Đồ án thiết kế phân xưởng sản xuất sữa thanh trùng năng suất 30 000kg

Sau khi tính toán và thiết kế, kết quả thu được các thông số chính như sau: - Chiều rộng phân xưởng: 36 m - Chiều dài phân xưởng: 44m - Chiều cao phân xưởng: 10m - Năng suất làm việc : 3

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Một số chỉ tiêu vật lí quan trọng của sữa bò tươi 3

Bảng 2.2 Thành phần hóa học sữa của một số động vật và người 3

Bảng 2.3 Sự thay đổi hàm lượng các chất trong sữa bò 4

Bảng 2.4 Thành phần một số nguyên tố khoáng trong sữa 4

Bảng 2.5 Hàm lượng một số vitamin trong sữa bò 4

Bảng 4.1 Tổn thất trong quá trình sản xuất 8

Bảng 4.2 Khối lượng nguyên liệu cho từng quá trình 11

Bảng 10.1 Chỉ tiêu cảm quan của sữa 23

Bảng 10.2 Chỉ tiêu hóa lý của sữa 24

Bảng 10.3 Chỉ tiêu vi sinh của sữa tươi thanh trùng 24

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1 Sơ đồ khối quy trình công nghệ sản xuất sữa thanh trùng 6

1.LỜI MỞ ĐẦU

Cuộc sống hiện đại ngày càng phát triển thì nhu cầu về chất lượng dinh dưỡng của con người cũng ngày càng cao Ngoài các thực phẩm trong bữa ăn chính hằng ngày thì các thức uống cũng là một trong những nguồn cung cấp dưỡng chất quan trọng mà con người sử dụng Trong các thức uống đó, sữa là loại thức uống có nguồn gốc tự nhiên, chứa đầy đủ cácdưỡng chất thiết yếu cần thiết cho con người Tuy nhiên, chất lượng sữa dễ bị thay đổi vì các

vi sinh vật dễ dàng tấn công để sử dụng và biến đổi nguồn dinh dưỡng dồi dào trong sữa Do

đó, việc sử dụng công nghệ hiện đại trong việc duy trì các giá trị cảm quan và dinh dưỡng, cũng như bảo quản sữa tốt hơn là một trong những vấn đề cấp thiết và quan trọng trong chế biến và sản xuất các sản phẩm từ sữa

Có nhiều công nghệ đã và đang được sử dụng trong việc nâng cao chất lượng cũng như bảo quản sữa Tuy nhiên trong giới hạn của đồ án chuyên ngành này, chúng tôi xin trình bày việc tính toán và thiết kế phân xưởng thanh trùng sữa bằng nhiệt Đây là một trong những phương pháp thanh trùng phổ biến được sử dụng hiện nay trong các nhà máy sữa vì hiệu quảcao và có giá trị kinh tế của nó

Trong đồ án này, do được xử lí trong điều kiện nhiệt độ thấp và thời gian ngắn nên sản phẩm sữa thanh trùng có giá trị dinh dưỡng và cảm quan gần như với sữa tươi

Sau khi tính toán và thiết kế, kết quả thu được các thông số chính như sau:

- Chiều rộng phân xưởng: 36 m

- Chiều dài phân xưởng: 44m

- Chiều cao phân xưởng: 10m

- Năng suất làm việc : 30.000 kg/mẻ

- Nhiệt độ thanh trùng: 80oC

Trong quá trình tính toán thiết kế và tham khảo tài liệu không tránh khỏi những sai sót, mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô và hội đồng

2 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT

2.1 Giới thiệu về sữa bò

Sữa là một chất lỏng sinh lý được tiết ra từ tuyến vú của động vật và là nguồn thức

ăn để nuôi sống động vật non

2.1.1 Một số tính chất vật lí của sữa bò

Sữa là một chất lỏng đục Độ đục của sữa là do chất béo, protein và một số chất

khoáng trong sữa tạo nên Màu sắc của sữa phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng β -caroten có

trong chất béo của sữa Sữa bò thường có màu trắng đến vàng nhạt Sữa gầy (sữa đã được tách béo – skimmilk) thường trong hơn và ngả màu xanh nhạt Sữa bò có mùi rất đặc trưng

và vị ngọt nhẹ

Bảng 2.1 Một số chỉ tiêu vật lí quan trọng của sữa bò tươi

Nhiệt dung riêng cal/g o C 0,933 – 0,954

2.1.2 Thành phần hóa học của sữa bò

Sữa là một hỗn hợp với các thành phần chính bao gồm nước, lactose, protein và các chất béo Ngoài ra, sữa còn chứa một số hợp chất khác với hàm lượng nhỏ như các hợp chất chứa nito phi protein, vitamin, hormone, các chất màu và khí

