Báo cáo thiết bị lên men - quá trình sản xuất cà phê hòa tan

Báo cáo thiết bị lên men - quá trình sản xuất cà phê hòa tan

LỜI MỞ ĐẦU

Cà phê là một loại thức uống có từ lâu đời và liên tục được phát triểncho đến ngày nay Cà phê là một trong những thức uống được ưa chuộng nhấttrên thế giới và có mức tiêu thụ cao Với người sử dụng ngày càng nhiều, cộngvới nhịp sống hối hả của thời đại công nghiệp, việc pha cà phê bằng phin đãnảy sinh một số bất lợi, nhất là về thời gian Năm 1936, Max RudolfMorgenthaler, người Thụy sĩ đã sáng chế ra cà phê hòa tan và ngay sau đó công

ty Nestle đã đăng ký nhãn hiệu Nestcafe vào năm 1938 Đối với người tiêudùng, cà phê hòa tan nhanh chóng được ưa chuộng bởi vì sự tiện lợi của nó.Còn đối với nhà sản xuất, cà phê hòa tan là mặt hàng có giá trị cao, thuận lợitrong việc bảo quản và vận chuyển nên thu được nhiều lợi nhuận Ngoài ra,lĩnh vực chế biến cà phê hòa tan còn tận dụng các hạt cà phê nhân không caocấp nhưng vẫn cung cấp một vị nước uống chấp nhận được

I.QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT.

II.MÁY THIẾT BỊ TRONG SẢN XUẤT.

II.1 Chọn cà phê nhân.

Trên thế giới có rất nhiều loại cà phê nhưng chỉ có 3 loại giống cà phê sauđược trồng phổ biến trên thế giới

 Cà phê chè ( Cà phê Arabica ): cà phê thuộc các giống Coffea ArabicaLinnaeus

 Cà phê vối ( Cà phê Robusta ): cà phê thuộc các giống Coffea canephoraPiere ex Froehner

 Cà phê mít ( Cà phê Liberica ): cà phê thuộc các giống Coffea libericaHiern

Tuy nhiên, sử dụng cà phê nhân Robusta trong chế biến cà phê hòa tan sẽthu hồi các chất hòa tan với năng suất cao, mùi vị thơm ngon hơn nhưng điểmbất lợi là cho nhiều chất nhựa Cà phê Robusta chiếm một tỷ trọng lớn, trên50%, trong các hợp chất cà phê thương phẩm ở Mỹ và Châu Âu

II.2 Tách tạp chất.

Đây là giai đoạn tách bỏ đất đá ra khỏi cà phê nhân sống Người ta thường

sử dụng máy sang rung, sàng – quạt

Cà phê nhân

Cà phê hòa tan

Cô đặc

Bao góiSấy

Trích lyPhối trộnLắngLọc

XayRangLàm sạch

II.2.1 Máy sàng rung.

II.2.1.1Cấu tạo.

Khung sàng (3) được đỡ bằng hệ lò xo gắn trên bệ máy (1) Trên khungsàng(3) còn gắn ổ đỡ của trục lệch tâm (6) Phía ngoài truc lệch tâm (6), người

ta bố trí hai đĩa (5) mà vành của nó có gắn hai đối trọng Với cách lắp đặt này

có thể điều chỉnh biên độ dao động của sàng Trục lệch tâm nhận truyền độngquay qua bánh đai dẫn động (7) từ động cơ vào Trên khung sàng có thể đặt (1,2)hay nhiều lưới sàng 8 tùy theo yêu cầu phân loại

Khung sàng được chế tạo từ các tấm thép góc thép tấm hàn lại với nhau, cònkhoảng cách ngang giữa các tấm thì được cố định bằng các bulông giằng Các

lò xo đỡ khung sàng có dạng lò xo nhíp cong hay lò xo hình trụ

Bộ phận gây dao động gồm có phần khối lượng lêch tâm của trục lệch tâm (6),các đối trọng gây rung Khi sàng làm việc, các bánh đai chuyển động theo sàngnên bộ truyền động đai thường được sử dụng trong máy sàng rung Sàngthường đặt nghiêng một góc 15 – 30 độ Số vòng quay của trục lệch tâm từ 500– 1500 vg/ph; biên độ dao động từ 1 – 6 mm; năng suất có thể đạt 300 m3/h

