Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành khai thác và chế biến thủy sản đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế, tuy nhiên sản lượng thủy sản khai thác toàn cầu có xu hướng chững lại do nguồn lợi tự nhiên suy giảm. Đồng thời, tỷ lệ cá tạp và cá có giá trị kinh tế thấp chiếm tới 2/3 tổng sản lượng khai thác tại Việt Nam. Nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng và gia tăng giá trị kinh tế của nguồn nguyên liệu này, công nghệ sản xuất surimi (chất nền protein từ thịt cá xay rửa) cùng các sản phẩm mô phỏng đã phát triển mạnh mẽ.

Trên thị trường quốc tế, Nhật Bản và Hoa Kỳ là hai quốc gia dẫn đầu về sản xuất và tiêu thụ surimi. Tại Việt Nam, hiện có hơn 100 doanh nghiệp tham gia sản xuất và xuất khẩu mặt hàng này tới khoảng 40 quốc gia, tập trung lớn nhất tại ba thị trường: Hàn Quốc (chiếm 23%), Thái Lan (chiếm 21%) và Trung Quốc (chiếm 13%). Nhu cầu tiêu thụ thực phẩm đông lạnh và sản phẩm mô phỏng protein tiếp tục tăng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc đầu tư các nhà máy chế biến quy mô công nghiệp.

Đồ án tốt nghiệp thực hiện nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật công nghệ cho một nhà máy chế biến surimi hoàn chỉnh với các nội dung cụ thể:

  1. Đánh giá cơ sở thực hiện đề tài, nghiên cứu vùng nguyên liệu và lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy.
  2. Lựa chọn, thuyết minh và hoàn thiện quy trình công nghệ chế biến surimi phù hợp với nguyên liệu cá biển địa phương.
  3. Lập kế hoạch sản xuất trong năm và tính toán cân bằng vật chất chi tiết cho nguyên liệu chính, nguyên liệu phụ, nước rửa và bao bì.
  4. Tính toán và lựa chọn danh mục thiết bị công nghệ đáp ứng đúng năng suất thiết kế.
  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ và hệ thống thiết bị sản xuất surimi đông lạnh từ nguyên liệu cá Đổng cờ (Nemipterus virgatus).
  • Phạm vi không gian: Nhà máy được thiết kế đặt tại Khu công nghiệp Dịch vụ Thủy sản Thọ Quang, Quận Sơn Trà, Thành phố Đà Nẵng (tổng diện tích khu công nghiệp là 57,9 ha).
  • Phạm vi thời gian và quy mô: Năng suất thiết kế đạt 25 tấn nguyên liệu/ngày; kế hoạch sản xuất được lập chi tiết cho năm 2024 với 305 ngày làm việc và 610 ca sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án áp dụng các nguyên lý hóa sinh thực phẩm và kỹ thuật chế biến thủy sản để xây dựng quy trình công nghệ:

  • Khung lý thuyết về hóa sinh surimi: Bản chất của surimi là một hệ gel protein myofibrillar (chiếm 65 - 80% tổng protein mô cơ cá), chủ yếu gồm actin và myosin. Quy trình công nghệ tập trung vào việc loại bỏ protein chất cơ (sarcoplasmic protein) tan trong nước – thành phần cản trở sự tạo gel – cùng chất béo, sắc tố và enzyme protease, qua đó tăng nồng độ actomyosin nhằm tạo cấu trúc gel đàn hồi cao sau xử lý nhiệt hoặc cấp đông.
  • Cơ chế phụ gia bảo vệ protein: Sử dụng sorbitol và hợp chất polyphosphate để ức chế sự biến tính và mất nước của protein trong quá trình lạnh đông và bảo quản; bổ sung tinh bột và gelatin đóng vai trò chất đồng tạo gel nhằm tăng cường độ bền, độ dẻo dai và khả năng giữ nước cho sản phẩm.
  • Hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng:
    • TCVN 8682:2011: Tiêu chuẩn quốc gia về sản phẩm Surimi (quy định các chỉ tiêu cảm quan, hóa lý và giới hạn vi sinh vật như Salmonella).
    • TCVN 4359:2008: Tiêu chuẩn đối với tinh bột mì sử dụng trong chế biến.
    • TCVN 12099:2017: Tiêu chuẩn đối với phụ gia gelatin thực phẩm.
    • TCVN 3974:2015: Tiêu chuẩn quốc gia đối với muối ăn (NaCl).
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật:
    • Phương pháp cân bằng vật chất (Mass Balance): Xác định dòng vật chất vào - ra, định mức hao hụt cơ học và sinh hóa tại từng công đoạn chế biến cho nguyên liệu chính (cá Đổng cờ) và các phụ liệu.
    • Phương pháp tính chọn thiết bị công nghệ: Tính toán năng suất công đoạn theo giờ, xác định thể tích làm việc, hệ số chứa, công suất động cơ và số lượng máy móc/thiết bị cần trang bị dựa trên catalogue kỹ thuật công nghiệp.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu dự báo trữ lượng và khả năng khai thác hải sản của Bộ Thủy sản tại vùng biển Đà Nẵng; số liệu quy hoạch hạ tầng KCN Thọ Quang; các định mức tiêu hao thực tế trong sản xuất surimi công nghiệp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Cơ sở thực hiện đề tài

Chương này trình bày tổng quan thị trường, đánh giá điều kiện tự nhiên - kinh tế - xã hội để lựa chọn địa điểm xây dựng và xác lập các thông số ban đầu của sản phẩm.

