Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong cơ cấu dinh dưỡng của đời sống hiện đại, sữa và các chế phẩm từ sữa giữ vai trò thiết yếu trong việc cung cấp nguồn dưỡng chất toàn diện cho cơ thể con người. Sữa bò tươi tự nhiên chứa hơn 100 thành phần sinh học giá trị cao bao gồm protein, chất béo, đường lactose, hệ vi khoáng và vitamin thiết yếu. Trong nhóm các sản phẩm từ sữa, sữa chua uống tiệt trùng là dòng sản phẩm kết hợp giữa giá trị dinh dưỡng của sữa và lợi ích sinh học từ quá trình lên men lactic, giúp bổ sung lợi khuẩn, cải thiện hệ tiêu hóa và đặc biệt thích hợp cho người tiêu dùng không dung nạp đường lactose.

Theo định hướng từ hội thảo "Quy hoạch ngành sữa Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn 2025", toàn ngành thời điểm nghiên cứu có 72 doanh nghiệp sản xuất với tổng năng lực 150,8 triệu lít sữa chua/năm, đặt mục tiêu nâng sản lượng lên mức 200 - 220 triệu lít sữa chua/năm vào năm 2025. Cùng với đó, số liệu thống kê 6 tháng đầu năm 2019 ghi nhận Việt Nam nhập khẩu 879,37 triệu USD sữa và sản phẩm từ sữa, đồng thời mở rộng xuất khẩu chính ngạch sang thị trường Trung Quốc. Đứng trước tiềm năng thị trường nội địa trên 90 triệu dân và lợi thế đàn bò sữa trong nước có năng suất đứng thứ 4 châu Á, đề tài đồ án công nghệ chế biến thực phẩm tập trung thực hiện việc thiết kế kỹ thuật cho một phân xưởng sản xuất sữa chua uống công nghiệp.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đồ án bao gồm:

  1. Phân tích điều kiện kinh tế - xã hội, địa lý tự nhiên và cơ sở hạ tầng để lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy gắn liền vùng nguyên liệu sữa tại huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội.
  2. Lựa chọn, xây dựng và thuyết minh chi tiết sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất sữa chua uống.
  3. Thiết lập cơ sở lý thuyết và tính toán cân bằng sản phẩm cho từng công đoạn chế biến trong dây chuyền.
  4. Tính toán dung tích, công suất và lựa chọn danh mục thiết bị công nghệ chính phù hợp với quy mô sản xuất.
  5. Tính toán nhu cầu phụ trợ kỹ thuật, bao gồm cân bằng lượng nước (nước rửa hệ thống CIP và nước sinh hoạt) cùng phụ tải tiêu thụ điện năng của phân xưởng.
  6. Hoàn thiện phương án bố trí cơ cấu nhân sự và tính toán kích thước xây dựng các hạng mục công trình chính.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Dây chuyền công nghệ và quy hoạch phân xưởng chế biến sữa chua uống đóng lọ dung tích 65 ml.
  • Năng suất thiết kế: 60.000 lọ/ngày, tương đương 24.000 kg sản phẩm/ngày (12.000 kg/ca sản xuất).
  • Phạm vi không gian: Xã Vân Hòa, huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội – khu vực trọng điểm chăn nuôi bò sữa của vùng Đồng bằng Bắc Bộ.
  • Phạm vi thời gian và chế độ làm việc: Nhà máy vận hành 11 tháng/năm, 26 ngày/tháng (286 ngày làm việc/năm), 2 ca/ngày, mỗi ca làm việc 8 giờ (thời gian vận hành máy móc hữu dụng là 7 giờ/ca).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án được xây dựng dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết công nghệ sinh học và chế biến thực phẩm, kết hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với nguyên liệu thực phẩm:

