Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp "Thiết kế nhà máy sản xuất bột rau má hòa tan năng suất 500 tấn sản phẩm/năm" do sinh viên Phan Khánh Huy thực hiện (ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, chuyên ngành Máy Thiết bị, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của ThS. Tiền Tiến Nam, hoàn thành tháng 03/2022) thuộc nhóm đồ án thiết kế kỹ thuật công nghệ và tính toán thiết bị nhà máy chế biến thực phẩm.

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Rau má (Centella asiatica Urb, hay còn gọi là tích tuyết thảo, lôi công thảo) là loại cây nhiệt đới mọc hoang và được canh tác rộng rãi tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Trong bối cảnh đại dịch COVID-19 giai đoạn 2020–2021, thị trường tiêu thụ nông sản tươi gặp nhiều khó khăn, giá rau má tại vườn biến động bất thường (giá thu mua của thương lái giảm sâu xuống mức 1.000 – 3.000 đồng/kg), gây thiệt hại kinh tế lớn cho người nông dân.

Việc đầu tư thiết kế nhà máy chế biến sâu nhằm sản xuất bột rau má hòa tan và nước giải khát rau má đóng chai giúp giải quyết các bài toán cấp thiết:

  • Tận dụng vùng nguyên liệu dồi dào tại địa phương, chủ động bao tiêu sản phẩm cho nông dân với mức giá ổn định (10.000 – 12.000 đồng/kg).
  • Kéo dài thời hạn bảo quản của nông sản, giảm thiểu hao hụt sau thu hoạch.
  • Đa dạng hóa sản phẩm chế biến từ rau má nhằm phục vụ nhu cầu tiêu dùng nội địa (mức tiêu thụ rau quả bình quân 78 kg/người/năm) và hướng tới thị trường xuất khẩu.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Đề tài xác định 5 nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cụ thể:

  1. Nhiệm vụ 1: Khảo sát tổng quan về nguồn nguyên liệu rau má, dược tính, thành phần hóa học, nhu cầu thị trường và lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy.
  2. Nhiệm vụ 2: Thiết lập sơ đồ quy trình công nghệ và tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng cho toàn bộ dây chuyền sản xuất với năng suất thiết kế 500 tấn sản phẩm/năm.
  3. Nhiệm vụ 3: Tính toán thiết kế chi tiết thiết bị chính là buồng sấy lạnh bơm nhiệt (tính toán động học quá trình sấy, kích thước buồng sấy, chu trình lạnh và trao đổi nhiệt).
  4. Nhiệm vụ 4: Tính toán lựa chọn các thiết bị phụ trợ trong dây chuyền sản xuất (phân loại, rửa ozone, nghiền mịn, rây, phối trộn, đồng hóa, tiệt trùng UHT, chiết rót và đóng gói).
  5. Nhiệm vụ 5: Tính toán sơ bộ nhu cầu năng lượng (điện, nước), xử lý nước thải, tổ chức nhân sự vận hành và quy hoạch mặt bằng nhà máy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ và hệ thống máy thiết bị sản xuất bột rau má hòa tan và nước giải khát rau má đóng chai.
  • Phạm vi không gian: Nhà máy được thiết kế đặt tại Khu công nghiệp Long Giang, huyện Tân Phước, tỉnh Tiền Giang; khai thác vùng nguyên liệu tập trung tại huyện Châu Thành, tỉnh Tiền Giang (diện tích 1.000 ha, năng suất 100 kg/1.000 m²) và các tỉnh lân cận thuộc Đồng bằng sông Cửu Long.
  • Phạm vi thời gian: Chế độ làm việc của nhà máy là 300 ngày/năm, vận hành 2 ca/ngày (mỗi ca 8 giờ, áp dụng hình thức ca gãy phù hợp chu kỳ sấy 10 giờ), tương đương 600 ca/năm (4.800 giờ hoạt động/năm).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

