Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành nông nghiệp Việt Nam chiếm tỷ trọng đáng kể trong cơ cấu kinh tế, cung cấp nguồn nguyên liệu dồi dào cho công nghiệp chế biến thực phẩm. Tuy nhiên, phần lớn nông sản và thực phẩm chăn nuôi mới chỉ dừng lại ở mức tiêu thụ thô nội địa. Tại Việt Nam, ngành công nghiệp đồ hộp được hình thành từ giữa thế kỷ XX ở miền Bắc (với sự hỗ trợ xây dựng từ Liên Xô) và phát triển mạnh mẽ tại miền Nam sau năm 1975. Trong bối cảnh nhịp sống hiện đại, thực phẩm chế biến sẵn và đồ hộp thịt ngày càng trở thành giải pháp tối ưu, đáp ứng nhu cầu ăn uống tiện lợi, cung cấp đầy đủ dinh dưỡng tại các đô thị, khu công nghiệp và điểm du lịch.
Theo thống kê từ Cục Chăn nuôi (Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn) năm 2016, hơn 90% lượng thịt sản xuất tại Việt Nam vẫn tiêu thụ dưới dạng tươi sống qua giết mổ thủ công, tiềm ẩn rủi ro về an toàn vệ sinh thực phẩm. Số lượng doanh nghiệp sở hữu nhà máy chế biến thịt công nghệ hiện đại chỉ khoảng 30 đơn vị trên cả nước. Giai đoạn 2020–2021, thị trường chăn nuôi chịu tác động kép từ dịch tả heo châu Phi (ASF) và đại dịch COVID-19, dẫn đến biến động chuỗi cung ứng, nguồn cung thịt tươi dư thừa cục bộ và giá heo hơi giảm. Tình hình này đặt ra nhu cầu cấp thiết về việc dự trữ đông lạnh và chuyển đổi nguyên liệu sang các sản phẩm chế biến sẵn có thời gian bảo quản dài hạn.
Đề tài được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ cụ thể:
- Tổng quan tình hình thị trường nguyên liệu thịt heo, thực phẩm chế biến sẵn và sản phẩm pate đóng hộp tại Việt Nam và thế giới.
- Khảo sát và lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy sản xuất bảo đảm các yêu cầu kỹ thuật và hiệu quả kinh tế.
- Lựa chọn, thuyết minh quy trình công nghệ chế biến pate gan đóng hộp từ nguyên liệu thịt lợn đông lạnh và gan.
- Lựa chọn hệ thống máy móc, thiết bị phù hợp cho từng công đoạn sản xuất.
- Thiết lập kế hoạch sản xuất và tính toán cân bằng vật chất cho toàn bộ dây chuyền sản xuất với năng suất thiết kế 2 tấn sản phẩm/ca.
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống công nghệ và dây chuyền thiết bị sản xuất pate gan đóng hộp. Phạm vi nghiên cứu kỹ thuật và kế hoạch sản xuất được tính toán trên cơ sở dữ liệu vận hành năm 2021, địa điểm xây dựng nhà máy đặt tại Khu công nghiệp Kim Động, tỉnh Hưng Yên.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đề tài áp dụng các cơ sở lý thuyết chuyên ngành công nghệ thực phẩm và các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia hiện hành:
- Lý thuyết công nghệ đồ hộp thịt và chế biến nhũ tương: Nghiên cứu bản chất cấu trúc nhũ tương protein - lipid - nước, quá trình tạo gel của myoglobin, actin, myosin, gelatin và albumin trứng; tương tác giữa tinh bột và mạng lưới không gian protein; cơ chế ức chế vi sinh vật gây hại (đặc biệt là Clostridium botulinum) bằng nhiệt độ cao kết hợp bài khí và tạo áp suất đối kháng.
- Hệ thống tiêu chuẩn và văn bản pháp lý:
- TCVN 7046:2009: Tiêu chuẩn đối với nguyên liệu thịt tươi.
