Đồ án thiết kế hệ thống sấy hầm khoai mì năng suất 3 tấn nguyên liệu mẻ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Tổng quan nguyên liệu Hình 2.1 Cây sắn (Khoai mì) 1.1 Đặc điểm sắn Cây sắn hay cịn gọi khoai mì lương thực ưa ấm nên trồng nhiều nước có khí hậu nhiệt đới, có tên khoa học Manihot esculenta Crantza 1.2 Tình hình trồng sắn Cây sắn trồng 92 nước vùng nhiệt đới cận nhiệt đới nguồn lương thực khoảng 500 triệu người (nguồn CIAT, 1993) Ở Việt Nam, sắn với khoai lương thực quan trọng thứ ba sau lúa ngô Vùng Đông Nam Bộ địa bàn trọng điểm sản xuất sắn hàng hóa với ưu vốn có khí hậu, đất đai, giao thông vận tải, sở hạ tầng, số dự án đầu tư vào chế biến tiêu thụ sắn nước ngồi Diện tích trồng sắn Việt Nam năm tới dự kiến không tăng nhiều Tuy nhiên, gia tăng suất sản lượng việc áp dụng trồng giống sắn có suất củ tươi suất bột cao, đồng thời với việc đẩy mạnh biệnh pháp thâm canh bón phân cân đối, trồng xen canh, có hệ thống canh tác thích hợp đất dốc rải vụ thu hoạch Bảng 2.1: Đặc điểm số giống sắn ([6]) Đặc điểm Giống KM94 KM60 HL20 HL23 HL24 Năng suất củ tươi (tấn/ha) 38,6 27,2 20,2 19,8 20 Hàm lượng chất khô (%) 39,0 38,0 36,5 37,0 36,7 Hàm lượng tinh bột (%) 28,6 27,2 24,5 26,5 25,8 ÷ 12 6÷ ÷ 12 6÷ 6÷ Thời gian thu hoạch (tháng) 1.3 Phân loại, cấu tạo, thành phần hóa học củ sắn 1.3.1 Phân loại Sắn có nhiều loại khác màu sắc, thân cây, lá, vỏ củ, thịt củ Tuy nhiên, công nghiệp sản xuất tinh bột người ta phân sắn thành hai loại sắn đắng sắn - Sắn đắng: cho suất cao, củ to, hàm lượng tinh bột củ cao, có nhiều nhựa củ, hàm lượng cyanhydric cao, ăn tươi bị ngộ độc - Sắn ngọt: gồm tất loại sắn có hàm lượng cyanhydric thấp, loại sắn có hàm lượng tinh bột thấp, ăn tươi không bị ngộ độc Hiện nay, loại sắn mà nông dân tỉnh Tây Ninh trồng chủ yếu loại sắn đắng giống sắn cho suất hàm lượng tinh bột tương đối cao 1.3.2 Cấu tạo củ Củ sắn thường thn dài hai đầu, tùy theo tính chất đất điều kiện trồng mà kích thước củ dao động khoảng: - Chiều dài từ 0,1 ÷ 0,5m - Đường kính củ từ ÷ 8cm Củ thường có phần gồm: vỏ gỗ, vỏ củ, thịt củ lõi Hình 2.2: Cấu tạo mặt cắt ngang củ sắn a Vỏ gỗ (Vỏ lụa) - Giữ vai trị bảo vệ củ Có thành phần chủ yếu cellulose hemicellulose - Khơng có chứa tinh bột, chiếm 0,5% ÷ 2% trọng lượng củ b Vỏ củ (Vỏ thịt) - Dày vỏ gỗ, có cấu tạo từ lớp tế bào thành dày, thành tế bào có cấu tạo chủ yếu cellulose, bên hạt tinh bột, chất chứa Nitơ dịch bào (nhựa) có ảnh hưởng tới màu tinh bột chế biến - Trong dịch bào có tanin, sắc tố, độc tố, enzyme - Vỏ củ có chứa từ 5% ÷ 8% hàm lượng tinh bột chế biến c Thịt củ - Là thành phần chủ yếu củ - Gồm tế bào nhũ mô: vỏ tế bào cellulose, pentozan; bên hạt tinh bột, nguyên sinh chất, glucid hòa tan nhiều chất vi