Stt Quá trình 1 giờ 1 ca 1 ngày Kg 1 tháng 1 năm
1 Chuẩn hoá 7224.031 57792.251 173376.753 4507795.578 52013025.9 2 Thanh trùng 7187.911 57503.29 172509.87 4485256.62 51752961 3 Đồng hoá 7116.032 56928.256 170784.768 4440403.968 51235430.4 4 Phối trộn 7044.875 56359 169077 4396002 50723100 5 Cô đặc 6974.423 55795.384 167386.152 4352039.952 50215845.6 6 Làm nguội 3173.363 25386.9 76160.7 1980178.2 22848210 7 Kết tinh 3157.5 25260 75780 1970280 22734000 8 Rót lon 3141.708 25133.662 75400.986 1960425.636 22620295.8 9 Ghép mí 3110.291 24882.325 74646.975 1940821.35 22394092.5 10 Hoàn thiện 3063.638 24509.1 73527.3 1911709.8 22058190
61
Bảng V-4 Bảng khối lượng nguyên/phụ liệu STT Nguyên/phụ
liệu
KG
1 giờ 1 ca 1 ngày 1 tháng 1 năm 1 Sữa bò 7260.333 58082.664 174247.992 4530447.792 52274397.6 2 Bột sữa gầy 631.678 5053.421 15160.262 394166.812 4548078.725 3 AMF 241.186 1929.488 5788.464 150500.064 1736539.151 4 Lactose 0.635 5.077 15.231 396.006 4569.3 5 Saccharose 1474.825 11 798.6 35395.8 920290.8 10618740 6 Lecithin 8.837 70.699 212.098 5514.545 66174.54 7 Hương caramel 2.946 23.566 70.699 1838.182 22058.18 8 Màu caramel 2.946 23.566 70.699 1838.182 22058.18 VI TÍNH TOÁN THIẾT BỊ [1], [4]
VI.1 Chuẩn hóa
Sử dụng thiết bị phối trộn
- Lượng sữa cần phối trộn: 7224.032 (kg/h) - Số thiết bị = 𝑁𝑆𝐶Đ
𝑁𝑆𝑇𝐵 = 7224.032
12000 = 0.602
Chọn 1 thiết bị Tetra Almix Spark 10V của hãng Tetra Pak cung cấp, năng suất 12.000 kg/h
Các chi tiết chính của thiết bị gồm:
Bồn trộn chân không thể tích 3.000 lít, động cơ đặt dưới đáy bồn, có van an
toàn, van đổi hướng dòng chảy và vỏ bọc ngoài kết nối CIP.
Ba bồn trung gian, mỗi bồn có thể tích 6.000 lít, gắn hệ thống đường ống nối
giữa các bồn với nhau và với bồn trộn chân không qua một bơm để tuần hoàn hỗn hợp phối trộn.
Phễu nạp bột sữa gầy
Bảng điều khiển với các nút nhấn, công tắc chính và tắt khẩn cấp, khởi động
động cơ, van điện từ, báo động. Các thông số kỹ thuật:
Công suất tiêu thụ: 21kW
Công suất bơm: 3kW
Áp suất sữa vào bồn trộn: 0,5 bar Áp suất sữa ra khỏi bồn trộn: 1,5 bar
Điện áp: 220-440 VAC, tần số 50-60Hz
62 + Các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm được làm bằng thép không rỉ AISI316. + Các bộ phận khác làm bằng thép không rỉ AISI304. Kích thước: + Chiều dài: 1600mm + Chiều rộng: 1200mm + Chiều cao: 1720mm. Thông số vận chuyển: Khối lượng thiết bị: 550kg
Khối lượng tổng: 699kg
Hình VI-1: Thiết bị phối trộn Tetra Almix Spark 10V
Hình VI-2: Sơ đồ thiết bị phối trộn VI.2 Hệ thống thanh trùng VI.2 Hệ thống thanh trùng
o Thiết bị thanh trùng
- Chế độ thanh trùng: nhiệt độ 820C trong thời gian 10p gồm 4p gia nhiệt, 2p giữ nhiệt và 4p làm nguội.
- Tổng thời gian thanh trùng là 45 phút.
