2.4.1.1 Máy tách hạt ca cao hiệu Pinhalense
Máy tách hạt ca cao hiệu Pinhalense xuất xứ từ Braxin, năng suất 1200 kg/giờ, công suất động cơ 1,5/2,0/3HP, khối lượng 1430 kg, thể tích 20,10 m3.
Nguyên lý hoạt động: Loại máy này hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng hai trục nghiền. Trên trục nghiền có các rãnh tròn ăn khớp với nhau. Quả ca cao sau khi qua hai trục nghiền thì phần vỏ sẽ bể, cả vỏ và hạt được đưa qua hệ thống sàng lắc để tách hạt.
Tách hạt theo nguyên lý này có ưu điểm cắt liên tục, không giới hạn về kích thước quả ca cao. Tuy nhiên, phương pháp này vỏ lẫn vào hạt rất nhiều, gây trở ngại trong quá trình ủ.
Ngoài ra, kích thước của máy lớn (dài 5,35 m, cao 1,45 m, rộng 2,55 m) cũng gây nhiều khó khăn trong việc lắp đặt. Đặc biệt là những nơi có mặt bằng hạn chế.
Hình 2.10 Máy tách hạt ca cao hiệu Pinhalense Nguồn: http://www.pinhalense.com.br
2.4.1.2 Máy tách hạt ca cao hiệu Cobre - PI20071690
Máy tách hạt ca cao hiệu Cobre - PI20071690 xuất xứ từ Malaysia, năng suất 3000 quả/giờ.
Trang 16
Nguyên lý hoạt động: Loại máy này hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng gầu tải gắn trên bộ truyền xích mang quả ca cao đi qua dao cắt được đặt cố định. ca cao sau khi được tách đôi sẽ được đưa qua hệ thống sàng quay. Hạt ca cao sẽ rớt xuống dưới và vỏ được đưa ra bên ngoài.
Phương pháp này có hiệu quả trong việc tách hạt ra khỏi vỏ. Tuy nhiên vẫn còn một phần hạt còn dính lại trong vỏ. Bên cạnh đó, phương pháp đưa quả ca cao qua dao trong trường hợp này còn làm cho hạt ca cao có thể bị cắt đứt.
Phương pháp tách hạt theo nguyên lý này, vẫn dùng sức lao động của người công nhân đặt quả ca cao vào gàu tải nên, hiệu quả và năng suất chưa cao.
Hình 2.11 Máy tách hạt ca cao hiệu Cobre - PI20071690
Nguồn: http://www.koko.gov.my
2.4.1.3 Máy tách hạt ca cao hiệu NACDA
Máy tách hạt ca cao hiệu NACDA xuất xứ từ Braxin.
Nguyên lý hoạt động: Loại máy này hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng khí nén để đẩy quả ca cao từ trên xuống qua một ống có đường kính khoảng 100 mm, trên ống có gắn 3 con dao cắt lệch nhau một góc 120o.
Trang 17
Quả ca cao được đưa vào trong ống tự động, hệ thống khí nén từ trên ép quả ca cao đi qua 3 con dao, hỗn hợp vỏ và hạt ca cao được đưa qua hệ thống sàng thùng. Tại đây, hạt ca cao được tách ra khỏi hỗn hợp.
Hình 2.12 Máy tách hạt ca cao hiệu Cobre - PI20071690
Nguồn: http://www.koko.gov.my
Phương pháp này có năng suất tách hạt không cao, và khi hệ thống khí nén đẩy quả ca cao qua dao làm cho vỏ ca cao bể thành nhiều mãnh, làm quá trình tách hạt gặp khó khăn, vỏ lẫn vào hạt nhiều.