lượng khác - Phân bố hàm lượng tinh bột thịt củ giảm dần từ phần thịt củ sát vỏ đến lõi - Ngồi lớp tế bào nhũ mơ cịn có tế bào thành cứng khơng chứa tinh bột (cấu tạo từ cellulose) cứng gỗ gọi xơ Loại tế bào thường thấy đầu cuống củ sắn lưu niên củ biến dạng trình phát triển d Lõi sắn - Thường tâm dọc suốt từ cuống tới đuôi củ, cuống to nhỏ dần tới đuôi củ - Chiếm 0,3% ÷ 1% trọng lượng tồn củ, có thành phần chủ yếu cellulose hemicellulose - Sắn có lõi lớn nhiều xơ ảnh hưởng đến hiệu suất suất nghiền chế biến Ngoài thành phần trên, củ sắn cịn cuống rễ Các thành phần có cấu tạo chủ yếu là cellulose nên gây khó khăn chế biến 1.3.3 Thành phần hóa học củ sắn Thành phần hóa học củ sắn dao động khoảng rộng tùy thuộc vào: giống, tính chất đất, điều kiện phát triển cây, thời gian thu hoạch (đây yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hàm lượng tinh bột có củ) Bảng 2.2: Tỷ lệ % (theo khối lượng) thành phần có củ sắn ([7]) STT Thành phần Tỷ lệ % Nước 70,25 Tinh bột 21,45 Protid 1,12 Chất béo 0,4 Cellulose 1,11 Đường 5,13 Tro 0,54 1.3.3.1Chất dinh dưỡng có củ a Tinh bột Tinh bột thành phần quan trọng củ khoai mì, bao gồm hai thành phần: - Amylo: 15 ÷ 25% - Amylopectin: 75 ÷ 85% Hàm lượng tinh bột củ khoai mì phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: điều kiện khí hậu, giống, thời gian thu hoạch, bảo quản… quan trọng thời gian thu hoạch Chẳng hạn như: sắn tháng thu hoạch khoảng từ tháng 10 ÷ 11 tốt (thời gian thu hoạch phụ thuộc vào giống sắn) cho suất hàm lượng tinh bột cao Còn thu hoạch sớm suất củ thấp, lượng tinh bột ít, lượng chất hòa tan cao Còn thu hoạch trễ hàm lượng tinh bột giảm, thành phần xơ tăng, phần tinh bột bị thủy phân thành đường để ni mầm non Tinh bột khoai mì tồn dạng hạt tinh bột có kích thước ÷ 34m Tinh bột khoai mì có số tính chất đặc trưng có lợi sử dụng chúng làm nguyên liệu chế biến thực phẩm như: - Tinh bột khoai mì khơng có mùi nên thuận tiện sử dụng chúng với thành phần có mùi thực phẩm - Tinh bột khoai mì nước sau gia nhiệt tạo thành sản phẩm có dạng sệt suốt nên thuận tiện việc sử dụng chúng với tác nhân tạo màu khác - Tỉ lệ amylopectin : amylose tinh bột khoai mì cao (80:20) nên gel tinh bột có độ nhớt, độ kết dính cao khả gel bị thối hóa thấp Hình 2.3: Hạt tinh bột khoai mì qua kính hiển vi điện tử quét b Đường - Đường củ chủ yếu glucose maltose, saccharose - Trong q trình chế biến đường hịa tan nước theo nước dịch c Protid - Protid thành phần chưa nghiên cứu kỹ, nhiên hàm lượng thấp nên ảnh hưởng tới quy trình cơng nghệ - Trong củ sắn, hàm lượng acid amine không cân đối: thừa arginine lại thiếu acid amine chứa lưu huỳnh Bảng 2.3: Thành phần số acid amine có củ sắn ([7]) Acid amine Hàm lượng (mg/100g protid) Lysine 