- Lượng sữa cần thanh trùng: 57503.29 /8 = 7187.911 kg/h Số thiết bị = 𝑁𝑆𝐶Đ
𝑁𝑆𝑇𝐵 = 7187.911
12000 =0.599
Chọn 1 thiết bị thanh trùng dạng bảng mỏng Tetra Plex MS6 của hãng Tetra Pak- Thụy Điển:
63 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị:
Bộ phận chính là những tấm bảng hình chữ nhật với độ dày rất mỏng, làm bằng thép không rỉ AISI 316L. Mỗi tấm bảng có 4 lỗ ở 4 góc và hệ thống các đường rãnh trên khắp bề mặt để tạo sự chảy rối và tăng diện tích truyền nhiệt. Các tấm bảng mỏng được ghép lại với nhau trên bộ khung của thiết bị làm bằng thép đặc không rỉ (solid stainless steel), hình thành nên những hệ thống đường vào và đường ra cho nguyên liệu và chất tải nhiệt.
Chất tải nhiệt là nước nóng. Nước nóng và sữa chuyển động ngược chiều nhau trong thiết bị.
Các thông số kỹ thuật:
Năng suất tối đa cho thanh trùng: 12.000 kg/h Áp suất làm việc: 10-16 bar
Kích thước bảng (mm): 750 x 250 x 0,5 (dài x rộng x dày), vật liệu cấu tạo bảng là thép không rỉ AISI316L hoặc 254 SMO.
Bề mặt truyền nhiệt: 0,14m2 Đường kính ống: 60mm
Kích thước thiết bị (mm): 1500 x 320 x 960 (mm)
Hình VI-3: Thiết bị thanh trùng dạng bảng mỏng hãng Tetra Pak
Hình VI-4: Sơ đồ hoạt động của thiết bị thanh trùng bảng mỏng
o Bộ phận lưu nhiệt
Bộ phận lưu nhiệt là một đoạn ống có chiều dài thích hợp để giữ cho nhiệt độ của dòng sữa không đổi tương ứng với thời gian thanh trùng. Ống lưu nhiệt có cấu tạo hai vỏ, ở giữa hai vỏ là lớp cách nhiệt có nhiệm vụ duy trì nhiệt độ thanh trùng cố định.
64 Chọn ống có cấu tạo từ thép không gỉ, đường kính ngoài = 60mm, dày S = 2mm.
- Vận tốc của sữa nguyên liệu đi trong ống tương ứng với năng suất thanh trùng: 𝑣 = 4×𝐺
3600×𝜌×𝜋×𝜙2= 4×7187.911
3600×1050×3,14×0,062 = 0.67𝑚/𝑠
Trong đó: 𝜌 = 1050𝑘𝑔/𝑚3 là khối lượng riêng của chất lỏng. - Thời gian lưu nhiệt 𝜏 =2 phút. Chiều dài ống lưu nhiệt cần thiết là: 𝐿 = 𝑣 × 𝜏 = 0.67 × 120 = 80.4𝑚
Để có thể thay đổi thời gian thanh trùng ứng với những trường hợp khác, cần bố trí ống lưu nhiệt gồm nhiều đoạn ống, mỗi đoạn ống có chiều dài 5m. Tùy theo thời gian thanh trùng dài hay ngắn mà sử dụng số lượng đoạn ống để làm việc cho phù hợp.
VI.3 Thiết bị đồng hóa
- Lượng sữa cho vào thiết bị đồng hóa : 56 928.256
8 = 7 116.032(kg/h) - Số thiết bị = 𝑁𝑆𝐶Đ
𝑁𝑆𝑇𝐵= 7 116.032
22600 = 0.315
- Thời gian đồng hóa là 20s. Tổng thời gian đồng hóa là 25p. - Nhiệt độ dòng lỏng: 700C
- Chế độ áp suất cho 2 cấp đồng hóa:
+ Áp lực cấp đồng hóa thứ nhất: 160bar (P1) + Áp lực cấp đồng hóa thứ hai: 40bar (P2)
Chọn 1 thiết bị đồng hóa Tetra Alex 30 của hãng Tetra Pak, áp lực đồng hóa 160bar cho năng suất tối đa 22.600 kg/h.
