Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong cơ cấu kinh tế nông nghiệp Việt Nam, rau quả là nhóm nông sản dồi dào nhưng đối mặt với thách thức lớn về tổn thất sau thu hoạch và tính mùa vụ. Mặc dù thị trường xuất khẩu sang các khu vực như Hoa Kỳ, Liên minh Châu Âu (EU), Nga và các nước ASEAN có nhu cầu cao đối với các mặt hàng rau quả chế biến đóng hộp, số lượng nhà máy chế biến sâu quy mô công nghiệp tại miền Bắc vẫn còn hạn chế, dẫn đến việc sản phẩm chưa đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ nội địa lẫn xuất khẩu.
Đề tài đồ án tốt nghiệp tập trung giải quyết nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một nhà máy chế biến đồ hộp rau quả hiện đại, bao gồm hai dây chuyền công nghệ độc lập:
- Dây chuyền sản xuất đồ hộp dứa khoanh nước đường, năng suất thiết kế 15 tấn sản phẩm/ca.
- Dây chuyền sản xuất đồ hộp dưa chuột bao tử dầm dấm, năng suất thiết kế 12 tấn sản phẩm/ca.
Phạm vi nghiên cứu và triển khai thiết kế:
- Địa điểm xây dựng: Khu công nghiệp Thuận Thành III, xã Thanh Khương, huyện Thuận Thành, tỉnh Bắc Ninh (nằm sát Quốc lộ 282, thuộc tam giác kinh tế trọng điểm Hà Nội – Hải Phòng – Quảng Ninh).
- Đối tượng nghiên cứu: Nguyên liệu quả dứa tươi (thuộc giống Queen và Cayenne) và dưa chuột bao tử; quy trình công nghệ chế biến đồ hộp; hệ thống thiết bị cơ khí - nhiệt - điện; mặt bằng nhà máy và tính toán kinh tế vận hành.
- Thời gian và dữ liệu phân tích: Dữ liệu chuỗi cung ứng nông sản, số liệu thống kê sản lượng và xuất nhập khẩu giai đoạn từ 1995–2018 (nguồn FAO, Bộ Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn, Tổng cục Hải quan).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án được xây dựng dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết công nghệ thực phẩm, kỹ thuật truyền nhiệt, cơ học chất lưu và các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia:
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Lập luận kinh tế kỹ thuật
Chương 1 tổng quan về thực trạng sản xuất, thương mại dứa và dưa chuột trên thế giới và tại Việt Nam. Về thị trường dứa toàn cầu, sản lượng năm 2017 đạt 25,888 triệu tấn với các quốc gia dẫn đầu gồm Costa Rica (2,712 triệu tấn), Brazil (2,669 triệu tấn) và Philippines (2,651 triệu tấn). Tại Việt Nam, sản lượng dứa tăng từ 350 nghìn tấn (năm 2002) lên 610 nghìn tấn (năm 2018) với diện tích canh tác đạt 42 nghìn ha. Đối với dưa chuột bao tử, diện tích canh tác cả nước tập trung tại các tỉnh đồng bằng sông Hồng như Bắc Ninh, Bắc Giang, Hưng Yên (559 ha), Hà Nam (446 ha), Hải Dương (430 ha), phục vụ các thị trường xuất khẩu trọng điểm như Nga, EU, Nhật Bản, Đài Loan.
Tác giả luận chứng việc lựa chọn địa điểm đặt nhà máy tại Khu công nghiệp Thuận Thành III, tỉnh Bắc Ninh dựa trên các điều kiện hạ tầng kỹ thuật và vị trí:
- Cách trung tâm TP. Bắc Ninh 17 km, cách Hà Nội 60 km, cách sân bay Nội Bài 65 km, cách cảng Hải Phòng 105 km, cách ga Gia Lâm 25 km.
