Quá trình và thiết bị cô đặc sữa có đường công suất 1000 kg nguyên liệu h

Đây là loại sản phẩm có hàm lượng đường cao, nhiều tiện lợi, được nhiều người ưa chuộng,...Để hiểu rõ hơn về sữa cô đặc có đường, chúng em xin thực hiện đề tài: “ Quá trình và thiết bị c

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI:

“Quá trình và thiết bị cô đặc sữa có đường công suất

1000 kg nguyên liệu/h”

Giáo viên hướng dẫn:

Nhóm sinh vên:

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU……… 5

PHẦN I: TỔNG QUAN……… 6

I Tìm hiểu nguyên liệu và sản phẩm……… 6

1 Khái niệm……… 6

2 Thành phần hóa học……… 6

3 Đặc điểm, tính chất………7

II Tìm hiểu về quá trình ……….8

1.Khái niệm……… 8

2.Mục đích……….8

3.Các biến đổi chính……… 9

4.Các yếu tố ảnh hưởng……….9

5.Phương pháp thực hiện……… 9

III Quy trình cô đặc sữa……… 9

1.Sữa nguyên liệu……….11

2.Lọc……….11

3.Gia nhiệt………11

4.Đồng hóa……… 11

5.Thanh trùng 12

6 Làm nguội……… 12

7 Cô đặc……….12

8 Làm lạnh kết tinh Lactose……… 12

9 Tạm chứa chờ rót kiểm tra……….13

10 Rót hộp và ghép mí……… 13

11 Hoàn thiện sản phẩm………13

VI Thiết bị……….13

PHẦN II: TÍNH TOÁN……….16

I.Cân bằng vật chất……….16

II Cân bằng năng lượng……….17

KẾT LUẬN………20

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 21

LỜI MỞ ĐẦU

Sữa là nguồn thực phẩm thơm ngon, bổ dưỡng Công nghệ chế biến sữa ngày càng phát triển mạnh mẽ cho ra đời các sản phẩm sữa rất đa đạng Từ nguyên liệu sữa người ta có thể sản xuất ra hàng loạt các thức uống như: Sữa tiệt trùng, sữa bột, sữa cô đặc, fomat,…và cũng là nguyên liệu cho một ngành sản xuất bánh, kẹo,

Việt Nam là một trong những nước có khí hậu nhiệt đới, được thiên nhiên ưu đãi cho những đồng cỏ xanh tốt, thích hợp cho chăn nuôi gia súc đặc biệt là chăn nuôi bò sữa Hiện nay, trên thị trường nước ta các sản phẩm sữa rất đa dạng, nhu cầu tiêu dùng của người dân ngày càng tăng Tuy nhiên, ngành công nghệ chế biến sữa ở nước ta còn non trẻ, việc chăn nuôi chưa đồng bộ, sản lượng sữa chế biến trong nước

đi từ sữa tươi chưa nhiều Do đó, để đáp ứng đủ nhu cầu của thị trường, các sản phẩm sữa nước ngoài đã được nhập khẩu và đang chiếm một thị phần lớn Từ thực tế này, Nhà nước và các ngành liên quan cần có sự đầu tư thích đáng để phát triển ngành công nghệ sữa nhiều tiềm năng này

Sữa cô đặc có đường là một trong những sản phẩm ra đời từ rất sớm trong ngành chế biến sữa Đây là loại sản phẩm có hàm lượng đường cao, nhiều tiện lợi, được nhiều người ưa chuộng, Để hiểu rõ hơn về sữa cô đặc có đường, chúng em

xin thực hiện đề tài: “ Quá trình và thiết bị cô đặc sữa có đường công suất 1000 kg

nguyên liệu/h ”.

PHẦN I: TỔNG QUAN

I.Tìm hiểu nguyên liệu và sản phẩm

1 Khái niệm

Sữa là một dung dịch sinh học được tạo thành từ các tuyến sữa của động vật Sữa chứa đầy đủ các chất dinh dưỡng, các enzyme, hoocmon, khoáng chất, vitamin cần thiết cho sự phát triển của trẻ em và động vật còn non vì đặc tính của sữa là tính hài hòa cân đối (5)

2.Thành phần hóa học

Sữa tươi nguyên liệu có các thành phần hóa học với tỷ lệ phần trăm được trình bày trong bảng sau

Bảng: Các thành phần chính của một lít sữa (1)

Các thành

phần

Trọng lượng

%

Gluxit

(40-60 g/l)

+ Dạng tự do: lactoza (do galactoza và glucoza)