Bảng 2.2 Thành phần hóa học sữa của một số động vật và người (% khối lượng)

Bảng 2.3 Sự thay đổi hàm lượng các chất trong sữa bò (% khối lượng)

Các thành phần chính Khoảng biến thiên Giá trị trung bình

Cu, Mo… cần thiết cho quá trình dinh dưỡng của con người

Bảng 2.4 Thành phần một số nguyên tố khoáng trong sữa

đi 17% Nhiệt độ cao hơn 100oC làm phá hủy một phần hoặc hầu hết các loại vitamin Khi

để lọt không khí, có tác dụng của ánh sáng, bao bì hoặc thiết bị bẩn đều làm giảm lượng vitamin các loại Vitamin C bị phá hủy hoàn toàn trong điều kiện trên

Bảng 2.5 Hàm lượng một số vitamin trong sữa bò

Vitamin Hàm lượng Vitamin Hàm lượng

2.2 Hệ vi sinh vật trong sữa bò

2.2.1 Nguồn gốc hệ vi sinh vật trong sữa

Hệ vi sinh vật trong sữa rất đa dạng, có nhiều nguồn gốc khác nhau như từ một

số nguồn sau đây:

 Bầu vú động vật cho sữa

 Người và thiết bị vắt sữa

 Thiết bị chứa sữa

 Môi trường chuồng trại nơi vắt sữa

2.2.2 Hệ vi sinh vật trong sữa

Hệ vi sinh vật và số lượng của chúng trong sữa luôn luôn thay đổi và phụ thuộc vào mức độ nhiễm vi sinh vật trong quá trình vắt sữa Các vi sinh vật có thể được chia làm hai nhóm chính: procaryote và eucaryote

a Procaryote

 Vi khuẩn lactic: các vi khuẩn lactic có mặt trong sữa tươi sau khi vắt được xem là những vi sinh vật tạp nhiễm Chúng sẽ tạo ra những chuyển hóa ngoài ý muốn của nhà sản xuất trong quá trình bảo quản sữa trước khi chế biến (giảm pH, đông tụ casein, xuất hiện các hợp chất mới trong sữa như ethanol, acid acetic làm thay đổi thành phần và giá trị cảm quan của sữa) Khi thanh trùng sữa ở 80oC, hầu hết các vi khuẩn lactic nhiễm trong sữa sẽ bị tiêu diệt

 Vi khuẩn Coliform: trong sữa, vi khuẩn Coliform sẽ chuyển hóa đường lactose tạo

acid lactic và các acid hữu cơ khác, khí CO2, H2 Chúng cũng làm phân giải proteintrong sữa tươi tạo ra các sản phẩm khí làm cho sữa có mùi khó chịu Ơ nhiệt độ 75oC

trong khoảng thời gian 20 giây, vi khuẩn Coliform sẽ bị tiêu diệt

 Vi khuẩn sinh acid butyric ( giống Clostridium): vi khuẩn Clostridium chuyển hóa

đường trong sữa thành nhiều sản phẩm khác như acid butyric, butanol, ethanol, aceton, khí CO2, H2 làm thay đổi thành phần hóa học và giá trị cảm quan của sữa

trong quá trình bảo quản Clostridium có khả năng sinh bào tử, trong quá trình thanh trùng không thể tiêu diệt được hoàn toàn các bào tử Clostridium chịu nhiệt

Khi đó, ta phải dùng các giải pháp kĩ thuật khác như vi lọc, ly tâm hoặc sử dụng chất

kháng khuẩn để loại bỏ hoặc ức chế Clostridium.

 Vi khuẩn propionic (giống Propionibacterium): vi khuẩn propionic chuyển hóa

đường thành acid propionic, acid acetic, khí CO2 làm hư hỏng chất lượng sữa Hầu

hết các vi khuẩn propionic bị tiêu diệt khi thanh trùng sữa ở 75oC trong thời gian 20 giây

 Vi khuẩn gây thối: đó là các vi khuẩn có khả năng sinh tổng hợp protease ngoại bào trong môi trường sữa Protease sẽ xúc tác quá trình thủy phân protein tạo ra các sản phẩm polypeptide, peptide và acid amin Một số acid amin tiếp tục bị thủy phân tạo

NH3, H2S làm cho sữa có mùi khó chịu Đáng chú ý hơn cả là loài Pseudomonas

fluorescens Các enzyme protease và lipase được sinh tổng hợp bởi loài vi khuẩn

này rất bền nhiệt Chúng là nguyên nhân chính gây nên quá trình phân giải protein

(proteolysis) và lipid (lipolysis), nhanh chóng làm hư hỏng chất lượng sữa.

