CHƯƠNG 4 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
4.4. Cân bằng vật chất
4.4.14. Pha loãng sơ bộ
G Cấp nước
G1
Giả sử khối lượng nguyên liệu rỉ đường dùng cho một ca là : G* = 1000 Kg/ca
Nồng độ Bx = 85
Khối lượng riêng d =1,4149 kg/L Thể tích của rỉ đường nguyên liệu là:
V* = 1000 / 1,4149 = 706,764 (L/ca) Pha loãng đến nồng độ 25 Bx
Hao hụt trong quá trình vận chuyển là 0,5 Thể tích sau pha loãng là
V1* = V* x x = 2390,982 (L/ca) Nước được thêm vào cho quá trình là:
Thể tích nước :Vnước = V1* – V* = 2390,982 – 706,764 = 1684,218 (L/ca) Khối lượng nước: Gnước = 1684,218 x 0,997 = 1679,165 (kg/ca)
Bảng 4. 4: Thông số rỉ đường nguyên liệu
Nồng độ chất khô 85Bx
Độ pH 5,5 – 6,5
Đường tổng 60%
Đường khử 25%
Đường Sacchrose 35%
Ta có:
Khối lượng đường sau pha loãng là:
Gđường khử = G* x 25% x = 1000 x 25% x = 248,750 (kg/ca) Gsaccharose = G* x 35% x = 1000 x 35% x = 348,250 (kg/ca) 4.4.15. Acid hóa G1 H2SO4 G2
Lượng acid H2SO4 98% cho vào chiếm 0,5% lượng rỉ đường cho vào Khối lượng acid cần dùng là:
Gdd acid = 1000 x 0,5% = 5,102 kg/ca Khối lượng riêng của acid H2SO4 98% là d = 1,84 kg/L Thể tích lượng acid cho vào là:
Vdd acid = 5,102 / 1,84 = 2,773 kg/ca Thể tích dd rỉ đường sau khi acid hóa:
V2* = V1* + Vdd acid = 2390,982 +2,773 = 2393,755 L/ca Khối lượng dịch đường sau khi acid hóa:
G2* = (G* +Gnước+ Gdd acid ) x
= ( 1000 + 1679,165 + 5,102 ) x = 2670,846 kg/ca Ta có phương trình phản ứng:
C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6
Gđường đơn = (Gsaccharose x x 2 + Gđường khử) x
= ( 348,250 x x 2 + 248,750 ) x = 612,252 kg/ca
4.4.16. Ly tâm
G2
Bả G3
Giả sử bả sau ly tâm là 5% Tỉ lệ hao hụt là 1,5% Hiệu suất ly tâm 90%
Khối lượng bả sau khi ly tâm
Acid hóa
Gbả = G2* x 5% = 2670,846 x 5% =133,542 kg/ca Khối lượng dịch sau ly tâm:
G3* = (G2* - Gbả ) x x
= (2670,846 - 133,542) x x = 2249,320 kg/ca
4.4.17. Pha chế dịch lên men
G4 FeHPO4 KH2PO4 MgSO4 MnSO4 G4
Khối lượng dịch lên men là
G4 = G5 x = 65279,568x = 65607,606 kg/ca Hàm lượng glucose được dùng trong môi trường lên men Với nồng độ Glucose trong dung dịch là : Cglucose = 15%
Gglucose = G4 x Cglucose = 65607,606 x 15% = 9841,141 kg/ca Ta có công thức tam suất:
1000 kg nguyên liệu rỉ đường --> 612.3 kg glucose X nguyên liệu rỉ đường --> 98411.4 kg glucose
Gnguyên liệu = = 16073, 669 kg/ca Ta có: G4 = G3 + Gnước + Gmuối khoáng = 65607,606 kg/ca
Dựa vào tỉ lệ thành phần phối trộn ta tính được khối lượng các chất bổ sung vào môi trường lên men:
G3 = 36154,821 kg/ca
GFeHPO4 = 36154,821x 0,0002 = 13,122 kg/ca
GKH2PO4 = 36154,821x 0,0002 = 13,122 kg/ca
GMgSO4 = 36154,821x 0,0001 = 6,561 kg/ca
GMnSO4 = 36154,821x 0,00005 = 3,280 kg/ca
Lượng nước bổ sung vào quá trình pha chế dịch lên men:
Gnước bổ sung = G4 - G3 - Gmuối khoáng = 29416,700 kg/ca Vnước bổ sung = Gnước bổ sung x 0,977 = 29328,450 kg/ca Thể tích dịch lên men sau khi pha chế:
V4 = G4 / d = 65607,606 / 1,032 = 64069,927 L/ca Tương tự ta có bảng số liệu sau:
Bảng 4. 5: Bảng số liệu nguyên liệu rỉ đường đầu vào
Pha chế dịch lên men
4.4.18. Tổng kết cân bằng vật chất:
1
đường Acid hóa rỉ đường 42930
2 Lượng rỉ đường ly tâm (lít/ca) 38301
3 Lượng môi trường đem đi pha chế
Lượng dịch đường đem đi pha
chế(lít/ca) 36155
Lượng nước thêm vào (lít/ca) 29417
Khối lượngFeHPO4 (kg/ngày) 14 Khối lượngKH2PO4 (kg/ngày) 14 Khối lượng MgSO4 (kg/ngày) 7 Khối lượng MnSO4 (kg/ngày) 4
4 Tiệt trùng và làm nguội (lít/ca) 65280
5 Lên
men
Lượng môi trường đem lên men
(lít/ca) 65608
Lượng giống sản xuất đưa vào
lênmen(lít/ca) 5905
Lượng giốngcấp 2 đưa vào lên
men(lít/ca) 540
Lượng giống cấp 1 đưa vào lên
men(lít/ca) 50
6
Ly tâm lần 1
Thể tích canh trường đem đi ly
tâm (lít/ca) 16930
7
Rửa sinh khối
Thể tích dịch đem đi rửa
(lít/ngày) 25140
8
Ly tâm lần 2
Khối lượng dịch canh trường sau
khi đem đi ly tâm 8915
Sấy
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ5.1 Công thức tính thiết bị 5.1 Công thức tính thiết bị
5.1.1 Công thức số thiết bị được sử dụng
Số lượng thiết bị được xác định theo 2 phương pháp sau : - Nếu thiết bị làm việc liên tục thì áp dụng công thức: - Nếu thiết bị làm việc gián đoạn thì áp dụng công thức 2: Trong đó:
n là số thiết bị yêu cầu;
M là năng suất giờ của thiết bị;
N là năng suất giờ của dây chuyền ở từng công đoạn;
T là thời gian tổng cộng của mỗi chu kỳ làm việc của máy (phút); V là thể tích làm việc của thiết bị, được tính cùng đơn vị với N.
Thông thường sau khi tính ra n là số lẻ, ta làm tròn số và thường cộng thêm 1 hoặc 2 thiết bị để dự trữ.
Ví dụ n = 6,3 thì ta làm tròn thành 7 và cộng thêm 1 thiết bị dự trữ, tổng cộng sử dụng 8 thiết bị.
5.1.2 Công thức tính các thiết bị hình trụ, đáy tròn:
Thiết bị hình trụ đứng, có đáy và nắp hình chỏm cầu và hệ thống cánh khuấy để đảo đều nguyên liệu bên trong thiết bị, thiết bị làm việc gián đoạn.
Hình 5. 1: Thiết bị hình trụ đáy cầu
Trong đó:
D là đường kính thân hình trụ.
h1 là chiều cao của thân hình trụ.
h2 là chiều cao của hình chỏm cầu.
H là tổng chiều cao thiết bị. Chọn h1=1.3D và h2=0.3D. Vậy chiều cao thiết bị là:
H = h1+2h2 = 1.3D + 20.3D = 1.9D Thể tích thiết bị:
Vthiết bị = Vtrụ + 2Vcầu
Thể tích phần hình trụ:
Vtrụ = h1 = 1.3D = 1.021 Thể tích phần chòm cầu:
Vcầu = π/6 x h2 x ((h2)2 + 3r2) = 0,132 D3 (5.4) Vậy thể tích của thiết bị là :
Vthiết bị = Vtrụ + 2Vcầu= 1.021 2 0,132 D3= 1,285 Suy ra đường kính của thùng chứa :
Nguyên tắc chọn thiết bị
Khi chọn thiết bị cần phải đảm bảo tuân thủ các nguyên tắc sau đây:
- Thiết bị phải đảm bảo chất lượng sản phẩm cao, lãng phí nguyên liệu ít nhất.
