Thiết kế dây chuyền sản xuất sữa tươi tiệt trùng có đường năng suất 25 triệu lít sản phẩmnăm

Sữa là một trong những thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao nhất. Trong sữa có đầy đủ tất cả các chất dinh dưỡng cần thiết và dễ được cơ thể hấp thu. Ngoài các thành phần chính là protein, lactoza, lipit, muối khoáng còn có tất cả các loại vitamin chủ yếu, các enzyme, các nguyên tố vi lượng không thể thay thế. Đối với trẻ em, canxi của sữa là nguồn canxi không thể thay thế. Trong số các thức ăn tự nhiên của con người không có sản phẩm nào mà hỗn hợp các chất cần thiết lại được phối hợp một cách có hiệu quả như sữa. Do đó sữa và các thành phần từ sữa từ lâu đã được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi. Thêm vào đó, những năm gần đây chất lượng cuộc sống được nâng cao nên nhu cầu về sữa càng lớn.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Những năm qua ngành sữa Việt Nam phát triển khá nhanh Nếu như trướcnăm 1990 chỉ có từ một tới hai nhà sản xuất, phân phối sữa thì hiện nay thị trườngsữa Việt Nam tăng lên 72 doanh nghiệp

Sữa là một trong những thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao nhất Trong sữa

có đầy đủ tất cả các chất dinh dưỡng cần thiết và dễ được cơ thể hấp thu Ngoàicác thành phần chính là protein, lactoza, lipit, muối khoáng còn có tất cả các loạivitamin chủ yếu, các enzyme, các nguyên tố vi lượng không thể thay thế Đối vớitrẻ em, canxi của sữa là nguồn canxi không thể thay thế Trong số các thức ăn tựnhiên của con người không có sản phẩm nào mà hỗn hợp các chất cần thiết lạiđược phối hợp một cách có hiệu quả như sữa Do đó sữa và các thành phần từ sữa

từ lâu đã được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi Thêm vào đó, những năm gần đâychất lượng cuộc sống được nâng cao nên nhu cầu về sữa càng lớn

Nắm bắt được xu thế đó của thị trường, các công ty lớn về sữa nhưVinamilk, TH True Milk đẩy mạnh sản xuất, định hướng phát triển nâng cao năngsuất sản xuất, xây dựng quy trình khép kín đảm bảo chất lượng nguồn nguyênliệu Song theo thống kê từ Hiệp hội thức ăn gia súc Việt Nam thì sữa trong nướcsản xuất chỉ đáp ứng được 22% nhu cầu tiêu dùng Thêm vào đó, do chứa nhiềuchất dinh dưỡng nên sữa là môi trường thuận lợi cho sự phát triển của sinh vật Đểkhắc phục được những điểm trên mà ta phải có các phương pháp như tiệt trùng,thanh trùng, lên men nhằm kéo dài thời gian bảo quản, tăng giá trị cảm quan.Sản phẩm được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trên thị trường Việt Nam là

sữa tiệt trùng Do vậy tôi quyết định chọn đề tài: “Thiết kế dây chuyền sản xuất sữa tươi tiệt trùng có đường năng suất 25 triệu lít sản phẩm/năm.”

PHẦN 1: NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT 1.1 NGUYÊN LIỆU CHÍNH:

Sữa bò tươi, trong sữa có đầy đủ các chất cần thiết cho việc tạo thành các

tổ chức cơ thể và cơ thể có khả năng hấp thụ sữa rất cao, đầy đủ các chất dinhdưỡng như chất béo, đường lactoza, các vitamin, chất khoáng, các enzym, Ngoài ra trong sữa còn có đầy đủ các axit amin không thay thế Đây là các axitamin rất cần thiết cho cơ thể

1.1.1 Thành phần hóa học và cấu trúc hóa lí của sữa tươi.

Sữa gồm hai thành phần chính là nước và chất khô

Chất khô bao gồm lactose, protein, muối khoáng, enzyme và các chất béo.Ngoài ra, sữa còn chứa một số hợp chất khác với hàm lượng nhỏ như các hợpchất chứa nitơ phi protein, vitamin, các chất màu và khí

