Đồ án thiết kế nhà máy sản xuất cider với năng suất 30 triệu lít/năm

Khám phá đồ án thiết kế nhà máy sản xuất cider với năng suất 30 triệu lít/năm, quy trình hiện đại và hiệu quả trong ngành công nghiệp đồ uống.

• Tác giả: Nguyễn Tấn Sang
• Trường học: Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Thiết Kế Nhà Máy Sản Xuất Cider Với Năng Suất 30 Triệu Lít/Năm
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT
• 1.1. Điều kiện kinh tế kỹ thuật
• 1.2. Vị trí xây dựng
• 1.3. Đặc điểm tự nhiên
• 1.4. Nguồn nguyên liệu
• 1.5. Hệ thống giao thông vận tải
• 1.6. Nguồn cung cấp điện
• 1.7. Nguồn cung cấp hơi và nhiên liệu
• 1.8. Nguồn cung cấp nước
• 1.9. Hệ thống xử lý nước thải
• 1.10. Nguồn nhân lực
• 1.11. Thị trường tiêu thụ sản phẩm
• 1.12. Hợp tác hóa
• 1.13. Kết luận
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM
• 2.1. Tổng quan về sản phẩm
• 2.2. Khái niệm cider
• 2.3. Nguồn gốc và lịch sử
• 2.4. Phân loại
• 2.4.1. Phân loại theo CO2
• 2.4.2. Phân loại theo độ ngọt
• 2.4.2.1. Cider khô (dry cider)
• 2.4.2.2. Cider ngọt
• 2.4.2.3. Dạng hỗn hợp
• 2.5. Thành phần hóa học
• 2.5.1. Acid hữu cơ
• 2.5.2. Polyphenol
• 2.5.3. Đường
• 2.5.4. Các hợp chất este
• 2.5.5. Ethanol
• 2.6. Các chỉ tiêu chất lượng của cider
• 2.6.1. Chỉ tiêu cảm quan
• 2.6.2. Chỉ tiêu hóa học
• 2.6.3. Chỉ tiêu vi sinh
• 2.7. Lợi ích của cider
• 2.8. Tình hình sản xuất và tiêu thụ cider trên thế giới và tại Việt Nam
• 2.8.1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ cider trên thế giới

Tóm tắt

I. Thiết kế nhà máy sản xuất cider 30 triệu lít năm

Chương trình đề cập đến thiết kế nhà máy sản xuất cider với năng suất 30 triệu lít/năm. Thiết kế nhà máy bao gồm nhiều khía cạnh, từ vị trí xây dựng đến quy trình sản xuất, công nghệ, và quản lý. Vị trí nhà máy được đề xuất tại Khu công nghiệp Hòa Khánh mở rộng, Đà Nẵng. Lựa chọn này dựa trên các yếu tố như giao thông thuận lợi, cơ sở hạ tầng tốt, gần cảng biển thuận tiện cho nhập khẩu nguyên liệu chính là táo (nguyên liệu sản xuất cider). Báo cáo cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của nguồn điện, nước, và hệ thống xử lý nước thải, đảm bảo hoạt động bền vững và tuân thủ tiêu chuẩn môi trường. Quy mô nhà máy cider lớn này đòi hỏi đầu tư đáng kể về thiết bị sản xuất cider, máy móc sản xuất cider, và nhân lực. Chi phí xây dựng nhà máy cider là một yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình lập kế hoạch.

1.1 Vị trí và điều kiện kinh tế kỹ thuật

Việc lựa chọn vị trí xây dựng nhà máy sản xuất cider tại Khu công nghiệp Hòa Khánh, Đà Nẵng là tối ưu. Khu công nghiệp này có hạ tầng hoàn thiện, giao thông thuận tiện, gần cảng biển hỗ trợ nhập khẩu táo - nguyên liệu sản xuất cider. Các yếu tố khác như nguồn cung cấp điện, nước, và xử lý nước thải cũng được đảm bảo. Nhà máy sản xuất cider cần đáp ứng các tiêu chuẩn về vệ sinh môi trường. Khí hậu Đà Nẵng, với mùa hè nóng bức, tạo điều kiện thuận lợi cho tiêu thụ sản phẩm. Hệ thống giao thông nội, ngoại khu phát triển tốt, hỗ trợ vận chuyển nguyên liệu và sản phẩm. Nguồn nhân lực dồi dào từ các trường đại học, cao đẳng trong thành phố. Thị trường tiêu thụ cider tiềm năng, không chỉ nội địa mà còn hướng tới xuất khẩu. Hợp tác với các nhà máy khác trong khu công nghiệp cũng được xem xét để tối ưu hóa chi phí và hiệu quả sản xuất. Báo cáo nhấn mạnh tính khả thi và lợi ích kinh tế của dự án đối với Đà Nẵng và quốc gia.

