Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh Việt Nam hội nhập kinh tế quốc tế và gia nhập Tổ chức Thương mại Thế giới (WTO), ngành nông nghiệp mở rộng tiềm năng tiếp cận thị trường tiêu thụ quy mô lớn. Cùng với sự phát triển kinh tế, nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm chăn nuôi như thịt, trứng và sữa ngày càng gia tăng, đòi hỏi sản phẩm chăn nuôi phải đạt chất lượng cao, giàu dinh dưỡng và tối ưu hóa chi phí sản xuất. Để đáp ứng yêu cầu này, ngành sản xuất thức ăn chăn nuôi công nghiệp giữ vai trò trung tâm trong việc cung cấp nguồn dinh dưỡng cân đối, hoàn chỉnh cho vật nuôi ở từng giai đoạn sinh trưởng.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được xác định cụ thể như sau:

  1. Thiết kế tổng thể nhà máy chế biến thức ăn chăn nuôi gồm 2 dây chuyền sản xuất: dây chuyền thức ăn dạng bột và dây chuyền thức ăn dạng viên nén.
  2. Xác định công suất thiết kế của nhà máy đạt mức 60 tấn nguyên liệu/ca.
  3. Phân công tính toán và thiết kế chi tiết các cụm thiết bị chuyên trách trong dây chuyền công nghệ cho các thành viên thực hiện:
    • Thiết kế máy đóng bao hạt viên nén: sinh viên Nguyễn Tiến Đạt (MSSV: 18118021).
    • Thiết kế máy định lượng: sinh viên Ưng Phương Duy (MSSV: 18118036).
    • Thiết kế máy trộn: sinh viên Lê Phúc Duy (MSSV: 18118033).
    • Thiết kế máy ép viên: sinh viên Trần Tuấn Hiệp (MSSV: 18118039).
    • Thiết kế máy nghiền búa: sinh viên Phan Quốc Thái (MSSV: 18118129).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là dây chuyền công nghệ chế biến thức ăn chăn nuôi gia súc, gia cầm và các thiết bị cơ khí chuyên dụng (máy nghiền, máy trộn, máy ép viên, máy đóng bao). Không gian nghiên cứu và quy hoạch địa điểm xây dựng nhà máy được đặt tại Khu công nghiệp II, Phường Long Bình Tân, Thành phố Biên Hòa, Tỉnh Đồng Nai. Thời gian thực hiện và hoàn thành đồ án vào tháng 05 năm 2021 dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Anh Đức thuộc Khoa Cơ khí – Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết dinh dưỡng và công nghệ chế biến

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên phân loại nguyên liệu và nhu cầu sinh lý của vật nuôi:

  • Thức ăn nguồn gốc thực vật: Thức ăn xanh (cỏ stylo, cây họ đậu, bèo dâu, rau muống); thức ăn củ quả (sắn, khoai lang); hạt ngũ cốc (ngô hạt chứa 3200–3300 kcal ME/kg, thóc, cám gạo chứa 11–13% protein thô và 10–15% lipid); hạt họ đậu và khô dầu (đậu tương chứa 50% protein thô, khô dầu đậu tương 42–45% protein thô, khô dầu lạc 30–38% protein thô).
  • Thức ăn nguồn gốc động vật: Bột thịt (60–70% protein thô), bột thịt xương (45–50% protein thô), bột cá (50–60% protein thô, giàu canxi, photpho và vitamin nhóm B).
  • Phụ phẩm công nghiệp: Bã bia, bã rượu (hàm lượng nước 90%), rỉ mật đường, bã sắn, bã mía.
  • Thức ăn bổ sung và vi lượng: Nấm men khô (Saccharomyces cerevisiae, Candida utilis chứa 46,8% protein thô), khoáng đa lượng (Ca, P, Na, K, Cl), khoáng vi lượng (Fe, Cu, Co, Zn, Mn, I), kháng sinh kích thích sinh trưởng (Aureomycine, Penicilline, Biomycine...), chất chống oxy hóa (BHA liều dùng 20 g/100 kg, Ethoxiquin 125–150 mg/kg), chất nhũ hóa và các loại premix.
  • Nguyên tắc xây dựng khẩu phần: Kết hợp giữa nguyên tắc khoa học (cân bằng dinh dưỡng, phù hợp tiêu hóa) và nguyên tắc kinh tế (tận dụng nguyên liệu sẵn có, hạ giá thành). Phương pháp tính khẩu phần bao gồm: phương pháp hình vuông Pearson, lập phương trình đại số và tối ưu hóa trên máy tính theo tiêu chuẩn TCVN, NRC, ARC.

Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật

  • Phương pháp cân bằng vật chất: Tính toán lưu lượng dòng nguyên liệu ($Q_n$) qua từng công đoạn xử lý thô, nghiền, định lượng, phối trộn, ép viên và đóng bao.
  • Phương pháp động lực học nghiền: Áp dụng lý thuyết va đập của Ph. PloKhoVa và Melnhikop để tính toán ứng suất phá vỡ ($\sigma_{pv}$), hệ số động lực học ($\beta_{cl}$), đặc trưng cơ lý tính hạt ($k_{cl}$), mức độ nghiền ($\lambda$) và vận tốc tới hạn của búa nghiền.
  • Phương pháp tính toán động lực và công suất ép viên: Xác định công suất tiêu hao qua lực ma sát tĩnh ($F_k$), áp suất cối ép ($P_{max} = 21\text{ MPa}$), và vận tốc đùn của khuôn.
  • Phương pháp lựa chọn thiết bị công nghiệp: Đối chiếu năng suất tính toán với các danh mục thiết bị của hãng Stolz (Pháp), Buhler (Thụy Sĩ) và Hayes.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Bố trí dây chuyền công nghệ

Dây chuyền công nghệ của nhà máy được thiết kế theo phương đứng nhằm tận dụng trọng lực và tính tự chảy của nguyên liệu, giảm chi phí năng lượng vận chuyển nội bộ. Toàn bộ hệ thống được kiểm soát tự động thông qua máy tính trung tâm.

Quy trình công nghệ trải qua 5 cụm công đoạn chính:

  1. Tiếp nhận và xử lý nguyên liệu: Phân tách riêng tuyến nguyên liệu thô (ngô, khoai, sắn, khô dầu) và nguyên liệu mịn (cám gạo, bột cá, bột sò). Hệ thống làm sạch sử dụng đĩa nam châm để tách kim loại và sàng quay để loại tạp chất rác, cát sỏi.
  2. Nghiền nguyên liệu: Sử dụng máy nghiền búa kiểu giọt nước có trang bị má nghiền phụ để đập vỡ hạt thô đạt kích thước bột yêu cầu.
  3. Định lượng và phối trộn: Sử dụng cân tự động định lượng chính xác từng thành phần (đặc biệt là premix và vi lượng). Máy trộn trục ngang có vít trộn tiến hành đảo đều hỗn hợp, đồng thời bổ sung rỉ mật đường khi nguyên liệu đạt 2/3 thể tích máy.
  4. Tạo viên và xử lý viên: Hỗn hợp bột được bổ sung hơi nước để nâng độ ẩm từ 13% lên 18%, sau đó ép qua khuôn tạo viên ở nhiệt độ 50–80°C. Viên nóng được chuyển qua máy làm nguội bằng không khí để hạ độ ẩm xuống 14%, qua máy bẻ vụn và sàng phân loại (hạt nhỏ quay lại máy ép, hạt lớn quay lại máy bẻ vụn).
  5. Cân và đóng bao: Đóng bao tự động cho cả 2 dòng sản phẩm dạng bột và dạng viên với khối lượng quy chuẩn từ 30 kg đến 50 kg/bao.