Thành phần hóa học ở sữa của các loài động vật khác nhau là khác nhau.Sữa của các loài động vật khác nhau là rất khác nhau, sữa cừu có hàm lượngprotein và chất béo cao nhất, tiếp đến là sữa trâu, hàm lượng lactoza trong sữangười mẹ cao hơn hẳn so với sữa của các loài động vật khác Phụ thuộc vàonhiều yếu tố mà thành phần hóa học đó không giống nhau như chủng vật nuôi,tình trạng sinh lí của từng con vật, điều kiện chăn nuôi (thành phần thức ăn giasúc, chế độ ăn, thời tiết )

Bảng 1.1 Thành phần hóa học sữa của một số loại sữa (% khối lượng) [4,2]

Hàm lượng các thành phần cơ bản của sữa có thể dao động trong một phạm

vi khá rộng, phụ thuộc vào sự khác biệt về giống, về điều kiện tự nhiên và điềukiện chăn nuôi

Bảng 1.2 Thành phần cơ bản của một lít sữa bò(% khối lượng )[3,6] Các thành phần chính Khoảng biến

thiên

Giá trị trung bình (% khối lượng)

Hàm lượng chất khoáng trong sữa dao động từ 8–10g/l Các muối trong sữa

ở dạng hòa tan hoặc dung dich keo (kết hợp với casein) Trong các nguyên tốkhoáng có trong sữa, chiếm hàm lượng cao nhất là canci, phospho va magie.Các nguyên tố khác nhau như Zn, Fe, Cu, Mo cần thiết cho quá trình dinhdưỡng của con người

Bảng 1.3 Thành phần một số nguyên tố khoáng trong sữa.[4,24]

Bảng 1.4 Hàm lượng một số vitamin trong sữa [4,23]

lượng

lượng (mg/l)

Bảng 1.5 Một số chỉ tiêu vật lí quan trọng của sữa bò tươi [3,5]

1.1.3 Hệ vi sinh vật trong sữa bò.

1.1.3.1 Nguồn gốc hệ vi sinh vật trong sữa.

Hệ vi sinh vật trong sữa rất đa dạng, có nhiều nguồn gốc khác nhau như từmột số nguồn sau đây:

- Bầu vú động vật cho sữa

- Người và thiết bị cho sữa

- Thiết bị chứa sữa

- Môi trường chuồng trại nơi vắt sữa

1.1.3.2 Hệ vi sinh vật trong sữa [3,24]

Hệ vi sinh vật và số lượng của chúng trong sữa luôn luôn thay đổi và phụthuộc vào mức độ nhiễm vi sinh vật trong quá trình vắt sữa.

+ Loài Streptococus thermophilus: tác nhân của sự hình thành acid.

+ Vi khuẩn lactic: chung nhất là Streptococus lactic và S.cremoris tác nhân

của sự đông tụ tự nhiên

+ Loài Leuconostoc: là loài vi khuẩn lactic lên men không định hình, tạo ra

một loại acid lactic

+ Nấm men (yeast): một số nấm men có thể sử dụng đường lactose chuyểnthành rượu Chúng phát triển trong sữa và gây ra những biến đổi về thành phần

hóa học trong quá trình bảo quản sữa Một số chủng nấm men là Sacharomyces, mycorderma.

+ Nấm sợi (moulds): một số loài nấm sợi thường nhiễm vào sữa như

mucor, rhizopus, penicillium, apergillus

Ngoài ra còn có hệ vi sinh vật gây bệnh Đặc trưng là samonella typhi, samonella para typhi, shigella dysenterial.