1.2 Thiết kế và quy trình sản xuất cider

Thiết kế nhà máy cider phải đáp ứng năng suất 30 triệu lít/năm. Dây chuyền sản xuất cider cần được tối ưu hóa, bao gồm các công đoạn như tiếp nhận, sơ chế táo, chiết xuất nước táo, lên men, thanh trùng, đóng gói và bảo quản. Công nghệ sản xuất cider hiện đại được ưu tiên để đảm bảo chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế. Thiết bị sản xuất cider cần được lựa chọn kỹ lưỡng, đáp ứng yêu cầu về năng suất, độ chính xác và vệ sinh. Máy móc sản xuất cider cần có khả năng vận hành tự động để giảm thiểu nhân công và tăng năng suất. Kiểm soát chất lượng cider là một khâu quan trọng, đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn về cảm quan, hóa học và vi sinh. Quy trình sản xuất cider cần được lập trình rõ ràng, tuân thủ các quy định về an toàn thực phẩm và vệ sinh an toàn lao động. Đóng gói cider (chai, lon) phù hợp với thị trường mục tiêu. Phân phối cider cần được lên kế hoạch để đảm bảo sản phẩm đến tay người tiêu dùng kịp thời.

II. Tổng quan về nguyên liệu và sản phẩm cider

Phần này tập trung vào cider, bao gồm khái niệm, lịch sử, phân loại, thành phần hóa học, và các chỉ tiêu chất lượng. Cider là thức uống có cồn được lên men từ nước táo. Báo cáo đề cập đến nhiều loại cider, phân loại theo hàm lượng CO2 (có gas hoặc không gas) và độ ngọt (khô, ngọt, hỗn hợp). Nguyên liệu sản xuất cider chính là táo; táo sản xuất cider được nhập khẩu. Thành phần hóa học của cider bao gồm acid hữu cơ (acid malic), polyphenol (tannin), đường, este, và ethanol. Các chỉ tiêu chất lượng cider được đề cập, bao gồm cảm quan (màu sắc, mùi, vị, trạng thái), hóa học (hàm lượng ethanol, acid, SO2, kim loại nặng), và vi sinh. Phân tích thị trường cider thế giới và Việt Nam cũng được trình bày.

2.1 Nguyên liệu chính Táo

Nguyên liệu sản xuất cider chủ yếu là táo. Do điều kiện khí hậu Việt Nam không thuận lợi cho trồng táo, nguyên liệu sản xuất cider sẽ được nhập khẩu, chủ yếu từ Trung Quốc. Táo sản xuất cider cần đáp ứng các yêu cầu về chất lượng, độ chín, và hàm lượng đường. Việc lựa chọn nhà cung cấp táo uy tín, đảm bảo nguồn cung ổn định là rất quan trọng. Táo Fuji đỏ là một trong những loại táo được đề cập đến. Quá trình bảo quản và vận chuyển táo cần được kiểm soát chặt chẽ để giữ nguyên chất lượng. Chi phí nguyên liệu sản xuất cider ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành sản phẩm. Tìm hiểu về táo và sự ảnh hưởng đến chất lượng cider là mấu chốt cho thành công của nhà máy.

2.2 Chỉ tiêu chất lượng và lợi ích của cider

Sản phẩm cider cần đạt các chỉ tiêu chất lượng nghiêm ngặt về cảm quan, hóa học và vi sinh. Các chỉ tiêu cảm quan bao gồm màu sắc, mùi thơm, vị và trạng thái. Các chỉ tiêu hóa học bao gồm hàm lượng ethanol, acid, đường, và các chất phụ gia khác. Chỉ tiêu vi sinh đảm bảo sản phẩm không bị nhiễm khuẩn. Cider có một số lợi ích sức khỏe, như chứa nhiều chất chống oxy hóa (phenolic) có tác dụng ngừa ung thư và bệnh tim mạch. Tuy nhiên, cider vẫn là thức uống có cồn, nên cần sử dụng điều độ. Kiểm soát chất lượng cider là yếu tố quyết định đến uy tín và sức cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường. Phân tích thị trường cider sẽ cho thấy xu hướng tiêu dùng và nhu cầu của người tiêu dùng hiện nay.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp đồ uống hiện đại, cider (rượu táo lên men) là sản phẩm có độ cồn nhẹ, mang giá trị dinh dưỡng cao nhờ hàm lượng hợp chất phenolic, vitamin, khoáng chất và chất chống oxy hóa tự nhiên. Trên thị trường quốc tế, cider đã phát triển mạnh mẽ tại các quốc gia như Vương quốc Anh, Pháp, Đức, Tây Ban Nha và Nam Phi. Tại khu vực châu Á – Thái Bình Dương và Việt Nam, xu hướng sử dụng đồ uống lên men nồng độ cồn thấp đang gia tăng nhanh chóng theo sự chuyển dịch cơ cấu dân số trẻ và mức thu nhập bình quân. Tuy nhiên, thị trường trong nước chủ yếu vẫn phụ thuộc vào nguồn sản phẩm nhập khẩu, chưa có nhiều cơ sở sản xuất quy mô công nghiệp lớn.

Đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế nhà máy sản xuất Cider với năng suất 30 triệu lít/năm" do sinh viên Nguyễn Tấn Sang thực hiện tại Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, nhằm giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một cơ sở sản xuất cider công nghiệp.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án bao gồm 4 nội dung chính:

1. Lập luận kinh tế kỹ thuật nhằm xác định địa điểm xây dựng nhà máy, phân tích các điều kiện tự nhiên, hạ tầng kỹ thuật (giao thông, cấp điện, cấp hơi, cấp thoát nước) và tiềm năng thị trường.
2. Tổng quan về sản phẩm cider, nguồn nguyên liệu chính (táo tây), nguyên liệu phụ (đường saccharose, nấm men, nước, acid hữu cơ, phụ gia) và hệ thống tiêu chuẩn chất lượng hiện hành.
3. Lựa chọn, thuyết minh quy trình công nghệ và các biến đổi hóa lý, hóa sinh, sinh học qua từng công đoạn sản xuất.
4. Tính toán cân bằng vật chất tổng thể và chi tiết cho từng công đoạn dựa trên chế độ làm việc và định mức tổn thất kỹ thuật.

• Đối tượng nghiên cứu: Dây chuyền công nghệ sản xuất rượu táo (cider) đóng lon dung tích 330 ml, độ cồn 4,5% (v/v), sử dụng nguyên liệu chính là giống táo Fuji đỏ và chủng nấm men thuần khiết Saccharomyces cerevisiae.
• Phạm vi không gian: Nhà máy được thiết kế xây dựng tại Khu công nghiệp Hòa Khánh mở rộng, quận Liên Chiểu, thành phố Đà Nẵng.
• Phạm vi thời gian và chu kỳ vận hành: Số liệu thiết kế tính toán theo chu kỳ sản xuất năm 2022 với 305 ngày làm việc/năm, 2 ca/ngày, 8 giờ/ca (tổng cộng 610 ca/năm, tương đương 4.880 giờ làm việc).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng các nguyên lý hóa sinh của quá trình lên men ethanol kỵ khí và hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia trong ngành chế biến thực phẩm:

• Cơ sở lý thuyết chuyển hóa sinh học: Quá trình đường phân (glycolysis) chuyển hóa đường đơn (fructose, glucose, sucrose) thành acid pyruvic, sau đó khử carboxyl tạo thành acetaldehyde và bị khử thành ethanol bởi enzyme alcohol dehydrogenase của nấm men. Phương trình hóa sinh tổng quát: $$C_6H_{12}O_6 + 2\text{ADP} + 3\text{H}_3\text{PO}_4 \rightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2 + 2\text{ATP} + \text{H}_2\text{O}$$ Động học lên men gồm thời kỳ cảm ứng (tạo sản phẩm phụ glycerin) và thời kỳ tĩnh (tích tụ ethanol và bão hòa $\text{CO}_2$).
• Hệ thống tiêu chuẩn chất lượng áp dụng:
  • TCVN 7045:2002: Tiêu chuẩn đối với rượu vang (áp dụng kiểm soát chỉ tiêu hóa học, giới hạn kim loại nặng và vi sinh vật cho cider).
  • TCVN 10395:2014: Tiêu chuẩn chất lượng đối với táo tây quả tươi.
  • TCVN 6959:2001: Tiêu chuẩn chất lượng đối với đường trắng saccharose.
  • QCVN 01-1:2018/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt và chế biến.
• Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế:
  • Phương pháp phân tích lập luận kinh tế kỹ thuật địa điểm xây dựng dựa trên dữ liệu quy hoạch KCN và điều kiện logistics.
  • Phương pháp lựa chọn công nghệ và thiết bị công nghiệp (so sánh các giải pháp nghiền, ép, lọc, thanh trùng).
  • Phương pháp tính toán cân bằng vật chất theo suất tiêu hao nguyên liệu trên từng đơn vị công đoạn dựa trên tỷ lệ tổn thất cơ học và biến đổi thể tích.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu quy hoạch hạ tầng KCN Hòa Khánh mở rộng; số liệu thành phần hóa học quả táo tươi từ các nghiên cứu nông nghiệp; cơ sở dữ liệu GMID về tiêu thụ cider; các tài liệu giáo trình và tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT

Chương 1 phân tích các điều kiện địa lý, kinh tế và hạ tầng kỹ thuật tại Khu công nghiệp Hòa Khánh mở rộng (quận Liên Chiểu, Đà Nẵng) nhằm chứng minh tính khả thi của dự án:

• Đặc điểm tự nhiên và khí hậu: Đà Nẵng có địa hình đồng bằng duyên hải vững chắc; khí hậu nhiệt đới gió mùa với nhiệt độ trung bình năm 25,9 °C, mùa mưa từ tháng 8 đến tháng 12 và mùa khô từ tháng 1 đến tháng 7. Mùa hè nóng tạo nhu cầu giải khát cao.
• Nguồn nguyên liệu: Do điều kiện khí hậu Việt Nam không trồng được giống táo đỏ chuyên dụng, nhà máy sử dụng nguồn táo Fuji đỏ nhập khẩu từ vùng Yên Đài, tỉnh Sơn Đông, Trung Quốc. Táo được vận chuyển bằng đường biển về các cảng tại Đà Nẵng, sau đó đưa về nhà máy bằng xe container.
• Hạ tầng giao thông: KCN nằm dọc Quốc lộ 1A, đường trục chính rộng 24,5 m, đường nội bộ rộng 15 m và 10,5 m theo mạng lưới ô bàn cờ. Vị trí nhà máy cách cảng Tiên Sa 20 km, cảng sông Hàn 13 km, cảng Liên Chiểu 5 km, sân bay quốc tế Đà Nẵng 10 km, trung tâm thành phố 10 km và ga đường sắt 9 km.
• Cung cấp năng lượng, nước và xử lý chất thải:
  • Điện năng: Cung cấp từ lưới điện quốc gia qua trạm 500 kV Hòa Cầm và hai trạm biến áp KCN (110/22 kV – 40 MVA và 22/0,4 kV – 0,23 kV), có máy phát dự phòng.
  • Hơi đốt & nhiên liệu: Lò hơi riêng của nhà máy vận hành bằng dầu FO.
  • Cấp nước: Nhà máy nước Sân Bay cung cấp nước sạch với công suất 30.000 $\text{m}^3$/ngày đêm, qua hệ thống xử lý nội bộ của nhà máy.
  • Xử lý nước thải: Nước thải được xử lý bậc 1 tại nhà máy đạt tiêu chuẩn loại B, sau đó dẫn về trạm xử lý nước thải chung của KCN (công suất 5.000 $\text{m}^3$/ngày đêm) xử lý bậc 2 qua hồ sinh học đạt loại A trước khi xả thải. Hệ thống thoát nước mưa được tách riêng biệt.
• Thị trường và liên kết sản xuất: Khai thác thị trường tiêu thụ tại Đà Nẵng và miền Trung, kết nối phân phối toàn quốc và định hướng xuất khẩu sang Lào, Campuchia, Indonesia, Malaysia; đồng thời liên kết xử lý bã táo với các ngành liên quan.

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM

Chương 2 trình bày tổng quan về định nghĩa, lịch sử, phân loại cider và các đặc tính kỹ thuật của nguyên liệu, phụ gia:

• Phân loại sản phẩm cider:
  • Theo hàm lượng $\text{CO}_2$: Cider không gas (bài khí ở áp suất thấp) và cider có gas (bổ sung $\text{CO}_2$ trực tiếp hoặc sinh ra từ lên men phụ).
  • Theo độ ngọt: Dry cider (đường sót khoảng 0,5%, cồn 8 – 12% v/v); Cider ngọt (đường dư 2 – 4%, cồn 2 – 7% v/v); Dạng hỗn hợp (đường sót 1 – 2%).
• Thành phần hóa học chính của cider: Acid malic (4,5 – 7,5 g/l); Polyphenol/Tannin (như Procyanidin B2, epicatechin); đường; este mùi (Etyl-2-metyl butanoate, 2-metyl-4-pentyl-1,3-dioxan); ethanol.
• Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm:

Nhóm chỉ tiêu	Tên chỉ tiêu	Mức quy định / Yêu cầu
Cảm quan	Màu sắc	Màu vàng sáng, óng đặc trưng cho cider
	Mùi	Thơm đặc trưng của nguyên liệu và sản phẩm lên men, không có mùi lạ
	Vị	Chua chát, có hoặc không có vị ngọt, không có vị lạ
	Trạng thái	Trong, không vẩn đục, không có cặn vô định hình
Hóa học (TCVN 7045:2002)	Hàm lượng ethanol ở 20 °C	1,2 – 8,5% (v/v)
	Hàm lượng methanol trong 1 lít ethanol $100^\circ$	$\le 3,0\text{ g/l}$
	Acid bay hơi (tính theo acid acetic)	$\le 1,5\text{ g/l}$
	Hàm lượng $\text{SO}_2$	$\le 350\text{ mg/l}$
	Xianua và các phức xianua	$\le 0,1\text{ mg/l}$
Kim loại nặng (TCVN 7045:2002)	Asen (As) / Chì (Pb) / Thủy ngân (Hg)	$\le 0,1\text{ mg/l}$ / $\le 0,2\text{ mg/l}$ / $\le 0,05\text{ mg/l}$
	Cadimi (Cd) / Đồng (Cu) / Kẽm (Zn)	$\le 1,0\text{ mg/l}$ / $\le 5,0\text{ mg/l}$ / $\le 2,0\text{ mg/l}$
Vi sinh vật (TCVN 7045:2002)	Tổng số vi sinh vật hiếu khí	$\le 10^2\text{ CFU/ml}$
	E. coli / Cl. perfringens / S. aureus	$0\text{ CFU/ml}$
	Coliforms / Tổng số nấm men - nấm mốc	$\le 10\text{ CFU/ml}$ / $\le 10\text{ CFU/ml}$