- TCVN 7047:2002: Quy định kỹ thuật đối với thịt đông lạnh (chỉ tiêu cảm quan, hóa lý, vi sinh, hàm lượng amoniac, dư lượng kim loại nặng Pb, Hg, Cd và aflatoxin B1).
- TCVN 3974:2007: Tiêu chuẩn chất lượng muối ăn (NaCl).
- TCVN 6958:2001: Tiêu chuẩn kỹ thuật đường tinh luyện.
- TCVN 1459:2008: Tiêu chuẩn chất lượng bột ngọt (monosodium glutamate).
- TCVN 4359:2008: Tiêu chuẩn bột mì dùng cho chế biến thực phẩm.
- Thông tư 24/2019/TT-BYT: Quy định về quản lý và sử dụng phụ gia thực phẩm của Bộ Y tế.
- Phương pháp tính toán kỹ thuật: Sử dụng phương pháp thiết kế công nghệ và phương pháp cân bằng vật chất theo từng công đoạn gián đoạn/liên tục, áp dụng công thức tính tiêu hao nguyên liệu ngược từ năng suất sản phẩm đầu ra qua các hệ số hao hụt công đoạn.
- Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thống kê của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA), Tổng cục Thống kê, Tổng cục Hải quan, số liệu khảo sát thị trường giá nguyên liệu thịt heo năm 2020–2021 và tài liệu công nghệ sản xuất đồ hộp thịt của Nguyễn Trọng Cẩn và Nguyễn Lệ Hà.
Thiết kế và triển khai dây chuyền kỹ thuật
Dây chuyền sản xuất pate gan đóng hộp được thiết kế đồng bộ với hệ thống thiết bị công nghiệp đảm bảo các thông số vận hành:
| Công đoạn | Thiết bị sử dụng | Thông số công nghệ và nguyên lý vận hành |
|---|---|---|
| Cắt khối | Máy chặt thịt Starcutter 312 | - Cắt khối thịt lạnh đông ở nhiệt độ tâm $-10^\circ\text{C}$ đến $-30^\circ\text{C}$. - Kích thước khối thịt tối đa: $410 \times 250 \times 650\text{ mm}$. - Độ dày lát cắt điều chỉnh: 3, 6 hoặc 9 mm; kích thước miếng cắt đạt khoảng $3 \times 5\text{ cm}$. |
| Chần nhiệt | Máy chần băng tải công nghiệp VinaOrganic | - Năng suất: $500\text{ kg/h}$. - Gia nhiệt liên tục bằng nước sôi, thời gian chần 3–4 phút nhằm loại bớt khí gian bào, hạn chế phồng hộp khi tiệt trùng. |
| Xay thô | Máy xay thịt TC52 | - Giảm kích thước khối thịt và gan xuống đường kính hạt $\varnothing = 3 - 4\text{ mm}$. - Nhiệt độ nguyên liệu thịt trước xay $0 - 2^\circ\text{C}$, sau xay $3 - 4^\circ\text{C}$; gan trước xay $5^\circ\text{C}$, sau xay $6 - 8^\circ\text{C}$. |
| Xay nhuyễn - Phối trộn | Máy xay dao Seydelmann Cutter | - Xay gián đoạn từng mẻ trong buồng chân không. - Bổ sung phụ gia, bột mì, trứng đánh tơi. - Nhiệt độ khối nhũ tương sau xay: $12 - 15^\circ\text{C}$; kích thước hạt đạt $\varnothing = 0,2 - 0,5\text{ mm}$. |
| Rót định lượng | Máy rót hộp Auger Filling Machine TAA | - Rót thịt nhuyễn vào hộp sắt tây tráng vecni qua bơm định lượng trục vít. - Sai số khối lượng tịnh cho phép: $\pm 2 - 3%$. |
| Ghép mí | Máy ghép mí tự động | - Mối ghép kép (mí đôi) qua 2 giai đoạn cuộn ép mép thân và nắp hộp tạo độ kín tuyệt đối. |