Thông số kỹ thuật của thiết bị:
Nước làm mát (áp lực > 300 kPa, nhiệt độ 250C, độ cứng <100dH):700 lít/h Lượng hơi nước tiệt trùng thiết bị (áp lực >300kPa): 25kg/h
Kích thước thiết bị (mm): 2820 x 1720 x 1250
Kích thước không gian đặt thiết bị (mm): 4300 x 3300 x 1700 (mm)
Thông số vận chuyển thiết bị: Khối lượng thiết bị: 3775kg
Khối lượng bao bì vận chuyển: 500kg Thể tích: 11,9 m3
Năng lượng tiêu tốn:
Năng lượng tiêu thụ/ 1000 lít sản phẩm: 8,2kWh Lượng nước tiêu thụ/ 1000 lít sản phẩm: 671 lít/h Hơi tiêu tốn/ 1000 lít sản phẩm: 3,4kg/h
65
Hình VI-5: Thiết bị đồng hóa 2 cấp Tetra Alex 30 hãng Tetra Pak
Nguyên lý hoạt động:
Máy hoạt động theo nguyên tắc đồng hóa ở áp suất cao, hai cấp gồm một bơm piston để đưa nguyên liệu vào máy, hai khe hẹp và hai hệ thống thủy lực tạo đối áp dùng chung một bể dầu. Bộ phận đồng hóa gồm các bộ phận chính sau đây: chày đồng hóa (forcer), bộ phận tạo khe hẹp (seat), vòng đập (impact-ring). Chày đồng hóa và bộ phận tạo khe hẹp vừa tạo ra áp lực cao cho dòng lưu chất vừa tạo ra khe đồng hóa (gap), khe đồng hóa có kích thước rất nhỏ (0,1mm), vòng chặn có tác dụng tạo ra va đập cho các hạt làm cho chúng phân tán tốt hơn.
Hình VI-6: Cấu tạo thiết bị đồng hóa áp lực cao hai cấp
1- cấp đồng hóa thứ nhất; 2- cấp đồng hóa thứ hai
Dưới tác dụng của chày đồng hóa, dòng lưu chất có áp lực rất cao và chuyển động qua khe hẹp với vận tốc rất lớn, có thể lên tới 50200m/s, vì vậy toàn bộ năng lượng ở dạng thế năng của áp suất sẽ được chuyển thành động năng của các phân tử. Chính năng lượng này sẽ làm phá vỡ và giảm kích thước các hạt. Tác dụng đồng hóa được giải như sau:
Nguyên lý chảy rối (turbulence theory): Khi hệ nhũ tương được bơm với tốc độ cao đến khe hẹp, nhiều dòng chảy rối với các vi lốc xoáy (micro – whirl) sẽ xuất hiện. Tốc độ bơm càng lớn thì số dòng chảy rối sẽ xuất hiện càng nhiều và kích thước các vi lốc xoáy sẽ càng nhỏ. Chúng sẽ va đập vào các hạt của pha phân tán và làm cho các hạt này bị vỡ ra.
66 Nguyên lý xâm thực khí (cavitation theory): Hệ nhũ tương được bơm đến khe hẹp với tốc độ cao sẽ làm xuất hiện các bong bóng hơi trong hệ. Chúng sẽ va đập vào các hạt của pha phân tán và làm vỡ hạt. Theo nguyên lý này, sự đồng hóa chỉ diễn ra khi hệ nhũ tương rời khỏi khe hẹp, do đó đối áp giữ một vai trò quan trọng và sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả đồng hóa. Tuy nhiên, sự đồng hóa vẫn có thể diễn ra mà không cần có hiện tượng xuất hiện các bong bóng khí nhưng hiệu quả của quá trình sẽ thấp hơn.
Thuyết va đập: Dịch sữa là một hỗn hợp chứa rất nhiều hạt pha phân tán. Khi các hạt này chuyển động với vận tốc cao chúng sẽ tự va đập vào nhau và do cấu tạo của thiết bị, khi thoát ra khỏi khe hẹp các hạt phân tán sẽ tiếp tục va đập vào một bề mặt cứng làm góp phần phá vỡ và giảm kích thước các hạt.
Hình VI-7: Thành phần chính của thiết bị đồng hóa áp lực cao
1- motor chính (main drive motor); 2- bộ truyền đai (V-belt transmission); 3- đồng hồ đo áp suất (pressure indication); 4- trục quay (crankcase);
5- piston; 6- hộp piston (piston seal cartridge); 7- bơm; 8- van; 9- bộ phận đồng hóa (homogenising device); 10- hệ thống tạo áp suất thủy
lực (hydraulic pressure setting system)
Theo hình trên, bơm piston cao áp được vận hành bởi động cơ điện (1) thông qua một trục quay (4) và bộ truyền động (2) để chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của piston. Các piston (5) chuyển động trong xilanh ở áp suất cao. Trong thiết bị còn có hệ thống dẫn nước nhằm làm mát cho piston trong suốt quá trình làm việc.