Hầu hết các loài nấm men và nấm sợi đều bị tiêu diệt trong quá trình thanhtrùng sữa ở 75°C trong thời gian từ 10-15 giây

1.2 NGUYÊN LIỆU PHỤ

1.2.1 Chất tạo ngọt

Sử dụng đường saccharose dưới dạng siro có hàm lượng chất khô 70%

Vai trò:

- Tạo vị ngọt cho sữa, làm tăng giá trị cảm quan

- Cung cấp năng lượng chủ yếu cho cơ thể

- Dể dàng tiêu hóa

1.2.2 Chất nhũ hóa.

Sử dụng E 471 (mono-diglycerides của acid béo) với liều lượng sử dụng là2,5-15 g/kg nguyên liệu Làm giảm sức căng bề mặt của các giọt phân tán từ đólàm giảm được năng lượng hình thành các giọt trong hệ Tạo sự ổn định của hệkeo phân tán trong pha liên tục

Sữa nguyên liệu

Kiểm tra chất lượng

Hình 2.1: Sơ đồ quy trình sản xuất sữa tiệt trùng có đường

2.2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.2.1 Thu nhận và làm lạnh sữa.

Sữa vắt ra được làm lạnh ngay, tránh được mọi biến đổi xấu với sữa Sữanguyên liệu sau khi được thu nhận bằng thiết bị thu nhận sữa tươi của Tetra Pakloại M42-2293 và làm lạnh tại nhà máy sẽ được đưa vào sản xuất Yêu cầu củasữa nguyên liệu:

- Sữa được lấy từ những con bò khỏe mạnh, không chứa vi khuẩn gâybệnh

- Sữa có mùi vị tự nhiên, không có mùi vị lạ, không chứa chất kháng sinh,chất tẩy rửa

- Sữa có thành phần tự nhiên

- Sữa phải tươi và được làm lạnh ngay đến 4 - 60C Mục đích:

Làm lạnh bằng thiết bị gia nhiệt dạng tấm Alfa Laval hạn chế vi sinh vậtlàm hư hỏng sữa tươi nguyên liệu và hạn chế sự phân hủy chất dinh dưỡng củasữa dưới tác dụng của hệ enzyme có sẵn trong sữa tươi, tăng hiệu quả thanhtrùng, tăng thời gian bảo quản cho sữa

2.2.2 Kiểm tra chất lượng.

Với những chuyên gia, hay với người có kinh nghiệm Sau khi mở cửa xelạnh chứa sữa, họ có thể ngửi mùi để xác định chất lượng sữa Tiếp đó sữa sẽđược kiểm tra tổng số vi sinh vật qua phản ứng mất màu chất chỉ thị, kiểm tracác chỉ tiêu độ tươi, hóa lý, cảm quan

Thiết bị: chọn thiết bị gia nhiệt kiểu tấm bản MS 10-SR của Alfa Laval

Sữa gầy nặng hơn nên có xu hướng tiến về phía ngoại vi Sữa nguyên liệutiếp tục được đưa vào gây áp suất đẩy sữa gầy và cream đến phía trên rồi rangoài qua hai đường khác nhau Hàm lượng chất béo trong sữa gầy là 0,05%,còn trong cream là 40%.

Thiết bị: Chọn thiết bị ly tâm diyingix xuất xứ Trung Quốc

Thiết bị: Chọn hệ thống điều chỉnh chất béo hoàn toàn tự động TetraFlexDosTM

2.2.6 Quá trình phối trộn

Mục đích:

- Tăng độ ngọt, giá trị dinh dưỡng, thời gian bảo quản và cảm quancho sản phẩm

- Hòa tan các chất ổn định, đường vào sữa triệt để

Bổ sung: -Chất ổn định và chất nhũ hóa: Sử dụng với hàm lượng 0,1%khối lượng nguyên liệu

-Chất tạo ngọt: Đường saccharose được cho vào dưới dạng siro

có hàm lượng chất khô là 70%

Thực hiện: bơm sữa sau khi đã tiêu chuẩn hóa vào bồn trộn, sau đó bơmtiếp nguyên liệu sau khi gia nhiệt chứa ở thùng chứa sau gia nhiệt vào bồn trộn,cho bồn trộn ổn định dòng sữa, nhiệt độ từ 400C- 450C Tiến hành đổ từ từ chất

ổn định, chất nhũ hóa, siro theo như tiêu chuẩn Cánh khuấy hòa trộn từ 10-15phút thì cho sữa qua gia nhiệt

Thiết bị: Tetra Pak Mixer RJCI

2.2.7 Gia nhiệt 2

Mục đích:

Nâng nhiệt độ của sữa lên nhiệt độ thích hợp cho quá trình bài khí và đồnghóa diễn ra tốt hơn Làm giảm độ nhớt của khối sữa và tiêu diệt một phần vi sinhvật

- Ổn định lưu lượng do đó tăng độ chính xác của kết quả đo và duy trì tuổithọ của bơm.