- Đây phải là những thiết bị hiện hành ở trong hoặc ngoài nước.
- Thiết bị làm việc liên tục, có cấu tạo đơn giản, rẻ tiền, dễ sử dụng và sửa chữa.
- Kích thước nhỏ gọn, năng suất cao và ít tiêu hao năng lượng.
5.2.3 Công thức tính các thiết bị hình trụ, đáy hình chóp
Thiết bị hình trụ đứng, nắp hình chỏm cầu, đáy hình chóp và hệ thống cánh khuấy để đảo đều nguyên liệu bên trong thiết bị, thiết bị làm việc gián đoạn.
Hình 5. 2: Thiết bị hình trụ đáy chóp
h2 là chiều cao của hình chỏm cầu và hình chóp.
H là tổng chiều cao thiết bị. Chọn h1= 0.8D và h2=0.2D. Vậy chiều cao thiết bị là:
H = h1+2h2 = 0.8D + 20.2D = 1.2D Thể tích thiết bị: Vthiết bị = Vtrụ + Vcầu + Vchóp Thể tích phần hình trụ: Vtrụ = h1 = 0.8D = 0. Thể tích phần chỏm cầu: Vcầu = π/6 x h2 x ((h2)2 + 3r2) = 0,154 D3 (5.7) Thể tích phần chóp: Vchóp = π/3 x (h2/4)2 x h2= 0,052 D3 (5.8) Vậy thể tích của thiết bị là :
Vthiết bị = Vtrụ + Vcầu+ Vchóp = 0.6280.154 + 0,052 D3= Suy ra đường kính của thùng chứa :
5.2 Tính và chọn thiết bị trong nhà máy
5.2.1 Thiết bị pha loãng rỉ đường
Chọn thùng có dạng hình trụ đứng, vỏ thùng được làm bằng thép không gỉ. Bên trong có cánh khuấy, nắp và đáy bằng chỏm cầu (hình 5.1).
Lượng rỉ đường cần pha loãng trong 1 ca là 38431,848 (L/ca). Giả sử khối lượng riêng của dung dịch rỉ đường là 1,414.
Chọn hệ số chứa đầy của thiết bị là: φ = 0,8. Vậy thể tích thực tế của thiết bị :
V = 48 (m3/ngày)
Ta thiết kết một thiết bị pha loãng rỉ đường với năng suất chứa là 25 m3
Áp dụng công thức 5.4 ta có:
D = = 2,690 (m) = 2690 (mm) Suy ra: H1 = 1,3D = 1,3 x 2690 = 3497 (mm)
H2 = 0,3D = 0,3 x 2690 = 1049 (mm) H = H1 + 2H2 = 3497 + 1049 = 5595 (mm)
Vậy chọn 2 thiết bị pha loãng rỉ đường có kích thước là: D = 2690 mm, H= 5595 mm.
Hình 5. 3: Thiết bị pha loãng rỉ đường
5.2.2 Thiết bị thủy phân rỉ đường
Chọn thiết bị có hình trụ với hai hình côn trên và dưới. Bề mặt bên trong của thiết bị được phủ lớp vật liệu composite chịu nhiệt và chịu acid và có hệ thống cánh khuấy.
Hình 5. 4: Thiết bị acid hóa rỉ đường [26]
Thể tích dung dịch rỉ đường sau khi acid hóa là: V= 38476,42 (L/ca)
Ta thiết kết một thiết bị acid hóa rỉ đường với năng suất chứa là 25 m Áp dụng công thức 5.4 ta có: D = = 2,690 (m) = 2690 (mm) Suy ra: H1 = 1,3D = 1,3 x 2690 = 3497 (mm) H2 = 0,3D = 0,3 x 2690 = 1049 (mm) H = H1 + 2H2 = 3497 + 1049 = 5595 (mm)
Vậy chọn 2 thiết bị pha loãng rỉ đường có kích thước là: D = 2690 mm, H= 5595 mm.
Nguyên tắc hoạt động: Thiết bị thuỷ phân rỉ đường bên trong có tráng men chịu
acid làm việc gián đoạn, có dạng hình trụ, nắp bằng và đáy hình nón. Vận tốc cánh khuấy 0,2-0,3 vòng/s. Dịch được nạp liên tục vào hệ thống ống khuếch tán bên dưới đáy, sản phẩm sẽ được thu nhận qua ống góp nằm dưới mức trên của ống xilanh. Để nén và thấm ướt nguyên liệu cần cho nước và acid vào đồng thời.
