Nước chiếm tỷ lệ lớn trong sản phẩm. Nước được cung cấp từ các nhà máy nước ở khu đô thị, nước cấp theo hệ thống đường ống từ các trạm cấp nước tập trung cho 500 người trở lên. Nước dùng trong sản xuất, chế biến thực phẩm phải đảm bảo theo Tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống theo Quyết định số 1329/2002/QĐ-BYT ngày 18/04/2002.
Bảng IV-15: Tiêu chuẩn nước sản xuất theo 1329/2002/QĐ-BYT [23] Tên chỉ tiêu Đơn vị tính Giới hạn tối đa
- Màu sắc - Mùi vị - Độ đục - pH - Độ cứng - Tổng chất rắn hòa tan (TDS) - Hàm lượng kim loại:
Asen Cu Fe Pb Mg Zn Hg Na Cd Al - Hàm lượng clorua
- Hàm lượng amoni (theo NH4+) - Hàm lượng Nitrat - Hàm lượng Nitrit - Hàm lượng Sunfat - Độ oxy hóa TCU NTU mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 15 Không có mùi vị lạ 2 6,5 – 8,5 300 1000 0,01 2 0,5 0,01 0,5 3 0,001 200 0,003 0,2 250 1,5 50 3 250 2
56
V CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Bảng V-1: Thành phần có mặt trong sữa tươi và sữa đặc có đường Thành phần
Hàm lượng trong sữa tươi
(%)
Hàm lượng trong sữa đặc có đường (%)
Nước 87 27
Đường saccharose 0 45
Chất béo 3,9 8,0
Chất khô không béo 9,1 20
Tổng chất khô 13 73
Tính thị trường tới 2024:
Thị trường năm 2019: 135 nghìn tấn
Euromonitor ước tính. tốc độ tăng trưởng cải thiện. ước đạt 3.7%/ năm trong giai đoạn 2020 – 2024F. [8] - Năm 2020: 135 + (135 × 3.7%) = 139.99 nghìn tấn - Năm 2021: 139.99 + (139.99 × 3.7%) = 145.17 nghìn tấn - Năm 2022: 145.17 + (145.17 × 3.7%) = 150.54 nghìn tấn - Năm 2023: 150.54 + (150.54 × 3.7%) = 156.11 nghìn tấn - Năm 2024: 156.11 + (156.11 × 3.7%) = 161.89 nghìn tấn - 161.89 − 135 = 26.89 nghìn tấn
Để đáp ứng sản lượng tiêu thụ trong 1 năm. Nhà máy dự kiến sản xuất 21 837 600 kg sản phẩm/ năm.
Thời gian hoạt động của nhà máy có công suất hoạt động 300 ngày/ năm. với tần suất hoạt động 3 ca/ ngày và mỗi ca 8 tiếng cho ra 24 264 (kg/ca)
Nhà máy có thể cho ra 63 852 lon/ca (380g)
Nguyên liệu sữa tươi
Chất béo 3.9% Tổng chất khô 13%
Sản phẩm sữa đặc có đường
Nước 27% Đường 45%
Tổng khô không đường 28%
Tỉ trọng sữa thành phẩm: 𝑑 = 𝐹 100
0.93+𝑆𝑁𝐹
1.608+𝑊= 3.9 100 0.93+69.1
1.608+27= 1.348 𝑔 𝑐𝑚⁄ 3
Năng suất tính theo khối lượng:
57
Bảng V-2 Hao hụt STT Công đoạn tiêu hao Hao hụt
(%) Nguyên nhân
1 Nguyên liệu 0.5 Do sản phẩm còn sót lại trong đường ống 2 Chuẩn hoá 0.5 Do sản phẩm còn sót lại trên thành bồn, trên
đường ống, trong thiết bị
3 Thanh trùng 1 Do sản phẩm còn sót lại trong thiết bị 4 Đồng hoá 1 Do sản phẩm còn sót lại trên đường ống,
trong thiết bị
5 Phối trộn 1 Do sản phẩm còn sót lại trên thành bồn, trên
đường ống, trong thiết bị
6 Cô đặc 2 Do sản phẩm còn sót lại trên thành bồn, trên
đường ống, trong thiết bị
7 Làm nguội 0.5 Do sản phẩm còn sót lại trong thiết bị
8 Kết tinh 0.5 Do sản phẩm còn sót lại trên thành bồn, trên
đường ống, trong thiết bị
9 Rót lon 1 Do sản phẩm còn sót lại trong thiết bị, lon
hỏng, sữa rơi ra ngoài
10 Ghép mí 1.5 Do sản phẩm còn sót lại trong thiết bị, mí hư 11 Hoàn thiện sản phẩm 1 Sản phẩm bị lỗi
Theo giả thuyết về hao hụt.
