Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến sữa và các chế phẩm từ sữa giữ vai trò thiết yếu trong việc cung cấp nguồn thực phẩm giàu dinh dưỡng, cân đối protein, lipid, khoáng chất và vitamin cho khẩu phần ăn của con người. Trong nhóm sản phẩm sữa lên men, yaourt (sữa chua) được sử dụng phổ biến nhờ chứa hệ vi khuẩn lactic có lợi cho hệ tiêu hóa, hỗ trợ quá trình tiêu hóa thức ăn và nâng cao thể trạng. Tại Việt Nam, nhu cầu tiêu thụ sữa tươi tiệt trùng, yaourt uống và yaourt truyền thống tăng trưởng nhanh chóng qua các năm, trong khi nguồn cung sữa nguyên liệu nội địa tại thời điểm thực hiện đồ án vẫn chưa đáp ứng đủ, dẫn đến việc phải nhập khẩu sữa từ nước ngoài. Mặc dù vậy, điều kiện tự nhiên nhiệt đới gió mùa cùng tiềm năng chăn nuôi bò sữa tại các địa phương trọng điểm phía Nam tạo tiền đề quan trọng để phát triển công nghiệp chế biến sữa. Để đáp ứng thị hiếu đa dạng của người tiêu dùng và nâng cao năng lực sản xuất công nghiệp, đồ án tập trung vào nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cho một phân xưởng sản xuất hoàn chỉnh.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu - thiết kế được xác định cụ thể trong văn bản như sau:

  1. Xác lập luận chứng kinh tế - kỹ thuật và lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy phù hợp với nguồn nguyên liệu và thị trường tiêu thụ.
  2. Đánh giá tính chất hóa lý, thành phần hóa học, chỉ tiêu chất lượng của nguyên liệu sữa tươi, đường, chất ổn định và hệ vi sinh vật lên men.
  3. Thiết lập và thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ cho hai dòng sản phẩm yaourt dạng lỏng (yaourt uống) và yaourt dạng gel (truyền thống).
  4. Tính toán cân bằng vật chất chi tiết cho từng công đoạn công nghệ trên cả hai dây chuyền và phân xưởng chung.
  5. Tính toán, lựa chọn hệ thống thiết bị chế biến, đóng gói và phụ trợ chuyên dùng trong ngành sữa.
  6. Tính toán nhu cầu năng lượng (hơi nhiệt, lạnh công nghiệp, phụ tải điện) và lựa chọn thiết bị cung cấp (lò hơi, máy nén lạnh).
  7. Xác định định hướng quy hoạch xây dựng và đề xuất các giải pháp kỹ thuật về an toàn lao động, vệ sinh công nghiệp (CIP).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là dây chuyền công nghệ và thiết bị sản xuất hai dòng sản phẩm yaourt:

  • Yaourt dạng lỏng (dạng uống): Năng suất thiết kế 8 triệu lít/năm, sản phẩm đạt hàm lượng chất khô 14%, chất béo 3,5%, khối lượng riêng 1,047 kg/l, đóng bao bì hộp giấy vô trùng 250 ml.
  • Yaourt dạng gel: Năng suất thiết kế 7 triệu tấn/năm (theo số liệu đăng ký trong văn bản), sản phẩm đạt hàm lượng chất khô 16%, chất béo 3,5%, đóng hộp nhựa 110 ml.

Phạm vi địa lý và không gian nghiên cứu được xác định cụ thể: Phân xưởng được thiết kế đặt tại Khu công nghiệp Biên Hòa, phường An Bình, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai. Nguồn sữa tươi nguyên liệu chính được quy hoạch thu mua trực tiếp từ các trang trại chăn nuôi bò sữa thuộc huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai kết hợp nguồn sữa nhập khẩu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án được xây dựng dựa trên các nguyên lý hóa lý, sinh hóa và vi sinh vật học trong chế biến sữa:

  • Cơ sở hóa lý và sinh hóa sữa tươi: Hệ keo phân tán của sữa gồm các cầu béo đường kính 3 - 5 $\mu$m và micelle protein đường kính khoảng 0,1 $\mu$m trong pha liên tục là nước. Hệ protein sữa bao gồm cazein toàn phần chiếm 26 - 29 g/l (với $\alpha$-casein chiếm 60%, $\beta$-casein chiếm 30%, $\kappa$-casein chiếm 4 - 8%), $\beta$-lactoglobulin (2,5 - 4 g/l), $\alpha$-lactalbumin (0,8 - 1,5 g/l). Quá trình xử lý nhiệt 90 - 95 °C làm biến tính sơ bộ whey protein và tạo liên kết phức hợp với $\kappa$-casein nhằm cải thiện khả năng tạo gel.
  • Cơ sở lên men lactic: Đồ án ứng dụng cơ chế lên men đồng hình đường lactose bởi hai chủng vi khuẩn điển hình là Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus (phát triển tối ưu ở 45 - 50 °C, tạo tối đa 2,7% axit lactic) và Streptococcus thermophilus (sinh trưởng tối ưu ở 50 °C, sinh sản ở 37 - 40 °C). Sự phối hợp hai chủng vi khuẩn này ở tỷ lệ tối ưu trong dải nhiệt độ 40 - 43 °C, pH 4,0 - 4,5 tạo ra axit lactic làm giảm pH xuống điểm đẳng điện của casein (pH = 4,6), giúp protein đông tụ tạo cấu trúc gel mịn và sinh tổng hợp các hợp chất tạo hương đặc trưng như diaxetyl, axetoin.
  • Tiêu chuẩn nguyên phụ liệu: Hệ thống tiêu chuẩn áp dụng gồm quy định chất lượng sữa tươi nguyên liệu (chất khô $\ge$ 11,5%, chất béo $\ge$ 2,8%, độ Donic 16 - 18 °D, pH 6,5 - 6,6, tổng tạp trùng $\le$ 50.000 tế bào/ml, coliform < 20 tế bào/ml); tiêu chuẩn đường RE (saccaroza > 99,7%, ẩm < 0,05%, SO2 < 7 mg/kg); tiêu chuẩn phụ gia chất ổn định số hiệu 5846 (hàm lượng sử dụng 0,1% - 0,5%, thành phần gồm pectin, gelatin và tinh bột ngô biến tính) theo quy định của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO) và Tiêu chuẩn Việt Nam.

Phương pháp tính toán kỹ thuật:

  • Phương pháp cân bằng vật chất: Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng cho từng thiết bị và toàn bộ quy trình công nghệ dựa trên tỷ lệ tổn hao thực tế tại từng công đoạn và các phương trình cân bằng cấu tử (chất khô, chất béo).
  • Phương pháp cân bằng nhiệt: Thiết lập cân bằng nhiệt lượng vào - ra cho các quá trình trao đổi nhiệt bản mỏng, thanh trùng, làm nguội dịch sữa và hệ thống vệ sinh tại chỗ (CIP) để tính toán lưu lượng hơi nước bão hòa (áp suất 3 bar, ẩn nhiệt hóa hơi r = 2141 kJ/kg) và tải lạnh yêu cầu.
  • Phương pháp tính chọn thiết bị công nghiệp: Xác định năng suất tính toán theo ca sản xuất, áp dụng hệ số an toàn thực tế vượt tải 20% để tra cứu và chọn các dòng thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn từ các nhà sản xuất chuyên ngành (Tetra Pak, Alfa Laval, IPP, Bencopak, Shuanglong).

Thiết kế và triển khai công nghệ phân xưởng

Phân xưởng được thiết kế theo mô hình tích hợp công nghệ chung ở giai đoạn xử lý nguyên liệu ban đầu và tách nhánh độc lập ở giai đoạn hoàn thiện sản phẩm. Dây chuyền công nghệ được phân bổ qua các công đoạn:

  1. Dây chuyền công nghệ chung:
  • Tiếp nhận và kiểm tra: Sữa tươi từ xe bồn được làm lạnh về 4 °C, kiểm tra cảm quan, hóa lý và vi sinh trước khi bơm vào 2 bồn bảo quản Tetra Alsafe LA (dung tích 30.000 lít/bồn).
  • Định lượng và Chuẩn hóa: Sữa được gia nhiệt lên 65 °C bằng thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng, đưa vào máy ly tâm tách béo Tetra Alfast Plus để hiệu chỉnh hàm lượng chất béo về đúng 3,5%. Dòng cream dư thu được đạt 254,2 kg/ca được tách riêng làm sản phẩm phụ.
  • Xử lý nhiệt: Sữa sau chuẩn hóa được gia nhiệt lên 90 - 95 °C trong thời gian 3 phút nhằm tiêu diệt vi sinh vật gây hại, vô hoạt enzyme và làm biến tính sơ bộ protein để tăng độ bền gel.
  • Đồng hóa cấp 1: Thực hiện ở áp lực 200 - 250 bar, nhiệt độ 65 - 70 °C bằng máy đồng hóa hai cấp Tetra Alex 400 để giảm kích thước cầu béo, ngăn ngừa hiện tượng tách pha chất béo.
  1. Dây chuyền yaourt dạng lỏng (yaourt uống):
  • Lên men: Dịch sữa được làm nguội về 42 - 43 °C, cấy giống vi khuẩn lactic (tỷ lệ 4%) trong bồn lên men dạng đứng có cánh khuấy. Thời gian lên men kéo dài 2 - 3 giờ cho đến khi độ chua đạt 70 - 80 °D.
  • Phối trộn và Đồng hóa cấp 2: Dịch yaourt sau lên men được phối trộn với siro đường 70% và chất ổn định 5846 trong bồn Shuanglong LDSH-15, sau đó đưa qua máy đồng hóa Tetra Alex 30 ở áp lực 50 - 200 bar nhằm phá vỡ hoàn toàn cấu trúc gel đông, làm giảm độ nhớt và tạo trạng thái lỏng đồng nhất.
  • Làm lạnh, Chờ rót và Đóng gói: Sản phẩm được làm lạnh nhanh về 20 °C, chứa tại bồn chờ rót bảo quản ở 4 - 6 °C, sau đó chuyển sang máy rót Tetra Pak TBA/22 để đóng gói vô trùng vào bao bì giấy 7 lớp thể tích 250 ml (tiệt trùng bao bì bằng dung dịch H2O2 35% kết hợp thổi khí nóng 180 °C).
  1. Dây chuyền yaourt dạng gel:
  • Cấy giống và Phối trộn trước: Sữa sau đồng hóa cấp 1 được làm nguội về 43 °C, cấy giống vi khuẩn và phối trộn trực tiếp với siro đường 70% cùng dung dịch chất ổn định.
  • Rót hộp trước khi lên men: Hỗn hợp dịch sữa được rót trực tiếp vào các hộp nhựa 110 ml bằng máy rót 8 đầu Bencopak ở trạng thái vô trùng.
  • Lên men trong bao bì: Các hộp sản phẩm được đưa vào phòng lên men vô trùng ở nhiệt độ 42 - 43 °C trong 2,5 - 3 giờ đến khi độ chua đạt 70 - 80 °D, hình thành cấu trúc gel đông cứng mịn đặc trưng.
  • Làm lạnh và Bảo quản: Sản phẩm sau lên men được chuyển sang phòng làm lạnh hạ nhiệt độ xuống 2 - 4 °C và lưu kho bảo quản từ 1 - 2 tháng.
Thiết bị Model / Hãng sản xuất Thông số kỹ thuật chính Số lượng
Bồn chứa sữa tươi Tetra Alsafe LA (Tetra Pak) Dung tích 30.000 l, vật liệu AISI 304, áp suất 3 bar 2
Thiết bị ly tâm chuẩn hóa Tetra Alfast Plus (Tetra Pak) Năng suất 5.000 - 75.000 l/h, công suất động cơ 0,5 kW 1
Thiết bị xử lý nhiệt bản mỏng Tetra Plex C8 Năng suất 35.000 l/h, vật liệu AISI 316, công suất 2 kW 1
Thiết bị đồng hóa cấp 1 Tetra Alex 400 (Tetra Pak) Năng suất 27.400 l/h, áp suất làm việc cấp 1 là 250 bar 1
Thiết bị đồng hóa cấp 2 Tetra Alex 30 (Tetra Pak) Năng suất 18.100 l/h, áp suất 200 bar, động cơ 118 kW 1
Thiết bị lên men yaourt uống IPP Thể tích 12.500 l, đường kính 2,5 m, vỏ áo điều nhiệt 1
Thiết bị phối trộn LDSH-15 (Shuanglong) Dung tích 15.000 l, công suất 55 kW, vật liệu inox 2
Thiết bị cấy giống DSH-1 (Sengli) Thể tích làm việc 600 l, công suất 4 kW 1
Thiết bị rót hộp yaourt uống TBA/22 (Tetra Pak) Năng suất 20.000 hộp/h, hộp Tetra Brik Aseptic 250 ml 1
Thiết bị rót hộp yaourt gel Bencopak Năng suất 15.000 l/h, 8 đầu rót, thể tích hộp 110 ml 1
Bồn chờ rót yaourt uống Chế tạo công nghiệp Dung tích 6.000 l, cánh khuấy 0,8 kW, làm lạnh 4 - 6 °C 1
Bơm thực phẩm LHK-20 (Alfa Laval) Năng suất 65 m3/h, động cơ 4 kW, vật liệu AISI 316 1
Hệ thống vệ sinh CIP Tetra Alcip 100 (Tetra Pak) 3 dãy tẩy rửa, bơm cao áp 11 kW, bơm định lượng 0,55 kW 1