ở trạng thái phân tử

+ Dạng kết hợp: galactoza, galactosamin, axitsialic ở trạng thái keo, được liên kết với protein ˂ 1 g/l

49 4,75

Chất béo

(25-45 g/l)

+ Ở dạng cầu béo: là những giọt chất béo có đường kính từ 1-10µm, được bao bằng một màng lipoprotein, ở dạng nhũ tương

+Ở dạng các hợp chất hòa tan trong chất béo: các sắc tố (β caroten), sterol (cholesterol), các vitamin

39 3,78

Hợp chất nitơ

(25-40 g/l)

+ Ở dạng mixen 28g: ở dạng huyền phù, là phức của canxi phosphat liên kết với một liên hợp của các casein

+ Ở dạng hòa tan 4,7g: là những cao phân tử của albumin và immune globulin

33 3,2

+ Nitơ phi protein 0,3g: ure, axit uric, creatin…

Chất khoáng

(25-40 g/l)

Ở trạng thái keo và hòa tan:

+ Ở dạng phân tử và ion: axitxitric, K, Ca, P,

Na, Cl, Mg,…

+ Ở dạng các nguyên tố trung lượng (oligo-element): Zn, Al, Fe, Cu, I…

9 0,87

Chất khô tổng

số (MST)

Sữa đã được làm bốc hơi nước 130 12,6 Các chất khác

+ Các chất xúc tác sinh học: các vitamin (A, D,

E, K, B1, B2, PP, B6, B12, C…) và các enzim + Các khí hòa tan: CO2, O2, N2, 4-5% thể tích của sữa

Vết

3.Đặc điểm, tính chất

a.Sữa tươi

* Tính chất vật l ý:

- Tỷ trọng: Phụ thuộc vào các thành phần của sữa, tỷ trọng dao động trong khoảng 1,026 - 1,032 g/cm3 ( trung bình là 1,029 )

- Độ nhớt: Độ nhớt của sữa thường được xác định theo tỷ số so với độ nhớt của nước và gọi là độ nhớt tương đối, giá trị trung bình là 1,8 cP (centipoa)

- Áp suất thẩm thấu và nhiệt độ đóng băng

+ Áp suất thẩm thấu tương đối ổn định và trung bình 6,6 at ở 0⁰C

+ Nhiệt độ đóng băng của sữa là 0,555⁰C, có thể dao động từ 0,540 đến -0,590⁰C

- Sức căng bề mặt của sữa tươi là 42,4 – 46,5 dyn/cm, đối với sữa gầy là 47,2 – 51,9 dyn/cm

- Độ dẫn điện: 46.10-4Ω (có thể dao động từ 38.10-4 đến 60.10-4Ω)

- Nhiệt dung (tỷ nhiệt): Trong khoảng 10-20⁰C nhiệt dung tăng khi hàm lượng chất béo tăng

- Độ dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt của sữa chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hóa học, cấu trúc sản phẩm và nhiệt độ

- Hệ số dẫn nhiệt độ: Hệ số dẫn nhiệt độ càng cao thì quá trình đun nóng hoặc làm lạnh sản phẩm càng nhanh

* Tính chất hóa học

- Độ axit chung: Giá trị trung bình độ axit của sữa bò là 16-18⁰T

- Độ axit hoạt động: Trung bình là 6,6

- Tính chất oxy hóa – khử của sữa: Ngoài protein, lipit, lactoza trong sữa chứa các hợp chất khác rất dễ bị oxy hóa, bị khử ( vitamin C, E, B2, enzim, chất màu,…) -Tính chất keo của sữa: Sữa là một dung dịch keo có ba pha tồn tại đồng thời + Dung dịch thực: Thành phần gồm nước và các chất hòa tan như lactoza, muối khoáng và vitamin hòa tan trong nước Nhờ có các muối hòa tan mà sữa tươi luôn có

pH = 6,7

+ Dung dịch huyền phù: Chủ yếu là protein và các chất liên kết khác như lipoprotein

+ Dung dịch nhũ tương: Chủ yếu là các chất béo ở dưới dạng các cầu mỡ

b.Sữa cô đặc có đường:

- Có màu vàng, độ nhớt cao, trông giống maione

- Hàm lượng đường trong sản phẩm này cao, làm tăng áp suất thẩm thấu của sữa tới mức hầu hết các vi sinh vật bị tiêu diệt

II.Tìm hiểu về quá trình

1 Khái niệm

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ chất hòa tan bằng phương pháp làm sôi

dung môi (nước) (3)

2 Mục đích

+ Tăng nồng độ chất khô của sữa từ nồng độ chất khô của dịch trộn ban đầu

26,72% lên giá trị yêu cầu của sản phẩm sữa đặc (72-73%).