- Nguồn nguyên liệu: Dứa quả thu mua từ vùng nguyên liệu Ninh Bình (Công ty CP Thực phẩm Xuất khẩu Đồng Giao) và Phú Thọ; dưa chuột bao tử từ Hưng Yên; đường từ Nhà máy đường Hòa Bình; giấm ăn từ Công ty TNHH Hoàng Đông / Dấm gạo Toàn Thắng.
- Nguồn cấp điện: Trạm biến áp 110/22 kV công suất 2.500 kVA, trang bị máy phát điện diesel dự phòng 300 kVA.
- Nguồn cấp nước: Trạm cấp nước KCN công suất 6.800 $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$.
Chương 2: Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ
Chương này phân tích đặc tính hóa - lý của nguyên liệu dứa (nước 72–78%, đường 8–18,5%, acid 0,3–0,6%, enzyme bromelin) và dưa chuột (nước 95%, đường 1,67%, protein 0,65%), đồng thời xây dựng quy trình công nghệ chế biến cho hai dòng sản phẩm:
| Thông số công nghệ |
Dây chuyền Dứa khoanh nước đường |
Dây chuyền Dưa chuột bao tử dầm dấm |
| Bao bì đóng gói |
Hộp sắt tây (loại 20 oz và 30 oz), tráng vecni |
Lọ thủy tinh, nắp kim loại có gioăng đệm cao su |
| Yêu cầu nồng độ dịch |
Syrup đường $16^\circ\text{Bx}$, acid citric 0,3–0,4% |
Acid acetic $\le 1,0%$, muối $\le 2,0%$, pH 6,0–7,8 |
| Công đoạn xử lý cơ học |
Cắt đầu, gọt vỏ, đột lõi bằng máy liên hợp Ginaca |
Phân loại con lăn, ngâm rửa xối, cắt tỉa gia vị |
| Công đoạn xử lý hóa lý |
Ngâm dung dịch $\text{CaCl}_2$ 0,5% (10–15 phút), chần nhiệt |
Ngâm rửa làm sạch đất cát, phối trộn dịch dầm |
| Chế độ bài khí & ghép nắp |
Rót dịch nóng ($>80^\circ\text{C}$), ghép nắp chân không tự động |
Rót dịch nóng kết hợp hút chân không, ghép kín |
| Chế độ thanh trùng |
Nồi hấp đứng: $\frac{12 - 12 - 16}{95}$, áp suất 1 atm |
Nồi hấp đứng, làm nguội nhanh tuần hoàn |
| Thời gian bảo ôn |
15 ngày ở nhiệt độ thường |
15 ngày kiểm tra vi sinh và độ kín |
Chương 3: Tính toán cân bằng sản phẩm
Chương 3 lập kế hoạch sản xuất dựa trên mùa vụ thu hoạch nông sản trong năm và tính toán chi tiết cân bằng vật chất:
- Xác định tỷ lệ phế liệu và tổn thất qua từng công đoạn chế biến: gọt vỏ, đột lõi, nhổ mắt, thái khoanh, chần, xếp hộp đối với dứa; rửa, phân loại, bài khí, thanh trùng đối với dưa chuột.
- Tính toán định mức tiêu hao nguyên liệu chính (dứa quả thô, dưa bao tử) và nguyên liệu phụ (đường tinh luyện RE, acid citric, acid acetic, muối, phụ gia, tỏi, ớt, thì là, tiêu) cần thiết để đạt năng suất 15 tấn thành phẩm dứa/ca và 12 tấn thành phẩm dưa chuột/ca.