Danh mục lựa chọn thiết bị chính trong nhà máy

STT Tên thiết bị Số lượng Nhãn hiệu / Xuất xứ Kích thước (D×R×C) (mm) Năng suất máy (tấn/h) Năng suất thực tế (tấn/h)
1 Máy sàng nguyên liệu mịn 1 SEMB75OC 1300 × 550 × 1450 10 2,146
2 Máy sàng nguyên liệu thô 1 RS8A 1350 × 900 × 1300 40 5,180
3 Máy nghiền nguyên liệu thô 1 RM16 2000 × 1050 × 2600 12 4,152
4 Cân định lượng 1 Buhler (Thụy Sĩ) 4000 × 1750 × 1900 2,5 t/mẻ -
5 Máy trộn ngang 1 Hayes 4000 × 900 × 1200 2,5 t/mẻ 5,942
6 Máy ép viên 1 DPCA-420.138 1500 × 900 × 1200 10 6,298
7 Máy làm nguội viên 1 Buhler (Thụy Sĩ) 2000 × 1500 × 1700 10 6,006
8 Máy bẻ viên 1 DFZA 875 × 500 × 325 10 6,006
9 Máy sàng viên 1 DFTA-12 1750 × 1100 × 1400 12 6,003
10 Máy đóng bao 2 MWBW 1050 × 850 × 2450 10 6,030

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở dữ liệu về thành phần hóa học, đặc tính sinh học của các nhóm thức ăn chăn nuôi, vai trò của từng acid amin thiết yếu (lysine, methionine, phenylalanine, tryptophan), các vitamin tan trong dầu/nước và khoáng chất.

Tác giả đã tính toán và xây dựng 2 công thức phối trộn thức ăn tiêu biểu:

Thực đơn sản xuất thức ăn hỗn hợp dạng viên cho lợn con:

STT Tên nguyên liệu Tỉ lệ phối trộn (%)
1 Ngô 48,0
2 Cám gạo 17,0
3 Khô lạc nhân 12,0
4 Khô đậu tương 6,0
5 Bột cỏ 4,0
6 Bột vỏ sò 4,0
7 Bột cá 3,0
8 Mật rỉ 3,0
9 Bột xương 2,0
10 Premix khoáng và Vitamin 0,5
11 Muối 0,5

Thực đơn sản xuất thức ăn hỗn hợp dạng bột cho lợn thịt:

STT Tên nguyên liệu Tỉ lệ phối trộn (%)
1 Ngô 30,0
2 Cám gạo 24,0
3 Khoai khô 21,0
4 Đậu tương 15,0
5 Bột cá 8,0
6 Premix khoáng 1,0
7 Premix Vitamin 1,0

Tiêu chuẩn chất lượng thành phẩm được quy định rõ: thức ăn hỗn hợp không có vị đắng, không ẩm mốc, tạp chất cơ học $\le 1%$, sâu mọt không quá 20 con/tấn, độ ẩm thức ăn bột $\le 14%$, độ ẩm viên nén $< 13%$ với kích thước đường kính viên đạt 2 mm.

Chương 2: Thiết kế nhà máy

Chương này giải trình địa điểm xây dựng tại Khu công nghiệp II (Biên Hòa, Đồng Nai) dựa trên các tiêu chí giao thông thuận tiện, khoảng cách ly khu dân cư để tránh ô nhiễm mùi, hệ thống điện nước ổn định và độ dốc địa hình thoát nước đạt $0,5 - 1%$.

Tác giả tiến hành tính toán cân bằng năng suất cho các thiết bị:

  • Lưu lượng ngô vào nghiền: $Q_n = 1497\text{ kg/h}$.
  • Lưu lượng đậu tương vào nghiền: $Q_n = 748\text{ kg/h}$.
  • Lưu lượng khoai khô vào nghiền: $Q_n = 1047\text{ kg/h}$.
  • Lưu lượng vào máy trộn: $Q_n = 845\text{ kg/h}$ (chọn máy công suất 5 tấn/h).
  • Lưu lượng sản phẩm trước đóng bao: $Q_n = 4963\text{ kg/h}$ (bố trí thiết bị đóng bao DKB-50∏ công suất 200 kg/h, khối lượng máy 400 kg, kích thước $1460 \times 780 \times 3835\text{ mm}$).
  • Xác lập phương trình công suất tiêu hao tổng thể cho máy ép viên: $$N = \frac{N_1 + N_2 + N_3}{\eta_o} \cdot K_0 \quad (\text{kW})$$ Trong đó $N_1$ là công suất khắc phục ma sát vật liệu với cối ép ($P_{max} = 21\text{ MPa}$), $N_2$ là ma sát với con lăn, $N_3$ là ma sát ổ lăn, hệ số vỡ vụn $K_0 = 1,2$.