Các bài báo của nước ngoài
1S.K. Adzimah and 2E.K. Asiam, Design of a Cocoa Pod Splitting Machine,
1Departm ent of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, 2Departm ent of Mineral Engineering, Faculty of Mineral Resources Technology, University of Mines and Technology, Ghana, Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology 2(7): 622-634, 2010
Công trình nghiên cứu của S.K. Adzimah và E.K. Asiam trên cơ sở phân tích quá trình tách bỏ vỏ ca cao bằng tay, và dựa vào các cỡ quả cùng loại, tác giả nghiên cứu thiết kế máy tách vỏ ca cao bằng hệ thống nhiều dao cắt gắn trên khung. Hệ thống khung này
Trang 18
chuyển động và thực hiện quá trình cắt nhờ bơm thủy lực có số vòng quay không đổi, điện xoay chiều 3 pha, tần số 50 Hz, số vòng quay 1500 vòng/phút.
Hình 2.13 Dao tách vỏ ca cao
Vật liệu làm dao để cắt hai phần đầu của quả ca cao là thép Crôm có chứa 12-14% Crom và 0,12 - 0,35% Carbon và được làm cứng ở nhiệt độ thích hợp. Loại thép này có thể được nhiệt luyện ở nhiệt độ thích hợp và độ cứng có thể đạt được phụ thuộc vào hàm lượng Carbon.
Yan Diczbalis, Craig Ltôiin, Nick Richards and Chris Wicks, Producing Cocoa in Northern Australia, Rural Industries Research and Development Corporation, 2010
Cocoa Pod splitting knives
frame
Trang 19
Công trình nghiên cứu của Yan Diczbalis, Craig Ltôiin, Nick Richards và Chris Wicks khái quát tình hình sản xuất ca cao ở miền Bắc Australia để đáp ứng mối quan tâm về thương mại trong bối cảnh nhu cầu sử dụng ca cao ngày càng cao của quốc gia này.
Trong công trình nghiên cứu Yan Diczbalis, Craig Ltôiin, Nick Richards và Chris Wicks đặt ra các thông số cho sự thiết kế máy bóc ca cao như sau:
- Tách vỏ không quá 4 mảnh.
- Kết cấu đơn giản (phù hợp để sử dụng ở các nước đang phát triển). - Không phụ thuộc vào kích cỡ của quả ca cao.
- Năng suất tối thiểu khoảng 2.500 quả/giờ.
Dựa trên những thông số đặt ra Yan Diczbalis, Craig Ltôiin, Nick Richards và Chris Wicks đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế máy bóc vỏ ca cao. ca cao được chia tách vỏ theo chiều dọc thành hai nửa. Quả ca cao được băng tải cấp đến máy theo định hướng, quá trình cắt được tiến hành liên tục thông qua hệ thống dẫn ca cao qua bộ dao cắt.
Năng suất của máy tách vỏ là khoảng 2.400 đến 4.000 quả/giờ (20.000 đến 30.000 quả/ngày). Các kích cỡ khác nhau của quả ca cao đều được máy thực hiện quá trình tách, có chiều dài từ khoảng 100 đến 275 mm với đường kính từ 50 đến 100 mm mà không cần điều chỉnh.
Hình 2.14 Máy tách vỏ ca cao theo công trình nghiên cứu của Yan Diczbalis 2.4.2 Các nghiên cứu trong nước
Trong quá trình nghiên cứu tác giả chưa tìm thấy đề tài nghiên cứu về máy tách hạt ca cao.
Trang 20
CHƯƠNG 3: Ý TƯỞNG VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY TÁCH VỎ CỨNG TRÁI CA CAO
Hiện nay tất cả các công đoạn chế biến ca cao đã được cơ khí hóa, ngoại trừ công đoạn tách hạt ca cao. Do không có máy tách hạt ca cao trên thị trường nên công việc tách hạt hoàn toàn thực hiện thủ công bằng cách sử dụng dao để tách vỏ và sau đó lấy các hạt ca cao từ trên vỏ.