Chương 4: Tính và chọn thiết bị
Tác giả tiến hành tính toán năng suất làm việc, số lượng và thông số kỹ thuật cho từng thiết bị trên dây chuyền:
- Dây chuyền dứa: Băng tải tiếp nhận nguyên liệu; thiết bị ngâm rửa thổi khí 2 khoang; máy cắt gọt liên hợp Ginaca (năng suất 80 quả/phút); băng tải nhổ mắt dứa thủ công; máy thái khoanh bán tự động (bề dày khoanh 11–15 mm); bể ngâm $\text{CaCl}_2$; thiết bị chần băng tải; bàn xếp hộp inox; cân định lượng; nồi nấu syrup có cánh khuấy gia nhiệt; tank chứa dịch trung gian; bơm ly tâm thực phẩm; máy rót chân không và ghép nắp tự động; nồi thanh trùng autoclave kiểu đứng; bể làm nguội nước tuần hoàn.
- Dây chuyền dưa chuột: Máy phân loại kích thước kiểu con lăn xoay trục; máy ngâm rửa bơi chèo kết hợp vòi xối; bàn sơ chế gia vị inox; thiết bị rót dịch dầm dấm; máy bài khí và ghép nắp lọ thủy tinh; hệ thống nồi thanh trùng đứng.
- Thiết bị phụ trợ: Xe nâng điện, xe đẩy hàng, giỏ sắt công nghiệp chứa đồ hộp thanh trùng, máy in phun date, bồn rửa tay và bồn vệ sinh nguyên liệu.
Chương 5: Tính toán điện, hơi, nước
- Tính toán phụ tải điện: Tính công suất điện động lực ($P_{\text{đl}}$) của toàn bộ động cơ máy móc trên hai dây chuyền và công suất chiếu sáng ($P_{\text{cs}}$) cho nhà xưởng, khu phụ trợ; xác định phụ tải tính toán và tổng điện năng tiêu thụ hàng năm.
- Tính toán nhu cầu cấp nước: Xác định lượng nước dùng cho chế biến (ngâm rửa, nấu syrup, chần, thanh trùng, làm nguội), nước vệ sinh thiết bị - nhà xưởng và nước sinh hoạt của công nhân viên; thiết kế mạng lưới đường ống cấp nước và hệ thống rãnh thoát nước phân xưởng.
- Tính toán tiêu thụ nhiệt và hơi: Tính toán lượng hơi bão hòa tiêu hao cho các công đoạn gia nhiệt (chần dứa, nấu syrup đường, thanh trùng đồ hộp dứa và dưa chuột); xác định công suất nồi hơi công nghiệp và định mức tiêu hao nhiên liệu đốt.
Chương 6: Tính toán xây dựng
- Thiết kế tổng mặt bằng nhà máy trên khu đất quy hoạch tại KCN Thuận Thành III, tuân thủ nguyên tắc một chiều, phân tách luồng vận chuyển nguyên liệu - thành phẩm - phế liệu nhằm tránh nhiễm chéo.
- Phân khu chức năng gồm: Khu hành chính - quản trị, phân xưởng sản xuất chính, kho nguyên liệu - bao bì, kho bảo ôn và thành phẩm, khu xử lý kỹ thuật (trạm biến áp, nhà nồi hơi, trạm bơm), khu xử lý nước thải và bãi chứa phế liệu.
- Tính toán chi tiết diện tích xây dựng, mật độ xây dựng, hệ số sử dụng đất và phương án dự phòng mặt bằng để mở rộng dây chuyền trong tương lai.
Chương 7: Tính toán kinh tế
Chương này lượng hóa hiệu quả đầu tư của dự án:
- Dự tính tổng mức vốn đầu tư xây dựng cơ bản, mua sắm máy móc thiết bị và phương tiện vận tải.
- Lập bảng chi phí sản xuất hàng năm: Chi phí thu mua nguyên liệu chính/phụ, chi phí năng lượng (điện, than/dầu cho nồi hơi, nước), chi phí lương cho cán bộ quản lý và công nhân trực tiếp, chi phí khấu hao tài sản cố định.
- Tính toán giá thành đơn vị sản phẩm cho từng cỡ hộp, xác định giá bán dự kiến, doanh thu, lợi nhuận ròng hàng năm và thời gian hoàn vốn đầu tư của nhà máy.