Chương 3: Tính toán thiết kế

Chương 3 tập trung tính toán cơ học chi tiết cho cụm máy nghiền búa lắp lỏng xử lý hạt ngô.

Thông số cơ lý của nguyên liệu hạt ngô:

  • Chiều dài: $5,5 \div 13,5\text{ mm}$; Chiều rộng: $5 \div 15\text{ mm}$; Chiều dày: $2,5 \div 8\text{ mm}$.
  • Đường kính tương đương: $D_{td} = 7,3\text{ mm}$ (sau nghiền đạt $d_{td} = 0,8\text{ mm}$).
  • Khối lượng riêng hạt: $\rho = 1250\text{ kg/m}^3$; Khối lượng thể tích: $600 \div 800\text{ kg/m}^3$.
  • Vận tốc cân bằng: $12 \div 13,5\text{ m/s}$; Hệ số ma sát nội: $0,4 \div 0,6$.

Tính toán động lực học va đập và vận tốc đầu búa:

  • Mức độ nghiền: $$\lambda = \frac{D_{td}}{d_{td}} = \frac{7,3}{0,8} \approx 9$$
  • Đặc trưng cơ lý tính của hạt: $$k_{cl} = \frac{k_d \cdot 10^6}{\rho} = \frac{1,6 \cdot 10^6}{1250} = 5800\text{ m}^2/\text{s}^2$$
  • Trường hợp va đập 1 lần: Vận tốc phá vỡ tính toán $V_{pv} = 132\text{ m/s}$, dẫn đến vận tốc búa yêu cầu $V_b = 240\text{ m/s}$ (với hệ số động lực học $\beta_{cl} = 0,45$).
  • Trường hợp va đập nhiều lần ($z_{vd} = 4$, chỉ số nghiền quy ước $\lambda_{vd} = 0,607$): Vận tốc phá vỡ $V_{pv} = 42 \div 47,5\text{ m/s}$, xác định được vận tốc thiết kế của đầu búa là: $$V_b = \frac{V_{pv}}{1 - \beta_{cl}} = \frac{42}{1 - 0,45} \approx 75\text{ m/s}$$ Giá trị $V_b = 75\text{ m/s}$ được lựa chọn làm thông số thiết kế chính thức để đảm bảo độ mịn của bột ngô, không làm bột bị quá nhiệt ($> 40^\circ\text{C}$) và tiết kiệm năng lượng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  • Xây dựng hoàn chỉnh dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi công suất 60 tấn/ca tích hợp hai dòng sản phẩm dạng bột và dạng viên kích thước 2 mm.
  • Xác lập 2 bộ công thức phối trộn thức ăn hoàn chỉnh đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn dinh dưỡng cho lợn con (11 thành phần) và lợn thịt (7 thành phần).
  • Hoàn thiện bảng tính chọn 10 thiết bị công nghệ chính đồng bộ từ các nhà chế tạo quốc tế (Buhler, Stolz, Hayes) với thông số kích thước và năng suất thực tế ăn khớp dòng công nghệ.
  • Tính toán chính xác các thông số động học của máy nghiền búa: vận tốc đầu búa $V_b = 75\text{ m/s}$, mức độ nghiền $\lambda = 9$, hệ số động lực học $\beta_{cl} = 0,45$, đặc trưng cơ lý $k_{cl} = 5800\text{ m}^2/\text{s}^2$.