Lượng sữa khi cho vào giai đoạn hoàn thiện là:
24 264 × 100 100−1= 24 509.1 (kg/ca) Giai đoạn ghép mí: 24 509.1 × 100 100−1.5= 24 882.325 (kg/ca) Giai đoạn rót: 24 882.325 × 100 100−1 = 25 133.662 (kg/ca)
Giai đoạn kết tinh:
25 133.662 × 100
100−0.5= 25 260 (kg/ca)
Giai đoạn làm nguội:
25 260 × 100
100−0.5= 25 386.9 (kg/ca)
58
Lượng saccharose khô cần bổ sung:
25 386.9 × 45
100= 11 424.103 (kg/ca)
Lượng saccharose khô thêm vào khi hao hụt 2%:
11 424.103 × 100
100−2 = 11 657.248 (kg/ca)
Lượng saccharose khô cần để nấu khi hao hụt là 1%:
11 657.248 × 100
100−1 = 11 775 (kg/ca)
Lượng saccharose khô 99.8% cần là:
11 775 ×100
99.8 = 11 798.6 (kg/ca)
Trong sản phẩm có tổng khô không đường là 28%. Do đó lượng khô không đường sau khi cô đặc phải đạt 28% so với sữa đi vào thiết bị làm nguội:
Suy ra lượng chất khô không đường khi ra khỏi thiết bị cô đặc:
25 386.9 × 28
100= 7 108.332 (kg/ca)
Hao hụt 2% nên lượng chất khô không đường khi vào thiết bị:
7 108.332 × 100
100−2 = 7 253.4 (kg/ca)
Trong sữa nguyên liệu hàm lượng chất khô 13%. Do đó lượng sữa đi vào thiết bị cô đặc:
7 253.4 ×100
13 = 55 795.384 (kg/ca)
Theo giả thuyết hao hụt. lượng sữa vào phối trộn:
55 795.384 × 100
100−1 = 56 359 (kg/ca)
Lượng sữa khi vào giai đoạn đồng hoá
56 359 × 100
100−1= 56 928.256 (kg/ca)
Lượng sữa khi vào thanh trùng:
56 928.256 × 100
100−1 = 57 503.29 (kg/ca)
Lượng sữa khi vào chuẩn hoá:
57 503.29 × 100
100−0.5 = 57 792.251 (kg/ca)
Sữa nguyên liệu:
57 792.251 × 100
100−0.5= 58 082.664 (kg/ca)
Vậy để đảm bảo năng suất cho nhà máy thì lượng sữa nguyên liệu là:
58 082.664 (kg/ca)
Nồng độ đường và sữa trước cô đặc:
𝑥𝑎 = 𝑚𝑐𝑡
59 mct: khối lượng chất tan trong dung dịch (kg/ca)
md: khối lượng hỗn hợp dung dịch (kg/ca)
Lượng dịch đường saccharose đi vào thiết bị cô đặc:
11 657.248 ×100
70 = 16 653.211 (𝑘𝑔/𝑐𝑎)
𝑥𝑑 = 11 657.248 + 7 253.4
16 653.211 + 55 795.384× 100% = 26.102 %
Lượng nước bốc hơi trong quá trình cô đặc: w = y [1 - ( x đ /xc)]
xd. xc: nồng độ hỗn hợp sữa. đường trước và sau khi cô đặc (%) y: khối lượng dung dịch trước khi cô đặc (kg/ca)
y= 16 653.211 + 55 795.384 = 72 448.595 (kg/ca)
w = 72 448.595 [1 - ( 26.102 / 100-27)] = 46 543.75628 (kg/ca)
Lượng đường lactose bổ sung vào để cấy mầm kết tinh:
25 386.9
100 × 0.02 = 5.077 (kg/ca)
( chọn lượng đường lactose chiếm 2% khi ra khỏi thiết bị cô đặc) Chất khô không béo của sữa :
21 837 600 x 20% = 4.367.520 (kg/ năm) Chất béo : 21 837 600 x 8% =1.747.008 (kg/ năm) Sữa bột gầy : o Ẩm : 3% o Hàm lượng béo : 1% o Độ hòa tan : 99% 4.367.520 x100 97 = 4.502.597,938 (kg/năm)
Vì độ hòa tan là 99% nên lượng sữa gầy chưa kể tiêu hao là : 4.502.597,938 x 100
99 = 4.548.078,725 (kg/năm) Lượng chất béo từ sữa gầy cung cấp là :
4.502.597,938 x 1% = 45.025,979 (kg/năm) Lượng chất béo từ AMF cung cấp là :
1.747.008 – 45.025,979 = 1.701.982,021 (kg/năm) o AMF : Chất béo : 99% 1.701.982,021 x 100 99 = 1.719.173,759 (kg/năm) o Lecithin 21 837 600 x 0.3% = 65.512,8 (kg/năm) o Màu caramel 21 837 600 x 0.1% = 21.837,6 (kg/năm) o Hương caramel
60 21 837 600 x 0.1% = 21.837,6 (kg/năm)
Giả sử hao hụt 1% so với thực tế : Lượng sữa gầy thực tế cần dùng:
4.502.597,938 x 100 99 = 4.548.078,725 (kg/năm) Lượng AMF thực tế cần dùng: 1.719.173,759 x 100 99 = 1.736.539,151 (kg/năm) Lượng Lecithin thực tế cần dùng: 65.512,8 x 100 99 = 66 174,54 ( kg/năm) Lượng màu caramel thực tế cần dùng: 21.837,6 x 100
99 = 22 058,18 (kg/ năm) Lượng hương caramel thực tế cần dùng: 21.837,6 x 100
99 = 22 058,18 (kg/ năm) Số lon 1 ca: 63 852 lon/ca
Số lon 1 năm: 57 466 800 lon/năm Số nắp nhựa 1 năm: 57 466 800 nắp/năm Số nhãn 1 năm: 57 466 800 nắp/năm
Số lon thực tế sản xuất trong 1 năm với hao hụt 1% là:
57 466 800 × 100
100−1= 58 047 272 (lon/năm)
Số nắp nhựa thực tế sản xuất trong 1 năm với hao hụt 1% là:
57 466 800 × 100
100−1= 58 047 272 (nắp/năm)
Số nhãn thực tế sản xuất trong 1 năm với hao hụt 1% là:
57 466 800 × 100
100−1= 58 047 272 (nhãn/năm)
Bảng V-3: Bảng nguyên liệu trong từng quá trình sản xuất
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