| Tiệt trùng | Thiết bị tiệt trùng RYL-0918 | - Đường kính trong $900\text{ mm}$, dung tích chứa $1400\text{ lít}$, trọng lượng máy $2000\text{ kg}$. - Chế độ tiệt trùng: $\frac{20 - 20 - 20}{121^\circ\text{C}}$, áp suất đối kháng $1,5 - 2,5\text{ N/m}^2$. |
| Dán nhãn | Thiết bị dán nhãn ASL-120 | - Tự động dán nhãn thân hộp sau công đoạn làm khô và kiểm tra ngoại quan. |
Nội dung chính theo từng chương
Mở đầu và Tổng quan về thị trường, địa điểm xây dựng nhà máy
Nội dung mở đầu phân tích bức tranh tổng thể về thị trường thịt chế biến tại Việt Nam và trên thế giới. Dưới tác động của dịch ASF và đại dịch COVID-19, năm 2020 nhập khẩu thịt heo của Nhật Bản giảm 4,6% (đạt 1,43 triệu tấn), Philippines giảm 21,2% nhu cầu tiêu thụ; tuy nhiên USDA dự báo sản lượng toàn cầu năm 2021 phục hồi tăng 4%, xuất khẩu duy trì 10,8 triệu tấn. Tại Việt Nam, 9 tháng đầu năm 2021 sản lượng thịt heo hơi đạt 3,06 triệu tấn (tăng 5%). Mức tăng trưởng thực phẩm đóng gói năm 2020 tại thành thị đạt 23% và nông thôn đạt 15%.
Tác giả phân tích đặc tính dinh dưỡng và thương mại của các dòng sản phẩm pate trên thị trường:
- Pate khối: Quy cách 200–500 g/khối hoặc 2–3 kg/khối, bảo quản lạnh dưới 10 ngày, phục vụ tiêu dùng nhanh tại chỗ.
- Pate đóng hộp: Quy cách 170–450 g/hộp, bảo quản từ 6 đến 24–28 tháng nhờ tiệt trùng và ghép mí kín.
- Thành phần dinh dưỡng pate gan: Độ ẩm 52,5%, hàm lượng protit 17,0%, lipid 28,0%, glucid 0,7%, năng lượng cung cấp 334 kcal/100g, pH = 6,1; giàu vitamin A, B1, B2, PP, sắt và selen.
Về địa điểm xây dựng, dự án chọn vị trí tại Khu công nghiệp Kim Động, huyện Kim Động, tỉnh Hưng Yên với các điều kiện kỹ thuật:
- Vị trí và địa hình: Nằm trên Quốc lộ 39, cách thành phố Hưng Yên 10 km, cách cao tốc Hà Nội – Hải Phòng 12 km; diện tích khu đất trên 10 ha; cường độ chịu lực của đất $1 - 2\text{ kg/cm}^2$, độ dốc khoảng 1%.
- Hạ tầng kỹ thuật phụ trợ: Nguồn điện lấy từ lưới cao thế 35 kV hạ thế xuống 220/380V; nguồn nước từ hệ thống giếng khoan qua trạm xử lý; lò hơi sử dụng nhiên liệu đốt dầu FO (cung cấp hơi áp suất 3–6 at); hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh.
Chương 2: Quy trình công nghệ và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm
Chương này trình bày chi tiết từng bước công nghệ sản xuất đồ hộp pate gan:
- Tan giá nguyên liệu:
- Thịt lạnh đông: Tan giá bằng không khí ($16 - 20^\circ\text{C}$, độ ẩm $55 - 60%$) trong 6–10 giờ đối với block thịt 7–10 kg cho đến khi nhiệt độ tâm đạt khoảng $1^\circ\text{C}$.
- Gan lạnh đông: Tan giá bằng ngâm nước (tỷ lệ nước:gan là 1,5:1, nhiệt độ nước $< 15 - 20^\circ\text{C}$) trong 40–50 phút, nhiệt độ tâm đạt $5^\circ\text{C}$.
- Làm sạch và sơ chế: Loại bỏ gân màng, sụn, mỡ thừa, huyết đọng; lọc bỏ đường dẫn mật và tạp chất bẩn.