Đóng góp của đồ án

Đồ án đã kết hợp chặt chẽ giữa tính toán dinh dưỡng chăn nuôi và thiết kế cơ khí chế tạo máy, đưa ra một giải pháp công nghệ đồng bộ từ khâu lựa chọn mặt bằng, quy hoạch dây chuyền theo phương đứng đến thiết kế chi tiết máy công tác phục vụ trực tiếp cho ngành chế biến nông sản thực phẩm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Văn bản đồ án chưa trình bày chi tiết các bản vẽ chế tạo cơ khí 2D/3D của từng cụm chi tiết búa, đĩa treo và lưới sàng.
  • Chưa có số liệu thực nghiệm đo đạc độ ồn, độ rung thực tế và mức độ tiêu hao kim loại do mài mòn của búa nghiền trong quá trình vận hành liên tục.
  • Chưa tích hợp sơ đồ điều khiển điện tự động hóa chi tiết của phòng điều khiển trung tâm.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiến hành chế tạo mẫu thử nghiệm máy nghiền búa và máy ép viên theo các thông số đã tính toán để kiểm chứng độ bền mài mòn và độ bền nhiệt.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống thu hồi bụi bột tại buồng nghiền búa nhằm giảm tổn thất nguyên liệu và cải thiện điều kiện môi trường làm việc.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Cơ khí chế biến nông lâm sản, Cơ kỹ thuật và Công nghệ thực phẩm: Tham khảo phương pháp tính toán động lực học máy nghiền búa, phương pháp cân bằng năng suất thiết bị và quy trình bố trí nhà máy công nghiệp.
  • Kỹ sư vận hành tại các nhà máy thức ăn chăn nuôi: Tham khảo danh mục thông số thiết bị công nghiệp của các hãng Stolz, Buhler và công thức phối trộn dinh dưỡng cho đàn lợn.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất thiết kế tổng thể của nhà máy là bao nhiêu và sản xuất những dòng sản phẩm nào?
Nhà máy được thiết kế với năng suất 60 tấn nguyên liệu/ca, vận hành 2 dây chuyền sản xuất đồng thời là thức ăn hỗn hợp dạng bột và thức ăn hỗn hợp dạng viên nén.

2. Địa điểm xây dựng nhà máy được chọn ở đâu và có những thuận lợi gì?
Nhà máy đặt tại Khu công nghiệp II, Phường Long Bình Tân, Thành phố Biên Hòa, Tỉnh Đồng Nai. Địa điểm này có hạ tầng giao thông lớn, mạng lưới điện nước ổn định, cách xa khu dân cư và nền đất có độ dốc $0,5 - 1%$ thuận lợi cho việc thoát nước công nghiệp.

3. Khẩu phần thức ăn hỗn hợp dạng viên cho lợn con gồm những nguyên liệu chính nào?
Gồm 11 thành phần: Ngô (48%), Cám gạo (17%), Khô lạc nhân (12%), Khô đậu tương (6%), Bột cỏ (4%), Bột vỏ sò (4%), Bột cá (3%), Mật rỉ (3%), Bột xương (2%), Premix khoáng - vitamin (0,5%) và Muối (0,5%).

4. Vận tốc làm việc của đầu búa trong máy nghiền búa được xác định bằng bao nhiêu?
Qua tính toán theo điều kiện va đập nhiều lần với hạt ngô ($z_{vd} = 4$, $\lambda_{vd} = 0,607$), vận tốc đầu búa thiết kế được xác định là $V_b = 75\text{ m/s}$ (thay vì $240\text{ m/s}$ khi tính theo va đập 1 lần).

5. Yêu cầu kỹ thuật đối với sản phẩm thức ăn viên sau khi ép là gì?
Viên thức ăn sau khi làm nguội và sàng tuyển phải đạt độ ẩm $< 13%$, đường kính hạt $2\text{ mm}$, tỷ lệ tạp chất cơ học $\le 1%$ và lượng sâu mọt không quá 20 con/tấn.

Kết luận

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế nhà máy chế biến thức ăn chăn nuôi quy mô 60 tấn nguyên liệu/ca đặt tại Khu công nghiệp II Biên Hòa, Đồng Nai. Hệ thống công nghệ được bố trí theo chiều đứng khép kín với các thiết bị định lượng, nghiền búa, trộn ngang và ép viên được lựa chọn đồng bộ từ các hãng chế tạo tiêu chuẩn. Kết quả tính toán cơ học chi tiết cho cụm máy nghiền búa đã xác lập vận tốc đầu búa tối ưu $75\text{ m/s}$, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về độ mịn và chỉ tiêu dinh dưỡng cho vật nuôi.