  • Đặc tính dược lý và thành phần hóa thực vật của rau má: Nghiên cứu dựa trên cấu trúc các hợp chất saponin triterpenoid nhóm ursan (chủ yếu là asiaticosid với hàm lượng từ 1% đến 6,4%, madecassoid, acid madasiatic), flavonoid (quercetin, kaempferol), các dẫn chất oleanan, carbohydrate và vitamin.
  • Tiêu chuẩn phụ gia thực phẩm: Áp dụng Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 5660:2010 về phụ gia thực phẩm cho quá trình phối trộn sản phẩm bột và dung dịch chiết rót:
    • Ascorbyl palmitat (INS 304): chất chống oxy hóa, liều lượng tối đa 500 mg/kg (sử dụng 450 mg/kg).
    • Canxi benzoat (INS 213): chất bảo quản, liều lượng tối đa 1.000 mg/kg (sử dụng 800 mg/kg).
    • Maltodextrin: chất trợ sấy/tạo ngọt (tỷ lệ 5% theo khối lượng).
    • Xanthan Gum (INS 415), Kali Sorbate (INS 202), Canxi ascorbat (INS 302).
  • Tiêu chuẩn môi trường: Hệ thống xử lý nước thải thiết kế theo quy chuẩn vi sinh Cột A của TCVN 40:2011/BTNMT.

Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật

  • Phương pháp tính cân bằng vật chất: Xác định suất tiêu hao nguyên liệu, tính toán hao hụt cơ học và hao hụt độ ẩm qua từng công đoạn theo công thức cân bằng khối lượng $G_{nv} = G_{nr} + M_n$.
  • Phương pháp tính toán động học sấy lạnh:
    • Sử dụng phương trình thực nghiệm Egorov để xác định độ ẩm cân bằng ($\omega_{cb}$) và độ ẩm tới hạn ($\omega_{kx}$).
    • Ứng dụng lý thuyết truyền nhiệt - truyền chất đối lưu để tính toán thời gian đốt nóng ($\tau_0$) và thời gian sấy đẳng tốc ($\tau_1$) qua các chuẩn số đồng dạng Fourier ($Fo$) và Biot ($Bi$).
  • Phương pháp tính toán nhiệt động chu trình lạnh: Sử dụng giản đồ không khí ẩm (I-d) và phần mềm chuyên dụng AirCalc để xác định các thông số trạng thái không khí tại các điểm nút (ngoài trời, vào buồng sấy, ra khỏi buồng sấy, sau dàn lạnh); tính toán chu trình bơm nhiệt sử dụng môi chất R134a.
  • Nguồn dữ liệu tham khảo: Số liệu khí tượng thủy văn tỉnh Tiền Giang (nhiệt độ trung bình $27,9^\circ\text{C}$, độ ẩm $78%$), số liệu thống kê xuất nhập khẩu của Bộ Công Thương, Tổng cục Hải quan, Niên giám thống kê nông nghiệp và Bảng thành phần thực phẩm Việt Nam (VTN_FCT_2007).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 cung cấp luận cứ khoa học và thực tiễn về nguyên liệu, thị trường và địa điểm:

  • Về nguyên liệu: Tổng hợp cấu tạo thực vật học, thành phần dinh dưỡng (trong 100g phần ăn được: 88,2g nước, 3,2g protein, 1,15g glucid, 1.300 $\mu\text{g}$ $\beta$-caroten, 37mg vitamin C, 229mg canxi) và hoạt tính sinh học của cây rau má.
  • Về thị trường: Phân tích quy mô thị trường rau quả Việt Nam giai đoạn 2020–2021, cơ cấu thị trường xuất khẩu (Trung Quốc chiếm 1/3 kim ngạch, tiếp theo là Nhật Bản, Hàn Quốc, Hoa Kỳ) và sự phát triển của các sản phẩm bột rau sấy lạnh trên thị trường.
  • Địa điểm xây dựng: Lựa chọn KCN Long Giang (540 ha, huyện Tân Phước, Tiền Giang) nhờ lợi thế nằm cạnh cao tốc TP.HCM – Trung Lương, gần Quốc lộ 1A, kết nối thủy nội địa ra cảng Mỹ Tho và Hiệp Phước, hạ tầng điện 220 kV, cấp nước $18.000,\text{m}^3/\text{ngày}$.
  • Quy trình công nghệ đề xuất: Thiết lập sơ đồ công nghệ tổng thể với 2 nhánh thành phẩm: bột rau má hòa tan đóng gói và nước giải khát rau má đóng chai.