Nội dung chính theo từng phần của đồ án

Phần 1: Tổng quan

Tác giả phân tích vị trí của ngành công nghiệp chế biến sữa trong nền kinh tế quốc dân, nêu bật giá trị dinh dưỡng của protein sữa và tác dụng cải thiện vi sinh đường ruột của yaourt. Về mặt lập luận kinh tế, phân xưởng được chọn đặt tại Khu công nghiệp Biên Hòa, phường An Bình, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai. Địa điểm này có các lợi thế: giáp Quốc lộ 1, cách TP. Biên Hòa 5 km, cách TP. Hồ Chí Minh 25 km, cách sân bay Tân Sơn Nhất 30 km, cách cảng Đồng Nai 2 km và gần nguồn sữa Long Thành. Hạ tầng KCN đáp ứng mặt đường chịu tải H30-30MT/cm2, nguồn điện từ 2 trạm biến áp 40 MVA (giá điện 1100 đồng/kWh), nguồn nước 25.000 m3/ngày (giá nước 4820 đồng/m3), nhà máy xử lý nước thải Biên Hòa 2 công suất 4000 m3/ngày (phí xử lý 0,28 USD/m3).

Phần 2: Nguyên liệu sản xuất

Trình bày chi tiết tính chất vật lý và thành phần hóa học của sữa tươi (mật độ quang 1,03 - 1,034; pH 6,5 - 6,6; độ axit 16 - 18 °D; cazein 26 - 29 g/l; lactose 50 g/l; muối khoáng 9 - 9,1 g/l). Tác giả khảo sát thành phần axit amin trong protein sữa với tỷ lệ cao của axit glutamic (22,4%), prolin (11,3%), lơxin (9,2%), lysin (8,2%). Phụ gia sử dụng gồm đường saccaroza RE và chất ổn định 5846 (tỷ lệ 0,1 - 0,5%). Hệ vi sinh vật sản xuất gồm hai chủng vi khuẩn chính là Lactobacillus bulgaricus và Streptococcus thermophilus. Đồng thời, chương này phân loại sản phẩm yaourt theo cấu trúc (truyền thống, dạng khuấy, dạng uống, lạnh đông, cô đặc) và theo hàm lượng chất béo (yaourt béo $\ge$ 3%, bán gầy 0,5 - 3%, gầy $\le$ 0,5%).

Phần 3: Quy trình công nghệ

Chương này thiết lập sơ đồ quy trình công nghệ tổng thể và thuyết minh chi tiết các thông số kỹ thuật. Các công đoạn chung gồm: kiểm tra tiếp nhận; định lượng; chuẩn hóa ở 55 - 65 °C về hàm lượng béo 3,5%; xử lý nhiệt ở 90 - 95 °C trong 3 phút; đồng hóa cấp 1 ở 200 - 250 bar và 65 - 70 °C. Thuyết minh tách biệt hai nhánh:

  • Nhánh yaourt uống: Lên men ở 42 - 43 °C trong 2 - 3 giờ (đạt 70 - 80 °D); phối trộn với siro đường 70% và chất ổn định; đồng hóa cấp 2 ở 50 - 200 bar để phá gel; làm lạnh xuống 20 °C; trữ tại bồn chờ rót và đóng hộp vô trùng 250 ml.
  • Nhánh yaourt gel: Cấy giống và phối trộn siro đường 70% cùng chất ổn định; rót hộp 110 ml; đưa vào phòng lên men ở 42 - 43 °C trong 2,5 - 3 giờ (đạt 70 - 80 °D); làm lạnh và chuyển kho bảo quản 2 - 4 °C.