  • Khung lý thuyết công nghệ chế biến sữa: Ứng dụng các nguyên lý chuyển hóa hóa sinh của quá trình lên men lactic đồng hình, cơ chế đông tụ protein casein ở điểm đẳng điện ($pH \le 4,6$), cùng các quy luật biến đổi cấu trúc nhũ tương dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất đồng hóa cao (tham chiếu giáo trình của TS. Lâm Xuân Thanh, 2004).
  • Hệ thống tiêu chuẩn kiểm soát nguyên liệu:
    • Sữa tươi: Kiểm tra các chỉ tiêu cảm quan, độ tươi ($> 60$), hàm lượng béo ($> 3,2%$), độ axit ($16 - 19^\circ\text{T}$), tổng số vi sinh vật ($< 100$).
    • Sữa bột gầy: Áp dụng theo TCVN 7979:2009 (hàm lượng béo $\le 1%$, độ ẩm $\le 35%$, độ hòa tan $97 - 99,5%$, chì $\le 0,5\text{ mg/kg}$, asen $\le 0,5\text{ mg/kg}$).
    • Đường tinh luyện: Áp dụng theo TCVN 7968:2008 (hàm lượng saccharose $> 99,7%$, đường khử $\le 0,08%$, tro $\le 0,03%$).
    • Nước chế biến: Đảm bảo độ cứng $\le 70\text{ mg/l}$, clo dư $\le 30\text{ mg/l}$, sắt $\le 0,1\text{ mg/l}$, đồng $\le 0,5\text{ mg/l}$.
    • Chủng men giống vi sinh vật: Hỗn hợp vi khuẩn lên men lactic đồng hình gồm Streptococcus thermophilus và Lactobacillus bulgaricus với tỷ lệ phối hợp $1:1$ hoặc $2:1$.
    • Tiêu chuẩn quản lý an toàn thực phẩm: Định hướng thiết lập chương trình tiên quyết (PRP) và hệ thống phân tích mối nguy và điểm kiểm soát tới hạn theo tiêu chuẩn HACCP.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật áp dụng trong đồ án:

  • Phương pháp cân bằng vật chất: Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ($m_v = m_r + m_s$) để tính toán lượng nguyên liệu vào ($m_v$), khối lượng thành phẩm ra ($m_r$) và khối lượng hao hụt ($m_s$) cho từng công đoạn theo công thức liên hệ $m_{ri} = m_{vi} \times (1 - x_i)$ (với $x_i$ là tỷ lệ hao hụt tại công đoạn $i$). Tính toán được thực hiện theo phương pháp truy ngược từ lượng thành phẩm yêu cầu ($12.000\text{ kg/ca}$) trở về nguyên liệu ban đầu.
  • Phương pháp tính toán và chọn thiết bị: Dựa trên công suất dòng nguyên liệu trong 1 giờ làm việc thực tế ($t = 7\text{ giờ/ca}$) và khối lượng riêng của hỗn hợp sữa ($1\text{ lít} = 1,03\text{ kg}$) để xác định hệ số thiết bị $n = \text{Năng suất dây chuyền} / \text{Năng suất thiết bị}$, từ đó lựa chọn thiết bị công nghiệp có sẵn trên thị trường.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật phụ trợ: Xác định nhu cầu nước rửa thiết bị dựa trên quy trình CIP hai chế độ (chế độ tẩy rửa nhiệt độ cao có xút/acid và chế độ thông thường), tính nước sinh hoạt theo định mức công nhân ($0,1\text{ m}^3/\text{người/ngày}$, hệ số dự trữ $K = 1,5$), và tính toán tổng công suất tiêu thụ điện năng cho động lực máy móc cùng hệ thống chiếu sáng dân dụng (hệ số đồng thời $k = 0,8$).

Nguồn dữ liệu: Báo cáo thống kê quy hoạch kinh tế - xã hội và số liệu đàn bò sữa của huyện Ba Vì giai đoạn 2010 - 2020; các thông số kỹ thuật thương mại từ catalog thiết bị ngành sữa của Tetra Pak, Alfa Laval, cùng các nhà chế tạo máy thực phẩm chuẩn hóa.

Nội dung chính theo từng phần của đồ án

Phần một: Lập luận kinh tế

Phân xưởng được quyết định xây dựng tại xã Vân Hòa, huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội. Ba Vì sở hữu địa hình chia làm ba tiểu vùng (núi, đồi, đồng bằng ven sông Hồng), trong đó đất đồi núi chiếm $58,9%$ ($18.478\text{ ha}$) tạo điều kiện thuận lợi phát triển đồng cỏ phục vụ chăn nuôi bò sữa. Thống kê của địa phương cho thấy đàn bò sữa tăng từ 2.950 con (năm 2010) lên 9.300 con (năm 2015, chiếm $65%$ tổng đàn của toàn thành phố Hà Nội) và đạt 8.100 con vào năm 2020. Trong đó, các xã Vân Hòa, Yên Bài, Tản Lĩnh chiếm tới $85%$ tổng đàn bò toàn huyện; giống chủ lực là bò lai HF với năng suất sữa đạt $14 - 15\text{ kg/con/ngày}$.