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo máy sàng rung

3 Khung sàng 7 Bánh đai dẫn động

4 Đối trọng gây rung 8 Lưới sàng

II.2.1.2 Nguyên lý hoạt động

Khi trục lệch tâm quay thì trọng lượng lệch tâm của trục và của các đốitrọng sẽ sinh ra lực ly tâm quán tính hướng thẳng góc với chiều quay

Lực ly tâm có thể chia thành hai thành phần song song và vuông góc với bềmăt sàng Thành phần vuông góc với bề mặt sàng sẽ tác dụng theo đường trụccủa các lò xo đỡ và gây ra dao động của khung sàng Còn thành phần song với

bề mặt sàng sẽ tác dụng vuông góc với trục của các lò xo đỡ và gây ra daođộng ngang của khung sàng Do độ cứng của lo xo theo hai phương pháp khácnhau (thường theo phương song song lớn hơn) nên kết quả khung sàng sẽ vẽnên quỹ đạo hình elip

Vật liệu nằm trên bề mặt sàng được nhận dao động truyền từ chính bản thânmặt sàng và tiến hành phân ly khi gặp lỗ sàn Nhờ có rung động nên lỗ sàngđược làm sạch, tăng hiệu quả của quá trình phân ly

II.2.2 Máy làm sạch sàng – quạt.

Áp dụng nguyên tắc khí động cho việc làm sạch, một luồng không khí mạnhđược tạo ra do quạt ly tâm thổi từ dưới lên trên xuyên qua khối hạt cà phê ngaykhi nó được cung cấp xuống máng hứng còn hạt và tạp chất nhẹ hơn sẽ bị thổibay đi ra ngoài

Hình 2: Máy sàng – quạt

II.3 Rang cà phê.

Rang là công đoạn xử lý nhiệt cho hạt cà phê tại các nhiệt độ cao, 190 230◦C, nhằm đạt được các biến đổi các biến đổi mong muốn về màu sắc,hương và cường độ cho hạt cà phê rang

-Rang quyết định chất lượng chất lượng cà phê hòa tan -Rang hơi cháy thì tỉ lệthành phẩm tăng nhưng hương vị bị giảm

Các giai đoạn rang:

 Ở nhiệt độ < 50◦C, ta thấy bốc ra nhiều khói trắng, chủ yếu là hơi nước

và hơi dung môi, thể tích hạt không biến đổi

 Trong thời kì đầu của công đoạn rang, khi nhiệt độ rang lớn hơn 100◦C,nhiệt lượng dùng để làm bốc hơi nước có trong hạt từ 12%w.b giảmxuống còn 2%w.b

 Khi nhiệt độ đạt đến 150◦C, một lượng lớn chất khí sản xuất (carbondioxide, carbon monoxide, hơi nước) Trong hạt xảy ra quá trình tích khínên thể tích hạt tăng lên đột ngột, lúc này ta nghe thấy những tiếng nổ,hạt trở nên giòn và dễ xay xát thành bột Lúc này hạt chuyển sang màuđen nhưng chưa bóng

 Trong khoảng nhiệt độ 180 - 200◦C hạt bắt đầu rạn nứt và mùi hương càphê được tạo ra

 Khi nhiệt độ lên 220◦C, giữ nhiệt độ này trong 15 phút, lúc này thể tíchhạt không biến đổi nữa

Nguyên lý truyền nhiệt trong các phương pháp rang: dẫn truyền, đối lưu, kếthợp dẫn truyền và đối lưu

II.3.1 Trống rang cà phê:

(Dẫn truyền).

Áp dụng quy mô sản xuất nhỏ

hoặc ở phòng thí nghiệm

Hình 3: Sơ đồ cấu tạo Trống rang cà phê.

II.3.2 Thiết bị rang cà phê tầng sôi: (Đối lưu)

Thời gian rang ngắn hơn các

II.3.3 Thiết bị rang kiểu đứng.

Hình 5: Thiết bị rang cà phê kiểu đứng

II.4 Xay (Nghiền).

II.4.1 Các lực và các dạng phá vỡ vật liệu.