Chương 2: Tính cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng

Chương 2 tính toán chi tiết định mức tiêu hao nguyên liệu cho công suất 500 tấn sản phẩm/năm ($1.670,\text{kg/ngày}$, làm tròn thành $1.712,85,\text{kg/ngày}$ tại tank chứa trung gian):

  • Khối lượng nguyên liệu thô đầu vào cần thiết: $17.000,\text{kg/ngày}$ (độ ẩm 89%).
  • Lượng ẩm cần bốc hơi tại công đoạn sấy lạnh: $13.709,44,\text{kg/ngày}$ (hạ ẩm từ 89% xuống 4%).
  • Phân chia sản phẩm sau tank chứa: $900,\text{kg}$ chuyển sang nhánh đóng gói bột hòa tan và $812,95,\text{kg}$ chuyển sang nhánh chế biến nước giải khát đóng chai.
  • Xác định lượng nhiệt cần thiết cho quá trình gia nhiệt sấy ($1.213.381,8,\text{kJ}$) và giữ nhiệt sấy ($1.010,\text{kJ/h}$).
STT Công đoạn Khối lượng vào (kg) Tỷ lệ hao hụt (%) Khối lượng hao hụt (kg) Khối lượng ra (kg) Độ ẩm (%)
1 Nhập nguyên liệu 17.000,00 0,0% 0,00 17.000,00 89%
2 Phân loại 17.000,00 8,0% 1.360,00 15.640,00 89%
3 Rửa ozone 15.640,00 1,0% 156,40 15.483,60 89%
4 Khô tự nhiên 15.483,60 0,0% 0,00 15.483,60 89%
5 Sấy lạnh 15.483,60 1,0% (cơ học) + ẩm 13.727,18 1.756,42 4%
6 Nghiền mịn 1.756,42 1,0% 17,57 1.738,85 4%
7 Rây (150 mesh) 1.738,85 1,0% 17,39 1.721,46 4%
8 Tank chứa bột 1.721,46 0,5% 8,61 1.712,85 4%

Chương 3: Tính toán thiết bị sấy lạnh

Chương 3 là phần tính toán trọng tâm của đồ án, tập trung vào thiết kế hệ thống sấy lạnh buồng đối lưu tuần hoàn kín kết hợp bơm nhiệt:

  • Thông số tác nhân sấy tại các điểm nút:
    • Điểm 0 (môi trường): $t_0 = 27,9^\circ\text{C}$, $\varphi_0 = 78%$, $d_0 = 18,54,\text{g/kg kkk}$, $h_0 = 18,0,\text{kcal/kg kkk}$.
    • Điểm 1 (vào buồng sấy): $t_1 = 45,0^\circ\text{C}$, $\varphi_1 = 30,57%$, $d_1 = 18,54,\text{g/kg kkk}$, $h_1 = 22,25,\text{kcal/kg kkk}$.
    • Điểm 2 (ra khỏi buồng sấy): $t_2 = 34,59^\circ\text{C}$, $\varphi_2 = 65,0%$, $d_2 = 22,76,\text{g/kg kkk}$, $h_2 = 22,25,\text{kcal/kg kkk}$.
    • Điểm 3 (sau dàn lạnh ngưng tụ ẩm): $t_3 = 14,0^\circ\text{C}$, $\varphi_3 = 100%$, $d_3 = 9,97,\text{g/kg kkk}$, $h_3 = 9,38,\text{kcal/kg kkk}$.
  • Thời gian sấy:
    • Thời gian đốt nóng vật liệu: $\tau_0 = 0,021,\text{giờ}$.
    • Thời gian sấy đẳng tốc: $\tau_1 = 9,95,\text{giờ}$.
    • Tổng thời gian sấy một mẻ: $\sum \tau = 9,971,\text{giờ} \approx 10,\text{giờ}$.
  • Quy mô và kích thước buồng sấy:
    • Toàn nhà máy gồm 5 phòng sấy buồng. Mỗi phòng sấy đảm nhận $1.600,\text{kg}$ nguyên liệu tươi/mẻ (sấy 2 mẻ/ngày).
    • Mỗi buồng sấy bố trí 8 xe gòng, mỗi xe chứa 18 khay sấy (tổng 144 khay/buồng, kích thước khay $0,8 \times 0,6 \times 0,05,\text{m}$, tải trọng $11,12,\text{kg}$ nguyên liệu/khay).
    • Kích thước phủ bì buồng sấy: Dài $4,992,\text{m} \times$ Rộng $4,772,\text{m} \times$ Cao $2,202,\text{m}$ (kết cấu vách cách nhiệt Polyurethane dày 25mm bọc 2 mặt inox 304 dày 0,4mm).
  • Tính toán chu trình nhiệt bơm nhiệt:
    • Môi chất lạnh: R134a (ODP = 0, nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển $t_s = -26,2^\circ\text{C}$).
    • Nhiệt độ ngưng tụ: $t_k = 55^\circ\text{C}$; Nhiệt độ bay hơi: $t_0 = 4^\circ\text{C}$.
    • Lưu lượng không khí tuần hoàn: $L = 33.575,79,\text{kg kkk/h}$ ($9,33,\text{kg/s}$).
    • Công suất thực tế dàn nóng (cung cấp nhiệt sấy): $Q_{ccn} = 182,23,\text{kW}$.
    • Công suất thực tế dàn lạnh (ngưng tụ tách ẩm): $Q_{ccnt} = 561,81,\text{kW}$.