30 Methionine 13 Tryptophan Phenylalanine 33 Threonine 23 Valine 21 Leucine 30 Isoleucine 20 Arginine 40 Histidine 13 d Vitamin khống - Củ sắn có chứa nhiều Vitamin C Canxi - Ngồi củ sắn cịn có Vitamin B nhiều loại khoáng khác 1.3.3.2Các hợp chất khác Ngồi chất dinh dưỡng trên, củ sắn cịn có chứa độc tố, tanin, sắc tố hệ enzyme phức tạp Đây chất gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng tinh bột sau (chủ yếu màu sắc) a Độc tố Trong củ khoai mì, HCN tồn dạng cyanogenic glucoside gồm loại linamarin lotaustralin - Linamarin có cơng thức phân tử C10H17O6N công thức cấu tạo là: CH3 H3C C C N O C6H11O5 - Độc tố phát lần đầu Peckolt gọi manihotoxin - Dưới tác dụng dịch vị có chứa HCl men tiêu hóa, chất bị phân hủy giải phóng acid cyanhydric chất độc người C10H17O6N + H2O C6H12O6 (Glucose) (Linamarin) - + (CH3)2O + (Aceton) Acid Hydrocyanic HCN Lotaustralin có cơng thức phân tử C11H119O6N công thức cấu tạo là: CH3 CH2 H3C C C N O C6H11O5 Tùy theo giống sắn, điều kiện đất đai, chế độ canh tác thời gian thu hoạch mà hàm lượng HCN có khác Sự phân bố chất độc củ sắn không đều: cuống củ chứa nhiều chất độc củ, lớp vỏ thịt chứa nhiều HCN lõi sắn, phần thịt sắn có chứa chất độc Các glucoside hòa tan tốt nước nên trình sản xuất tinh bột, độc tố theo nước dịch thải ngồi Vì sắn đắng có hàm lượng độc tố cao sản phẩm tinh bột từ sắn sử dụng làm thực phẩm Do glucoside tập trung nhiều vỏ củ chế biến nên tách dịch bào nhanh để không ảnh hưởng đến màu sắc tinh bột sau HCN tác dụng với Fe cho muối cyanate sắt có màu xám làm đen bột b Enzyme Các enzyme sắn tới chưa nghiên cứu kỹ Người ta cho số enzyme có củ sắn hệ enzyme polyphenoloxydase enzym có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sắn trình bảo quản chế biến Khi chưa đào lên, enzyme củ hoạt động yếu ổn định đào củ lên enzyme có điều kiện để hoạt động mạnh, enzyme polyphenoloxydase xúc tác q trình oxy hóa polyphenol tạo octorinon sau tổng hợp chất khơng có chất phenol (các acid amine) tạo sản phẩm có màu Trong nhóm enzyme polyphenoloxydase có enzyme oxy hóa monophenol mà điển hình tyrosinase xúc tác oxy hóa acid amin tyrosine tạo quinon tương ứng Các quinon sau loạt chuyển hóa sinh sắc tố màu xám đen gọi melanin Đây nguyên nhân làm cho thịt sắn có màu đen (dân gian gọi chạy nhựa) Hình 2.4: Cơ chế tạo thành melanin từ tyrosine với xúc tác enzym tyrosinase Ngồi tyrosinase, enzyme oxy hóa khử khác góp phần làm tổn thất chất khô c Tanin - Hàm lượng tanin sắn sản phẩm oxy hóa tanin chất flobafen có màu đen khó tẩy - Ngoài phản ứng tanin với sắt tạo tanat sắt có màu đen khó tẩy 1.4 Đánh giá chất lượng củ sắn Có hai phương pháp để đánh giá chất lượng củ sắn 1.4.1 Phương pháp cảm quan Xác định củ tốt xấu (có chạy