Tùy theo từng loại sản phẩm mà có kết cấu của máy khác nhau với các bộphận làm việc tạo nên các lực phá vỡ vật liệu cần làm nhỏ khác nhau Có thể lànén ép, bẻ, chẻ, cắt, xẻ, ép trượt va đập hoặc do vài lực trên cùng tác động đồngthời

Hình 6: Các dạng phá vỡ vật liệua.Lực nén b Chẻ

đ Xẻ e Ép trượt g Đập

II.4.2 Các nguyên tắc nghiền.

Hình 7: Các nguyên tắc nghiền

a Nguyên tắc nghiền kiểu búa va đập tự do

b,c Bộ phận nghiền (Rô to nghiền) kiểu búa va đập tự do

d,e,g Chà sát vỡ

h Cắt nghiền

i Ép dập

II.4.2.1 Nguyên tắc va đập tự do (nghiền kiểu búa)

Vật liệu nghiền từ thùng cấp liệu (5) rơi xuống buồng nghiền qua cửa điềuchỉnh (6) trong trạng thái rơi lơ lửng sẽ được các búa nghiền (1) va đập các hạt

sẽ vỡ ra và có thể còn bám vào phần nhám xung quanh và hai bên buồngnghiền, nó tiếp tục vỡ, các hạt bột sẽ lọt qua lưới sàng (3) Bột có thể đượchứng tại đó hoặc người ta bố trí các bộ phận phụ trợ khác để thu bột nghiềnnhư vít tải, quạt chuyển, xyclon

II.4.2.3 Nguyên tắc nghiền trục.

Trên hình 7 (i, h) gồm một hoặc nhiều cặp trục, các trục có thể trơn hoặctrên có nhiều dạng răng, gờ Hai trục trong cùng một cặp quay ngược chiều, cóvận tốc bằng nhau, hoặc khác nhau (ở các cặp trục có gờ, dạng răng) Vậtnghiền từ máng scung cấp sẽ đi qua khe hở giữa các cặp trục và được ép vỡ

II.4.3 Máy nghiền đĩa (nghiền bột vừa và mịn).

Trong công nghiệp thực phẩm máy nghiền đĩa đuợc sử dụng để nghiền bột vừa và mịn Do mấy nghiền đĩa có năng suất thấp hơn một vài loại máy nghiền bột khác nên cũng ít được sử dụng

Máy nghiền đĩa làm việc theo nguyên tắc chà xát vỡ

II.4.3.1.Đĩa nghiền:

Bộ phận làm việc chính của nó là cặp đĩa (thớt) nghiền Các đĩa có thể lắp trên trục thẳng đứng hoặc nằm ngang Đĩa trên quay hoặc đĩa dưới quay, một đĩa quay hoặc cả 2 đĩa cùng quay Các đĩa của máy nghiền đĩa thường được chếtạo bằng kim loại hoặc bằng hỗn hợp bột vô cơ cứng hoặc bằng đá (Đĩa nghiền bằng đá thường được chế tạo từ hỗn hợp các loại bột như bột nhám, Silic,

Thạch anh, manhêdit, Magiêclorua) Do lực liên kết của đĩa đá kém hơn đĩa

kim loại nên phải làm thêm đai thép và thường cho đĩa đá làm việc với vận tốc tiếp tuyến là 10 m/s đối với trục quay thẳng đứng, tới 18 m/s đối với trục quay nằm ngang Đĩa gang đúc (kim loại) thì vận tốc tiếp tuyến có thể lên tới 28 m/s,còn đĩa thép đúc đạt tới 68 m/s

Chế tạo đĩa nghiền đảm bảo các yêu cầu: bề mặt nghiền cần có độ cứng

cao, độ nhám lớn, cơ tính đồng đều trên toàn bề mặt đĩa nghiền để khi làm việc thì mòn đều, không bị sứt mẻ

Để tăng khả năng nghiền của đĩa, tăng khả năng vận chuyển bột ra khỏi khe nghiền và tăng điều kiện thông gió…, người ta thường gia công mặt đĩa thành các vành (Hình 8: Các vành trên mặt đĩa nghiền), các rãnh chìm có profin hình tam giác trên hai mặt đĩa (Hình 9: Các rãnh trên mặt đĩa nghiền) Các rãnh có hai loại hình dạng: cong và thẳng Rãnh cong có khả năng đẩy hạt đã nghiền ra ngoài mạnh hơn rãnh thẳng Vì vậy bột sẽ được nghiền to hơn, ít có bụi bột