Về mặt hạ tầng, địa điểm đặt nhà máy có mạng lưới giao thông thuận tiện qua Quốc lộ 32 và hệ thống đường thủy sông Hồng, sông Đà, sông Lô kết nối Hà Nội với các tỉnh Tây Bắc và vùng đồng bằng. Nguồn nhân lực tại chỗ dồi dào với $51,1%$ dân số huyện Ba Vì trong độ tuổi lao động (quy mô dân số năm 2017 là 267,3 nghìn người), đồng thời có khả năng tiếp nhận lực lượng kỹ sư, chuyên gia từ các trường đại học tại Hà Nội. Hệ thống hạ tầng kỹ thuật phụ trợ bao gồm lưới điện quốc gia (có máy phát dự phòng), nguồn nước ngầm khoan kết hợp nhà máy nước xử lý cục bộ, trạm xử lý nước thải tập trung của cụm công nghiệp, cùng hệ thống phòng cháy chữa cháy sprinkler đường ống ướt với lưu lượng phun $0,08 - 1,3\text{ l/s}$.

Nguyên liệu chính và phụ được kiểm soát nghiêm ngặt theo các chỉ tiêu hóa lý xác định:

Nguyên liệu Chỉ tiêu hóa lý yêu cầu Tiêu chuẩn / Nguồn tham chiếu
Sữa tươi Béo $> 3,2%$; Độ chua $16 - 19^\circ\text{T}$; Độ tươi $> 60$; Vi sinh vật $< 100$ TS. Lâm Xuân Thanh (2004)
Sữa bột gầy Béo $\le 1%$; Độ hòa tan $97 - 99,5%$; Độ ẩm $\le 35%$; pH hoàn nguyên $6,6 - 6,7$; Độ axit $16 - 19^\circ\text{T}$; $\text{Pb} \le 0,5\text{ mg/kg}$; $\text{As} \le 0,5\text{ mg/kg}$ TCVN 7979:2009
Đường Saccharose $> 99,7%$; Đường khử $\le 0,08%$; Tro $\le 0,03%$; Ẩm $\le 0,05%$; Tạp chất $\le 2\text{ ppm}$; $\text{Pb} \le 5\text{ ppm}$ TCVN 7968:2008
Nước Độ cứng $\le 70\text{ mg/l}$; Clo dư $\le 30\text{ mg/l}$; Fe $\le 0,1\text{ mg/l}$; Cu $\le 0,5\text{ mg/l}$; $\text{NH}_3 \le 0,5\text{ mg/l}$; Không có axit cacbonic ăn mòn Tiêu chuẩn nước chế biến

Phần hai: Lựa chọn thiết bị và quy trình sản xuất

Quy trình công nghệ chế biến sữa chua uống được xây dựng qua 11 bước kế tiếp nhau: Lựa chọn nguyên liệu $\rightarrow$ Chuẩn hóa, phối trộn $\rightarrow$ Đồng hóa $\rightarrow$ Bài khí $\rightarrow$ Thanh trùng $\rightarrow$ Làm nguội $\rightarrow$ Cấy vi sinh vật $\rightarrow$ Lên men $\rightarrow$ Khuấy lạnh $\rightarrow$ Đồng nhất sản phẩm $\rightarrow$ Rót vô trùng $\rightarrow$ Sản phẩm.

Các thông số kỹ thuật cốt lõi của quy trình:

  • Chuẩn hóa và phối trộn: Sữa tươi nhập về có hàm lượng chất béo trung bình $4%$, được chuẩn hóa xuống $3%$ chất béo bằng cách bổ sung sữa bột gầy (tỷ lệ không vượt quá $3%$ khối lượng sữa tươi). Quá trình phối trộn đường, sữa gầy và chất ổn định được gia nhiệt sơ bộ ở $55 - 60^\circ\text{C}$.
  • Bài khí: Hút chân không nhằm loại bỏ bọt khí phân tán, nâng cao hiệu quả truyền nhiệt và ổn định cấu trúc gel.
  • Đồng hóa: Thực hiện ở áp lực cao nhằm xé nhỏ các hạt cầu béo, hạn chế sự tách pha chất béo trong quá trình lên men và bảo quản.
  • Thanh trùng và làm nguội: Xử lý nhiệt ức chế vi sinh vật tạp nhiễm và enzyme tự nhiên, đồng thời làm biến tính sơ bộ protein sữa để tạo mạng gel đồng nhất; sau đó làm nguội về nhiệt độ cấy men.
  • Cấy giống và lên men: Bổ sung hỗn hợp vi khuẩn Streptococcus thermophilus và Lactobacillus bulgaricus. Nhiệt độ lên men duy trì ở $42^\circ\text{C}$ trong thời gian $5 - 6\text{ giờ}$, kết thúc khi độ chua đạt $pH = 4,5 - 4,6$.
  • Khuấy lạnh và đồng nhất: Hạ nhiệt độ nhanh từ $42^\circ\text{C}$ xuống $15 - 22^\circ\text{C}$ trong thời gian $20 - 30\text{ phút}$ để làm chậm hoạt tính sinh acid của vi khuẩn; tiếp tục đồng nhất chống tách pha trước khi chuyển sang hệ thống chiết rót.
  • Rót vô trùng và bảo quản: Chiết rót định lượng vào lọ $65\text{ ml}$ trong điều kiện vô trùng. Sản phẩm bảo quản lạnh ở $2 - 5^\circ\text{C}$ tối thiểu 6 giờ trước khi phân phối; hạn sử dụng đạt 40 ngày trong điều kiện bảo quản mát.

Phần ba: Tính cân bằng sản phẩm

Quá trình tính toán cân bằng sản phẩm dựa trên công suất thiết kế $12.000\text{ kg/ca}$ ($24.000\text{ kg/ngày}$). Công thức tính khối lượng dòng sản phẩm đi vào từng công đoạn là: $$m_{vi} = \frac{m_{ri}}{1 - x_i}$$

Tỷ lệ hao hụt kỹ thuật và kết quả tính toán khối lượng qua từng công đoạn:

Công đoạn ($i$) Tỷ lệ hao hụt ($x_i$) Nguyên nhân hao hụt Lượng vào $m_{vi}$ (kg/ca) Lượng ra $m_{ri}$ (kg/ca)
Chuẩn hóa, phối trộn $0,5%$ Dính bám thiết bị 12.441,48 12.379,28
Đồng hóa $0,2%$ Dính bám thiết bị 12.379,28 12.354,52
Bài khí $0,5%$ Bay hơi, dính thiết bị 12.354,52 12.292,75
Thanh trùng $1,0%$ Bay hơi, bám nhiệt 12.292,75 12.169,82
Làm nguội $0,1%$ Dính bám thiết bị 12.169,82 12.157,65
Lên men $1,0%$ Bám dính bồn men 12.157,65 12.036,07
Khuấy lạnh $0,1%$ Dính bám thiết bị 12.036,07 12.024,04
Đồng nhất $0,1%$ Dính bám thiết bị 12.024,04 12.012,01
Rót vô trùng $0,1%$ Rơi vãi, hao hụt rót 12.012,01 12.000,00
Bảo quản lạnh $0,0%$ Coi như không hao hụt 12.000,00 12.000,00

Từ tỷ lệ phối trộn công thức sản phẩm, tổng khối lượng từng cấu tử nguyên liệu được xác định cụ thể cho 1 ca sản xuất ($12.441,48\text{ kg}$) và 1 năm làm việc (572 ca):

Tên nguyên liệu Tỷ lệ khối lượng (%) Khối lượng 1 ca (kg) Khối lượng 1 năm (kg)
Sữa tươi 79,03 9.832,51 5.624.195,51
Đường 8,00 995,32 569.323,04
Nước 7,00 870,90 498.154,80
Men giống 5,00 622,07 355.824,04
Sữa bột gầy 0,92 114,46 65.471,12
Chất ổn định 0,05 6,22 3.558,24
Tổng cộng 100,00 12.441,48 7.116.526,75

Phần bốn: Tính và chọn thiết bị

Thời gian làm việc hiệu dụng của máy móc được tính là 7 giờ/ca (dành 1 giờ cho khởi động, vệ sinh và nghỉ giữa ca). Khối lượng thể tích quy đổi của hỗn hợp sữa là $1\text{ lít} = 1,03\text{ kg}$.