nhựa hay không) xác định tương đối hàm lượng tinh bột có củ a Dùng phương pháp cảm quan để xác định củ cũ - Bẻ đơi củ sắn, nhìn vào bề mặt cắt ngang: củ trắng tươi tốt để lại sản xuất sau - Nếu củ bị quầng đen, xám hay xanh đen tức củ “chạy chỉ” nên đưa vào sản xuất b Dùng phương pháp cảm quan để xác định tuổi sắn thu hoạch - Chọn củ sắn trung bình khóm sắn bẻ làm đơi, ta dùng lực vừa phải để bẻ gẫy thấy thịt sắn khô, màu thịt củ trắng đục coi thu hoạch sắn tuổi, tỷ lệ tinh bột đạt mức cao - Nếu ta bẻ củ dễ dàng thấy thịt củ sắn có màu vàng nhạt thịt phần củ ướt sắn cịn non lượng tinh bột thu - Nếu dùng nhiều sức bẻ gãy củ củ bẻ mà không gãy đôi tức củ thu hoạch lúc tuổi, lúc củ có xơ nhiều lượng tinh bột giảm c Dùng phương pháp cảm quan thống kê thu mua sắn nguyên liệu - Củ nhỏ ngắn (chiều dài khoảng 10cm, đường kính củ chỗ lớn 1,5cm) không 4% - Củ dập nát gẫy vụn không 3% - Lượng đất tạp chất tối đa từ 1,5% ÷ 2% - Khơng có củ thối - Củ có dấu vết chạy nhựa nhỏ 5% 1.4.2 Phương pháp thực nghiệm để xác định hàm lượng tinh bột có củ - Dùng loại cân thực nghiệm Thái Lan thiết kế - Cân hoạt động dựa khác tỷ trọng tinh bột nước - Qua nhiều lần khảo sát từ số liệu thu hàm lượng tinh bột tương ứng với lần 5kg củ 1.5 Vấn đề bảo quản củ sắn Trong trình bảo quản, sắn tươi thường nhiễm bệnh thối khô thối ướt nấm vi khuẩn gây nên củ bị tróc vỏ dập nát Một số phương pháp bảo quản khoai mì tươi: - Bảo quản hầm kín: mục đích việc bảo quản hầm kín hạn chế hoạt động enzyme oxy hóa, nguyên nhân làm hư hỏng củ Yêu cầu hầm phải kín hồn tồn, phải có mái che để tránh nước chảy vào - Bảo quản cách phủ cát khơ: chọn củ có kích thước đều, khơng bị dập nát xếp thành luống cao 0,5 ÷ 0,6m, rộng 1,2 ÷ 1,5m, chiều dài khoảng 4m Sau phủ cát lên, chiều dày lớp cát 20cm - Bảo quản cách nhúng phun dung dịch nước vơi 0,5%, sau dùng trấu cát phủ kín đống khoai mì, bảo quản theo phương pháp bảo quản 15 ÷ 25 ngày - Theo tài liệu [8] sắn mua không nên để 48 sau thu hoạch nên ta phải chọn chế độ thu mua thích hợp để chế biến vòng 24 nhằm tránh trường hợp hư hỏng giảm chất lượng tinh bột củ Tổng quan phương pháp sấy 2.1 Bản chất sấy Sấy trình làm bốc nước khỏi vật liệu nhiệt Mục đích trình sấy làm giảm khối lượng vật liệu, tăng độ bền bảo quản tốt Trong trình sấy nước cho bay nhiệt độ khuếch tán chênh lệch độ ẩm bề mặt bên vật liệu chênh lệch áp suất riêng phần bề mặt vật liệu môi trường chung quanh Sấy q trình khơng ổn định, độ ẩm vật liệu thay đổi theo không gian thời gian 2.2 Phân loại Phân loại phương pháp sấy theo phương thức cung cấp nhiệt: Phương pháp sấy đối lưu Phương pháp sấy xạ Phương pháp sấy tiếp xúc Phương pháp sấy điện trường dòng cao tần Phương pháp sấy thăng hoa 2.3 Yếu tố ảnh hưởng đến