Tiến hành:

Sữa sau khi được gia nhiệt lên 90oC sẽ được tiến hành bài khí Bài khítrong môi trường chân không bởi bơm chân không Một áp lực chân không thíchhợp sẽ được tạo ra làm cho các khí ở dạng phân tán, hòa tan và một phần hơinước cùng các hợp chất dễ bay hơi thoát ra khỏi thiết bị Toàn bộ hỗn hợp này

sẽ được đưa vào bộ phận ngưng tụ được đặt trên đỉnh thiết bị bài khí Nước vàmột số cấu tử sẽ chuyển sang dạng lỏng và chảy xuống đáy thiết bị còn khí vàcác cấu tử không ngưng tụ sẽ được bơm chân không hút ra ngoài Nhiệt độ sữa

Thực hiện: Đồng hóa hai cấp

Thông số kĩ thuật: Nhiệt độ sữa trước khi đồng hóa 65°C

 Cấp 1: 150 -160 bar: phá vỡ các cầu béo thành các cầu béo nhỏ hơn

 Cấp 2: 50-40 bar: giúp các cầu béo không liên kết lại với nhau

Thiết bị đồng hóa là một bơm pittông 3 cấp Trên ống tăng áp người ta đặtvan đồng hóa van này ép sát bằng lò xo vào lỗ có đường kính 5 – 10 mm gọi là

đế van

Đầu tiên, sữa đi vào có áp suất 230 Pa, nhiệt độ sữa 650C Các pittôngchuyển động trong xylanh ở áp suất cao Lúc này tốc độ chuyển động của hệnhũ tương sẽ tăng lên và quá trình đồng hóa sẽ diễn ra với áp suất 200 bar Saukhi qua khe hẹp thứ nhất, các hạt trong pha phân tán bị phá vỡ và giảm kíchthước,thực hiện đồng hóa cấp 1 Theo Barabanovxki, các hạt cầu mỡ bị chia nhỏ

là kết quả của sự thay đổi đột ngột tốc độ của sữa khi đi qua van Sữa sau đồnghóa cấp 1 có áp suất 48 bar Tuy nhiên, chúng có thể kết dính lại với nhau tạothành chùm hạt, việc thực hiện giai đoạn đồng hóa cấp 2 giúp cho các hạt cầubéo ổn định và phân tách ra thành những hạt cầu béo riêng biệt, tránh hiện tượngtách pha của hệ nhũ tương trong quá trình bảo quản sau này Sữa sau đồng hóacấp 2 có áp suất 4 bar, nhiệt độ 700C

Thiết bị đồng hóa LPH APV Gaulin 1321MC18-3TPS Homogeniser

2.2.10 Quá trình tiệt trùng UHT

Mục đích: Vô hoạt toàn bộ hệ vi sinh vật và enzyme có trong sữa

Phương pháp thực hiện: 4 công đoạn chính

 Nâng nhiệt sơ bộ

 Tiệt trùng

 Hạ nhiệt sơ bộ

 Hạ nhiêt đến nhiệt độ yêu cầu

Tại ngăn đầu, sữa trao đổi nhiệt với nước nóng nâng nhiệt độ lên 850C.Tiếp đó sữa qua ngăn tiệt trùng, nâng nhiệt độ 1370C, giữ trong vòng 3-4s, ápsuất 6 bar tạo khí nén áp lực dương bên trong bồn để đẩy sang máy rót Sữa sẽtiếp tục làm nguội bằng cách trao đổi nhiệt với sữa lạnh đi vào kết quả hạ nhiệt

độ xuống 30°C rồi tiếp tục trao đổi nhiệt với nước lạnh hạ nhiệt độ 20-250C rồi

vào bồn trữ vô trùng hoặc rót sản phẩm Từ bồn trữ vô trùng, sữa sẻ được bơmđưa qua thiết bị đóng gói.