67
VI-8: Nguyên tắc hoạt động của thiết bị đồng hóa áp lực cao
1- chày đồng hóa (force); 2- vòng đập (impact ring); 3- bộ phận tạo khe hẹp (seat); 4- hệ thống thủy lực tạo đối áp (hydraulic actuator); 5- khe hẹp Theo hình trên, nguyên liệu sữa được đưa vào thiết bị đồng hóa bởi một bơm piston. Bơm sẽ tăng áp lực cho hệ nhũ tương từ 3bar lên đến 160bar tại đầu vào của khe hẹp (5). Người ta sẽ tạo một đối áp lên hệ nhũ tương bằng cách hiệu chỉnh khoảng cách khe hẹp trong thiết bị giữa bộ phận chày đồng hóa (1) và bộ phận tạo khe hẹp (3). Đối áp được duy trì bởi một bơm thủy lực sử dụng dầu. Khi đó, áp suất đồng hóa sẽ cân bằng với áp suất dầu tác dụng lên piston thủy lực. Vòng đập (2) được gắn với bộ phận tạo khe hẹp (3) sao cho mặt trong của vòng đập vuông góc với lối thoát ra của hệ nhũ tương khi rời khe hẹp. Một số hạt của pha phân tán tiếp tục va vào vòng đập (2) bị vỡ ra và giảm kích thước. Bộ phận tạo khe hẹp (3) được chế tạo nghiêng trung bình 50 trên bề mặt để gia tốc hệ nhũ tương theo hướng vào khe hẹp và tránh sự ăn mòn các chi tiết có liên quan. Đi ngang qua khe hẹp, vận tốc chuyển động của hệ nhũ tương có thể được tăng lên đến 100400m/s và quá trình đồng hóa chỉ diễn ra trong khoảng 1015 giây.
Sau khi nguyên liệu sữa đi qua khe hẹp thứ nhất với áp lực P1= 160bar, các hạt pha phân tán bị phá vỡ và giảm kích thước nhưng vẫn còn hiện tượng các hạt bị kết dính và tạo thành chùm hạt với nhau. Dòng nguyên liệu này sẽ tiếp tục đi qua khe hẹp thứ hai với áp lực P2=40bar nhằm duy trì đối áp ổn định cho giai đoạn đồng hóa cấp một, đồng thời tạo điều kiện cho các chùm hạt của pha phân tán tách ra thành từng hạt phân tán riêng lẻ có kích thước <1m tạo hệ đồng nhất cao.
Máy đồng hóa trong quy trình công nghệ:
Trong quy trình công nghệ, máy đồng hóa được đặt sau thiết bị thanh trùng sẽ có các ưu điểm sau:
68 - Sẽ phân tán được các khối cầu béo cũng như các khối đông tụ whey protein phát sinh không chỉ ở nguyên liệu đầu mà cả ở khâu xử lý nhiệt sau thanh trùng. Do đó hiệu quả đồng nhất cho sản phẩm sẽ cao.
- Tận dụng được nhiệt độ cao sẵn có của dòng sữa trong quá trình thanh trùng để đồng hóa nhằm tạo hiệu quả cao mà không cần tiêu tốn nhiệt để nâng nhiệt sơ bộ cho dòng sữa.
- Lợi dụng được áp suất cao của dòng ra trong máy đồng hóa để vận chuyển sữa đến thiết bị cô đặc mà không cần tốn bơm vận chuyển.
- Nhiệt độ của dòng sữa sau khi đồng hóa dao động 650C-700C, nhiệt độ này gần bằng với nhiệt độ sôi của sữa trong thiết bị cô đặc (670C) nên rất thuận lợi cho cô đặc.