b Eucaryote

 Nấm men: một số nấm men có thể sử dụng đường lactose cho quá trình trao đổi chất Chúng phát triển trong sữa và gây ra những biến đổi về thành phần hóa học trong quá trình bảo quản sữa

 Nấm sợi: một số loài nấm sợi thường nhiễm vào sữa: Penicillium camembertii, P

roquefortii, P casei, Geotrichum candidum, Rhizopus stolonifer

Hầu hết các loài nấm men và nấm sợi đều bị tiêu diệt trong quá trình thanh trùng sữa ở

75oC trong thời gian từ 10 – 15 giây

3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

3.1 Quy trình công nghệ sản xuất sữa thanh trùng

Sữa nguyên liệu

trùng

Hình 3.1: Sơ đồ khối quy trình công nghệ sản xuất sữa thanh trùng

3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

3.2.1 Sữa nguyên liệu

Sữa nguyên liệu sau khi được thu mua và bảo quản lạnh tại nhà máy sẽ được đưa vào sản xuất

3.2.2 Quá trình chuẩn hóa

 Mục đích: hiệu chỉnh hàm lượng chất béo trong sữa đến giá trị 3,5%

 Phương pháp thực hiện: sữa sẽ được gia nhiệt đến 65oC ở thiết bị trao đổi nhiệt

dạng bản mỏng, sau đó sẽ được bơm vào máy li tâm hoạt động theo phương pháp liêntục Hai dòng sản phẩm thoát ra khỏi thiết bị: một dòng là sữa gầy và một dòng là cream Hàm lượng béo trong hai dòng sản phẩm trên sẽ phụ thuộc vào chế độ hoạt động của máy li tâm Sau đó, một phần cream sẽ được phối trộn lại với dòng sữa gầy

để đạt hàm lượng chất béo theo yêu cầu sản xuất Ơ đây, ta chọn giá trị đó là 3,5% Phần cream dư sẽ đưa đi xử lí tiếp để hoàn thiện sản phẩm cream

 Các biến đổi chính:

 Vật lí: khối lượng riêng tăng, độ nhớt giảm, nhiệt độ tăng, …

 Thiết bị: máy li tâm và hệ thống hiệu chỉnh hàm lượng chất béo hoàn toàn tự

động

3.2.3 Quá trình bài khí

 Mục đích: cải thiện mùi của sữa, tăng hệ số truyền nhiệt.

 Phương pháp thực hiện: Một áp lực chân không thích hợp sẽ được tạo ra làm

cho

các khí ở dạng phân tán, hòa tan và một phần hơi nước cùng các hợp chất dễ bay hơi thoát ra khỏi thiết bị Toàn bộ hỗn hợp này sẽ được đưa vào bộ phận ngưng tụ được đặt

trên đỉnh thiết bị bài khí Nước và một số cấu tử sẽ chuyển sang dạng lỏng và chảy xuống đáy thiết bị, còn khí và các cấu tử không ngưng tụ sẽ được bơm chân không hút ra ngoài

 Thông số kĩ thuật: nhiệt độ sữa 65oC, áp lực chân không 580 mmHg

 Các biến đổi chính:

 Vật lí: thể tích giảm

 Hóa lí: nước bay hơi

 Cảm quan: cải thiện mùi của sữa

 Thiết bị: thiết bị hình trụ đứng, đáy nón với phần đỉnh nón được quay lên phía

trên Dưới nắp thiết bị là bộ phận ngưng tụ được nối với bơm chân không

 Phương pháp thực hiện: đồng hóa toàn phần, 2 cấp.

4 CÂN BẰNG VẬT CHẤT

4.1 Tính cho 100 kg sữa tươi nguyên liệu

Giả sử quy trình công nghệ có các giá trị tổn thất như sau:

Bảng 4.1 Tổn thất trong quá trình sản xuất

thất

Trên đường ống từ thiết bị chứa sữa nguyên liệu đến thiết bị chuẩn hóa, %

khối lượng so lượng sữa trước khi vào đường ống

0.1Quá trình chuẩn hóa, % khối lượng so với lượng sữa trước chuẩn hóa 0.2

Trên đường ống từ thiết bị phối trộn đến thiết bị bài khí, % khối lượng so

lượng sữa trước khi vào đường ống

0.1

Quá trình bài khí, % khối lượng so với lượng sữa trước bài khí, % khối

lượng so lượng sữa trước khi vào đường ống

0.9

Trên đường ống từ thiết bị bài khí đến thiết bị đồng hóa, % khối lượng so

Quá trình đồng hóa, , % khối lượng so với lượng sữa trước đồng hóa 0.2Trên đường ống từ thiết bị đồng hóa đến thiết bị thanh trùng, % khối

lượng so lượng sữa trước khi vào đường ống

 Thành phần sữa nguyên liệu :

d1=0.1%*m=0.1%*100= 0.1 (kg)