Thông số kĩ thuật: Nhiệt độ:137°C, thời gian: 4 giây, áp suất 6 bar

Thiết bị tiệt trùng UHT: Tetra Therm Aseptic Flex 1

Tiến hành:

Dịch sữa để ổn định dòng cho thiết bị rót được chứa trong bồn chứa gồm 2lớp vỏ, hệ thống nước tuần hoàn để làm mát bồn, áp dương duy trì > 0,5bar

Quá trình rót hộp phải được tiến hành trong điều kiện vô trùng Các cuộngiấy sẽ được chạy qua bể H2O2 để tiệt trùng giấy nồng độ 32-48%

Để đạt được môi trường rót vô trùng thì buồng rót được tiệt trùng trước khirót bằng cách thổi khí nóng ở nhiệt độ 170oC vào buồng rót Sau đó, phun H2O2

vào buồng vô trùng, H2O2 ngưng tụ trên thành 1 phút sau đó đươc sấy khô Thểtích mỗi hộp sữa sau khi rót là: 180ml, là loại hộp giấy có hình dáng ưa chuộngnhất hiện nay (cấu tạo bao bì của hộp gồm 7 lớp) Quá trình rót hộp được thựchiện trên máy rót và bao gói tự động Tetra Pak

Lớp 1: màng HDPE chống thấm, bảo vệ lớp in và tránh bị trầy xước

Khi tiến hành rót, hộp được hút chân không đồng thời được nạp khí nitơ, đểcấu trúc hộp vững chắc, tạo khoảng không cho sữa dãn nở và sản phẩm khi uống

có cảm giác đồng đều

Trong khi rót hộp, khoảng 45 phút một lần hoặc sau khi hết cuộn giấy,nhân viên vận hành máy phải kiểm tra xem hộp có kín không, có vuông cạnhkhông QA thường xuyên kiểm tra quá trình đóng hộp quá trình lấy mẫu đầu quátrình rót, cuối quá trình rót và 20 phút/lần

Kết thúc quá trình rót, hộp được chuyển sang công đoạn ghép ống hút vàbao màng co để hoàn thiện sản phẩm

Thiết bị: Chọn loại máy rót hiệu Tetra Pak TBA19 180 ml Slim

PHẦN 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT3.1 Kế hoạch sản xuất của nhà máy

3.1.1 Kế hoạch thu mua nguyên liệu

Bảng 3.1 Biểu đồ nhập nguyên liệu

Sữa tươi

X: Nhập nguyên liệu cả tháng

Y: Nhập nguyên liệu nửa tháng

Dựa vào biểu đồ nhập nguyên liệu, ta thấy tất cả các tháng đều nhậpnguyên liệu trừ nửa tháng 2, tháng 9 Đối với tất cả các loại máy móc thiết bị,nhà xưởng sau một thời gian sản xuất đều phải được vệ sinh, tu sửa Mặt khác,tháng 2 và tháng 9 gần các dịp lễ nên cần có thời gian tổng kết hoạt động và lên

kế hoạch sản xuất cho một năm tiếp theo

3.1.2 Kế hoạch sản xuất của nhà máy.

Một năm nhà máy sản xuất 11 tháng Nhà máy hoạt động liên tục chỉ nghỉ ,các dịp lễ Tết và tháng 2 để bảo dưỡng thiết bị Các ngày nghỉ trong năm là:01/01, tháng 2, 30/04, 01/05, 10/03 âm lịch, 02/09 Bên cạnh đó, trong quá trìnhsản xuất mỗi tháng có 1 ngày nghỉ để vệ sinh, bảo dưỡng thiết bị cũng như dựphòng khi có sự cố xảy ra

Bảng 3.2 Biểu đồ kế hoạch sản xuất

Tháng Ngày

Sản xuất

Số ngày sản xuất 29 15 30 27 29 29 30 30 13 30 29 30

Sữa tươi tiệt trùng có đường:

 Chất khô của sữa: 14%

F: hàm lượng chất béo có trong sữa (% khối lượng)