Tổng hợp kết quả tính toán chọn thiết bị chính của dây chuyền:

Công đoạn / Thiết bị Dòng thể tích (l/ca) Lưu lượng tính toán Thiết bị lựa chọn Thông số kỹ thuật chính Số lượng (cái)
Tank trữ sữa ngoài trời 19.092,26 l/ngày 19.092,26 l/ngày Tank chuyên dụng Dung tích hiệu dụng $20.000\text{ lít}$; tốc độ khuấy $960\text{ vòng/phút}$ 1
Chuẩn hóa, phối trộn 12.079,12 1.725,59 l/h Tetra Almix 10 Năng suất $2.000\text{ l/h}$; công suất $20\text{ kW}$; áp suất vào 0,5 bar, ra 1 bar 1 ($n = 0,86$)
Đồng hóa 12.018,72 1.716,96 l/h Model GJP-2-25 Năng suất $2.000\text{ l/h}$; áp lực $25\text{ MPa}$; công suất $15\text{ kW}$ 1 ($n = 0,86$)
Bài khí chân không 11.994,68 1.713,53 l/h Model ZTD-2 Năng suất $2.000\text{ l/h}$; áp lực chân không $0,064 - 0,087\text{ MPa}$; $6,2\text{ kW}$ 1 ($n = 0,86$)
Thanh trùng bản mỏng 11.934,71 1.704,96 l/h Alfa-Laval Năng suất $2.000\text{ l/h}$; công suất $12\text{ kW}$; thời gian duy trì $100\text{ s}$ 1 ($n = 0,85$)
Thiết bị lên men 11.803,54 1.686,22 l/h Model SSG-2 Dung tích $2.000\text{ lít}$; đường kính $1.340\text{ mm}$; chiều cao $2.760\text{ mm}$ 3 ($n = 3,0$)
Máy chiết rót vô trùng 11.662,15 25.632 lọ/h (lọ 65ml) Tetra Pak A3 Năng suất $10.000 - 26.000\text{ hộp/h}$; sai số $\pm 2$; công suất $1,7\text{ kW}$ 1 ($n = 0,99$)

Ghi chú kỹ thuật: Riêng thiết bị lên men SSG-2 cần sử dụng 3 bồn do chu trình lên men kéo dài 4 giờ, vận hành theo mẻ gián đoạn: $$n = \frac{1.688,22 \times 4}{2.000} \approx 3\text{ bồn}$$

Phần năm: Tính toán điện và nước

Nhu cầu sử dụng nước của phân xưởng bao gồm nước CIP vệ sinh thiết bị và nước phục vụ sinh hoạt:

  • Nước vệ sinh CIP: Hệ thống CIP tuần hoàn có lưu lượng $3.000\text{ l/h}$ ($3.000\text{ kg/h}$).
    • Chế độ I (áp dụng cho thiết bị xử lý nhiệt, thanh trùng): Gồm rửa nước nóng $50^\circ\text{C}$ (30 phút, tốn 1.500 kg), tuần hoàn xút $\text{NaOH } 1%$ ở $60^\circ\text{C}$ (45 phút, tốn 2.227,5 kg nước và 22,5 kg NaOH), tráng nước nóng $50^\circ\text{C}$ (10 phút, tốn 500 kg), tuần hoàn acid nitric $\text{HNO}_3\ 0,6%$ ở $60^\circ\text{C}$ (30 phút, tốn 1.491 kg nước và 9 kg $\text{HNO}_3$), và tráng nước lạnh $28^\circ\text{C}$ (10 phút, tốn 500 kg). Tổng lượng nước chế độ I là $6.218,5\text{ kg/ngày}$.
    • Chế độ II (áp dụng cho các thiết bị công nghệ thông thường): Gồm rửa nước nóng (12 phút, tốn 600 kg), tuần hoàn xút $1%$ (25 phút, tốn 1.237,5 kg nước và 12,5 kg NaOH), tráng nước nóng (12 phút, tốn 600 kg), và tráng nước lạnh (25 phút, tốn 1.250 kg). Tổng lượng nước chế độ II là $3.687,5\text{ kg/ngày}$.
    • Tổng lượng nước chạy CIP: 1 ca tốn $9,91\text{ m}^3$; 2 ca tốn $19,82\text{ m}^3/\text{ngày}$.
  • Nước sinh hoạt: Tính theo định mức $0,1\text{ m}^3/\text{người/ngày}$ cho 98 công nhân, hệ số dự trữ $K = 1,5$: $$N_{sh} = 0,1 \times 98 \times 1,5 = 14,7\text{ m}^3/\text{ngày}$$
  • Tổng lượng nước tiêu thụ: $N = 19,82 + 14,7 = 34,52\text{ m}^3/\text{ngày}$, tương đương $9.872,72\text{ m}^3/\text{năm}$.