- Cắt nhỏ và chần thịt: Cắt khối $3 \times 5\text{ cm}$, chần trong nước sôi 3–4 phút để khử khí gian bào và vô hoạt sơ bộ enzyme.
- Ướp và xào gan: Gan được ướp với hỗn hợp muối, đường, bột ngọt, tiêu, tỏi, bột húng lìu trong 1 giờ (hoặc giữ ở $2 - 3^\circ\text{C}$ trong 24 giờ). Xào gan cùng mỡ từ trạng thái nguội để tránh làm chai cứng bề mặt gan.
- Xay thô và xay nhuyễn phối trộn: Xay thô qua lưới sàng 3–4 mm, sau đó phối trộn cùng thịt, mỡ, gan, hành khô, bột mì và trứng trong máy xay chảo chân không Seydelmann Cutter đến độ mịn 0,2–0,5 mm.
- Vào hộp, bài khí và ghép mí: Rót vào hộp sắt tây tráng vecni, bài khí nhiệt kết hợp hút chân không, ghép kín mí đôi.
- Tiệt trùng và bảo ôn: Tiệt trùng ở $121^\circ\text{C}$ với chu kỳ $\frac{20 - 20 - 20}{121^\circ\text{C}}$, áp suất đối kháng $1,5 - 2,5\text{ N/m}^2$. Bảo ôn sản phẩm ở nhiệt độ $37^\circ\text{C}$ trong 2 tuần với tỷ lệ lấy mẫu kiểm tra là 5% tổng lô sản xuất nhằm loại bỏ các hộp phồng, hở mí.
Các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm bao gồm:
- Cảm quan: Khối pate đồng nhất, mịn màng, màu hồng nâu sáng đặc trưng, mùi thơm gia vị hòa quyện, không có mùi ôi khét hoặc vị lạ; lớp vecni bên trong hộp không bong tróc, nứt bọt.
- Hóa lý và an toàn thực phẩm: Hàm lượng aflatoxin B1 $\le 0,005\text{ mg/kg}$; hàm lượng kim loại nặng Pb $\le 0,5\text{ mg/kg}$, Hg $\le 0,03\text{ mg/kg}$, Cd $\le 0,05\text{ mg/kg}$; không có vi sinh vật gây bệnh và nha bào gây độc (Clostridium botulinum, Salmonella bằng 0).
Chương 3: Tính toán cân bằng vật chất và kế hoạch sản xuất
Chương 3 xây dựng kế hoạch vận hành của nhà máy trong năm 2021:
- Chế độ làm việc: 288 ngày làm việc/năm, 2 ca/ngày, 8 giờ/ca (tổng cộng 576 ca/năm; riêng tháng 10 làm việc 14 ngày, dành 14 ngày bảo dưỡng nhà máy).
- Năng suất: 2 tấn sản phẩm/ca, tương đương $250\text{ kg sản phẩm/h}$.
Công thức tổng quát tính lượng nguyên liệu thô đầu vào: $$T = \frac{S \times 100^n}{(100 - x_1)(100 - x_2)\dots(100 - x_n)}$$
Trong đó:
- $T$: Lượng nguyên liệu cần thiết ($kg$).
- $S$: Lượng sản phẩm đầu ra ($kg$).
- $x_1, x_2, \dots, x_n$: Tỷ lệ hao phí tại từng công đoạn ($%$).