Tuy nhiên, trong một số máy nghiền đĩa, trên bề mặt đĩa người ta đúc có gờ nổidạng xương cá

Hình 8: Các vành trên mặt đĩa nghiền

Hình 9:Các rãnh trên mặt đĩa nghiền

A.Lỗ tiếp liệu B Vành nhận

C Vành chuyển D Vành nghiền

II.4.3.2 Nguyên lý làm việc máy nghiền đĩa trục quay nằm ngang.

Hạt nghiền từ hộp cấp liệu 1 chảy qua nam châm tách vụn sắt 2 rồi chảy

xuống vít xoắn 4 Vít xoắn này có nhiệm vụ đẩy hạt vào khoang nghiền của cặpđĩa nghiền 6 và 7 Đĩa nghiền 6 cố định còn đĩa nghiền 7 được lắp với trục

quay do puli 9 dẫn động Bột nghiền được cần gạt 8 đẩy vào cửa tháo liệu

Điều chỉnh khe nghiền bằng cần 5 Từ trục quay còn truyền động bằng đai 10 lên cơ cấu tháo liệu 11 của hộp chứa liệu 1 Cửa quan sát 3 vừa để theo dõi lớp hạt chảy xuống cặp đĩa nghiền, vừa để lấy vụn sắt bám trên nam châm 2 ra,

đảm bảo an toàn cho cặp đĩa nghiền Ngoài khả năng nghiền khô, máy nghiền đĩa còn dùng để nghiền ướt

Hình 10: Cấu tạo máy

nghiền đĩa trục quay nằm

II.4.4 Máy nghiền búa (hạt lương thực và thức ăn gia súc).

Máy nghiền búa có thể nghiền hạt có kích thước nhỏ và lớn đồng thời

II.4.4.1 Nguyên tắc làm việc chung:

Quá trình nghiền hạt trong máy nghiền kiểu búa là do sư va đập của búa vàohạt, va đập giữa các hạt vào vỏ máy và do sự chà xát của hạt với búa hoặc vớithành trong của vỏ máy Hạt sẽ bị biến dạng rồi vỡ ra thành các thành phần cókích thước nhỏ hơn

Bộ phận gây ra sự va đập vào hạt trong máy là các búa nghiền 5 được treotrên các chốt (3)của rôto (2) đặt nằm ngang Khi rôto (2) quay thì lực ly tâmlàm búa nằm ở vị trí hướng tâm và dự trữ một động năng lớn Hạt qua bộ phậncung cấp phía trên vào máy liền bị các búa nghiền quay đập vào và va chạmvới các chi tiết nằm trong buồng nghiền Trong quá trình va đập, búa sẽ truyềncho hạt phần động năng tạo ra công phá vỡ hạt Các phần tử tách ra từ hạt cókích thước bé hơn lỗ lưới sàng phân ly thì lọt ra ngoài buồng nghiền tạo thànhsản phẩm Những phần tử có kích thước lớn hơn tiếp tục bị va đập

II.4.4.2 Cấu tạo.

a Bộ phận nạp liệu:

Bộ phận nạp liệu gồm:

thùng chứa liệu, cửa điều

chỉnh lượng cung cấp theo

nguyên tắc tự chảy, tự hút

hoặc tự cuốn (cấp liệu kiểu

cưỡng bức)

b Rôto máy nghiền

kiểu búa trục ngang.