Cân bằng phụ tải điện tiêu thụ:

  • Điện động lực sản xuất: Tổng công suất đặt của 7 cụm thiết bị chính trong phân xưởng là $63,4\text{ kW}$. Lượng điện tiêu thụ thực tế trong 1 ca (7 giờ máy chạy) là $443,8\text{ kWh/ca}$; 2 ca tiêu thụ $887,6\text{ kWh/ngày}$; 1 năm tiêu thụ $253.853,6\text{ kWh}$.
  • Điện dân dụng (chiếu sáng, quạt thông gió): Lấy bằng $10%$ điện động lực ($P_{dd} = 6,34\text{ kW}$); công suất tính toán với hệ số không đồng thời $k = 0,8$ là $P_{ttdd} = 5,07\text{ kW}$. Điện dân dụng tiêu thụ $1,44\text{ kWh/ngày}$, tương đương $411,84\text{ kWh/năm}$.
  • Tổng điện năng phân xưởng tiêu thụ trong 1 năm: $254.265,44\text{ kWh}$.

Phần sáu: Tính toán xây dựng và cơ cấu nhân sự

Nhà máy tổ chức bộ máy nhân sự theo mô hình trực tuyến - chức năng đứng đầu bởi Giám đốc, hỗ trợ bởi Phó giám đốc kỹ thuật và Phó giám đốc kinh doanh, phụ trách 7 phòng ban chức năng.

Cơ cấu phân bổ nhân lực toàn nhà máy:

Nhóm nhân sự Các vị trí, chức danh Định biên (người)
Cán bộ quản lý và chuyên môn hành chính Giám đốc (1), PGĐ kinh doanh (1), PGĐ kỹ thuật (1), Trưởng phòng kỹ thuật (1), KCS (1), Hành chính (1), Marketing (1), R&D (1), Nhân sự (1); Kế toán (1), Thủ quỹ (1), Hành chính (2), KCS (2), R&D (3), Marketing (2), Nhân sự (2); Kỹ sư công nghệ (3), Cơ khí (1), Điện (1), Nhiệt (1) 28
Công nhân trực tiếp sản xuất (1 ca) Vận hành cấp liệu (1), Phối trộn (1), Đồng hóa (1), Bài khí (1), Thanh trùng (1), Lên men (1), Chiết rót (1), Xếp thùng (5), Vận chuyển kho (2), Trưởng ca sản xuất (1) 15
Lao động gián tiếp phục vụ (1 ca) Bảo vệ (5), Vệ sinh công nghiệp (5), Y tế (2), Phục vụ nhà ăn (5), Lái xe (3) 20
Tổng số lao động trong ngày 28 cán bộ hành chính + (15 trực tiếp + 20 gián tiếp) $\times$ 2 ca 98

Ghi chú: Số cán bộ công nhân viên tập trung đông nhất trong 1 ca sản xuất tại nhà máy là 63 người (bao gồm 28 cán bộ hành chính và 35 công nhân trực tiếp, gián tiếp của ca 1).

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã thiết lập thành công hệ thống dữ liệu kỹ thuật hoàn chỉnh cho một phân xưởng sản xuất sữa chua uống công nghiệp:

  • Cân bằng vật chất chính xác cho quy mô $12.000\text{ kg/ca}$ ($60.000\text{ lọ 65 ml/ngày}$): Để đạt khối lượng thành phẩm yêu cầu, tổng lượng nguyên liệu thô đầu vào cần nạp là $12.441,48\text{ kg/ca}$ (tương ứng hao hụt toàn dây chuyền là $3,55%$). Nhu cầu nguyên liệu 1 năm gồm $5.624.195,51\text{ kg}$ sữa tươi, $569.323,04\text{ kg}$ đường kính, $355.824,04\text{ kg}$ men giống và $65.471,12\text{ kg}$ sữa bột gầy.
  • Chuẩn hóa dây chuyền thiết bị năng suất $2.000\text{ l/h}$: Lựa chọn danh mục máy móc đồng bộ từ các thương hiệu công nghiệp (Tetra Pak, Alfa Laval) với hệ số tải hữu dụng đạt $n = 0,85 - 0,99$. Việc bố trí 3 bồn lên men SSG-2 dung tích $2.000\text{ lít}$ giải quyết triệt để sự chênh lệch thời gian giữa khâu lên men gián đoạn (4 giờ) và các thiết bị dòng chảy liên tục.
  • Xác lập định mức kỹ thuật phụ trợ: Tổng hợp chi tiết nhu cầu nước tiêu thụ đạt $34,52\text{ m}^3/\text{ngày}$ ($9.872,72\text{ m}^3/\text{năm}$) và phụ tải điện năng đạt $254.265,44\text{ kWh/năm}$.
  • Đóng góp thực tiễn: Đưa ra giải pháp công nghệ khả thi nhằm tiêu thụ và gia tăng giá trị kinh tế cho vùng chăn nuôi bò sữa tập trung quy mô 8.100 con tại huyện Ba Vì, đồng thời xây dựng quy trình rửa CIP hai chế độ kiểm soát chặt chẽ lượng hóa chất xút và acid thải ra môi trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Tỷ lệ phối trộn nguyên liệu (Bảng 3.1) và các hệ số hao hụt qua từng công đoạn (Bảng 3.2) được nhóm tác giả giả thiết dựa trên lý thuyết giáo trình và điều kiện trung bình, chưa được hiệu chỉnh thông qua thực nghiệm vận hành trên dây chuyền pilot thực tế.
  • Đồ án chưa tính đến biến động theo mùa vụ của chất lượng sữa tươi nguyên liệu tại Ba Vì (hàm lượng chất khô, tỷ lệ chất béo và độ chua dao động giữa mùa khô và mùa mưa), ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ lệ phối trộn sữa bột gầy thực tế.
  • Các phần tính toán kết cấu xây dựng chi tiết, dự toán tài chính (vốn đầu tư cố định, khấu hao, điểm hòa vốn) và hệ thống kiểm soát CCP theo tiêu chuẩn HACCP mới dừng lại ở việc lập khung danh mục trong mục lục, chưa thể hiện số liệu tính toán chi tiết trong phần văn bản này.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Khảo sát thực nghiệm sự biến thiên tính chất hóa lý của sữa bò tươi Ba Vì theo chu kỳ 12 tháng để thiết lập phần mềm tự động hiệu chỉnh tỷ lệ phối trộn chuẩn hóa béo.
  • Tiến hành thực nghiệm xác định chính xác thời gian duy trì thanh trùng và thông số áp lực đồng hóa tối ưu nhằm kéo dài thời gian bảo quản của sản phẩm vượt trên 40 ngày mà không cần chất bảo quản nhân tạo.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm, Kỹ thuật chế biến và Máy - Thiết bị thực phẩm:

  • Phương pháp tính toán cân bằng vật chất: Cung cấp bài toán mẫu về phương pháp tính toán cân bằng khối lượng đi ngược từ thành phẩm ra nguyên liệu ban đầu qua chuỗi 11 công đoạn có hệ số hao phí xác định.
  • Kỹ thuật tính và chọn thiết bị chế biến sữa: Minh họa rõ ràng phương pháp phối hợp giữa các thiết bị vận hành liên tục (thanh trùng bản mỏng, máy bài khí, máy đồng hóa, máy chiết rót) và thiết bị hoạt động gián đoạn theo chu kỳ mẻ (bồn lên men).
  • Kỹ thuật tính toán phụ trợ: Cung cấp biểu mẫu tính toán lưu lượng nước rửa CIP cho cả hai chế độ nhiệt cao và thông thường, cùng phương pháp xác định phụ tải điện cho nhà máy chế biến sữa.