Công thức phối trộn cho 250 kg thành phẩm/giờ:
| Thành phần | Tỷ lệ phối trộn (%) | Khối lượng trong 2 kg mẫu (g) | Khối lượng trong 250 kg sản phẩm/h (kg) |
|---|---|---|---|
| Thịt lợn | 60,0 | 1200 | 150,00 |
| Gan lợn | 20,0 | 400 | 50,00 |
| Bột mì | 5,0 | 100 | 12,50 |
| Trứng | 5,0 | 100 | 12,50 |
| Nước chần thịt | 7,0 | 140 | 17,50 |
| Muối ăn | 1,1 | 22 | 2,75 |
| Hành khô | 1,1 | 22 | 2,75 |
| Bột ngọt | 0,2 | 4 | 0,50 |
| Đường kính | 0,2 | 4 | 0,50 |
| Bột tỏi | 0,2 | 4 | 0,50 |
| Bột tiêu | 0,1 | 2 | 0,25 |
| Bột húng lìu | 0,1 | 2 | 0,25 |
| Tổng cộng | 100,0 | 2000 | 250,00 |
Hao hụt và cân bằng vật chất của nguyên liệu thịt lợn qua 7 công đoạn (rã đông 1%, lọc/làm sạch 2%, cắt 1%, chần 2%, xay thô 1%, băm nhuyễn - phối trộn 1%, vào hộp 1%):
- Khối lượng thịt thô cần trong 1 giờ: $$T_{\text{thịt}} = \frac{150 \times 100^7}{(100-1)^5 \times (100-2)^2} = 164,234\text{ kg/h}$$
- Nhu cầu thịt lợn cho 1 ca (8 giờ): $164,234 \times 8 = 1313,872\text{ kg/ca}$.
- Nhu cầu thịt lợn cho 1 năm sản xuất (576 ca): $1313,872 \times 576 = 756.709,27\text{ kg} = 756,71\text{ tấn/năm}$.
Đối với nguyên liệu gan lợn:
- Khối lượng gan cần trong 1 giờ: $$T_{\text{gan}} = \frac{50 \times 100^7}{(100-1)^5 \times (100-2)^2} = 54,745\text{ kg/h}$$
- Nhu cầu gan lợn cho 1 ca: $437,957\text{ kg/ca}$.
Kết quả và đóng góp
- Kết quả tính toán kỹ thuật: Đề tài đã thiết lập hoàn chỉnh chuỗi thông số công nghệ sản xuất pate gan đóng hộp quy mô công nghiệp, xác định chính xác định mức tiêu hao nguyên vật liệu cho quy mô 2 tấn sản phẩm/ca ($250\text{ kg/h}$), bao gồm $1313,872\text{ kg}$ thịt lợn/ca và $437,957\text{ kg}$ gan lợn/ca.
- Giải pháp thiết kế công nghệ: Lựa chọn đồng bộ hệ thống thiết bị tiên tiến (Starcutter 312, VinaOrganic, TC52, Seydelmann Cutter, Auger Filling Machine TAA, RYL-0918, ASL-120), giải quyết triệt để các vấn đề biến đổi cấu trúc nhũ tương và bảo đảm an toàn vi sinh bằng chế độ tiệt trùng $\frac{20 - 20 - 20}{121^\circ\text{C}}$.
- Đóng góp của đồ án: Cung cấp mô hình tính toán cân bằng vật chất chi tiết, logic từ lý thuyết đến bố trí thiết bị công nghệ cho nhà máy đồ hộp thịt tại Hưng Yên, tạo cơ sở dữ liệu kỹ thuật phục vụ triển khai thực tế.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Đồ án tập trung vào tính toán công nghệ và cân bằng vật chất lý thuyết cho hai nguyên liệu chính (thịt và gan); các bảng tính chi tiết cho nhóm phụ gia vi lượng và cân bằng nhiệt/năng lượng (hơi nước, điện năng tiêu thụ của từng động cơ) chưa được thể hiện toàn diện trong phạm vi văn bản này.
- Hướng phát triển tiếp:
- Tính toán chi tiết cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị tiệt trùng RYL-0918 và máy chần băng tải.
- Thiết kế mặt bằng phân xưởng sản xuất chính và bố trí tổng thể mặt bằng nhà máy tại KCN Kim Động.
- Lập dự toán kinh tế, tính toán chi phí đầu tư thiết bị và giá thành sản phẩm trên một đơn vị hộp.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:
- Sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Thực phẩm: Sử dụng làm tài liệu mẫu cho đồ án môn học Quá trình và Thiết bị, đồ án Công nghệ thực phẩm, khóa luận tốt nghiệp về chuyên ngành chế biến thịt và đồ hộp.