Phần 4: Cân bằng vật chất

Kế hoạch sản xuất bố trí 280 ngày làm việc/năm, chế độ làm việc 2 ca/ngày (tháng cao điểm 3 ca/ngày). Tổng số ca sản xuất trong năm là 699 ca đối với yaourt uống và 647 ca đối với yaourt gel. Dựa trên số liệu ban đầu (sữa nguyên liệu: chất khô 11,9%, béo 3,9%; yaourt uống: chất khô 14%, béo 3,5%; yaourt gel: chất khô 16%, béo 3,5%), cân bằng vật chất tính toán chi tiết tiêu hao cho từng công đoạn:

Công đoạn Tiêu hao (%) Lượng sữa (kg/ca) Dịch đường 70% (kg/ca) Vi khuẩn giống (kg/ca) Chất ổn định (kg/ca)
Dây chuyền chung
Kiểm tra 0,1% 21.291,3 - - -
Định lượng 0,2% 21.270,0 - - -
Chuẩn hóa 0,2% 21.227,4 - - -
Xử lý nhiệt 0,3% 20.930,7 - - -
Đồng hóa lần 1 0,2% 20.867,9 - - -
Nhánh yaourt uống
Cấy giống, lên men 1,0% 11.074,8 - 445,2 110,7
Phối trộn 0,1% 11.943,9 431,7 - -
Đồng hóa lần 2 0,1% 11.931,9 - - -
Bồn chờ rót 0,1% 11.908,1 - - -
Rót hộp vô trùng 0,1% 11.884,2 - - -
Nhánh yaourt gel
Cấy giống 0,5% 9.751,4 - 392,1 97,5
Phối trộn 0,1% 10.187,8 773,5 - -
Rót hộp 1,0% 10.950,3 - - -
Lên men 0,1% 10.840,8 - - -
Làm lạnh 0,1% 10.830,0 - - -

Lượng thành phẩm thu được mỗi ca: yaourt lỏng đạt 11.765,4 kg/ca (tương đương 11.444,9 lít/ca); yaourt gel đạt 10.819,2 kg/ca. Tổng lượng cream dư thu được tại công đoạn chuẩn hóa là 254,2 kg/ca.

Phần 5: Chọn thiết bị

Dựa trên khối lượng nguyên liệu và thể tích tính toán từng mẻ, tác giả tính toán năng suất thực tế (tính thêm 20% dự phòng) và lựa chọn cụ thể các model máy:

  • Bồn làm lạnh và trữ sữa: Chọn 2 bồn Tetra Alsafe LA dung tích 30.000 lít, đường kính 3600 mm, cao 5650 mm, vật liệu thép không rỉ AISI 304.
  • Thiết bị chuẩn hóa: Chọn máy ly tâm Tetra Alfast Plus năng suất 5.000 - 75.000 l/h.
  • Thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng: Chọn Tetra Plex C8 năng suất 35.000 l/h, vật liệu AISI 316.
  • Thiết bị đồng hóa: Chọn Tetra Alex 400 (năng suất 27.400 l/h) cho đồng hóa cấp 1; chọn Tetra Alex 30 (năng suất 18.100 l/h, công suất 118 kW) cho đồng hóa cấp 2.
  • Thiết bị lên men và cấy giống: Bồn lên men IPP dung tích 12.500 lít; bồn cấy giống Sengli DSH-1 thể tích 600 lít, công suất 4 kW.
  • Thiết bị phối trộn: Chọn 2 bồn phối trộn LDSH-15 của Shuanglong Group thể tích 15.000 lít, công suất 55 kW.
  • Thiết bị chiết rót: Máy rót hộp Tetra Pak TBA/22 công suất 20.000 hộp/h cho yaourt uống; máy rót Bencopak 8 đầu rót công suất 15.000 l/h cho yaourt gel.
  • Bồn chờ rót: Thể tích 6.000 lít, động cơ khuấy 0,8 kW (150 vòng/phút), làm lạnh sữa về 4 °C trong 2 giờ.
  • Nồi nấu siro đường: Nồi hai vỏ WM0-60 dung tích 600 lít, tiêu thụ hơi 62 kg/h.
  • Bơm vận chuyển: Bơm ly tâm Alfa Laval LHK-20 năng suất 65 m3/h, công suất 4 kW.
  • Trạm CIP: Chọn Tetra Alcip 100 gồm 3 dãy, bơm cao áp 11 kW, bơm định lượng 0,55 kW.