Chương 4: Tính toán chọn thiết bị

Chương 4 hoàn thiện tính toán cơ khí và lựa chọn thiết bị công nghệ cho toàn bộ dây chuyền:

  • Băng tải phân loại: Băng tải cao su thực phẩm kèm bàn thao tác công nhân.
  • Máy rửa sục khí Ozone: Cơ chế tạo bọt khí phân tách tạp chất và bẻ gãy dư lượng bảo vệ thực vật.
  • Hệ thống nghiền mịn: Nghiền va đập tốc độ cao, tạo hạt bột kích thước $D_h = 0,1 \div 0,04,\text{mm}$ và $d_h = 0,005 \div 0,001,\text{mm}$.
  • Máy sàng rung tròn: Thiết kế 3 tầng 2 lưới rây, cỡ lưới 150 mesh đảm bảo độ mịn đồng nhất.
  • Tank chứa trung gian: Tank inox 304 có vỏ gia nhiệt chống hút ẩm.
  • Thiết bị phối trộn bột: Máy trộn thùng quay chữ V chuyên dụng cho phối trộn bột khô với phụ gia (Maltodextrin, Ascorbyl palmitat, Canxi benzoat, bột hương liệu).
  • Máy đóng gói bột: Máy đóng túi tự động kết hợp hệ thống cân định lượng điện tử 10 đầu cân.
  • Dây chuyền sản xuất nước giải khát: Tank khuấy trộn gia nhiệt $2.000,\text{lít}$, thiết bị đồng hóa áp lực cao (chống tách pha huyền phù), thiết bị tiệt trùng UHT dạng bản mỏng và dây chuyền chiết rót dán nhãn đóng chai tự động.

Chương 5: Tính toán chi phí và tổ chức

Chương 5 xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật phụ trợ phục vụ vận hành:

  • Năng lượng và tài nguyên: Xác định tổng công suất tiêu thụ điện, định mức nước cấp sản xuất và sinh hoạt ($0,4,\text{USD/m}^3$), tính toán lưu lượng nước thải cần xử lý qua trạm xử lý nước thải KCN Long Giang.
  • Tổ chức lao động: Bố trí nhân lực trực tiếp làm việc theo 2 ca gãy (8h–12h và 18h–22h) phù hợp chu kỳ luân chuyển 10 giờ của mẻ sấy lạnh, kết hợp đội ngũ quản lý và kỹ thuật gián tiếp.
  • Quy hoạch tổng mặt bằng: Bố trí các phân khu: khu tiếp nhận nguyên liệu, xưởng sản xuất chính, kho thành phẩm, khu xử lý phụ trợ, nhà điều hành và đường giao thông nội bộ.