- Kỹ sư công nghệ và cán bộ R&D: Tham khảo công thức phối trộn tỷ lệ thịt - gan - phụ gia, chế độ tiệt trùng đồ hộp thịt và phương pháp tính toán định mức tiêu hao nguyên liệu trong nhà máy chế biến thực phẩm.
Câu hỏi thường gặp
1. Năng suất thiết kế và chế độ làm việc của nhà máy là bao nhiêu?
Nhà máy được thiết kế với năng suất 2 tấn sản phẩm/ca ($250\text{ kg/h}$). Chế độ làm việc gồm 2 ca/ngày, 8 giờ/ca, tổng số ngày làm việc là 288 ngày/năm (tương đương 576 ca/năm, tháng 10 dành 14 ngày để bảo trì, bảo dưỡng thiết bị).
2. Chế độ tiệt trùng đồ hộp pate gan được quy định như thế nào?
Chế độ tiệt trùng cho sản phẩm đồ hộp pate gan được lựa chọn là: $$\frac{20 - 20 - 20}{121^\circ\text{C}}$$ Trong đó: thời gian nâng nhiệt là 20 phút, thời gian giữ nhiệt ở $121^\circ\text{C}$ là 20 phút, thời gian hạ nhiệt là 20 phút; áp suất đối kháng duy trì trong khoảng $1,5 - 2,5\text{ N/m}^2$.
3. Tỷ lệ phối trộn các thành phần chính trong 250 kg sản phẩm/h gồm những gì?
Công thức phối trộn bao gồm: thịt lợn 60% ($150\text{ kg}$), gan lợn 20% ($50\text{ kg}$), nước chần thịt 7% ($17,5\text{ kg}$), bột mì 5% ($12,5\text{ kg}$), trứng 5% ($12,5\text{ kg}$), muối ăn 1,1% ($2,75\text{ kg}$), hành khô 1,1% ($2,75\text{ kg}$), đường 0,2% ($0,5\text{ kg}$), bột ngọt 0,2% ($0,5\text{ kg}$), bột tỏi 0,2% ($0,5\text{ kg}$), bột tiêu 0,1% ($0,25\text{ kg}$) và bột húng lìu 0,1% ($0,25\text{ kg}$).
4. Thiết bị nào được lựa chọn cho công đoạn xay nhuyễn và phối trộn?
Công đoạn xay nhuyễn và phối trộn sử dụng máy xay dao buồng chân không Seydelmann Cutter. Thiết bị này giúp nghiền mịn nguyên liệu từ kích thước $\varnothing = 3 - 5\text{ mm}$ xuống $\varnothing = 0,2 - 0,5\text{ mm}$, duy trì nhiệt độ khối sau xay ở mức $12 - 15^\circ\text{C}$ và tạo hệ nhũ tương gel đồng nhất.
5. Nhu cầu nguyên liệu thịt thô đầu vào cho toàn bộ năm sản xuất là bao nhiêu?
Với định mức hao hụt qua 7 công đoạn chế biến, lượng thịt lợn thô cần dùng trong 1 giờ là $164,234\text{ kg/h}$, tương ứng $1313,872\text{ kg/ca}$ và tổng nhu cầu cho cả năm sản xuất (576 ca) là $756,71\text{ tấn/năm}$.
Kết luận
Đồ án chuyên ngành Công nghệ thực phẩm của tác giả Đặng Thị Thùy Linh đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế hệ dây chuyền sản xuất pate gan đóng hộp với công suất 2 tấn sản phẩm/ca đặt tại KCN Kim Động, tỉnh Hưng Yên. Tác giả đã phân tích cơ sở thị trường, chuẩn hóa quy trình công nghệ, lựa chọn hệ thống thiết bị hiện đại từ các khâu xử lý lạnh đông đến tiệt trùng và dán nhãn. Kết quả tính toán cân bằng vật chất thể hiện tính logic, chính xác, cung cấp nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật giá trị cho lĩnh vực công nghệ chế biến thịt đồ hộp.