Gối đỡ của trục rôto thường được bố trí bên ngoài vỏ máy và đạt trên khungthép hình Ổ đỡ thường dùng là loại ổ đỡ lòng cầu hoặc loại ổ bi đũa côn 2 dãy

để có khả năng tự lựa khi có dao động nhỏ

Các đĩa lắp chốt treo búa có thể sử dụng nhiều hình dạng khác nhau, tùy theo

số lượng búa, số hàng búa

Hình dạng, vật liệu chế tạo búa có ảnh hưởng đến năng suất, độmịn của sản phẩm Nó được xác định tùy theo cơ lý tính của vật liệunghiền cũng như kích thước của chúng Búa nghiền thường được chếtạo từ thép mangan Khi chế tạo búa, khối lượng búa không được sailệch nhiều, bề mặt búa không được có vết nứt hay khuyết tật khác.Búa chữ nhật có một lỗ treo búa thì có hai góc làm việc, khi góc nàymòn thì lật mặt búa để dùng góc kia Búa chữ nhật có hai lỗ treo búa

sẽ có bốn góc làm việc Búa được lắp phải đảm bảo các búa quét đềukhắp trong không gian buồng nghiền và điều kiện cân bằng động củarôto Thông thường búa bố trí trên rôto theo đường xoắn ốc với sốbước ren k=1, 2, 3

Để nâng cao hiệu quả nghiền nhỏ, người ta đã chế tạo loại lướisàng lỗ nửa elip hoặc lỗ chữ nhật nhưng mép lỗ và rãnh phải có gờ

sắt tạo nên mặt sàng nhám Tuy nhiên loại sàng này chóng bị mòn gờnhám.

f Má đập phụ.

Người ta bố trí má đập phụ để tăng hiệu quả va đập, chà xát của vật liệu vào bềmặt trong buồng nghiền Má đập phụ thường làm bằng gang đúc hay thép lá cócác lỗ

II.4.4.3 Ưu, nhược điểm.

a Ưu điểm.

Là máy nghiền vạn năng, có khả năng điều chỉnh độ nhỏ bột dễdàng Máy có cấu tạo đơn giản, gọn gàng, khối lượng máy không lớn,giá thành rẻ, dễ thay thế các chi tiết bị mòn hay hư hỏng

Nghiền các hạt dẻo, dính có độ ẩm cao thì kém

II.4.5 Máy nghiền trục.

Nghiền nát hoặc ép mỏng

các loại nguyên liệu nghiền

khi nó đi qua khe hẹp giữa hai

Máy IX: Vật liệu bị nghiền ép bốn lần

Máy XII: Vật liệu bị nghiền ép năm lần Hình 12: Sơ đồnguyên lý các máy nghiền trục

II.4.5.1 Máy nghiền hai trục.

Máy nghiền hai trục cũng có kết cấu khác nhau, tùy theo tính chất của vật liệuđem nghiền

Hình 13: Máy nghiền hai trục

a Khe hở không đổi b,c Khe hở thay đổi đượcHình 13 a Máy nghiền có hai trục cố định dùng để nghiền ép, cán các loạivật liệu dẻo, nhão, không xuất hiện hiện tượng quá tải do lực ép tăng đột ngột.Khi làm việc, chiều rộng khe nghiền không đổi

Hình 13 b Máy nghiền có một trục di động được khi làm việc nhờ có lắphai lò xo chịu nén giữa ổ đỡ trục và bệ máy cố định Loại này thích hợp đểnghiền vật liệu dạng hạt, cục nhỏ.Khi quá tải lực ép tăng đột ngột nén hai lò xogiữ trục di động, lò xo bị nén lại làm tăng khoảng cách giữa hai trục để thoátlớp liệu đang gây ra quá tải Khi hết hiện tượng quá tải, lực ép trở lại bìnhthường, hai lò xo đẩy trục di động trở về vị trí cũ Máy nghiền có một trục diđộng đề phòng quá tải được dùng rất rộng rãi

Hình 13 c Là máy nghiền hai trục nhưng cả hai trục đều lắp lò xo chịu nén

để cùng di động được khi có quá tải.Máy này thích hợp với vật liệu nghiềncứng có kích thước không đều, dễ gây quá tải do lực ép tăng đột ngột Do máy

có kết cấu phức tạp hơn nên loại này ít được dùng

Các máy nghiền hai trục có thể gồm:

 Hai trục khác đường kính, khác số vòng quay nhưng có cùng vận tốctiếp tuyến

 Hai trục khác đường kính nhưng cùng số vòng quay để có vận tốc tiếptuyến khác nhau, tạo vận tốc trượt tăng khả năng nghiền.