Thiết kế và tính toán kỹ thuật

Hệ thống thiết bị trong dây chuyền được thiết kế đồng bộ từ khâu xử lý nguyên liệu thô đến đóng gói hai dòng sản phẩm độc lập:

[Nguyên liệu tươi (17 tấn/ngày)] 
[Băng tải phân loại] (Hao hụt 8%)
[Máy rửa sục khí Ozone] (Hao hụt 1%)
[Băng chuyền để ráo khô tự nhiên]
[Hệ thống 5 buồng sấy lạnh bơm nhiệt R134a] (45°C, 10 giờ/mẻ, tách ẩm 89% -> 4%)
[Hệ thống nghiền mịn tốc độ cao] (Dh = 0,04 - 0,1 mm)
[Máy sàng rung tròn 150 mesh]
[Tank chứa bột trung gian] (1.712,85 kg/ngày)
[Máy trộn thùng quay chữ V]             [Tank khuấy gia nhiệt 2.000L]
(Phối trộn Maltodextrin, hương liệu)    (Hòa tan, bổ sung siro hương, phụ gia)
[Máy đóng gói định lượng 10 đầu cân]     [Máy đồng hóa áp lực cao]
[Bột rau má hòa tan đóng túi/hộp]        [Thiết bị tiệt trùng UHT bản mỏng]
                                        [Dây chuyền chiết rót, đóng chai tự động]
                                        [Nước rau má đóng chai thành phẩm]

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật các thiết bị chính

Thiết bị Chức năng công nghệ Thông số kỹ thuật thiết kế
Buồng sấy lạnh bơm nhiệt Tách ẩm ở nhiệt độ thấp ($45^\circ\text{C}$), giữ màu sắc và hoạt chất Số lượng: 5 phòng; Kích thước phủ bì: $4,99 \times 4,77 \times 2,20,\text{m}$; Môi chất: R134a; Công suất nhiệt: 182,23 kW; Chu kỳ: 10 h/mẻ
Xe gòng và khay sấy Chứa và lưu thông tác nhân sấy qua lớp vật liệu 8 xe/buồng; 18 khay/xe (tổng 144 khay/buồng); Kích thước khay: $0,8 \times 0,6 \times 0,05,\text{m}$; Vật liệu: Inox 304
Máy rửa sục khí Ozone Làm sạch bùn đất, khử khuẩn, phân hủy thuốc BVTV Sục khí $O_3$ trực tiếp trong môi trường nước ngâm liên tục
Máy nghiền mịn Phá vỡ tế bào, tạo kích thước bột siêu mịn Kích thước hạt ra: $D_h = 0,04 \div 0,1,\text{mm}$; $d_h = 0,001 \div 0,005,\text{mm}$
Máy sàng rung tròn Phân loại cỡ hạt bột đạt chuẩn Kết cấu 3 tầng, 2 lưới rây kích thước 150 mesh
Máy trộn thùng quay chữ V Phối trộn đồng đều bột rau má với phụ gia khô Trộn cơ học cưỡng bức đồng nhất không sinh nhiệt
Máy đóng gói định lượng Định lượng và đóng gói túi màng nhôm Cơ cấu cân điện tử 10 đầu cân tự động
Máy đồng hóa áp lực Giảm kích thước hạt pha phân tán, chống tách lớp nước giải khát Đồng hóa huyền phù dưới áp lực cao trước khi tiệt trùng
Thiết bị tiệt trùng UHT Tiêu diệt vi sinh vật gây hại dạng dòng chảy Trao đổi nhiệt dạng tấm bản mỏng nhiệt độ cao thời gian cực ngắn