trình sấy Ảnh hưởng nhiệt độ khơng khí: Trong điều kiện khác khơng đổi độ ẩm khơng khí, tốc độ gió…, việc nâng cao nhiệt độ làm tăng nhanh tốc độ sấy Nhưng nhiệt độ làm khô cao làm ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm, dễ làm cho nguyên liệu bị chín gây nên tạo màng cứng lớp bề cản trở tới chuyển động nước từ lớp bên bề mặt Nhưng với nhiệt độ làm khô thấp, giới hạn cho phép q trình làm khơ chậm lại dẫn đến thối rữa, hủy hoại nguyên liệu Khi sấy nhiệt độ khác nguyên liệu có biến đổi khác Nếu nhiệt độ cao ngun liệu bị cháy làm giá trị dinh dưỡng giá trị cảm quan sản phẩm Ảnh hưởng tốc độ chuyển động khơng khí: Tốc độ chuyển động khơng khí có ảnh hưởng lớn đến q trình sấy, tốc độ gió q lớn q nhỏ khơng có lợi cho trình sấy Vì tốc độ chuyển động khơng khí q lớn khó giữ nhiệt lượng nguyên liệu để cân tŕnh sấy, tốc độ nhỏ làm cho trình sấy chậm lại Hướng gió ảnh hưởng lớn đến trình làm khơ, hướng gió song song với bề mặt ngun liệu tốc độ làm khơ nhanh Ảnh hưởng độ ẩm tương đối khơng khí: Độ ẩm tương đối khơng khí nhân tố ảnh hưởng định đến q trình làm khơ, độ ẩm khơng khí lớn q trình làm khơ chậm lại Ảnh hưởng kích thước nguyên liệu: Ảnh hưởng kích thước nguyên liệu Kích thước nguyên liệu ảnh hưởng đến trình sấy Nguyên liệu bé, mỏng tốc độ sấy nhanh, ngun liệu có kích thước q bé mỏng làm cho nguyên liệu bị cong, dễ gãy vỡ Ảnh hưởng thân nguyên liệu: Tùy vào thân nguyên liệu mà người ta chọn chế độ làm khô cho phù hợp, cần phải xét đến thành phần hóa học nguyên liệu như: nước, lipit, protein, chất khoáng, Vitamin, kết cấu tổ chức hay lỏng lẻo Trong phương pháp kể phương pháp sấy đối lưu, xạ tiếp xúc dung rộng rãi cả, phương pháp sấy đối lưu Mỗi phương pháp thực nhiều kiểu thiết bị khác 2.4 Các thiết bị sấy Kiểu thiết bị Cách sấy việc làm Sản phẩm sấy Chế độ sấy tiêu hao riêng nhiệt Buồng sấy Chu kỳ Các mảng gỗ nhỏ, Nhiệt môi chất sấy 60 250oC rau củ quả, gạch, Tiêu hao riêng nhiệt q = 6000 chất cách nhiệt, … 10000 (kJ/kg ẩm) Hầm sấy Liên tục Nhiều phẩm loại sản Nhiệt môi chất sấy 120 300oC kiểu Tiêu hao riêng nhiệt q = 5000 buồng sấy 8500 (kJ/kg ẩm) Tháp sấy Liên tục, vật Muối, quặng, ngũ Nhiệt môi chất sấy 60 180oC liệu rơi cốc Tiêu hao riêng nhiệt q = 5000 tháp 6500 (kJ/kg ẩm) Thùng quay Liên tục hay Vật liệu dạng hạt, Nhiệt môi chất sấy chu kỳ quặng, ngũ cốc, … -Than, quặng 650 850oC -Ngũ cốc 601200C Năng suất bốc 50150(kg ẩm/m3h) ẩm A= Tiêu hao riêng nhiệt q = 3500 5000 (kJ/kg ẩm) Sấy động khí Liên tục Sấy phun Liên tục Vật liệu dạng Tốc độ khí 1040 m/s hạt(ẩm tự do), Tiêu hao riêng nhiệt chất kết tinh Sữa, trứng Khi t= 130150oC loại dung dịch khác A=24 (kg ẩm/m3h) t= 300400oC A=812 (kg ẩm/m3h) t= 500700oC A=1525 (kg ẩm/m3h) Sấy tầng sôi Liên tục