Phần 6: Tính năng lượng

  • Tính hơi: Hơi sử dụng là hơi bão hòa áp suất 3 bar (r = 2141 kJ/kg). Nhiệt lượng gia nhiệt trước chuẩn hóa (4 °C lên 65 °C) là 5.121.484,1 kJ/ngày; nhiệt lượng xử lý nhiệt (65 °C lên 95 °C) là 4.954.575,9 kJ/ngày. Nhu cầu hơi cho vệ sinh CIP gồm hai chế độ: Chế độ I (thiết bị gia nhiệt cao: dùng nước nóng 50 °C, xút 1% ở 60 °C, axit nitric 0,6% ở 60 °C) cần 9.327,75 kg nước và 647,5 kg hơi; Chế độ II (các thiết bị còn lại: dùng nước nóng 50 °C và xút 1% ở 60 °C) cần 5.531,25 kg nước và 218,4 kg hơi. Tổng lượng hơi toàn xưởng là 9.143,2 kg/ngày, lượng hơi trung bình có hệ số đồng thời k = 1,4 là 533,4 kg/h. Tác giả chọn lò hơi kiểu B8/40 do Liên Xô chế tạo, năng suất hơi 1.200 - 1.500 kg/h, áp suất làm việc 9 at, diện tích bề mặt chịu nhiệt 42 m2.
  • Tính lạnh: Tải nhiệt cần làm mát sữa tươi bảo quản (6 °C về 4 °C), làm nguội dịch sữa trước cấy giống (60 °C về 43 °C) và các quá trình làm lạnh thành phẩm có tổng tải nhiệt QL1 = 11.121.122,95 kJ/ngày. Tải lạnh trung bình có tính hệ số đồng thời k = 1,6 đạt năng suất lạnh tối thiểu 205,9 kW. Tác giả chọn 3 máy nén lạnh trục vít của hãng Mycom (năng suất lạnh 250, công suất điện 100 kW/máy, thể tích quét piston 720 m3/h, tốc độ quay 720 vòng/phút).
  • Phụ tải điện: Thống kê công suất tiêu thụ của các thiết bị chính gồm bồn chứa (1,6 kW), chuẩn hóa (0,5 kW), xử lý nhiệt (2 kW), thiết bị đồng hóa và các động cơ bơm.

Phần 7: Tính xây dựng

Phần này định hình các hạng mục công trình trong khuôn viên phân xưởng bao gồm khu tiếp nhận nguyên liệu, khu chế biến chính, kho nguyên liệu - bao bì, kho bảo quản lạnh thành phẩm, trạm cấp hơi - cấp lạnh, trạm xử lý nước và khối nhà điều hành sinh hoạt.

Phần 8: An toàn lao động và vệ sinh công nghiệp

  • An toàn lao động: Phân tích các nguyên nhân gây sự cố (thiết bị áp lực, đường ống dẫn hơi nóng, sàn nhà ẩm ướt gây trơn trượt, tiếng ồn máy đồng hóa lên tới 80 - 82 dB). Đề xuất giải pháp lắp van an toàn, bọc bảo ôn đường ống nhiệt, trang bị đồ bảo hộ cá nhân và nội quy vận hành.
  • Vệ sinh công nghiệp: Quy định nghiêm ngặt về vệ sinh cá nhân công nhân trước khi vào xưởng; quy trình vệ sinh thiết bị tự động CIP tuần hoàn hóa chất (xút 1%, axit nitric 0,6%) nhằm loại bỏ cặn protein và màng vi sinh vật; xử lý rác thải và nguồn nước thải theo quy chuẩn môi trường KCN.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật đạt được:

  • Xác lập định mức nguyên liệu chính xác: Để vận hành 1 ca sản xuất, phân xưởng cần tiếp nhận 21.291,3 kg sữa tươi nguyên liệu, sản xuất ra 11.765,4 kg yaourt lỏng (đóng hộp giấy 250 ml), 10.819,2 kg yaourt gel (đóng hộp nhựa 110 ml) và thu hồi 254,2 kg cream chất lượng cao.
  • Cân đối phụ tải năng lượng công nghiệp: Tổng nhu cầu hơi bão hòa là 9.143,2 kg/ngày (được cung ứng bởi lò hơi B8/40 năng suất 1.200 - 1.500 kg/h); tổng phụ tải làm lạnh là 11.121.122,95 kJ/ngày (được cung ứng bởi cụm 3 máy nén Mycom công suất 100 kW/máy).
  • Tính toán tiêu thụ dung dịch vệ sinh CIP: Xác định chính xác lượng hóa chất tẩy rửa mỗi ngày gồm 67,5 kg xút (NaOH) và 13,5 kg axit nitric ($HNO_3$), tuần hoàn cùng 14.859 kg nước sạch qua trạm Tetra Alcip 100.