5.2.3 Thiết bị ly tâm trục vít nằm ngang
Lượng rỉ đường đem ly tâm trong một ca là :36154,82 lít/ca = 4,52 m3/h. Thời gian công đoạn ly tâm, tháo và nạp liệu là 1h.
Chọn thiết bị ly tâm có thông số như bảng 5.2. Số thiết bị ly tâm cần dùng cho công đoạn này là:
n = = 0,04 Vậy chọn 1 máy ly tâm lọc lắng nằm ngang.
Bảng 5. 1: Thông số kỹ thuật của thiết bị ly tâm nằm ngang[27]
Hình 5. 5: Thiết
bị ly tâm nằm ngang
ST
T Model LW650 - 2600
1 Năng suất, m3/h 20
2 Đường kính của rôto,mm 650
3 Bề dày thành của trống quay,mm 10 4 Số vòng quay lớn nhất của roto, v/p 4000
5 Yếu tố phân chia 3140
6 Công suất động cơ, kw 55/90
7 Kích thước cơ bản, mm 4900*1450*1650
8 Khối lượng, kg 6500
Nguyên tắc hoạt động: Dưới tác dụng của lực ly tâm, huyền phù được phân chia và các tiểu phần của pha rắn được lắng trên tường của roto. Chất lỏng trong chảy vào cửa rót, tràn qua ngưỡng rót và được tháo ra khỏi roto. Đường kính của ngưỡng tràn được điều chỉnh bởi van điều tiết.Hoạt động của máy ly tâm được điều chỉnh bởi số vòng quay của roto bằng cách thay đổi đường kính bánh đai, thay đổi tốc độ nạp huyền phù và thay đổi đương kính của ngưỡng tràn.
Hình 5. 6: Tank chứa bả ly tâm
Thông số kỹ thuật của bồn chứa inox 1200 lít AB – 01 – 1200 [28]
- Bồn được gia công bằng vật liệu inox 304
- Thể tích chứa 1200 L trở xuống
- Chất liệu thân bồn và đáy bồn làm bằng vật liệu dày, phù hợp với từng nhu cầu
- Chân bồn linh động có thể gắn bánh xe hoặc cố định
Gia công thiết kế theo thông số:
- Dung tích (L): 1200L
- Đường kính(D): 1050 mm
- Chiều cao(H): 2380 mm
Lượng bả sau ly tâm trong một ca là :2146,52 lít/ca = 2,15 m3/ca. Số thiết bị ly tâm cần dùng cho công đoạn này là:
n = = 1,43 Vậy chọn 2 tank chứa bả sau ly tâm.
5.2.4 Thiết bị pha chế dịch lên men
Tổng thể tích môi trường pha chế dịch lên men trong 1 ca là:V = 64069,93 (lít/ca). Chọn hệ số chứa đầy là φ = 0,8.
Ta có thể tích thực tế của thùng pha chế là: Vthiết bị = = 80,08 (m3). Vậy chọn thùng có thể tích 25 m3.
Hình 5. 7: Thiết bị pha chế dịch lên men
Áp dụng công thức 5.9 ta có:
= 3,975 (m)
Suy ra: H1 = 1,3D = 1,3 x 3975 = 3180 (mm)
H2 = 0,3D = 0,3 x 3975 = 795(mm) H = H1 + 2H2 = 3497 + 1049 = 4770 (mm) Chọn 1 thùng pha chế có kích thước như sau
Bảng 5. 2: Bảng thông số thiết bị pha chế dịch lên men
Thành phần Thông số Đơn vị
Đường kính 3975 mm
Chiều cao 4770 mm
Số lượng 4 Cái
5.2.5Thiết bị tiệt trùng và làm nguội
Năng suất của dịch đem tiệt trùng và làm nguội là 65279,67 (kg/ca). Thời gian cho công đoạn tiệt trùng làm nguội và vệ sinh thiết bị là 2h. Chọn thiết bị tiệt trùng và làm nguội có năng suất là 10 000 kg/h Số lượng thiết bị cần là:
Vậy ta chọn 4 thiết bị tiệt trùng và làm nguội dạng tấm có các thông số kĩ thuật cơ bản như sau:
Bảng 5. 3: Thông số kỹ thuật của thiết bị tiệt trùng và làm nguội dạng tấm[30]
ST
T Model BS – 10
1 Năng suất, lít/h 10000
2 Diện tích trao đổi nhiệt, m2 52
3 Áp lực kế, Mpa 1
4 Kích thước tấm, mm 1500 x 460 x 600
5 Kích thước thiết bị, mm 2500*2200*2500
6 Nhiệt độ thiết kế, oC 130oC
7 Nhiệt độ ra, oC 50oC
8 Nhiệt độ nguyên liệu vào, oC 85oC - 95oC 9 Tốc độ trao đổi nhiệt năng, kcal/h 5x104
10 Số lượng 4
Hình 5. 8: Thiết bị tiệt trùng làm nguội UHT BS – 10[29]
Tùy vào cấu tạo của máy và mục đích sử dụng trong sản xuất thực phẩm (chiết rót nóng, chiết rót lạnh, sử dụng chai PET, chai thủy tinh hay hộp giấy Tetra Pak…) mà máy có cấu tạo khác nhau.