Chương 8: An toàn lao động - PCCC - Vệ sinh - Xử lý nước
- An toàn lao động: Các biện pháp chống tai nạn lao động khi vận hành máy móc cắt gọt cơ khí, thiết bị chịu áp lực (nồi thanh trùng, nồi hơi); trang bị bảo hộ lao động (đặc biệt găng tay cao su chống tác hại enzyme bromelin khi nhổ mắt dứa); chống ồn, chống rung và an toàn điện công nghiệp.
- Phòng cháy chữa cháy: Bố trí hệ thống báo cháy tự động, bình chữa cháy cục bộ và mạng lưới họng nước cứu hỏa cách nhau 150 m theo quy chuẩn KCN.
- Vệ sinh công nghiệp: Quy chuẩn vệ sinh cá nhân công nhân chế biến thực phẩm, quy trình CIP tẩy rửa và khử trùng đường ống, máy móc nhà xưởng.
- Xử lý nước thải: Quy hoạch hệ thống thu gom và trạm xử lý nước thải cục bộ bằng phương pháp sinh học tại nhà máy trước khi đấu nối vào hệ thống thoát nước thải chung của KCN Thuận Thành III.
Thiết kế và triển khai kỹ thuật
Kiến trúc công nghệ và dây chuyền thiết bị
Dây chuyền công nghệ được thiết kế tích hợp giữa các công đoạn cơ giới hóa tự động và các khâu can thiệp thủ công có kiểm soát chất lượng (QC):
- Dây chuyền dứa khoanh: Tiếp nhận $\rightarrow$ Lựa chọn, phân cỡ (băng tải phẳng) $\rightarrow$ Vặt cuống $\rightarrow$ Ngâm rửa thổi khí kết hợp vòi phun áp lực $\rightarrow$ Cắt gọt liên hợp Ginaca (tách vỏ, cắt 2 đầu, đột lõi đường kính dao 70–75 mm) $\rightarrow$ Nhổ mắt thủ công $\rightarrow$ Cắt khoanh (11–15 mm) $\rightarrow$ Ngâm làm cứng $\text{CaCl}_2$ 0,5% $\rightarrow$ Chọn lựa $\rightarrow$ Chần nhiệt và làm nguội nhanh $\rightarrow$ Xếp hộp sắt tây (tỷ lệ cái chiếm 60% khối lượng tịnh) $\rightarrow$ Rót syrup nóng ($>80^\circ\text{C}$, $16^\circ\text{Bx}$) $\rightarrow$ Bài khí hút chân không và ghép nắp tự động $\rightarrow$ Thanh trùng nồi autoclave đứng $\rightarrow$ Làm nguội $\rightarrow$ Bảo ôn 15 ngày.
- Dây chuyền dưa chuột dầm dấm: Tiếp nhận $\rightarrow$ Phân loại con lăn (kích cỡ quả 4–7 cm) $\rightarrow$ Rửa bơi chèo $\rightarrow$ Ngâm xối $\rightarrow$ Xếp lọ thủy tinh cùng gia vị (ớt, tỏi, thì là, tiêu) $\rightarrow$ Rót dịch dầm dấm nóng (acid acetic $\le 1,0%$, muối $\le 2,0%$) $\rightarrow$ Bài khí ghép nắp $\rightarrow$ Thanh trùng $\rightarrow$ Làm nguội $\rightarrow$ Bảo ôn $\rightarrow$ Đóng thùng carton.
Cơ sở hạ tầng kỹ thuật và phụ trợ
- Hệ thống cấp hơi: Sử dụng nồi hơi công nghiệp sinh hơi bão hòa phục vụ các quá trình gia nhiệt tại nồi nấu syrup, thiết bị chần và hệ thống autoclave thanh trùng.
- Hệ thống cấp điện và chiếu sáng: Sử dụng nguồn điện 3 pha từ trạm biến áp 110/22 kV, phân phối qua tủ điện tổng đến từng phân xưởng; máy phát dự phòng 300 kVA đảm bảo duy trì vận hành khi có sự cố lưới điện.