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  1. Thiết lập hoàn chỉnh bảng cân bằng vật chất: Xác định định mức tiêu hao nguyên liệu thực tế cho toàn bộ nhà máy: để đạt năng suất 500 tấn sản phẩm/năm, nhà máy cần tiếp nhận $17.000,\text{kg}$ rau má tươi/ngày, thải bỏ $1.360,\text{kg}$ tạp chất/lá úa qua phân loại, làm bay hơi $13.709,44,\text{kg}$ nước trong quá trình sấy và thu được $1.712,85,\text{kg}$ bán thành phẩm bột tại tank chứa.
  2. Xác lập chế độ công nghệ sấy lạnh tối ưu: Xác định nhiệt độ sấy $45^\circ\text{C}$ và độ ẩm tác nhân sấy $30,57%$ là thông số thích hợp giúp bảo toàn các hoạt chất nhạy nhiệt (asiaticosid, flavonoid, vitamin C) với tổng thời gian sấy là 10 giờ/mẻ.
  3. Tính toán chi tiết hệ thống bơm nhiệt R134a: Cung cấp đầy đủ các thông số nhiệt động của chu trình bơm nhiệt tuần hoàn kín, kiểm soát chính xác tải nhiệt dàn nóng ($182,23,\text{kW}$) và dàn lạnh ($561,81,\text{kW}$).
  4. Mô hình hóa hai hướng sản phẩm linh hoạt: Xây dựng giải pháp sản xuất kết hợp giữa bột hòa tan đóng gói ($900,\text{kg/ngày}$) và nước giải khát pha chế đóng chai ($812,95,\text{kg}$ bột tương đương hàng ngàn lít dung dịch/ngày), giúp tối ưu hóa công suất vận hành và đáp ứng thị hiếu thị trường.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Đưa ra phương án khả thi về mặt kỹ thuật cho việc chuyển đổi phương thức tiêu thụ rau má truyền thống (bán tươi phụ thuộc thương lái) sang mô hình chế biến công nghiệp có giá trị gia tăng cao tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long.
  • Cung cấp tập số liệu tính toán chi tiết về kích thước thiết bị, thông số khí động, cân bằng nhiệt - ẩm làm tài liệu thiết kế cơ sở cho các dự án chế biến bột nông sản hòa tan sử dụng công nghệ sấy lạnh bơm nhiệt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án

  • Sử dụng số liệu nhiệt động thay thế: Do hạn chế về dữ liệu thực nghiệm nhiệt vật lý chuyên biệt của rau má tươi tại thời điểm nghiên cứu, tác giả phải sử dụng bảng thông số nhiệt vật lý gần đúng của rau mùi (độ ẩm $89%$, khối lượng riêng $\rho = 1.010,\text{kg/m}^3$, nhiệt dung riêng $c = 3,872,\text{kJ/kg}\cdot\text{K}$, hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 0,49,\text{W/m}\cdot\text{K}$) để tính toán thời gian sấy và truyền nhiệt.
  • Thiếu phân tích chi tiết dòng chất lỏng: Chương cân bằng vật chất mới chỉ tập trung sâu vào nhánh sản phẩm bột khô từ khâu nguyên liệu đến tank chứa; nhánh chế biến nước giải khát (pha loãng, phối chế siro, đồng hóa, chiết chai) chưa được tính toán chi tiết cân bằng khối lượng cho dung môi nước và phụ gia lỏng.
  • Giới hạn trong phân tích kinh tế: Báo cáo mới dừng ở mức ước tính định mức chi phí hạ tầng (điện, nước, thuê đất KCN), chưa lập bảng phân tích tài chính hoàn chỉnh (tổng vốn đầu tư CAPEX, chi phí vận hành OPEX, thời gian hoàn vốn và điểm hòa vốn).

Hướng phát triển tiếp theo

  • Đo đạc thực nghiệm chính xác các hệ số truyền nhiệt, truyền ẩm và đường đẳng nhiệt hấp phụ ẩm riêng biệt của rau má Tiền Giang để hiệu chỉnh kích thước buồng sấy.
  • Nghiên cứu sâu hơn về công thức phối chế (tỷ lệ phối trộn siro đậu xanh, cốt dừa, sầu riêng, chất ổn định) và đánh giá cảm quan cho dòng sản phẩm nước giải khát đóng chai.
  • Thiết kế chi tiết hệ thống điều khiển tự động hóa (SCADA/PLC) giám sát nhiệt độ, độ ẩm buồng sấy và dây chuyền chiết rót vô trùng.

Giá trị tham khảo

Bản thuyết minh khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Máy Thiết bị và Công nghệ Thực phẩm: Nguồn tài liệu tham khảo về quy trình tính toán đồ án môn học Quá trình & Thiết bị, đồ án Công nghệ sấy và Đồ án tốt nghiệp thiết kế nhà máy chế biến thực phẩm.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống nhiệt - sấy: Cung cấp phương pháp tính toán chu trình sấy bơm nhiệt tuần hoàn kín, tra cứu giản đồ không khí ẩm I-d, tính chọn công suất dàn bay hơi, dàn ngưng tụ và máy nén môi chất R134a.
  • Doanh nghiệp và cơ sở chế biến nông sản: Cung cấp mô hình tham khảo về dây chuyền chế biến sâu rau củ quả dạng bột mịn hòa tan và giải pháp công nghệ tận dụng nguồn nông sản Đồng bằng sông Cửu Long.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất thiết kế của nhà máy là bao nhiêu và lượng nguyên liệu tươi cần nhập mỗi ngày là bao nhiêu?