• Đặc tính nguyên liệu chính (Táo Fuji): Chứa 12,87% đường, 0,35% acid malic, 0,08% tannin (so với nguyên liệu lý tưởng cho sản xuất cider: 15% đường, 0,4% acid malic, 0,2% tannin). Tiêu chuẩn quả tươi theo TCVN 10395:2014 quy định kích cỡ tối thiểu $\ge 60\text{ mm}$ (hoặc khối lượng $\ge 90\text{ g}$), độ Brix tối thiểu $\ge 10,5^\circ\text{Bx}$.
• Nguyên liệu phụ và hóa chất:
  • Đường saccharose: Tiêu chuẩn TCVN 6959:2001, độ Pol hạng A đạt $\ge 99,7^\circ\text{Z}$, độ ẩm $\le 0,06%$.
  • Nấm men: Sử dụng chủng Saccharomyces cerevisiae, nhiệt độ phát triển tối ưu 28 – 30 °C, pH thích hợp 4,5 – 5,5.
  • Nước chế biến: Đạt quy chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT (độ đục $\le 2\text{ NTU}$, pH 6,0 – 8,5, độ cứng $\le 300\text{ mg/l}$).
  • Chất điều vị và bảo quản: Acid malic (E296), Acid citric (E330), Kali metabisunfit ($\text{K}_2\text{S}_2\text{O}_5$).
• Lựa chọn thiết bị công nghệ: Máy nghiền trục (phù hợp độ cứng và kích thước quả táo); Máy ép trục vít (tách triệt để dịch quả sau xử lý enzyme); Bộ lọc nến diatomite/kieselguhr (tối ưu hiệu quả làm sạch và vệ sinh).

CHƯƠNG 3. CHỌN VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Chương 3 xây dựng sơ đồ dây chuyền sản xuất và thuyết minh chi tiết thông số kỹ thuật, biến đổi của từng công đoạn:

• Thuyết minh thông số kỹ thuật chi tiết:
  • Tiếp nhận - phân loại & Rửa: Loại bỏ quả hư hỏng, rửa trên băng tải qua giai đoạn ngâm và rửa xối trong 3 phút.
  • Chần: Gia nhiệt ở 100 °C trong 3 phút với tỷ lệ nước:táo là 3:1 để làm mềm mô quả, vô hoạt polyphenoloxidase và ức chế vi sinh vật tạp nhiễm.
  • Nghiền: Sử dụng máy nghiền trục với vật liệu chống ăn mòn acid để phá vỡ tế bào mà không làm nát hạt.
  • Xử lý enzyme: Bổ sung chế phẩm Pectinase Ultra-SPL (0,1% w/w) và Cellulase (0,05% w/w), ủ ở 40 – 50 °C trong 1 giờ giúp tăng hiệu suất trích ly dịch quả thêm 15 – 30%. Vô hoạt enzyme ở 90 °C trong 5 phút.
  • Ép: Máy ép trục vít tách pha lỏng và pha bã.
  • Xử lý $\text{SO}_2$: Dùng dung dịch $\text{K}_2\text{S}_2\text{O}_5$ 10% sục vào dịch ép đạt nồng độ $\text{SO}_2$ 30 mg/l trong 2 giờ, đưa pH về 3,4.
  • Phối chế: Nấu syrup đường $70^\circ\text{Bx}$ (tỷ lệ nước:đường 1:2, bổ sung 0,01% acid citric). Phối trộn dịch táo, nước (tỷ lệ nước:dịch táo 3:1) và syrup trong 7 phút để đạt nồng độ chất khô trước lên men là $18^\circ\text{Bx}$.
  • Hoạt hóa nấm men & Lên men: Hoạt hóa men khô 5% trong dịch đường 10% (30 phút có sục $\text{O}2$). Lên men chính trong tank có áo lạnh ở 25 °C trong 48 giờ ($p{\text{CO}2} = 1\text{ kg/cm}^2$). Lên men phụ ở 10 °C trong 12 ngày ($p{\text{CO}_2} = 2,5\text{ kg/cm}^2$), chuyển hóa đường sót, khử diacetyl/acetaldehyde, đạt độ cồn 4,5% và pH 3,7.
  • Lọc, thanh trùng & chiết rót: Tách sinh khối men bằng màng vi lọc cuộn xoắn (Microfiltration - MF, màng cellulose acetate). Thanh trùng dịch ở 65 °C trong 15 phút, làm nguội nhanh về 25 °C. Chiết rót đẳng áp vô trùng vào lon nhôm hai mảnh 330 ml.

CHƯƠNG 4: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Chương 4 xác định chế độ làm việc trong năm, định mức tổn thất và thiết lập các phương trình cân bằng vật chất:

• Kế hoạch thời gian làm việc năm 2022:
  • Tổng số ngày nghỉ lễ và chủ nhật: 63 ngày (Tết Dương lịch 1 ngày, Tết Âm lịch 6 ngày, 30/4 1 ngày, 1/5 1 ngày, 2/9 1 ngày, Giỗ Tổ Hùng Vương 1 ngày, 52 ngày Chủ nhật).
  • Số ngày làm việc thực tế: 305 ngày/năm.
  • Tổng số ca sản xuất: 610 ca/năm.
  • Tổng số giờ sản xuất: 4.880 giờ/năm.
• Mùa vụ nhập liệu: Táo Fuji thu hoạch từ tháng 9 đến cuối tháng 10, nhập khẩu mạnh về Việt Nam từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau (cao điểm nhập liệu rơi vào các tháng 1, 2, 3, 4, 11 và 12; tháng 5 và 6 không nhập).
• Tỷ lệ hao hụt qua 12 công đoạn sản xuất:

STT	Công đoạn	Ký hiệu	Tỷ lệ tổn thất (%)	Đơn vị tính	Nguyên nhân hao hụt chính
1	Tiếp nhận & phân loại	$x_1$	2,00	Khối lượng (g/kg)	Quả dập nát, sâu bệnh bị loại bỏ
2	Rửa	$x_2$	0,50	Khối lượng (g/kg)	Tạp chất, đất cát bám ngoài vỏ bị tách ra
3	Chần	$x_3$	0,40	Khối lượng (g/kg)	Dịch bào và tạp chất thoát ra dung dịch
4	Nghiền	$x_4$	0,25	Khối lượng (g/kg)	Cuống, hạt loại bỏ; dính bám thành thiết bị
5	Xử lý enzyme	$x_5$	0,25	Khối lượng (g/kg)	Nước bay hơi trong quá trình gia nhiệt
6	Ép	$x_6$	2,45	Khối lượng (g/kg)	Mất ẩm theo bã thải và dính thiết bị
7	Xử lý $\text{SO}_2$	$x_7$	0,50	Thể tích (lít)	Chất dễ bay hơi và cặn lắng
8	Làm lạnh	$x_8$	0,50	Thể tích (lít)	Bám dính bề mặt trao đổi nhiệt
9	Lên men chính	$x_9$	1,25	Thể tích (lít)	Hao hụt theo khí $\text{CO}_2$ thoát ra và dính tank
10	Lọc	$x_{10}$	3,60	Thể tích (lít)	Giữ lại sinh khối nấm men, cặn bã trên màng
11	Thanh trùng	$x_{11}$	0,50	Thể tích (lít)	Bay hơi chất thơm, cồn khi gia nhiệt
12	Chiết rót	$x_{12}$	0,25	Thể tích (lít)	Dính đường ống, bọt trào khi đóng lon

• Tính toán cân bằng mẫu cho 100 kg nguyên liệu ban đầu:
  • Lượng nguyên liệu sau từng công đoạn tính theo công thức: $S_n = \frac{(100 - x_n) \cdot T_n}{100}$
  • Công đoạn 1 (Tiếp nhận & phân loại, $x_1 = 2%$): Đầu vào $T_1 = 100\text{ kg} \rightarrow S_1 = 98,00\text{ kg}$ (Hao hụt 2,00 kg).
  • Công đoạn 2 (Rửa, $x_2 = 0,5%$): Đầu vào $T_2 = 98,00\text{ kg} \rightarrow S_2 = 97,51\text{ kg}$ (Hao hụt 0,49 kg).
  • Công đoạn 3 (Chần, $x_3 = 0,4%$): Đầu vào $T_3 = 97,51\text{ kg} \rightarrow S_3 = 97,12\text{ kg}$ (Hao hụt 0,39 kg).
  • Công đoạn 4 (Nghiền, $x_4 = 0,25%$): Đầu vào $T_4 = 97,12\text{ kg} \rightarrow S_4 = 96,88\text{ kg}$ (Hao hụt 0,24 kg).