- Hệ thống cấp thoát nước: Nước sạch đạt chuẩn QCVN 01:2009/BYT cung cấp trực tiếp đến các bồn ngâm rửa, thiết bị phối trộn và hệ thống vệ sinh; nước thải sản xuất chứa cặn hữu cơ được tách rác thô và đưa vào bể xử lý sinh học.
Kết quả và đóng góp
Kết quả tính toán kỹ thuật chính
- Xác lập đầy đủ quy trình công nghệ và các thông số vận hành tiêu chuẩn cho 2 dòng sản phẩm đồ hộp đạt tiêu chuẩn chất lượng Việt Nam và tiêu chuẩn ngành (10 TCN 420:2000).
- Hoàn thiện bảng cân bằng vật chất, xác định định mức hao hụt cho từng công đoạn chế biến, từ đó tối ưu hóa lượng nguyên liệu tươi cần nhập kho theo từng ca làm việc.
- Lựa chọn đồng bộ danh mục thiết bị chính và thiết bị phụ trợ, đảm bảo dây chuyền vận hành liên tục với công suất 15 tấn dứa/ca và 12 tấn dưa chuột/ca.
- Hoàn thành bản vẽ thiết kế tổng mặt bằng nhà máy tại KCN Thuận Thành III (tỉnh Bắc Ninh) và sơ đồ bố trí thiết bị trong phân xưởng sản xuất chính theo quy tắc một chiều, đáp ứng yêu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm.
- Tính toán các chỉ tiêu phụ tải điện, nhu cầu hơi bão hòa, lưu lượng nước cấp - thoát và các giải pháp an toàn lao động, xử lý môi trường.
Đóng góp thực tiễn
- Đưa ra phương án khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế cho việc xây dựng nhà máy chế biến nông sản tại tỉnh Bắc Ninh, tận dụng tốt nguồn nguyên liệu dứa và dưa chuột dồi dào từ các tỉnh lân cận (Hưng Yên, Ninh Bình, Phú Thọ).
- Cung cấp tài liệu thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh làm cơ sở tham khảo cho việc lập dự án đầu tư nhà máy chế biến đồ hộp rau quả quy mô vừa và lớn.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Quy trình công nghệ tại một số công đoạn (nhổ mắt dứa, xếp hộp, sơ chế nguyên liệu phụ) vẫn sử dụng lao động thủ công, phụ thuộc vào tay nghề công nhân và làm tăng chi phí nhân công.
- Số liệu phân tích kinh tế và thị trường dựa trên chuỗi dữ liệu lịch sử giai đoạn 2004–2018, chưa phản ánh biến động giá nguyên vật liệu, năng lượng và chi phí logistics ở thời điểm hiện tại.
- Hướng phát triển tiếp:
- Nghiên cứu cơ giới hóa hoặc tự động hóa hoàn toàn khâu nhổ mắt dứa và định lượng xếp hộp để nâng cao năng suất lao động.
- Nghiên cứu tận dụng phế liệu sau chế biến (vỏ dứa, lõi dứa, đầu dưa chuột) để sản xuất các sản phẩm phụ như nước dứa ép, thức ăn chăn nuôi, ủ phân vi sinh hoặc thu hồi enzyme bromelin nhằm gia tăng giá trị kinh tế.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu chuyên khảo kỹ thuật hữu ích cho:
- Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ thực phẩm, Kỹ thuật thực phẩm, Máy và Thiết bị thực phẩm: Làm tài liệu mẫu phục vụ học tập và thực hiện đồ án môn học "Quá trình và Thiết bị công nghệ thực phẩm", "Công nghệ chế biến rau quả", đồ án tốt nghiệp thiết kế nhà máy thực phẩm.