VI.4 Thiết bị phối trộn
Thời gian trộn 30 phút/lần. Lượng sữa cần phối trộn: 56359
8 = 7044.875 (kg/h) - Số thiết bị = 𝑁𝑆𝐶Đ
𝑁𝑆𝑇𝐵 = 7044.875
12000 = 0.587
Chọn 1 thiết bị Tetra Almix Spark 10V của hãng Tetra Pak cung cấp, năng suất 12.000 kg/h
Các chi tiết chính của thiết bị gồm:
Bồn trộn chân không thể tích 3.000 lít, động cơ đặt dưới đáy bồn, có van an toàn, van đổi hướng dòng chảy và vỏ bọc ngoài kết nối CIP.
Ba bồn trung gian, mỗi bồn có thể tích 6.000 lít, gắn hệ thống đường ống nối giữa các bồn với nhau và với bồn trộn chân không qua một bơm để tuần hoàn hỗn hợp phối trộn.
Phễu nạp bột sữa gầy
Bảng điều khiển với các nút nhấn, công tắc chính và tắt khẩn cấp, khởi động động cơ, van điện từ, báo động.
Các thông số kỹ thuật:
Công suất tiêu thụ: 21kW Công suất bơm: 3kW
Áp suất sữa vào bồn trộn: 0,5 bar Áp suất sữa ra khỏi bồn trộn: 1,5 bar Điện áp: 220-440 VAC, tần số 50-60Hz Vật liệu chế tạo:
+ Các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm được làm bằng thép không rỉ AISI316.
+ Các bộ phận khác làm bằng thép không rỉ AISI304. Kích thước:
69 + Chiều dài: 1600mm
+ Chiều rộng: 1200mm + Chiều cao: 1720mm.
Thông số vận chuyển:
Khối lượng thiết bị: 550kg, Khối lượng tổng: 699kg
Hình VI-9: Thiết bị phối trộn Tetra Almix Spark 10V
Hình VI-10: Sơ đồ thiết bị phối trộn VI.5 Thiết bị cô đặc VI.5 Thiết bị cô đặc
- Cô đặc mỗi ca 2 mẻ, mỗi mẻ 60 phút.
- Lượng sữa vào thiết bị cô đặc trong một mẻ: 55795.384
8 = 6974.423 (𝑘𝑔/ℎ)
- Số thiết bị = 𝑁𝑆𝐶Đ
𝑁𝑆𝑇𝐵 = 6974.423
6000 =1.162
Chọn thiết bị có năng suất lớn hơn từ 10 – 20%. Đặt 2 thiết bị cô đặc màng rơi của hãng APV sản với các thông số đặt hàng sau:
Năng suất nhập liệu tối đa: 6.000 kg/h.
Nồng độ dung dịch vào tháp cô đặc: 35% và ra tháp là 73%. Nhiệt độ cô đặc: 600C
Áp suất cô đặc: 0,25bar Áp suất hơi đốt: 3,5at Độ dày: 2mm
70
Hình VI-11: Sơ đồ hoạt động của thiết bị cô đặc màng rơi một cấp
1- buồng gia nhiệt sơ bộ sữa nhờ hơi ngưng tụ 2- buồng gia nhiệt sữa đến nhiệt độ sôi
3- buồng tách hơi thứ và sữa cô đặc
Nguyên lý hoạt động như sau: sữa được gia nhiệt sơ bộ rồi đi vào trong thiết bị (2) từ phía trên và sẽ chảy xuống tạo thành một lớp màng mỏng bao lấy bề mặt truyền nhiệt – là thân các ống hình trụ đứng được đặt trong thiết bị bốc hơi hoặc là những tấm bảng mỏng được đặt sát lại với nhau. Hơi gia nhiệt từ buồng (2) sẽ đi vào buồng (1) ngưng tụ để gia nhiệt sơ bộ cho sửa nhằm tiết kiệm năng lượng. Trong buồng (2) sữa được đun sôi rồi đi vào buồng (3) tách hơi thứ. Sữa cô đặc đi ra ngoài theo cửa đáy thiết bị (3).
Thiết bị cô đặc bốc hơi dạng màng rơi có nhiều dạng: hình trụ đứng dạng ống, dạng bảng mỏng…, thường sử dụng là dạng trụ đứng một cấp hoặc nhiều cấp. Cấu tạo bộ phận tạo màng rơi của thiết bị cô đặc bốc hơi một cấp dạng trụ đứng xem.
Hình VI-12: Cấu tạo phần trên của thiết bị cô đặc màng rơi dạng ống
71 4- các ống đồng trục; 5- bộ phận tạo dòng chảy màng; 6- hơi thứ;