Ở Việt Nam chúng ta có các loại máy tiệt trùng UHT dạng ống lồng ống (dùng cho chiết rót nóng các thực phẩm lỏng, tức là không có công đoạn hạ nhiệt nhanh sau khi tiệt trùng), máy tiệt trùng UHT dạng tháp, máy tiệt trùng UHT mini (như hình ảnh). Tùy vào công suất hoạt động của máy mà ta có thể áp dụng trong các phòng thí nghiệm, phòng R&D, hoặc trong các công ty sản xuất từ quy mô nhỏ đến lớn.
Phần tiếp xúc với sản phẩm chế tạo bằng Inox 304, kết cấu vững chắc, hệ thống luôn đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Tính năng ổn định, thao tác đơn giản, sửa chữa thuận tiện, đảm bảo không có sự lắng cặn và tăng khả năng trao đổi nhiệt. Lắp đặt, tháo dỡ, vệ sinh dễ dàng, tính tự động hoá cao, kín đáo làm giảm khả năng nhiễm khuẩn của thực phẩm.
Nguyên lý:
Máy tiệt trùng UHT có cấu tạo khác nhau ở mỗi nhà sản xuất khác nhau, tuy nhiên nguyên lý hoạt động chung vẫn là trao đổi nhiệt giữa thực phẩm lỏng với vách ngăn chứa chất tải nhiệt.
Quy trình tiệt trùng thương mại: Nguyên liệu được xử lý ở nhiệt độ 135-140oC trong thời gian rất ngắn (khoảng 2 – 5 giây), rồi làm nguội nhanh xuống 20 – 25oC, giúp tiêu diệt hầu hết vi khuẩn có hại và giữ lại tối đa dưỡng chất.
5.2.6 Thiết vị lên men
Năng suất của dịch đem lên men cho mỗi mẻ ứng là 62622,84 (l/ca). Chọn hệ số chứa đầy là φ = 0,65.
Thể tích thực của thiết bị là:
V = = 96,3 (m3/ngày). Vậy chọn thiết bị lên men với thông số kỹ thuật là:
Bảng 5. 4: Thông số kỹ thuật của thiết bị lên men dạng đứng [30]
Thể tích, m3 15
Lượng môi trường nạp vào,m3 <12
Áp suất, Mpa 0,1 – 0,6
Số vòng quay của trục, vòng/phút 500
Ta có, thời gian lên men một mẻ là 1ngày. Nên số thiết bị thủy phân cần sử dụng là:
n = = 6,42
Vậy ta chọn 8 thiết bị lên men (thêm 1 thiết bị dự trữ).
Vì nhà máy sản xuất 2 ca liên tục nên số lượng thiết bị cho quá trình lên men là 16
Hình 5. 9: Thiết bị lên men SSG - 15Bảng 5. 5: Thông số kỹ thuật Bảng 5. 5: Thông số kỹ thuật
STT Thiết bị lên men SSG - 15
1 Model SSG - 15
2 Thể tích, L 15000
3 Đường kính 2650
4 Chiều cao 4450
5.2.7Thi t b ly tâm tách sinh kh iế ị ố
Khối lượng canh trường cần ly tâm là 77495,8 (L/ca)
Chọn thời gian ly tâm là 1 giờ 30 phút nên năng suất thiết bị cần dùng là 51663,9