+ Loại bỏ khí hòa tan trong dịch sữa nhờ quá trình bốc hơi trong điều kiện chân

không (1)

3 Các biến đổi chính

Hóa lí: Có sự chuyển pha của nước từ lỏng sang hơi, làm cho nồng độ chất khô

của sữa tăng nhanh kèm theo tăng khối lượng riêng, tỉ trọng, nhiệt độ sôi, đặc biệt là

độ nhớt Giảm thể tích của khối sữa ban đầu

Sinh học: Quá trình cô đặc làm giảm lượng nước trong nguyên liệu, đồng thời

tăng hàm lượng chất khô dẫn đến tăng áp suất thẩm thấu, do đó ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật

Hóa sinh: Xảy ra các phản ứng Maillard, caramen hóa do sự ngưng tụ của các

axit amin có rất nhiều trong sữa và các phân tử đường làm cho sữa có màu vàng

4.Các yếu tố ảnh hưởng

Nhiệt độ cô đặc ở nhà máy thấp: <44 ºC, nên không ảnh hưởng nhiều, nếu nhiệt độ cao hơn sẽ gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng và cảm quan sản phẩm

Thời gian cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm Thời gian cô đặc càng dài thì càng thuận lợi cho việc nhiễm khuẩn và xảy ra các phản ứng hóa học Do đó cần hạn chế thời gian cô đặc, sử dụng thiết bị thích hợp

(4), (5)

Cô đặc sữa ở nhiệt độ thấp, áp suất chân không

Thiết bị bay hơi sử dụng trong quy trình là tháp cô đặc hoạt động ở áp suất chân không

Hiệu máy: APV(Đan Mạch) Công suất 1000 kg nguyên liệu /h

Nguyên tắc hoạt động: Dịch sữa chảy theo dạng màng xoắn ốc từ trên xuống, thiết bị gồm ba hiệu với áp suất và nhiệt độ bốc hơi của dịch sữa khác nhau

(4), (5)

III Qui trình cô đặc sữa

Quy trình công nghệ sản xuất sữa đặc có đường: (4)

Nguyên liệu sữa tươi

1.Sữa nguyên liệu

Lọc

Gia nhiệt

Đồng hóa

Thanh trùng Làm nguội

Siro đường

Cô đặc

Bổ sung mầm kết tinh Làm lạnh kết tinh

Tạm chứa- kiểm tra

Hộp sắt Rót hộp

Ghép nắp-Hoàn thiện

Sản phẩm

Kho bảo quản Xếp thùng

Nguồn nguyên liệu để sản xuất sữa đặc có đường là sữa tươi Sữa nguyên liệu dùng cho chế biến phải đáp ứng các yêu cầu chung như sau:

- Được lấy từ những con bò khỏe mạnh, không chứa vi khuẩn gây bệnh

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

- Sữa có thành phần tự nhiên

Để đáp ứng được các yêu cầu trên thì công tác lấy sữa từ con vật, bảo quản và

vận chuyển là vô cùng quan trọng (1)

2 Lọc

Sữa nguyên liệu trước khi đi vào chế biến cần được lọc nhằm loại bỏ những cạn bã hay tạp chất Lọc là quá trình tách các phân tử chất rắn ra khỏi lưu thể bằng cách cho lưu thể đi qua một vật liệu lọc Phương pháp thực hiện là lọc cơ học Trong quá trình lọc các tính chất của sữa không thay đổi

Trên quy mô công nghiệp thường sử dụng thiết bị lọc là máy ly tâm lọc sữa Đây là thiết bị dạng hình bát úp quay tròn với tốc độ lớn ( 3000-4000vg/ph) Nhờ lực

ly tâm lớn, trọng lượng riêng của các tạp chất lớn hơn khối lượng riêng của sữa sẽ bị bắn vào thành thùng quay, hình thành từng lớp cặn Sữa được làm sạch theo đường

ống ra ngoài (2)

3 Gia nhiệt

Sau khi lọc, dịch sữa sẽ được gia nhiệt Gia nhiệt là quá trình tác dụng nhiệt lên dịch sữa để làm nóng dịch lên khoảng 70 ˚C, thuận lợi cho quá trình đồng hóa Lúc này, độ nhớt dịch sữa giảm, một số lượng vi sinh vật cũng được tiêu diệt

4 Đồng hóa

Công đoạn tiếp theo của quy trình là đồng hóa sữa Đồng hóa là quá trình xử lý

cơ học, dùng lực tác dụng lên các hạt béo với mục đích:

- Giảm kích thước các hạt cầu béo từ đó được phân tán đồng đều

- Làm bền hệ nhũ tương, huyền phù

- Làm tăng độ trắng của sữa, kích thích cảm quan và sử dụng của người tiêu dùng

Nguyên tắc của đồng hóa: Sữa được bơm ở 1 áp suất cao (100-110 bar) qua 1 khe hở rất hẹp khoảng 0.1mm, vận tốc dòng tại chỗ hẹp nhất có thể là 100-250 m/s

5 Thanh trùng

Thanh trùng sữa là một khâu quan trọng trong quy trình sản xuất, là quá trình

xử lý nhiệt cho sữa nhằm mục đích:

- Tiêu diệt vi sinh vật gây hại, tăng thời gian bảo quản

- Cải thiện tính ổn định của protein, tạo cấu trúc cho sản phẩm

Thông thường thường xử lý nhiệt ở 90˚ C trong 10 phút nếu muốn sản phẩm sữa cô đặc có độ nhớt thấp hoặc 116 ˚C trong 30 giây nếu muốn sản phẩm có độ nhớt cao (3)

6 Làm nguội

Sau khi thanh trùng sữa được đưa vào các bồn trung gian để làm nguội đến 45

0 C trước khi đi vào cô đặc (4)

7 Cô đặc

Mục đích của cô đặc là giúp tăng nồng độ chất khô của sữa từ nồng độ chất khô của dịch trộn ban đầu 26,72% lên giá trị theo yêu câu của sản phẩm sữa đặc (72-73%) Loại bỏ khí hòa tan trong dịch sữa nhờ quá trình bốc hơi trong chân không

(1)

8 Làm lạnh kết tinh Lactose

Công đoạn tiếp theo nữa của quy trình là làm lạnh kết tinh Mục đích của quá trình kết tinh là để tạo điều kiện cho đường lactose trong sữa kết tinh một cách triệt

để, giúp hoàn thiện sản phẩm và sữa có trạng thái đặc mịn Trong quá trình cô đặc sữa, lactose chuyển sang trạng thái bão hòa và sau đó nhờ làm lạnh, lactose chuyển sang quá bão hòa

Sau khi sữa cô đặc đạt độ khô cần thiết, người ta hạ nhiệt độ sản phẩm xuống

30 ˚C , bổ sung mầm kết tinh, khuấy đều rồi làm lạnh đến 18-20 ˚C Đường lactose chuyển từ trạng thái bão hòa sang quá bão hòa Độ nhớt của sản phẩm tăng 3-4 lần

9 Tạm chứa chờ rót và kiểm tra chất lượng

Sau cô đặc và làm lạnh kết tinh sản phẩm sữa sẽ được đưa vào các thùng chứa

có cánh khấy, khuấy trộn 30 phút Sau đó để yên ổn định sản phẩm trong 30 phút rồi lấy mẫu đi kiểm tra và rót hộp

(4)

10 Rót hộp và ghép mí

Quá trình rót sữa được thực hiện trong điều kiện vô trùng Chủ yếu sữa cô đặc

có đường được đóng vào hộp sắt tây loại 400g Trước khi rót, hộp sắt tây phải được

vô trùng Nắp hộp cũng được tiệt trùng trước khi ghép nắp

11 Hoàn thiện sản phẩm

Cuối cùng để có một sản phẩm hoàn chỉnh cần thêm một số công việc, đó là: lau sạch, dán nhãn, in ngày sản xuất và hạn sử dụng Sau đó sữa sẽ được đóng thùng, mỗi thùng xếp 2 lớp, mỗi lớp 24 hộp, vậy là mỗi thùng có 48 hộp

VI Thiết bị

Chọn thiết bị cô đặc chân không có ống tuần hoàn chân không 3 hiệu

Nguyên tắc hoạt động:

Cô đặc 3 hiệu ở áp suất chân không là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt để đun nóng dung dịch trong hiệu cô đặc sau miễn là nhiệt độ sôi trong hiệu sau

đủ để duy trì truyền nhiệt và làm bay hơi nước hiệu quả

Nguyên tắc của cô đặc 3 hiệu:

Nồi thứ nhất, dung dịch được đun bằng hơi đốt Nguyên liệu được đưa vào cửa nạp liệu đi vào phòng đốt,chảy vào ống trung tâm và ống truyền nhiệt