Đóng góp công nghệ của đồ án:

  • Xây dựng thành công mô hình tích hợp công nghệ: Kết hợp chung các công đoạn đầu mối xử lý nguyên liệu (chuẩn hóa, xử lý nhiệt, đồng hóa cấp 1) giúp giảm chi phí đầu tư thiết bị tiền xử lý, sau đó phân tách linh hoạt thành hai dây chuyền hoàn thiện phù hợp đặc thù trạng thái sản phẩm (yaourt lỏng lên men bồn rồi phá gel; yaourt gel rót hộp rồi mới lên men).
  • Lựa chọn đồng bộ hóa thiết bị từ các thương hiệu công nghiệp tiêu chuẩn: Ứng dụng hệ thống thiết bị khép kín, tự động hóa cao từ Tetra Pak (Thụy Điển), Mycom (Nhật Bản) và Alfa Laval đảm bảo điều kiện vô trùng tuyệt đối trong quá trình chế biến và đóng gói bao bì vô trùng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế trong văn bản đồ án:

  • Nội dung Phần 7 (Tính xây dựng) mới dừng lại ở việc liệt kê danh mục các hạng mục công trình mà chưa có bản vẽ mặt bằng phân xưởng chi tiết, chưa tính toán kết cấu xây dựng và diện tích cụ thể từng khu vực chức năng.
  • Phần hạch toán kinh tế chưa được triển khai chi tiết: Đồ án chưa tính toán tổng mức vốn đầu tư ban đầu, chi phí khấu hao máy móc, giá thành sản phẩm và các chỉ tiêu tài chính như thời gian thu hồi vốn (ROI).
  • Bảng phụ tải điện năng tại Phần 6 mới chỉ thống kê sơ bộ công suất của một số thiết bị chính, chưa tính toán đầy đủ công suất chiếu sáng, hệ thống điều hòa không khí và phụ tải điện dân dụng của toàn bộ nhà máy.

Hướng mở rộng và phát triển:

  • Hoàn thiện bản vẽ bố trí tổng mặt bằng công nghệ, mặt bằng phân xưởng sản xuất và sơ đồ không gian mạng lưới đường ống công nghệ (ống sữa, hơi, nước lạnh, đường hồi CIP).
  • Nghiên cứu bổ sung công nghệ tiệt trùng UHT cho dây chuyền yaourt dạng lỏng để nâng cao thời hạn bảo quản ở nhiệt độ thường mà không cần chuỗi cung ứng lạnh khắt khe.
  • Thực hiện đầy đủ báo cáo phân tích kinh tế - tài chính, đánh giá tác động môi trường chi tiết và phương án xử lý chất thải tập trung.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo chuyên môn cao cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Chế biến và Thiết kế Nhà máy Thực phẩm: Tham khảo phương pháp luận thiết kế một phân xưởng chế biến sữa hoàn chỉnh từ lập luận kinh tế, thiết lập quy trình, tính cân bằng vật chất đến lựa chọn thiết bị.
  • Kỹ sư công nghệ và cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy sữa: Tham khảo các thông số chế độ nhiệt, áp suất đồng hóa, tiêu hao nguyên liệu qua từng công đoạn, cùng phương pháp tính toán phụ tải nhiệt, phụ tải lạnh và thiết kế chu trình CIP 2 chế độ tẩy rửa.
  • Những nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án gồm: Hệ thống bảng tính cân bằng vật chất chi tiết (Phần 4); các công thức tính toán năng suất thiết bị thực tế kèm hệ số dự phòng 20% (Phần 5); các công thức tính toán cân bằng nhiệt hơi - lạnh và quy trình tẩy rửa thiết bị công nghiệp (Phần 6).

Câu hỏi thường gặp

1. Công đoạn chuẩn hóa sữa trong đồ án được thực hiện ở thông số kỹ thuật nào và thu được sản phẩm phụ gì?
Quá trình chuẩn hóa được thực hiện bằng cách gia nhiệt dòng sữa lên 55 - 65 °C bằng thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng, sau đó đưa vào máy ly tâm tách béo Tetra Alfast Plus hoạt động liên tục trong 30 phút. Quá trình này hiệu chỉnh hàm lượng béo của dòng sữa về 3,5%, đồng thời tách ra một lượng cream dư là 254,2 kg trong mỗi ca sản xuất để chuyển sang chế biến sản phẩm cream thương phẩm.