Phương pháp tách vỏ cứng trái ca cao thủ công là một quá trình lao động tốn nhiều thời gian và dẫn đến năng suất thấp. Mặc dù công việc có thể tạo ra thu nhập khá so với lao động trong lĩnh vực công nghiệp, nó không hiệu quả để thu hút lao động trẻ tiếp nhận các công việc lao động thủ công như vậy. Đặc biệt là trong môi trường đất nước đang phát triển như Việt Nam, nơi cơ hội việc làm trong lĩnh vực công nghiệp đang dồi dào. Các giải pháp cho vấn đề này là thiết kế một máy tách hạt ca cao để phục vụ ngành sản xuất ca cao, góp phần đẩy mạnh tiềm năng phát triển ngành ca cao của Việt Nam.
3.1 Các yêu cầu thiết kế
Máy tách vỏ cứng trái ca cao cần đảm bảo các yêu cầu sau: - Kết cấu máy đơn giản.
- Quá trình cắt không phạm vào hạt ca cao. - Cấp liệu liên tục.
- Không lẫn vỏ vào trong hạt ca cao. - Nguồn điện: 220V – AC.
- Năng suất ≥ 2500 trái/giờ. - An toàn lao động.
Trang 21
3.2 Các phương án thiết kế
3.2.1 Phương án tách hạt ca cao bằng máy đập búa
3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.1 Nguyên lý máy đập búa 3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động
Hình 3.2 Sơ đồ tách hạt ca cao bằng buồng đập và hệ thống sàng
Đĩa quay Tấm chắn dưới Tấm chắn trên Búa Nêm Điều chỉnh tấm chắn Thép hợp kim cứng
Trang 22
Quả ca cao từ phễu (1) sẽ được băng tải (2) đưa đến buồng đập (3). Trong buồng đập (3) có 3 bộ dao được bố trí hướng tâm, cách nhau 1 góc 120°, mỗi bộ có 3 dao. Tại đây vỏ ca cao sẽ được búa đập ra, mức độ nát của vỏ to hay nhỏ sẽ điều chỉnh bằng khoảng cách từ búa đến thành buồng đập.Trái ca cao sau khi đập xong, phần vỏ và phần hạt qua lưới rơi xuống sàng số (4). Sàng (4) được thiết kế 4 cấp độ, 1 sàng phân loại vỏ lớn, 1 sàng phân loại vỏ vừa, 1 sàng phân loại hạt ca cao và sàng cuối phân loại vỏ nát.
3.2.1.3 Ưu và nhược điểm
- Ưu điểm:
+ Kết cấu máy đơn giản. + Dễ dàng chế tạo, điều chỉnh. + Giá thành thấp.
- Nhược điểm:
+ Tỉ lệ vỏ nát lẫn vào hạt nhiều.
+ Máy hoạt động ồn do va đập giữa búa, buồng đập và ca cao. + Phải thường xuyên vệ sinh sàn và buồng đập.
3.2.2 Phương án tách hạt ca cao bằng dao có bước xoắn 3.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý 3.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.3 Sơ đồ tách hạt ca cao bằng 2 trục nghiền và hệ thống sàng lắc
1 - phễu chứa ca cao, 2 - trục lăn, 3 - hệ thống sàng lắc, 4 - cacte động cơ truyền động cho trục nghiền, 5 - thân máy, 6 - cacte động cơ truyền động cho hệ thống sàng lắc.
Trang 23
3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động
Quả ca cao từ phễu (1) sẽ được đưa đến hai trục nghiền (2) có cấu tạo đặc biệt như hình 3.3.Qua hai trục lăn, hỗn hợp hạt và vỏ ca cao sẽ được hệ thống sàng lắc (3) phân loại. Sàng lắc được thiết kế nhiều cấp để phân loại hạt được hiệu quả.