Tại phòng đốt dung dịch đun đến nhiệt độ sôi nhờ hơi đốt đi vào từ cửa hơi đốt với nhiệt độ 1000C Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt, lượng hơi tạo ra ít hơn, nên p lớn hơn trong ống truyền nhiệt Do đó chất lỏng di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào ống truyền lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo nên dòng tuần hoàn tự nhiên Hỗn hợp hơi lỏng, có khối lượng riêng giảm, chuyển động đi lên phòng bốc Hơi thứ và khí không ngưng đi lên cửa hơi thứ và khí không ngưng Sản phẩm được tháo ra phía đáy của thiết bị ở cửa ra thành phẩm Nước ngưng lấy ra từ cửa nước ngưng

Tiếp tục dung dịch đi từ nồi 1 tiếp tục chuyển sang nồi 2 rồi nồi 3 nhờ chênh lệch áp suất trong các nồi Còn hơi đốt đi vào phòng đốt của nồi 1 để đốt nóng dung dịch ở nồi 1 Hơi thứ của nồi 1 với nhiệt độ 700C đi vào phòng đốt của nồi 2, hơi thứ của nồi 2 với nhiệt độ 600C đi vào phòng đốt của nồi 3 và hơi thứ của nồi 3 với nhiệt độ 500C đi vào thiết bị ngưng tụ

Sản phẩm của nồi 3 là sản phẩm sữa cô đặc với nồng độ 73%

Ưu điểm: Cô đặc 3 nồi có hiệu quả kinh tế cao hơn sử dụng hơi đốt một nồi Thiết bị cô đặc có cấu tạo đơn giản, dễ sữa chữa và làm sạch Mặt khác cô đặc ở áp suất thường thì sản phẩm luôn tiếp xúc với không khí nên dễ bị nhiễm bẩn, nhiệt độ

cô đặc cao ,các sinh tố và chất béo dễ bị phân hủy, sản phẩm bị biến tính Để khắcc phục, người ta cô đặc trong môi trường chân không có thể khắc phục các nhược điểm trên do thời gian ngắn , nhiệt độ thấp do đó sản phẩm có chất lượng và màu sắc tốt

Nhược điểm của cô đặc là vận tốc tuần hoàn chậm Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh

PHẦN II: TÍNH TOÁN

I Cân bằng vật chất

* Tính toán lượng đường cho vào sữa

Vì sữa cô đặc có đường là loại sữa có hàm lượng đường chiếm 40% về khối lượng nên để cô đặc sữa với nồng độ chất khô 12,6% lên 73% thì ta chỉ cô đặc 1000kg/h sữa đến nồng độ chất khô là 33%

Nên: Khối lượng sữa sau khi cô đặc là: a = 1000 12,6 %33 % = 381,8 (kg/h)

Gọi lượng đường cho vào sữa là b(kg)

Ta có : b+381,8 b 100% = 40% => b= 254,5 (kg/h)

Vì đường cho thêm vào sữa là đường siro với nồng độ là 60% nên lượng siro đường cho thêm vào sữa là: 254,560 % = 424 (kg/h)

Vậy dung lượng sữa đi vào là : 1424 kg/h = Gđ

Nồng độ chất khô của sữa là 26,72%

Ta có :

Nồng độ đầu: xo = 26,72% To = 45oC

Nồng độ cuối: x = 73% Tc = 55oC

Nồng độ hiệu1: x1 = 40% T1 = 70oC

Nồng độ hiệu2 : x2 = 60% T2 = 60oC

Nồng độ hiệu3: x3 = 73% T3 = 50oC

* Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống :

W = Gđ( 1 - xo x ) = 1424 ( 1 - 0,26720,73 ) = 902,78 kg/h

* Lượng nước bốc hơi ở hiệu 1 là :

X1 = Gđ x

Gđ−w 1 => W1 = Gđ - Gđ x x 1 = 1424 - 1424 0,26720,4 = 472,77 kg/h

* Lượng nước bốc hơi ở hiệu 2 là :

W2 = Gđ – W1– Gđ x x 2 = 1424 – 472,77- 1424 0,26720,6 = 317,07 kg/h

Ta có : W = W1 + W2 + W3

* Lượng nước bốc hơi ở hiệu 3 là W3 = 112,94 kg

II Cân bằng năng lượng

Gọi D : Lượng hơi đốt cho vào nồi kg/h

I : hàm nhiệt ( enthalpy) của hơi đốt J/kg

tđ , tc : nhiệt độ đầu , cuối của dung dịch oC

þ : nhiệt độ của nước ngưng , coi nhiệt độ của nước ngưng bằng nhiệt độ của hơi đốt

Cđ , Cc , Cn : nhiệt dung riêng của dung dịch đầu , cuối và nước ngưng

i: hàm nhiệt (enthalpy) của hơi thứ J/kg