Khối lượng sữa vào thiết bị chuẩn hóa:

m1=m- d1=100-0.1=99.9 (kg)

Tổn thất trong quá trình chuẩn hóa: q1= 0.5%

Ta có sơ đồ nguyên lý hiệu chỉnh chất béo như sau:

é

Khối lượng sữa sau chuẩn hóa có hàm lượng chất béo 3.5%:

Khối lượng cream thu được:

4.1.2 Tổn thất trên đường ống từ thiết bị chuẩn hóa đến thiết bị bài khí:

Khối lượng sữa vào thiết bị bài khí:

m4= m2-d2= 98.50-9.850=88.65 (kg)

Tổn thất trong quá trình bài khí:

Ly tâm

8.7 kg cream39% chất béo

100 kg sữa

3.9% chất béo

Phối trộn90.1 kg sữa gầy

0.05% chất béo

98.8 kg sữa3.5% chất béo

9.9 kg cream39% chất béo

1.2 kg cream39% chất béo

Khối lượng sữa sau quá trình bài khí:

m5= m4 - q2 = 88.65-0.80= 87.86(kg)

4.1.3 Tổn thất trên đường ống từ thiết bị bài khí đến thiết bị đồng hóa:

Khối lượng sữa vào thiết bị đồng hóa:

m6 = m5-d 3 = 87.86 -0.09 = 87.77(kg)

Tổn thất trong quá trình đồng hóa:

Khối lượng sữa sau quá trình đồng hóa (kg):

m7 = m6- q3 = 87.77-0.18 = 87.59 (kg)

4.1.4 Tổn thất trên đường ống từ thiết bị đồng hóa đến thiết bị thanh trùng:

Khối lượng sữa vào thiết bị thanh trùng:

m8 = m7-d4 = 87.60-0.09 = 87.51 (kg)

Tổn thất trong quá trình thanh trùng:

Khối lượng sữa sau quá trình thanh trùng:

m9 = m8-q4 = 87.51-0.18 = 87.33 (kg)

4.1.5 Tổn thất trên đường ống từ thiết bị thanh trùng đến thiết bị đóng hộp:

Khối lượng sữa vào thiết bị đóng hộp:

m10 = m9-d5 = 87.33-0.09 = 87.24 (kg)

Tổn thất trong quá trình đóng hộp:

Khối lượng sữa sau quá trình đóng hộp:

m11 = m10-q5 = 87.24-0.44 = 86.80 (kg)

4.2 Tính theo năng suất của phân xưởng trong một mẻ sản xuất

Chọn năng suất theo nguyên liệu: N = 30000 kg/ mẻ

Khối lượng nguyên liệu cho từng quá từng được tính theo bảng 4.2

Bảng 4.2 Khối lượng nguyên liệu cho từng quá trình

Quá trình Tính cho 100 kg sữa nguyên liệu

F (fat): hàm lượng chất béo trong sữa (% khối lượng)

SNF (solid non fat): hàm lượng các chất khô không béo trong sữa (% khối lượng)

W (water): hàm lượng nước trong sữa (% khối lượng)

Chọn: F = 3.5 %

SNF = 9.1%

W = 87.4%

Do đó:

5.1 Quá trình nhập liệu

Khối lượng sữa nhập liệu trong một mẻ: 30000 kg

Thể tích sữa nhập liệu trong một mẻ:

5.2 Quá trình chuẩn hóa

Khối lượng nguyên liệu cần chuẩn hóa: 29970 kg

Thể tích sữa cần chuẩn hóa trong một mẻ:

Chọn thời gian chuẩn hóa là 30 phút, năng suất của thiết bị là:

Năng suất thiết bị thực tế cần chọn là:

Chọn máy li tâm loại Tetra Centri H 918 GHV

Thông số thiết bị:

 Năng suất dòng sữa gầy: 56000 l/h

 Năng suất tiêu chuẩn: 70000 l/h

 Công suất: 42 kW

5.3 Quá trình bài khí

Khối lượng nguyên liệu vào thiết bị bào khí là: 26596.03 kg

Thể tích sữa cần bài khí trong một mẻ:

Chọn thời gian bài khí là 30 phút

Năng suất của thiết bị là:

Chọn năng suất thực tế cho thiết bị:

Đặt hàng hãng TetraPark thiết bị bài khí có:

 Năng suất 65000 l/h

 Áp lực bài khí 580 mmHg

 Nhiệt độ nguyên liệu khi vào thiết bị bài khí: 65oC

5.4 Quá trình đồng hóa

Khối lượng sữa vào quá trình đồng hóa: 26330.30 kg

Thể tích nguyên liệu được đồng hóa:

Chọn thời gian đồng hóa là 30 phút

Năng suất lý thuyết của thiết bị:

Chọn năng suất thực tế cho thiết bị:

 Diện tích chiếm chỗ của thiết bị: 4500 x 4000 x 3000 (mm)

 Công suất động cơ :

A = năng suất (l/h) x áp lực (bar)/30600 = 255.72 (kW)

5.5 Quá trình thanh trùng

Khối lượng nguyên liệu cần thanh trùng trong một mẻ: 26251.37 kg

Thể tích nguyên liệu:

Chọn thời gian thanh trùng là 20 phút

Năng suất lý thuyết của thiết bị:

Năng suất thực tế cần chọn cho thiết bị:

Chọn thiết bị Tetra Plex MS15 của Tetra Park

Thông số thiết bị:

 Năng suất thiết bị: 91500 l/h

 Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt mỗi đĩa: 0.62 m2

 Bề dày mỗi đĩa: 0.5 mm

 Kích thước mỗi đĩa: 1500x500 mm

5.6 Quá trình đóng gói

Khối lượng sữa cần đóng gói trong một mẻ: 26172.67 kg

Thể tích sữa cần đóng gói trong một mẻ:

Chọn thời gian đóng gói là 60 phút

Năng suất của thiết bị:

Năng suất thực tế của thiết bị:

Đặt hàng hãng TeTra Park thiết bị đóng gói có năng suất 31000 l/h

Hệ thống CIP có hai chế độ khác nhau:

 Chế độ 1: với thiết bị tiếp xúc trực tiếp với sữa có gia nhiệt như: thiết bị thanh trùng, thiết bị gia nhiệt, thiết bị bài khí…Ta có chế độ chạy CIP như sau:

 Rửa với nước ấm 10 phút

 Chạy dung dịch kiềm (0.5-1.5%) trong 30 phút ở 75oC

 Rửa lại bằng nước ấm trong 5 phút

 Chạy dung dịch acid nitric (0.5-1.0%) trong 20 phút ở 70oC

 Rửa lại bằng nước lạnh

 Làm mát từ từ bằng nước lạnh trong 8 phút

 Chế độ 2: với thiết bị tiếp xúc với sữa không có gia nhiệt như: bồn chứa, đường ống, thiết bị phối trộn, thiết bị đóng gói…Chế độ chạy CIP như sau:

 Rửa bằng nước ấm trong 3 phút

 Tuần hoàn dung dịch kiềm (0.5-1.5%) trong 10 phút ở 75oC

 Rửa bằng nước ấm trong 3 phút

 Tiệt trùng bằng nước nóng 90-95oC trong 5 phút

 Làm nguội từ từ bằng nước lạnh trong 10 phút

6.2 Tính nước cho quá trình vệ sinh

Lượng nước ấm dùng để vệ sinh thiết bị trong chế độ 1 bằng 15% thể tích bồn chứa nguyên liệu

Lượng nước ấm dùng để vệ sinh thiết bị ở chế độ 2 bằng 10% lượng nước ấm ở chế độ 1

Lượng nước lạnh vệ sinh thiết bị ở chế độ 1 bằng 15% thể tích bồn chứa nguyên liệu

Lượng nước lạnh dùng để vệ sinh thiết bị ở chế độ 2 bằng 10% lượng nước lạnh ở chế độ 1

Tổng lượng nước để vệ sinh thiết bị trong một mẻ sản xuất là

7 TÍNH HƠI

Nhiệt dung riêng của sữa: Csữa=3.95kJ/kg độ

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r =2221kJ/kg (ở t=115oC, P=1.724 kg/cm3)

Khối lượng riêng của hơi: hơi= 0.9635 kg/m3

Nhiệt dung riêng của nước: Cnước= 4.18 kJ/kg.độ

Khối lượng riêng của nước: nước= 1 kg/l

Hiệu suất truyền nhiệt trong thiết bị gia nhiệt bản mỏng là: 90%

Nhiệt dung riêng của dung dịch kiềm: Ckiềm = 3.82 kJ/kg độ