SNF: hàm lượng chất khô không béo trong sữa (% khối lượng)

W: hàm lượng nước trong sữa (% khối lượng)

 Sữa tươi tiệt trùng có đường :

3.2.3 Ước lượng tổn thất qua từng công đoạn (tính theo % khối lượng)

Bảng 3.4 Bảng tiêu hao nguyên liệu

Với: S là lượng nguyên liệu cuối trong một đơn vị sản phẩm

X là tổng nguyên liệu hao phí qua từng công đoạn

 Lượng dịch sữa trước khi vào công đoạn bảo quản:

0

100 27043,09 27043,09

 Lượng dịch sữa trước khi vào công đoạn bao gói:

a là lượng dịch sữa sau khi phối trộn có hàm lượng chất ổn định 0,1% và3,5% đường

b là lượng dịch chất ổn định 5%

c là lượng dịch đường hàm lượng 70% cần phối trộn

Theo số liệu thực tế tại nhà máy thì lượng chất ổn định bổ sung chiếm 0,1%lượng dịch sữa trước khi phối trộn

a b

Gọi d là lượng dịch sữa trước phối trộn có a= c+ b+ d

100 20   (kg/ca)

 Lượng chất ổn định bổ sung:

5 546,9052 27,345

 Lượng nước công nghệ 70oC dùng để pha chất ổn định:

(hộp)Chọn hao hụt số hộp giấy là 0,05%, do đó số hộp giấy thực tế phải dùng là:

100

144674 144747

100 0, 05  

(hộp)

3,78 3,78

3.2.3.2 Tính cân bằng vật chất chung cho giai đoạn chuẩn hóa, ly tâm.

Tính cân bằng vật chất cho giai đoạn chuẩn hóa:

Theo phương pháp đường chéo hình vuông của Peason R.A (1904)

x: là lượng sữa có hàm lượng chất béo 3,78% (sữa nguyên liệu)

y: là lượng sữa có hàm lượng chất béo 0,05% (sữa gầy - sữa sau khi táchchất béo)

Hàm lượng chất béo của sữa thành phẩm là: 3,5%

Lượng sữa nguyên liệu sử dụng trong quá trình chuẩn hóa là: 23569,17(kg/ca).

Lượng sữa gầy sử dụng trong quá trình chuẩn hóa là: 1912,86 (kg/ca)

Tính cân bằng vật chất cho quá trình ly tâm:

 Sơ đồ của quá trình ly tâm như sau:

M (kg/ca) 3,78%

Sữa tiêu chuẩn hóa (kg/ca) 3,5%

Z (kg/ca) 0,05%

T (kg/ca)

40%

Y (kg/ca) 3,78%

X (kg/ca) 3,78%

Hình 3.1 Sơ đồ quá trình ly tâm

Y = 23569,17 (kg/ca)

Z = 1912,86 (kg/ca)

X: lượng sữa tươi cần phải ly tâm tách béo (kg/ca)

Y: lượng sữa tươi không ly tâm tách béo (kg/ca)

Z: lượng sữa gầy thu được sau khi ly tâm tách béo (kg/ca)

T: lượng cream thu được sau khi tách béo có hàm lượng chất béo 40% (kg/ca)

Theo phương trình cân bằng vật chất ta có:

Lượng sữa đi vào quá trình ly tâm là: 25679,02 (kg/ca)

Lượng chất béo thu được sau quá trình ly tâm là: 196,99 (kg/ca)

 Tổng lượng sữa trước khi đi vào quá trình ly tâm:

100 0,1   (kg/ca)

 Lượng sữa trước kiểm tra chất lượng 1:

100 25833,89 25836, 47

100 0,01   (kg/ca)

Vậy lượng sữa cần cho mỗi ca sản xuất là: 25836,47 kg

Qua quá trình tính toán ta có bảng tổng kết khối lượng nguyên liệu, đượcthể hiện ở bảng 3.5

Bảng 3.5 Bảng tổng hợp nguyên liệu.

hao(%)

Nguyên liệu(kg/ca)

Nguyên liệu phụ