- Kỹ sư công nghệ và chủ đầu tư: Tham khảo quy trình công nghệ chế biến dứa khoanh và dưa chuột dầm dấm, danh mục và thông số lựa chọn thiết bị chế biến đồ hộp, nguyên tắc bố trí mặt bằng phân xưởng và tính toán nhu cầu phụ trợ năng lượng (điện, hơi, nước).
Câu hỏi thường gặp
1. Nhà máy được thiết kế đặt tại đâu và có năng suất thiết kế là bao nhiêu?
Nhà máy được thiết kế xây dựng tại Khu công nghiệp Thuận Thành III, xã Thanh Khương, huyện Thuận Thành, tỉnh Bắc Ninh. Nhà máy gồm 2 dây chuyền sản xuất: Dây chuyền dứa khoanh nước đường đạt 15 tấn sản phẩm/ca và dây chuyền dưa chuột bao tử dầm dấm đạt 12 tấn sản phẩm/ca.
2. Nguồn cung cấp nguyên liệu chính cho hai dây chuyền được xác định từ đâu?
Nguyên liệu dứa quả tươi (giống Queen và Cayenne) được liên kết thu mua từ vùng trồng dứa lớn tại tỉnh Ninh Bình (Công ty CP Thực phẩm Xuất khẩu Đồng Giao) và Phú Thọ; nguyên liệu dưa chuột bao tử được thu mua từ vùng chuyên canh thuộc tỉnh Hưng Yên.
3. Thiết bị nào được chọn cho khâu bóc vỏ, cắt đầu và đột lõi dứa?
Đồ án lựa chọn máy cắt gọt liên hợp Ginaca với năng suất làm việc 80 quả/phút, thực hiện liên hoàn các thao tác cắt hai đầu, gọt sạch vỏ ngoài và đột bỏ lõi dứa với đường kính dao đột từ 70–75 mm.
4. Chế độ thanh trùng và thông số sản phẩm dứa khoanh nước đường được quy định như thế nào?
Sản phẩm dứa khoanh nước đường đóng trong hộp sắt tây (20 oz hoặc 30 oz), nồng độ dịch syrup $16^\circ\text{Bx}$, tỷ lệ cái chiếm 60% khối lượng tịnh. Quá trình thanh trùng thực hiện trong nồi hấp đứng (autoclave) theo công thức:
$$\frac{12 - 12 - 16}{95}$$
(Nâng nhiệt lên $95^\circ\text{C}$ trong 12 phút, giữ nhiệt ở $95^\circ\text{C}$ trong 12 phút và làm nguội trong 16 phút ở áp suất 1 atm).
5. Các biện pháp an toàn lao động và bảo vệ môi trường được đề xuất gồm những gì?
Đồ án đưa ra các giải pháp trang bị bảo hộ lao động (đặc biệt găng tay cao su cho khâu tiếp xúc enzyme bromelin của dứa), kiểm định an toàn thiết bị chịu áp lực (nồi hơi, nồi autoclave), hệ thống PCCC tiêu chuẩn KCN và trạm xử lý nước thải cục bộ bằng phương pháp sinh học trước khi xả thải.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế nhà máy sản xuất rau quả: Dứa, dưa chuột" đã hoàn thành toàn diện các nội dung thiết kế kỹ thuật công nghệ cho nhà máy chế biến đồ hộp tại KCN Thuận Thành III, tỉnh Bắc Ninh. Công trình đã luận chứng tính khả thi kinh tế - kỹ thuật, thiết kế chi tiết quy trình sản xuất dứa khoanh nước đường (15 tấn/ca) và dưa chuột dầm dấm (12 tấn/ca), đồng thời tính toán chính xác cân bằng vật chất, lựa chọn thiết bị, phụ trợ điện - hơi - nước, tổng mặt bằng và phân tích kinh tế. Kết quả đồ án cung cấp một giải pháp thiết kế công nghệ hoàn chỉnh, có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao trong ngành chế biến thực phẩm.