑧2 𝑧𝑧3 𝑧𝑧5 𝑧𝑧6 𝑧𝑧7 𝑧𝑧8 15 24 15 15 24 24 thông qua tỉ số truyền 𝑧𝑧1 × 𝑧𝑧2 × 𝑧𝑧3 × 𝑧𝑧5 × 𝑧𝑧6 × 𝑧𝑧7 = 24 × 15 × 24 × 15 × 15 × 24 quay với tốc độ n = 47,7 vòng/phút Trong đĩa xích z = 15 kết hợp với lò xo có tác dụng làm căng xích dao cắt dịch chuyển vào để cắt theo biên dạng trái ca cao 710 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Cấu tạo cụm dao cắt Thép V40x40x4 Dao đĩa tròn Trục trung gian Đệm cao su Lò xo Mặt bích Đĩa xích Đế Gối đỡ UCP204 10 Trục dao Thiết kế cụm bánh dẫn Một hạn chế máy tách hạt ca cao theo nguyên lý dùng dao đĩa tròn không cắt hai đầu trái ca cao Điều hoàn toàn khắc phục theo hai cách: - Sử dụng thiết bị riêng để cắt hai phần đầu trái ca cao - Ép vỏ ca cao theo phương vuông góc với mặt phẳng cắt trái ca cao theo chiều dọc Hình Sơ đồ hệ thống bánh dẫn Bộ phận dẫn ca cao bốn bánh dẫn đàn hồi Độ cứng bánh dẫn điều chỉnh cách thay đổi áp suất khí bên Khoảng cách hai cặp bánh dẫn hoàn toàn điều chỉnh Động có hộp giảm tốc quay với tốc độ n đc = 47,7 vòng/phút truyền chuyển động cho 𝑍𝑍2 24 cặp bánh dẫn thông qua tỉ số truyền 𝑍𝑍1 = 12 quay với tốc độ n =23,85 vòng/phút Sau 𝑧𝑧3 𝑧𝑧4 12 24 thông qua đĩa xích trung gian có tỉ số truyền 𝑧𝑧2 × 𝑧𝑧3 = 24 × 12 bánh dẫn quay với tốc độ n = 23,85 vòng/phút ngược chiều với bánh dẫn để ép dẫn hướng cho ca cao xuống theo chiều dọc 711 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Mô hình hóa phận dẫn hướng ca cao KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Qua trình nghiên cứu, tham khảo tài liệu, tính toán, thiết kế, chế tạo máy tách hạt ca cao đến đề tài đạt kết sau: - Khảo sát đặc tính trái ca cao (cấu trúc vật lý, đặc tính hóa học.v.v) - Xác định quy trình bóc vỏ ca cao tay, đề xuất quy trình bóc vỏ máy - Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế phù hợp - Thiết kế chi tiết điển hình máy - Chế tạo, lắp ráp máy Hình 10 Mô hình hóa máy tách hạt ca cao Hình 11 Máy tách hạt ca cao chế tạo KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu thực đề tài tác giả xây dựng mô hình máy cắt vỏ cứng ca cao với suất trung bình 2400 trái/giờ Dựa nguyên lý cắt dọc vỏ ca cao dao đĩa tròn, với phận dẫn ca cao bốn bánh dẫn máy tách hạt ca 712 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV cao cắt tách trái ca cao với nhiều kích cỡ khác Kết báo nguồn tư liệu để thực nghiên cứu việc tách vỏ ca cao lấy hạt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Knight, Chocolate and cocoa: Health and nutrition Blackwell Science, 1999 A Zumbe, Polyphenols in cocoa: are there health benefits? BNF Nutrition Bulletin Volume 23, pp94-102, Spring 1998D [2] Yan Diczbalis, Craig Lemin, Nick Richards and Chris Wicks, Producing Cocoa in Northern Australia, Rural Industries Research and Development Corporation, February 2010 [3] A IA XOKOLOV, Cơ s IA XOKOLOV, es Research and Dev, NXB Khoa học Kỹ thuật THÔNGTIN TÁC GIẢ Văn Hữu Thịnh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Email: thinhvh@hcmute.edu.vn, Di động: 0918 025 201 Nguyễn Thoại Khanh, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng Email: thoaikhanhspkt@gmail.com, Di động: 0902 923 213 713 ... trình tách hạt ca cao tay Trái ca cao (1) dùng tay dụng cụ để tách phần vỏ (2), sau tách hạt ca cao khỏi vỏ (3) 2.2.2 Tách hạt ca cao máy Trái ca cao • Quy trình tách hạt ca cao máy Trái ca cao. .. vỏ máy - Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế phù hợp - Thiết kế chi tiết điển hình máy - Chế tạo, lắp ráp máy Hình 10 Mô hình hóa máy tách hạt ca cao Hình 11 Máy tách hạt ca cao chế tạo KẾT... trình phân loại hạt rơi xuống máng (7) vỏ theo hướng nghiêng sàng thùng Hình 4: Sơ đồ nguyên lý máy tách hạt ca cao • Thiết kế máy tách hạt ca cao (1) Phễu (3) bánh dẫn Thiết kế cụm dao cắt