Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất sữa thanh trùng năng suất 30.000kgmẻ

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

Thiết kế phân xưởng sản xuất sữa thanh trừng năng suất 30 OOOkg/mẻ

1

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.Error! Bookmark not defined.

l 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 các dưỡng 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 hon 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 trừng sữa bằng nhiệt Đây là một trong những phưcmg pháp thanh trừng phổ biến được sử dụng hiện nay trong các nhà máy sữa vì hiệu quả cao 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 tưoi

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: lOm

- Năng suất làm việc : 30.000 kg/mẻ

- Nhiệt độ thanh trùng: 80°c

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 Giói 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 sổ tính chất vật tí 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 p -caroten có trong chất béocủa sữa Sữa bò thường có màu trắng đến vàng nhạt Sữa gầy (sữa đã được tách béo - skimmilk) thường trong hom 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 tu' 0 'i

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 họp chất khác với hàm lượng nhỏ như các họp chất chứa nito phi protein, vitamin, hormone, các chất màu và khí

Hàm lượng các chất trong sữa có thể thay đổi ở một khoảng tưorng đối rộng và phụ thuộcvào nhiều yếu tố như chủng động vật nuôi, tình trạng sinh lí của từng con vật, điều kiện chăn nuôi(thành phần thức ăn gia súc, chế độ cho ăn, thời tiết )

Nhiệt dung riêng cal/g.°C 0,933-0,954

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

Hàm lượng chất khoáng trong sữa dao động từ 8 - 10g/L Các muối trong sữa ở dạng hòa tan hoặc dung dịch keo (kết hợp với casein) Trong các nguyên tố khoáng có trong sữa, chiếm hàm lượng cao nhất là canci, phospho và magie Các nguyên tố khác như Zn, Fe, I, Cu, Mo cần thiết cho quá trình dinh dưỡng của con người.

Vitamin trong sữa bao gồm cả hai nhóm tan trong nước (vitamin nhóm B, C) và tan trong

chất béo ( A, D, E) Neu xử lí nhiệt thời gian ngắn và không có không khí xâm nhập vào thì nhiệt

độ nhỏ hơn hay bằng 100°c không làm giảm đáng kể lượng các vitamin, trừ vitamin c - rất nhạy cảm với nhiệt Khi thanh trừng đứng chế độ thì lượng vitamin c giảm đi 17% Nhiệt độ cao hơn 100°c làm phá hủy một phần hoặc hầu hết các loại vitamin Khi để lọt không khí, có tác dựng 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 2.3 Sự thay đổi hàm lượng các chất trong sữa bò (% khối lượng)

Các thành phần chính Khoảng biến thiên Giá trị trung bình (% khối

Bảng 2.5 Hàm lượng một sổ vỉtamin trong sữa bò

Vitamin Hàm lượng Vitamin Hàm lượng

2.2 Hệ vỉ sinh vật trong sữa bò

2.2.1 Nguồn gốc hệ vỉ sinh vật trong sữa

Hệ vi sinh vật trong sữa rất đa dạng, có nhiều nguồn gốc khác nhau nhu 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 noi 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

• Yi 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 trongquá trình bảo quản sữa trước khi chế biến (giảm pH, đông tụ casein, xuất hiện các hợp chấtmới trong sữa như ethanol, acid acetic làm thay đổi thành phần và giá trị cảm quan của sữa) Khi thanh trùng sữa ở 80°c, hầu hết các vi khuẩn lactic nhiễm trong sữa sẽ bị tiêu diệt

• Vi khuẩn Conform: trong sữa, vi khuẩn Conform sẽ chuyển hóa đường lactose tạo acid lactic và các acid hữu cơ khác, khí CƠ2, H2 Chúng cũng làm phân giải protein trong sữa tươi tạo ra các sản phẩm khí làm cho sữa có mùi khó chịu, ơ nhiệt độ 75°c trong khoảng thời gian 20 giây, vi khuẩn Conform sẽ bị tiêu diệt