Kết quả và đóng góp

• Các thông số kỹ thuật cốt lõi đã thiết lập:
  • Năng suất nhà máy: 30 triệu lít sản phẩm/năm, đóng lon nhôm 330 ml.
  • Chuẩn hóa chất lượng dịch lên men: Nồng độ dịch trích táo $10 - 12^\circ\text{Bx}$, phối chế nâng lên $18^\circ\text{Bx}$ bằng syrup đường $70^\circ\text{Bx}$ với tỷ lệ phối trộn nước:dịch táo là 3:1.
  • Chế độ xử lý enzyme kép: Pectinase Ultra-SPL 0,1% w/w và Cellulase 0,05% w/w ở 40 – 50 °C trong 1 giờ giúp tăng hiệu suất thu hồi dịch ép thêm 15 – 30%.
  • Quy trình lên men hai giai đoạn: Lên men chính ở 25 °C trong 48 giờ ($p_{\text{CO}2} = 1\text{ kg/cm}^2$), lên men phụ ở 10 °C trong 12 ngày ($p{\text{CO}_2} = 2,5\text{ kg/cm}^2$), tạo thành phẩm đạt độ cồn 4,5% (v/v), pH 3,7.
  • Chế độ thanh trùng: 65 °C trong 15 phút, làm nguội về 25 °C.
• Giải pháp và đề xuất kỹ thuật:
  • Lựa chọn địa điểm xây dựng tại KCN Hòa Khánh mở rộng giúp tận dụng hạ tầng trạm xử lý nước thải tập trung ($5.000\text{ m}^3$/ngày đêm), trạm biến áp kép và nguồn cấp nước sạch công suất lớn ($30.000\text{ m}^3$/ngày đêm).
  • Sử dụng phương pháp vận chuyển nguyên liệu qua cảng biển Đà Nẵng giúp tối ưu chi phí logistics cho nguồn táo nhập khẩu từ Yên Đài (Sơn Đông, Trung Quốc).
• Đóng góp của đồ án:
  • Cung cấp giải pháp công nghệ hoàn chỉnh cho dây chuyền sản xuất cider công nghiệp tại Việt Nam, chuẩn hóa từ khâu xử lý nguyên liệu quả tươi đến khâu chiết rót lon vô trùng.
  • Thiết lập bảng định mức hao hụt chi tiết qua 12 công đoạn và phương pháp tính toán cân bằng vật chất cho nhà máy quy mô lớn 30 triệu lít/năm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế được đề cập trong văn bản:
  • Nguồn nguyên liệu chính (táo Fuji đỏ) phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn nhập khẩu từ Trung Quốc do khí hậu trong nước không phù hợp để trồng đại trà giống táo này, dẫn đến tính mùa vụ nhập liệu cao (chủ yếu từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau).
  • Thành phần hóa học của táo Fuji có hàm lượng đường (12,87%), acid malic (0,35%) và tannin (0,08%) thấp hơn so với tiêu chuẩn nguyên liệu lý tưởng cho cider (15% đường, 0,4% acid malic, 0,2% tannin), buộc phải bổ sung thêm syrup đường và acid citric trong công đoạn phối chế.
• Hướng phát triển tiếp theo:
  • Nghiên cứu khả năng phối trộn hoặc thử nghiệm các giống táo và trái cây nhiệt đới trồng thử nghiệm tại các vùng núi phía Bắc Việt Nam (Lạng Sơn, Lào Cai, Hà Giang).
  • Tối ưu hóa chuỗi cung ứng nguyên liệu trong các tháng trái vụ (tháng 5 và tháng 6) và nghiên cứu phương án tận thu bã táo sau ép làm thức ăn chăn nuôi hoặc chiết xuất pectin công nghiệp.

Giá trị tham khảo

• Đối tượng tham khảo phù hợp:
  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học thực hiện đồ án thiết kế nhà máy chế biến đồ uống, công nghệ lên men rượu vang và nước giải khát.
  • Kỹ sư công nghệ thực phẩm và cán bộ kỹ thuật cần tài liệu tham khảo về thông số vận hành (chế độ thủy phân enzyme, thông số lên men hai pha, định mức tổn thất thiết bị).
• Các phần nội dung có giá trị sử dụng cao:
  • Dây chuyền công nghệ và thông số xử lý enzyme, sunfit hóa, lên men chính/phụ ở Chương 3.
  • Bảng định mức tỷ lệ hao hụt 12 công đoạn và phương pháp tính cân bằng vật chất ở Chương 4.
  • Hệ thống tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng nguyên liệu và thành phẩm (TCVN 7045:2002, TCVN 10395:2014, TCVN 6959:2001) ở Chương 2.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhà máy sản xuất cider được thiết kế với năng suất bao nhiêu và đặt tại địa điểm nào?
Nhà máy được thiết kế với công suất 30 triệu lít sản phẩm/năm, đặt tại Khu công nghiệp Hòa Khánh mở rộng, quận Liên Chiểu, thành phố Đà Nẵng.

2. Giống táo nào được chọn làm nguyên liệu chính và có xuất xứ từ đâu?
Nguyên liệu chính được lựa chọn là giống táo Fuji đỏ, nhập khẩu từ vùng Yên Đài, tỉnh Sơn Đông, Trung Quốc qua đường cảng biển về Đà Nẵng.

3. Tỷ lệ và chế độ công nghệ khi sử dụng chế phẩm enzyme trong quy trình sản xuất là gì?
Hỗn hợp táo sau nghiền được bổ sung chế phẩm enzyme Pectinase Ultra-SPL với tỷ lệ 0,1% (w/w) và Cellulase với tỷ lệ 0,05% (w/w), tiến hành ủ ở nhiệt độ 40 – 50 °C trong thời gian 1 giờ, sau đó vô hoạt enzyme ở 90 °C trong 5 phút.

4. Chế độ công nghệ của quá trình lên men chính và lên men phụ được quy định như thế nào?

• Lên men chính: Tiến hành ở 25 °C trong 48 giờ, áp suất $p_{\text{CO}_2} = 1\text{ kg/cm}^2$, bổ sung 5% dịch men giống Saccharomyces cerevisiae đã hoạt hóa.
• Lên men phụ: Tiến hành ở 10 °C trong 12 ngày, áp suất $p_{\text{CO}_2} = 2,5\text{ kg/cm}^2$, sản phẩm đạt nồng độ cồn 4,5% (v/v) và pH 3,7.