 Hai trục cùng đường kính cùng số vòng quay nhưng không tạo ra vậntốc trượt

 Hai trục cùng đường kính, khác số vòng quay để có vận tốc tiếp tuyếnkhác nhau và có vận tốc trượt

II.4.5.2 Cấu tạo.

a Bộ phận cấp liệu.

Để rải vật liệu lên cặp trục nghiền thành lớp mỏng đều, đạt hiệu quả nghiềncao, người ta thường dùng cặp trục rải liệu và các van điều chỉnh chiều dày lớpvật liệu trên trục rải liệu Cặp trục rải liệu và van chắn liệu được lắp ngay dướihộp cấp liệu Van chắn liệu có nhiều kiểu khác nhau và có thể tự động điềuchỉnh hoặc không tự động điều chỉnh trong quá trình cấp liệu

Hình 14: Cơ cấu điều chỉnh khe hở trục nghiền

b Trục nghiền và điều chỉnh khe hở cặp trục nghiền.

Trục nghiền có yêu cầu độ cứng bề mặt cao, có độ bền uốn cao để đảm bảogia công các loại vật liệu cứng

Để tăng độ cứng vững cho trục nghiền, người ta thường chế tạo một trụclõi bằng thép xuyên suốt qua trục nghiền bằng gang.

Nếu trong quá trình nghiền phát sinh nhiều nhiệt mà nhất thiết phải làm nguộitrục nghiền thì trục nghiền được chế tạo rỗng để dẫn nước vào làm nguội.Người ta cũng đúc trục nghiền rỗng nhưng không để dẫn nước vào làm nguội

mà nhằm giảm khối lượng trục với điều kiện là nó đã đủ độ cứng vững

Để nâng cao hiệu quả nghiền nhỏ , ngoài chế tạo các trục nghiền có bề mặtnhẵn với độ bóng cao hoặc độ nhấp nhô trong giới hạn 0,025 – 0,05 µm, người

ta còn tạo các trục nghiền xẻ rãnh nghiêng 2 – 10 ◦ so với đường sinh của mặttrụ trục nghiền

Một số máy nghiền trục loại hiện đại có cơ cấu điều chỉnh khoảng cách giữahai trục để phù hợp với cỡ vật liệu đem nghiền., đáp ứng được mức độ nghiềncần thiết Cơ cấu điều chỉnh thường đặt lên một trục Loại cơ cấu đơn giảnthường gặp là loại cơ cấu điều chỉnh vít- đai ốc Đai ốc được gắn chặt lên thânmáy còn vít gắn trên ổ đỡ trục Khi quay vít do đai ốc cố định vít phải dịchchuyển kéo theo ổ đỡ trục làm thay đổi được khoảng cách hai trục.(hình Cơ cấuđiều chỉnh khe hở các trục nghiền) : Trục cố định có ổ đỡ cố định gắn trên giámáy.Mỗi ổ đỡ của trục di động có một bên treo vào giá máy tại điểm 1, còn bênkia được tỳ lên lò xo 2, lò xo này được treo bằng hai thanh kéo 3 cùng lắp với

cơ cấu tăng 4 Qua 2 cơ cấu tăng 4 đỡ hai ổ trục của trục di động, ta điều chỉnhđược độ song song với trục cố định bằng cách xoay một cơ cấu tăng 4 để rútngắn hoặc kéo dài thanh kéo 3 nhằm nâng hoặc hạ một ổ đỡ trục so với ổ đỡđầu trục kia

 Điều chỉnh thô và điều chỉnh tinh trên cơ cấu này: Hai hệ thanh treo 3được gắn lên trục xoay 5 Trên trục 5 có hai cần 6 và 9 Cần 6 dùngđiều chỉnh thô có gài chốt với trục 5 và có móc nối với thân máy Ngoài

ra, trên cần 6 còn có đai ốc của vít chỉnh tinh 8 gắn cố định với cần 9 vàdược chuyển động từ tay quay 7 Cần 9 cũng được cài then với trục 5.Khi điều chỉnh thô khoảng cách khe nghiền: nhả móc nối với thân máy

và xoay tay gạt 6 sang phải hoặc sang trái, cần 9 cũng xoay theo cùngtrục 5 sang phải hoặc sang trái, kéo hệ thanh 3 lên hoặc xuống để mở