• Vi khuẩn sinh acid butyric (giống Clostridium): vi khuẩn Clostridium chuyển hóa đường trong sữa thảnh 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 Propỉonỉbacterỉum): 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 75°c trong thời gian 20

giây-• Vi khuẩn gây thối: đó là các vi khuẩn có khả năng sinh tổng họp 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 họp bởi loài vi khuẩn này rất bền nhiệt Chúng lànguyên nhân chính gây nên quá trình phân giải protein (proteolysis) và lipid Ợipoỉysis),

nhanh chóng làm hư hỏng chất lượng sữa

• Nấm sợi: một số loài nấm sợi thường nhiễm vào sữa: Pénicillium camembertỉỉ, p roquefortii, p caseỉ, Geotrichum candỉdum, Rhizopus stolonifer

Hầu hết các loài nấm men và nấm sợi đều bị tiêu diệt trong quá trình thanh trùng sữa ở 75°c trong thời gian từ 10 - 15 giây

3 QUY TRÌNH CỒNG NGHỆ

3.1 Quy trình công nghệ sản xuất sữa thanh 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 Quả trình chuẩn hóa

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

— Phươngphảp thực hiện: sữa sẽ được gia nhiệt đến 65°c ở thiết bị trao đổi nhiệt

dạng bản mỏng, sau đó sẽ được bom vào máy li tâm hoạt động theo phưong pháp liên tục 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% Phàn 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 Quả trình bài khỉ

— 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 chocác khí ở dạng phân tán, hòa tan và một phần hơi nước cùng các họp chất dễ bay hơi thoát rakhỏi thiết bị Toàn bộ hỗn họp 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 đáythiết bị, còn khí và các cấu tử không ngưng tụ sẽ được bơm chân không hút ra ngoài

— Thông sổ kĩ thuật: nhiệt độ sữa 65°c, 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 phàn đỉnh nón được quay lên phía trên Dưới nắp thiết bị là bộ phận ngưng tụ được nối với bơm chân không

3.2.4 Quá trình đồng hóa

— Mục đích: ổn định hệ nhũ tương, chống lại sự tách pha dưới tác dụng của trọng

lực, tăng hệ số truyền nhiệt chuẩn bị cho quá trình tiệt trùng, tránh hiện tượng có cặn lợn cợn khibảo quản sản phẩm

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:

> Thành phần sữa nguyên liệu :

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

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

0.2Trên đường ống từ thiết bị phối trộn đến thiết bị bài khí, % khối lượng so lượng

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 lượng

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

0.1

Quá trình thanh trùng,, % khối lượng so với lượng sữa trước thanh trùng

0.2Trên đường ống từ thiết bị thanh trùng đến thiết bị đóng gói, % khối lượng so

Quá trình đóng hộp, % khối lượng so với lượng sữa trước đóng hộp 0.5

100 kg sữa

3.9% chất béo

Ly tâm

90.1 kg sữa gầy0.05% chất béo

Phối trộn

8.7 kg cream39% chất béo

98.8 kg sữa 3.5% chất béo

1.2 kg cream39% chất béo

9.9 kg cream39% chất béo

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

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

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

Khối lượng sữa sau quá trình bài khí:

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

5 CHỌN THIẾT BỊ

Tỉ trọng của sữa (ở 15.5°C) được tính theo công thức :

Trong đó:

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)

Tính cho 100 kg sữa nguyên liệu (kg)

Tính theo năng suất trong một mẻ sản xuất

K H

=

m

h 29970 1.033 2901.58(0

5.2 Quá trình chuẩn hóa

Khối lượng nguyên liệu cần chuẩn hóa: 29970 kg Thể tích sữa cần chuẩn hóa trong

Thông số thiết bị:

• Năng suất dòng sữa gầy: 56000 ]/h

• Năng suất tiêu chuẩn: 70000 1/h

Chọn thời gian bài khí là 30 phút

Năng suất của thiết bị là:

w = 25746.40*60 =51

30Chọn năng suất thực tế cho thiết bị:

Nbk = 102985.60 + 20% X 102985.60 = 61791.3(1 / h) Đặt h àng hãng TetraPark thiết bị bài khí có:

Chọn năng suất thực tế cho thiết bị:

Ndh = 30587 -I- 20% X 30587 = 36704.31/h Chọn thiết bị đồng hóa Tetra Alex

400 của hang Tetra Park Thông số thiết bị:

• Áp suất: 250 bar

• Năng suất thiết bị: 37000 1/h

• Kích thước thiết bị: D X R X c = 2075 X 1950 X 2050 (min)

• Diện tích chiếm chỗ của thiết bị: 4500 X 4000 X 3000 (mm)

• Công suất động cơ :

A = năng suất (1/h) X áp lực (bar)/30600 = 255.72 (kW)

Chọn thiết bị Tetra Plex MS15 của Tetra Park Thông số thiết bị:

• Năng suất thiết bị: 91500 1/h

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

• Be 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:

V = -=26172-67 = 25336.56(0 d 1.033

Chọn thòi gian đóng gói là 60 phút

Năng suất của thiết bị:

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 75°c.

— Rửa lại bằng nước ấm trong 5 phút

— Chạy dung dịch acid nitric (0.5-1.0%) trong 20 phút ở 70°c.

— 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 75°c.

— Rửa bằng nước ấm trong 3 phút.

— Tiệt trùng bằng nước nóng 90-95°C 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 lạnh dừng để vệ sinh thiết bị ở chế độ 2 bằng 10% lượng nước lạnh ở chế độ 1

Mnuoclanhl = 10%x5250 = 525kg Tổng lượng nước để vệ sinh thiết bị trong một mẻ sản xuất là

m nuoc = 5250 + 525 + 5250 + 525 = 11550£g

7 TÍNH HƠI

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

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r =2221kJ/kg (ở t=l 15°c, p=1.724 kg/cm3)

Khối lượng riêng của hơi: phơi= 0.9Ố35 kg/m3

Nhiệt dung riêng của nước: Cnưóc= 4.18 kj/kg.độ

Khối lượng riêng của nước: pnước= 1 kg/1

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

Khối lượng riêng của dung dịch kiềm: pkiềm =1.1 kg/1 Nhiệt

dung riêng của dung dịch acid: Cacid= 2.9 kj/kg độ

Khối lượng riêng của dung dịch acid: Pacid = 1.287 kg/1

7.1 Quá trình chuẩn hóa

Khối lượng sữa cần gia nhiệt trong một mẻ: 29970 kg

Nhiệt độ ban đầu của sữa: 4°c Nhiệt độ của sữa sau khi

gia nhiệt: Ố5°c Lượng nhiệt cần để gia nhiệt lượng sữa

này:

Q ch = = 29970 X 3.95 X (65 - 4) = 7221271.5

7.2 Quá trình bài khí

Khối lượng sữa cần bài khí trong một mẻ: 26596.03 kg Giả

sử nhiệt độ sữa khi vào gia nhiệt cho bài khí là 55°c Nhiệt

độ sữa sau khi gia nhiệt là 65°c Lượng nhiệt cần để gia

nhiệt cho lượng sữa này:

Qbk = m s« a xCxAí = 26596.03 X 3.95 X (65 - 55) = 1050543 \kJ

7.3 Quá trình thanh trùng

Quá trình thanh trùng được chia làm 3 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: gia nhiệt sữa lên 85°c

• Giai đoạn 2: trong ống giữ nhiệt khoảng 12 giây

• Giai đoạn 3: làm lạnh về 4°c

Khối lượng sữa cần thanh trùng trong một mẻ: 26251.37 (kg)

Giả sử nhiệt độ sữa trước khi vào thiết bị thanh trùng là 55°c

Nhiệt độ sữa sau giai đoạn 1 là 85°c

Lượng nhiệt cần cung cấp để gia nhiệt cho lượng sữa này:

Qtt = m sua *CxAt = 26251.37X3.95X(85-55) = 3110787.3kJ

Lượng nhiệt tỏa ra khi làm nguội sữa từ 85°c về 50°C:

Qtoa = msua xCxAt = 26251.37X3.95X(85 -50) = 3615426.9(kJ)