hay Vật liệu có độ ẩm Cường độ bay ẩm chu kỳ cao, bột nhão, hạt A=100 300(kg ẩm/m3h) kết tinh, loại hạt Tiêu hao riêng nhiệt khác q=3000 12000 (kJ/kg ẩm) CHƯƠNG 2: CHỌN VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH Chọn thiết bị sấy Phương pháp chế độ sấy  Lựa chọn phương pháp sấy: Trong phương pháp sấy có nhiều phương thức khác Ở đồ án sấy phương pháp sấy sử dụng cấp nhiệt theo cách đối lưu (tức việc cấp nhiệt cho vật ẩm thực cách trao đổi nhiệt đối lưu (tự nhiên hay cưỡng bức), môi chất sấy làm nhiệm vụ cấp nhiệt  Chọn chế độ sấy: liên tục Chọn Quy Trình Cơng Nghệ Hình 2.5 Sơ đồ quy trình cơng nghệ Thuyết minh qui trình sấy  Thiết bị: Để thực trình sấy, người ta sử dụng hệ thống gồm nhiều thiết bị thiết bị phụ Trong đồ án ta sử dụng loại thiết bị sau: Thiết Bị Thiết bị Thiết bị phụ Hầm sấy Xe gòong Quạt đẩy Caloriphe Quạt hút Xyclon Tời kéo  Qui trình sấy: thuyết minh sau Nguyên liệu: Khoai mì xếp lên khay, khay xếp vào xe gòong Các xe gòong chuyển vào hầm sấy (vì có phận tời kéo nên việc vận chuyển xe gòong hầm thuận tiện dể dàng hơn), đóng cửa hầm, tác nhân sấy đưa vào hầm trình sấy bắt đầu Giờ cho xe goòng vào hầm Giờ thứ tiếp tục cho thêm xe goòng.Sau giờ, dùng tời kéo xe gòong khỏi hầm đồng thời đẩy xe gòong vào hầm sau giờ, kéo tiếp xe đến thừ kéo nốt xe cịn lại khỏi hầm Như vậy, vòng ta sấy mẻ khoai mì lát với suất ngun liệu/ mẻ Tác nhân sấy: Khơng khí bên ngồi đưa vào caloriphe nhờ quạt đẩy Tại caloriphe không khí đốt nóng lên đến nhiệt độ cần thiết (caloriphe dùng chất tải nhiệt nước) Sau khơng khí dẫn vào hầm sấy Nhiệt độ khơng khí nóng đầu hầm sấy phải phù hợp với vật liệu đem sấy (phải nhỏ nhiệt độ cao mà vật liệu chịu được) Trong hầm sấy, khơng khí nóng xun qua lỗ lưới khay đựng vật liệu tiếp xúc với vật liệu sấy Ẩm vật liệu bốc nhờ nhiệt dịng khí nóng Quạt hút đặt cuối hầm sấy để hút tác nhân sấy khỏi hầm đưa  Yêu cầu: Vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao Sản phẩm thu được: Màu sắc: trắng đều, khơng có đốm nâu đen bề mặt Độ ẩm: khơng q 15%, phải giịn Phải tạp chất, không lẫn với cát, đất, bụi bẩn… Tiêu tốn lượng chi phí vận hành thấp ... thước nguyên liệu: Ảnh hưởng kích thước nguyên liệu Kích thước nguyên liệu ảnh hưởng đến trình sấy Nguyên liệu bé, mỏng tốc độ sấy nhanh, ngun liệu có kích thước q bé mỏng làm cho nguyên liệu. .. dụng hệ thống gồm nhiều thiết bị thiết bị phụ Trong đồ án ta sử dụng loại thiết bị sau: Thiết Bị Thiết bị Thiết bị phụ Hầm sấy Xe gòong Quạt đẩy Caloriphe Quạt hút Xyclon Tời kéo  Qui trình sấy: ... khỏi hầm Như vậy, vòng ta sấy mẻ khoai mì lát với suất nguyên liệu/ mẻ Tác nhân sấy: Khơng khí bên ngồi đưa vào caloriphe nhờ quạt đẩy Tại caloriphe khơng khí đốt nóng lên đến nhiệt độ cần thiết