Nhà máy có công suất thiết kế 500 tấn sản phẩm/năm, hoạt động 300 ngày/năm (tương đương khoảng $1.670,\text{kg}$ sản phẩm/ngày, thiết kế tại tank trung gian đạt $1.712,85,\text{kg/ngày}$). Để đạt sản lượng này, khối lượng rau má tươi nguyên liệu đầu vào cần nhập mỗi ngày là $17.000,\text{kg}$ (độ ẩm ban đầu 89%).

2. Quá trình sấy lạnh được thiết kế ở chế độ nhiệt độ và độ ẩm như thế nào?

Tác nhân sấy được cấp vào buồng sấy ở nhiệt độ $45^\circ\text{C}$ với độ ẩm tương đối $\varphi_1 = 30,57%$. Tác nhân sấy sau khi qua lớp vật liệu có nhiệt độ $34,59^\circ\text{C}$, độ ẩm $\varphi_2 = 65,0%$ và được đưa qua dàn lạnh ở $14^\circ\text{C}$ ($\varphi_3 = 100%$) để ngưng tụ tách ẩm. Độ ẩm sản phẩm sau sấy đạt mức $4%$.

3. Thời gian sấy của một mẻ rau má là bao lâu và bố trí bao nhiêu buồng sấy?

Tổng thời gian sấy một mẻ được tính toán là $9,971,\text{giờ}$ (làm tròn 10 giờ), bao gồm $0,021,\text{giờ}$ đốt nóng vật liệu và $9,95,\text{giờ}$ sấy đẳng tốc. Hệ thống sử dụng 5 phòng sấy buồng, mỗi phòng sấy chứa 8 xe gòng (144 khay sấy) với năng suất $1.600,\text{kg}$ nguyên liệu tươi/mẻ, vận hành 2 mẻ/ngày.

4. Hệ thống bơm nhiệt sử dụng môi chất lạnh nào và công suất nhiệt dàn nóng/dàn lạnh là bao nhiêu?

Hệ thống bơm nhiệt sử dụng môi chất làm lạnh thân thiện với tầng ozone là R134a ($ODP = 0$). Nhiệt độ sôi bay hơi môi chất là $t_0 = 4^\circ\text{C}$, nhiệt độ ngưng tụ là $t_k = 55^\circ\text{C}$. Công suất cung cấp thực tế cho dàn nóng là $182,23,\text{kW}$ và công suất làm lạnh thực tế của dàn lạnh là $561,81,\text{kW}$ (đã tính hệ số dự phòng 1,1).

5. Những phụ gia thực phẩm nào được sử dụng trong quy trình phối trộn bột rau má hòa tan?

Theo tiêu chuẩn TCVN 5660:2010, quy trình phối trộn bột sử dụng: chất tạo ngọt/trợ sấy Maltodextrin (tỷ lệ 5% khối lượng), chất chống oxy hóa Ascorbyl palmitat (INS 304, liều lượng $450,\text{mg/kg}$) và chất bảo quản Canxi benzoat (INS 213, liều lượng $800,\text{mg/kg}$), kết hợp bột hương liệu (đậu xanh, sữa dừa hoặc sầu riêng).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Phan Khánh Huy đã hoàn thành đầy đủ khối lượng tính toán thiết kế kỹ thuật cho nhà máy sản xuất bột rau má hòa tan công suất 500 tấn/năm tại KCN Long Giang, tỉnh Tiền Giang. Đồ án giải quyết trọn vẹn các bài toán cân bằng vật chất ($17.000,\text{kg}$ nguyên liệu thô/ngày), cân bằng năng lượng, tính toán chi tiết cụm thiết bị sấy lạnh bơm nhiệt R134a hoạt động ở $45^\circ\text{C}$ trong chu kỳ 10 giờ, đồng thời lựa chọn đồng bộ hệ thống máy nghiền mịn, sàng 150 mesh, phối trộn và đóng gói cho 2 dòng sản phẩm. Kết quả nghiên cứu là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học - Máy Thiết bị và các kỹ sư thiết kế chế biến nông sản tại Việt Nam.