3.2.2.3 Ưu và nhược điểm
- Ưu điểm:
+ Hệ thống thực hiện quá trình cắt liên tục + Không giới hạn kích thước quả ca cao - Nhược điểm:
+ Vỏ lẫn vào hạt rất nhiều, gây trở ngại trong quá trình ủ + Mất nhiều thời gian để vệ sinh hệ thống sàng
Trang 24
3.2.3 Phương án tách hạt ca cao bằng dao đĩa tròn
3.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.4 Sơ đồ tách hạt ca cao bằng dao đĩa tròn 3.2.1.1 Nguyên lý hoạt động
Quả ca cao (2) từ nơi cấp liệu được đưa đến bộ phận dẫn hướng (3), ca cao được đưa qua bộ phận cắt (4) dưới tác động của lực kéo từ 4 đĩa kéo (6) được lắp song song dao cắt. 2 dao cắt (5) được bố trí ở giữa hai đĩa kéo để cắt vỏ quả ra làm đôi. Nhờ lò xo mà thanh cần có di chuyển đưa dao cắt theo biên dạng quả ca cao.ca cao cắt xong, hạt và vỏ được đưa qua hệ thống sàng thùng để tách hạt.
Trang 25
3.2.1.2 Ưu và nhược điểm
- Ưu điểm:
+ Hệ thống thực hiện quá trình cắt liên tục.
+ Quả ca cao được tách làm đôi theo chiều dọc nên tỉ lệ vỏ lẫn vào hạt rất ít. + Có hệ thống lò xo đàn hồi nên hạt ca cao không bị cắt
+ Kết cấu đơn giản - Nhược điểm:
+ Vỏ có thể bị vỡ do tác động của các răng trên đĩa kéo. + Chỉ giới hạn ở những trái ca cao có kích thước ≤ 90mm.
3.3 Chọn phương án thi ết kế
Theo các phương án thiết kế đã trình bày, để đáp ứng các yêu cầu đặt ra của máy tác giả chọn phương án thiết kế máy tách hạt ca cao bằng dao đĩa tròn.
Trang 26
CHƯƠNG 4: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
4.1 Quy trình sản xuất ca cao thô
Hình 4.1 Qui trình sản xuất ca cao
4.1.1 Thu hoạch ca cao
Cây ca cao thường bắt đầu cho trái sau 3 - 4 năm trồng và sản lượng bắt đầu tăng dần lên sau 8 - 10 năm. Nếu được chăm sóc tốt, cây còn có thể tiếp tục cho trái từ 30 - 50 năm. Thời gian thu hoạch thay đổi theo từng vùng canh tác. Đối với các nước nằm ở phía Bắc xích đạo, thời gian thu hoạch vụ chính thường từ tháng 9 đến tháng 12 và vụ hai từ tháng 4 đến tháng 6.
Trang 27
Hình 4.2 Thu hái ca cao
Người ta thu hái trái ca cao thường căn cứ vào màu sắc của vỏ trái, khi các trái màu đỏ chuyển sang màu đỏ cam hoặc trái màu xanh vàng chuyển sang màu vàng cam là trái đã chín. Tuy nhiên, đối với một số trái có màu đỏ tím rất đậm thì sự chuyển màu này có thể không thật rõ nên dễ thu hoạch trễ vụ. Vì thế ở Surinam khi thu hái trái ca cao người ta không dựa vào màu sắc của trái mà chỉ dựa vào âm thanh khi gõ ngón tay vào trái, nếu âm thanh gõ nghe “bụp bụp” là biểu hiện trái đã chín. Không nên chờ đợi lâu quá mới hái quả đã chín vì quả sẽ thối và hạt sẽ nảy mầm. Nhưng ngược lại nếu hái quả chưa chín thì còn thiệt hại hơn vì lẽ rất khó ủ, tỷ lệ hạt tím và xám sẽ cao làm cho năng suất ca cao khô giảm nhiều.
4.1.2 Lưu trữ quả ca cao
Một trong những kỹ thuật nâng cao chất lượng ca cao là tồn trái. Trái ca cao phải thu hoạch cẩn thận, tránh làm nứt dập và được lưu trữ nơi thoáng mát trong vòng 7-9 ngày.