5. Chế độ làm việc của nhà máy trong năm thiết kế 2022 được phân bổ ra sao?
Nhà máy làm việc 305 ngày/năm (nghỉ 63 ngày lễ và chủ nhật), tổ chức sản xuất 2 ca/ngày, 8 giờ/ca, tổng số ca làm việc là 610 ca/năm, tương đương 4.880 giờ hoạt động.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Tấn Sang đã hoàn thành thiết kế kỹ thuật nhà máy sản xuất cider công suất 30 triệu lít/năm tại Khu công nghiệp Hòa Khánh mở rộng, Đà Nẵng. Nghiên cứu đã xây dựng quy trình công nghệ chi tiết từ khâu xử lý nguyên liệu táo Fuji, thủy phân enzyme kép, phối chế syrup $18^\circ\text{Bx}$, đến quá trình lên men hai pha và đóng lon 330 ml đạt độ cồn 4,5%. Toàn bộ hệ thống định mức hao hụt qua 12 công đoạn và kế hoạch vận hành 305 ngày/năm (610 ca) đã được tính toán đồng bộ theo các tiêu chuẩn TCVN và QCVN hiện hành. Đây là tài liệu thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh, có giá trị tham khảo rõ ràng cho chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT 1. Điều kiện kinh tế kỹ thuật 1. Vị trí xây dựng Địa điểm được lựa chọn cần phải đáp ứng được yêu cầu sau: - Phù hợp với quy hoạch chung của tỉnh, thành phố.

- Gần nguồn cung cấp nguyên liệu và thị trường tiêu thụ sản phẩm. - Đảm bảo các nguồn điện, nước, nhiên liệu. - Đảm bảo cung cấp đủ nguồn nhân lực. - Giao thông vận tải thuận lợi.

- Đảm bảo về vệ sinh môi trường và xử lý nước thải. Khu công nghiệp Hòa Khánh mở rộng là một trong những khu công nghiệp lớn của thành phố Đà Nẵng, ở đây có giao thông thuận lợi, cơ sở hạ tầng hoàn thiện và hiện đại. Sau khi tìm hiểu về các yếu tố trên, việc xây dựng nhà máy tại Khu công nghiệp Hòa Khánh mở rộng thuộc quận Liên Chiểu, Đà Nẵng là thích hợp nhất. 1 Bản đồ sử dụng đất của Khu công nghiệp Hòa Khánh [1] 1.

Đặc điểm tự nhiên Vì hầu hết nguyên liệu để sản xuất cider (rượu táo) được nhập từ nước ngoài và các tỉnh thành khác nên đặc điểm tự nhiên không ảnh hưởng nhiều đến quá trình sản xuất. Địa hình thành phố Đà Nẵng là đồng bằng duyên hải ven biển, kết cấu đất thành phố tương đối vững chắc, không có hiện tượng sụt lỡ bất thường nên đảm bảo được tính lâu bền cho công trình. Khu công nghiệp Hòa Khánh có diện tích đủ rộng và địa hình khá bằng phẳng nên rất thuận tiện về mặt giao thông vận tải và có khả năng mở rộng diện tích nhà máy khi cần thiết. Về khí hậu, Đà Nẵng nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình , mùa Tieu luan hè chủ yếu là gió Đông, mùa đông chủ yếu là gió Bắc và Tây Bắc, nhiệt độ cao và ít biến động.

Mỗi năm có 2 mùa rõ rệt: mùa mưa kéo dài từ tháng 8 đến tháng 12 và mùa khô từ tháng 1 đến tháng 7. Nhiệt độ trung bình hàng năm khoảng 25,9°C [2]. Do đặc điểm khí hậu nóng bức vào mùa hè nên nhu cầu về giải khát rất cao, đây cũng chính là một trong những nguồn tiêu thụ sản phẩm cho nhà máy. Nguồn nguyên liệu Nguyên liệu chính để sản xuất cider là táo đỏ.

Tuy nhiên khí hậu của nước ta không thể trồng được giống táo này nên các nguyên liệu để sản xuất cider sẽ được nhập từ nước ngoài về cảng biển và sau đó được vận chuyển về nhà máy bằng các xe container hoặc xe tải lớn. Đà Nẵng có sẵn cảng biển nên việc vận chuyển được thuận lợi hơn và tiết kiệm được chi phí. Giống táo sử dụng để sản xuất cider trong đồ án này là giống táo Fuji đỏ nhập ở Yên Đài, tỉnh Sơn Đông, Trung Quốc. Hệ thống giao thông vận tải Về giao thông nội khu, hệ thống giao thông nội khu được thiết kế với đường trụ chính rộng 24,5m và đường trục nội bộ có 2 loại rộng 15m và rộng 10,5m.

Đường nội khu được thiết kế theo dạng ô bàn cờ đảm bảo tiếp cận dễ dàng đến từng lô đất trong khu công nghiệp [2]. Về giao thông ngoại khu, hệ thống cơ sở hạ tầng, đường xá, cầu cống, bến cảng ở Đà Nẵng đang phát triển với một tốc độ nhanh chóng. Khu công nghiệp Hòa Khánh nằm dọc Quốc lộ 1A, có mạng lưới kết nối giao thông tiện lợi, dễ dàng tiếp cận các vị trí trọng yếu bằng đường bộ, đường sắt, đường thủy và đường hàng không. Cụ thể cách cảng biển Tiên Sa 20km, cách cảng sông Hàn 13km, cảng Liên Chiểu 5km, cách sân bay quốc tế Đà Nẵng 10km, cách trung tâm thành phố 10km và cách ga đường sắt 9km [2].