2. Điểm khác biệt công nghệ cốt lõi giữa dây chuyền yaourt uống và yaourt gel trong đồ án là gì?
Điểm khác biệt nằm ở thứ tự công đoạn lên men và đóng gói:

  • Yaourt uống: Quá trình cấy giống và lên men diễn ra trước trong bồn lên men IPP (42 - 43 °C, 2 - 3 giờ, đạt 70 - 80 °D), sau đó mới phối trộn siro đường/chất ổn định và đưa qua máy đồng hóa cấp 2 (áp lực 50 - 200 bar) để phá vỡ cấu trúc gel tạo trạng thái lỏng, cuối cùng mới rót vào hộp giấy vô trùng 250 ml.
  • Yaourt gel: Sữa sau đồng hóa cấp 1 được cấy giống và phối trộn siro đường/chất ổn định trước, rót trực tiếp vào hộp nhựa 110 ml bằng máy Bencopak, sau đó mới đưa toàn bộ hộp vào phòng lên men (42 - 43 °C, 2,5 - 3 giờ, đạt 70 - 80 °D) để đông tụ tạo cấu trúc gel bền vững trực tiếp trong bao bì.

3. Tác giả sử dụng các chủng vi sinh vật nào cho quá trình lên men và điều kiện môi trường tối ưu là bao nhiêu?
Đồ án sử dụng hỗn hợp hai chủng vi khuẩn lactic là Lactobacillus bulgaricus (sinh trưởng tối ưu ở 45 - 50 °C, tạo 2,7% axit lactic) và Streptococcus thermophilus (phát triển ở 50 °C, sinh sản ở 37 - 40 °C). Môi trường lên men tối ưu được duy trì ở dải nhiệt độ 40 - 43 °C (thực tế khống chế 42 - 43 °C), pH từ 4 - 4,5, thời gian 2,5 - 3 giờ cho đến khi độ chua đạt 70 - 80 °D.

4. Dựa trên cơ sở nào đồ án lựa chọn lò hơi và trạm máy nén lạnh?

  • Lò hơi: Dựa trên tổng lượng hơi bão hòa 3 bar cần dùng cho sản xuất và hệ thống CIP là 9.143,2 kg/ngày, tương đương mức tiêu thụ trung bình 381 kg/h. Áp dụng hệ số sử dụng đồng thời k = 1,4, năng suất hơi tối thiểu cần đạt là 533,4 kg/h; từ đó tác giả chọn lò hơi kiểu B8/40 (Liên Xô) có năng suất 1.200 - 1.500 kg/h, áp suất hơi 9 at.
  • Máy nén lạnh: Dựa trên tổng tải nhiệt làm lạnh nguyên liệu, làm nguội dịch sữa và bảo quản thành phẩm là 11.121.122,95 kJ/ngày (tải trung bình 463.380,12 kJ/h). Áp dụng hệ số đồng thời k = 1,6, công suất lạnh yêu cầu là 205,9 kW; từ đó chọn 3 máy nén lạnh Mycom công suất tiêu thụ điện 100 kW/máy, năng suất lạnh 250, thể tích quét 720 m3/h.

5. Hệ thống vệ sinh tại chỗ (CIP) của phân xưởng hoạt động với các chế độ tẩy rửa nào?
Trạm Tetra Alcip 100 vận hành với 2 chế độ:

  • Chế độ I (dành cho thiết bị trao đổi nhiệt, tiệt trùng): Rửa nước nóng 50 °C (10 phút), chạy dung dịch xút (NaOH) 1% ở 60 °C (15 phút), tráng nước nóng 50 °C (3 phút), chạy dung dịch axit nitric ($HNO_3$) 0,6% ở 60 °C (10 phút) và tráng lại bằng nước lạnh 28 °C (3 phút).
  • Chế độ II (dành cho các thiết bị còn lại): Rửa nước nóng 50 °C (3 phút), chạy dung dịch xút 1% ở 60 °C (6 phút), tráng nước nóng 50 °C (3 phút) và xả nước lạnh 28 °C (8 phút). Toàn bộ dung dịch tẩy rửa được thu hồi để tái sử dụng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Huỳnh Trung Việt là công trình thiết kế công nghệ hoàn chỉnh cho phân xưởng sản xuất yaourt lỏng (8 triệu lít/năm) và yaourt gel (7 triệu tấn/năm) tại Khu công nghiệp Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai. Bản thiết kế giải quyết thấu đáo các bài toán công nghệ từ cơ sở lý thuyết vi sinh hóa lý, thiết lập quy trình công nghệ tích hợp, tính toán cân bằng vật chất - năng lượng đến việc lựa chọn hệ thống máy móc công nghiệp hiện đại từ Tetra Pak, Bencopak và Mycom. Mặc dù còn thiếu sót ở các bản vẽ xây dựng chi tiết và hạch toán tài chính, đồ án vẫn là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư ngành công nghệ thực phẩm.