Hình 4.3 Lưu trữ quả ca cao
Với khối lượng nhỏ trái lưu trữ trong 9 ngày khi lên men có chất lượng cao nhất.Trữ trái còn giúp các nông hộ có diện tích nhỏ có thời gian thu gom lượng hạt lớn hơn thuận lợi cho một lần ủ. Hạt khi đã tách khỏi trái cần phải ủ ngay và không được lưu quá 24 giờ.
Khi trái được tồn trữ thể tích lớp cơm nhầy sẽ giảm nên giai đoạn lên men yếm khí ngắn, không có axit lactic nên hạt ít chua, hạt lên men từ trái tồn trữ có hương tốt hơn.
Trang 28
Tuy nhiên, tồn trữ trái hay gặp khó khăn về diện tích và dụng cụ để tồn trữ, hao hụt do bệnh thối trái và các loài gặm nhấm phá hoại.
4.1.3 Tách hạt
Sau khi hái, trái ca cao được tiến hành bóc vỏ để lấy hạ tra khỏi xơ cùi trụ của trái.Thành phần của trái bao gồm 42% hạt, 2% chất nhầyvà 56% vỏ và cùi trụ. Ở một số nước nơi có lượng ca cao lớn, người ta tách hạt ngay tại chỗ lúc hái và chỉ đưa hạt đóng bao về xưởng để lên men. Còn ở những trại ca cao nhỏ có tính chất gia đình, người ta thu hoạch trái sau một hoặc hai ngày mới tách hạt và ủ. Thời gian giữa bóc trái để lấy hạt và đưa vào ủ không được kéo dài quá 24h.
Hình 4.4 Tách hạt thủ công
Để lấy hạt, thông thường người ta cắt chéo vỏ quả, kế đến là cầm 2 đầu quả vặn xoắn làm bể vỏ quả, sau đó dùng các ngón tay để moi hạt ra. Công việc moi hạt thường do người thứ 2 làm. Cắt chéo vỏ quả để lấy hạt là phương pháp phổ biến nhất, tuy nhiên nó không được khuyến cáo bởi lẽ việc dùng dao cắt vỏ quả có thể cắt phạm đến hạt, tỷ lệ bị cắt phạm có thể lên đến 5%. Những chỗ bị cắt phạm là điều kiện thuận lợi để nấm mốc và sâu mọt xâm hại trong quá trình tồn trữ.
Để tránh trường hợp này, đơn giản nhất là dùng một cán gỗ đập vào trái làm cho vỡ vỏ theo chiều thẳng đứng. Người ta cũng có thể đập mạnh trái vào một hòn đá hoặc một khúc gỗ, trái sau khi bị đập thì vỡ ra, dùng hai ngón tay lách theo chiều dài và cả hai bên xơ cùi trụ, hạt sẽ tách ra dễ dàng.
4.1.4 Lên men
Lên men hạt là khâu quan trọng nhất trong ngành chế biến ca cao, nó bao gồm các công việc là giữ cho khối hạt ca cao tươi vừa tách trong vỏ trái ra được cách nhiệt tốt để
Trang 29
duy trì nhiệt độ cần thiết bên trong khối hạt ủ, đồng thời để cho không khí có thể thấm vào khối hạt.
- Các mục đích của việc lên men là:
+ Gây ra những thay đổi sinh hóa học trong phôi nhũ (Cotyledon), để làm giảm vị đắng và chát (Astringency) trong hạt ca cao, đồng thời làm khơi mào cho sự phát triển các hương, vị và màu sắc trong quá trình rang hạt về sau.
+ Làm cho phôi nhũ nở rộng hơn và giòn, dẫn đến lớp vỏ hạt (Testa) hở ra và diệt được rễ mầm trong hạt ca cao.
+ Hoá lỏng và loại bỏ cho hết lớp nhầy bao quanh hạt ca cao tươi giúp thuận lợi cho quá trình sấy hạt tiếp theo.