Câu hỏi thường gặp

1. Địa điểm đặt nhà máy được lựa chọn dựa trên những lợi thế cụ thể nào về vùng nguyên liệu? Nhà máy được đặt tại xã Vân Hòa, huyện Ba Vì, Hà Nội. Đây là vùng trọng điểm chăn nuôi bò sữa với tổng đàn của huyện năm 2020 đạt 8,1 nghìn con, trong đó 3 xã Vân Hòa, Yên Bài và Tản Lĩnh chiếm $85%$ tổng đàn. Năng suất khai thác sữa tại địa phương đạt $14 - 15\text{ kg/con/ngày}$, cung cấp nguồn sữa tươi dồi dào tại chỗ, giảm thiểu chi phí và thời gian vận chuyển làm suy giảm chất lượng sữa.

2. Công thức phối trộn nguyên liệu của phân xưởng quy định tỷ lệ các thành phần như thế nào? Công thức phối trộn cho một ca sản xuất bao gồm: Sữa tươi chiếm $79,03%$, Đường kính $8,00%$, Nước $7,00%$, Men giống $5,00%$, Sữa bột gầy $0,92%$ và Chất ổn định chiếm $0,05%$ tổng khối lượng nguyên liệu đưa vào.

3. Vì sao phân xưởng cần trang bị tới 3 bồn lên men SSG-2 trong khi các thiết bị công nghệ khác chỉ cần 1 máy? Các thiết bị như chuẩn hóa phối trộn, đồng hóa, bài khí, thanh trùng và chiết rót đều vận hành liên tục với năng suất $2.000\text{ l/h}$, trong 7 giờ làm việc hiệu dụng mỗi ca có thể xử lý hơn $12.000\text{ lít}$ sữa. Ngược lại, quá trình lên men là quá trình sinh học gián đoạn kéo dài 4 giờ. Để đảm bảo tiếp nhận và xử lý liên tục lượng sữa $1.686,22\text{ l/h}$, hệ số thiết bị lên men tính ra là $n = (1.688,22 \times 4) / 2.000 = 3,37$, do đó bắt buộc phải bố trí 3 bồn lên men SSG-2 ($2.000\text{ lít}$) hoạt động luân phiên.

4. Quy trình vệ sinh CIP của phân xưởng tiêu thụ lượng nước và hóa chất tẩy rửa như thế nào trong 1 ngày? Quy trình CIP được chia làm 2 chế độ: Chế độ I (cho thiết bị trao đổi nhiệt, thanh trùng) sử dụng $6.218,5\text{ kg}$ nước, $22,5\text{ kg}$ xút $\text{NaOH } 1%$ và $9\text{ kg}$ acid $\text{HNO}_3\ 0,6%$; Chế độ II (cho các thiết bị còn lại) sử dụng $3.687,5\text{ kg}$ nước và $12,5\text{ kg}$ xút. Tổng lượng nước CIP cho 1 ca là $9,91\text{ m}^3$ và cho 2 ca làm việc trong ngày là $19,82\text{ m}^3$.

5. Cơ cấu nhân sự 98 người trong ngày của nhà máy được phân bổ cụ thể ra sao? Nhân sự toàn nhà máy gồm: 28 cán bộ làm việc theo giờ hành chính (gồm 3 lãnh đạo ban giám đốc, 6 trưởng phòng, 13 nhân viên nghiệp vụ và 6 kỹ sư kỹ thuật chuyên trách). Lực lượng công nhân trực tiếp sản xuất gồm 15 người/ca (tổng 30 người cho 2 ca). Lực lượng lao động gián tiếp phục vụ nhà ăn, y tế, lái xe, vệ sinh và bảo vệ gồm 20 người/ca (tổng 40 người cho 2 ca). Ca sản xuất tập trung đông nhất gồm 63 người.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành trọn vẹn bài toán thiết kế kỹ thuật cho phân xưởng sản xuất sữa chua uống năng suất 60.000 lọ/ngày đặt tại huyện Ba Vì, Hà Nội. Toàn bộ các bước tính toán từ cân bằng vật chất, lựa chọn thiết bị công nghệ chuẩn hóa đến cân bằng phụ tải điện nước và bố trí 98 nhân sự đều được thực hiện nhất quán, dựa trên các căn cứ khoa học và tiêu chuẩn kỹ thuật thực phẩm. Bản thiết kế là một phương án công nghệ có tính khả thi kỹ thuật cao, góp phần khai thác hiệu quả tiềm năng vùng nguyên liệu sữa bò tươi tại địa phương.