Khu công nghiệp Dịch vụ Thủy sản Thọ Quang (Quận Sơn Trà, TP. Đà Nẵng) được chọn làm địa điểm xây dựng nhờ các lợi thế hạ tầng:

  • Cách cảng cá Thọ Quang và cảng biển Tiên Sa 3 km, thuận lợi tiếp nhận nguyên liệu và xuất khẩu.
  • Cách cầu Sông Hàn 4 km, ga đường sắt Đà Nẵng 5 km, Sân bay Quốc tế Đà Nẵng 6 km.
  • Nguồn cấp điện từ Trạm biến áp 500 kV Hòa Cầm; nguồn cấp nước sạch từ Nhà máy nước Sơn Trà (công suất 5.000 m³/ngày đêm); hệ thống làm lạnh nước và bể chứa cách nhiệt 100 m³.
  • Trữ lượng khai thác hải sản vùng biển Đà Nẵng đạt trên 1 triệu tấn/năm, khả năng khai thác cá nhiệt đới bền vững trên 150.000 tấn/năm, riêng cá Đổng đạt 8.000 - 10.000 tấn/năm.

Tác giả tiến hành so sánh hai quy trình công nghệ chế biến surimi phổ biến:

Tiêu chí so sánh Quy trình 1 (Rửa gián đoạn / Tách sơ bộ) Quy trình 2 (Rửa liên tục / Ép liên tục)
Tổn thất chất khô Ít Nhiều
Độ ẩm khối cá Đồng đều Không đồng đều
Thời gian chế biến Chậm Nhanh
Chất lượng sản phẩm Tốt hơn Kém hơn
Tiêu hao nguyên liệu Thấp hơn Cao hơn

Tác giả quyết định chọn Quy trình 1 để áp dụng vào thiết kế nhà máy nhằm tối ưu chất lượng gel và giảm hao hụt chất khô.

Sản phẩm được lựa chọn là surimi bán thành phẩm đông lạnh đóng gói 10 kg/bao PE (kích thước 343 x 250 x 90 mm), đóng 2 bao vào 1 thùng carton, bảo quản ở nhiệt độ -18 ± 2 °C. Thành phần dinh dưỡng định mức: Protein 16%, Lipid 0,2%, Nước 75%, Glucid 0%, Cholesterol 0%.

Chương II: Chọn và thuyết minh dây chuyền công nghệ

Chương II phân tích đặc tính sinh học của nguyên liệu cá Đổng cờ (Nemipterus virgatus) và thuyết minh chi tiết từng công đoạn trong dây chuyền công nghệ.

Cá Đổng cờ khai thác có chiều dài phổ biến 150 - 300 mm, phân bố ở độ sâu 50 - 70 m. Tỷ lệ phần thịt ăn được chiếm 50%, phần đầu, xương, vây chiếm 42%. Thành phần hóa học cơ bản trong 100 g thịt cá Đổng: Nước 77 g, Protein 20,2 g, Lipid 3 g, Khoáng 1,3 g.

Quy trình công nghệ gồm 12 công đoạn chính:

  1. Tiếp nhận nguyên liệu: Tiếp nhận cá tươi bảo quản lạnh ở nhiệt độ 0 - 5 °C, thời gian vận chuyển từ nơi đánh bắt về nhà máy không quá 20 giờ, thời gian lưu kho không quá 24 giờ.
  2. Phân loại và xử lý sơ bộ: Phân loại cá theo kích cỡ bằng thiết bị Modori 309DC. Sau đó, công nhân mổ bụng, cắt đầu, bỏ nội tạng, lột da, phi lê và làm sạch gân máu trên băng tải.
  3. Nghiền ép (tách thịt): Sử dụng máy nghiền với tang trống đục lỗ đường kính 3 - 4 mm để ép tách thịt cá ra khỏi da, xương vụn và vảy.
  4. Rửa lần 1: Ngâm rửa thịt cá xay trong dung dịch NaCl 0,5% trong 10 phút, nhiệt độ 0 - 5 °C, tỷ lệ nước/thịt cá là 3:1. NaCl giúp tăng khả năng làm sạch protein hòa tan và hỗ trợ làm bền protein cấu trúc.
  5. Rửa lần 2: Rửa lại bằng nước sạch trong 10 phút ở nhiệt độ duy trì 0 - 5 °C (nhiệt độ nước cấp 15 °C), tỷ lệ nước/cá là 3:1 nhằm loại bỏ triệt để tạp chất, lipid và sắc tố.
  6. Ly tâm tách nước: Sử dụng máy ly tâm trục đứng để loại bỏ nước tự do, đưa độ ẩm khối thịt cá từ khoảng 90% sau rửa về mức tiêu chuẩn 85%.
  7. Phối trộn phụ gia: Tiến hành trong thiết bị trộn ở nhiệt độ luôn dưới 10 °C (bổ sung đá vảy/nước lạnh khi cần). Tỷ lệ phối trộn tính theo khối lượng thịt cá sau ly tâm: Sorbitol 6,0%, Tinh bột mì 3,0%, Polyphosphate 0,3%, Gelatin 0,2%.
  8. Ép định hình: Ép surimi thành các block hình chữ nhật kích thước 343 x 250 x 90 mm trong thời gian 20 phút.
  9. Tách khuôn: Tháo sản phẩm ra khỏi khuôn ép định hình.
  10. Bao gói PE: Đóng gói chân không tự động bằng bao bì màng PE (LDPE tỷ trọng 0,91 - 0,925 g/cm³, độ dày trên 0,05 mm), khối lượng 10 kg/bao.
  11. Cấp đông: Cấp đông tiếp xúc ở nhiệt độ buồng lạnh -25 đến -34 °C trong thời gian 2 - 3 giờ cho đến khi nhiệt độ tâm block đạt -18 ± 2 °C.
  12. Đóng thùng và bảo quản: Đóng 2 block vào 1 thùng carton, chuyển vào kho lạnh bảo quản ở nhiệt độ ổn định -18 ± 2 °C, thời hạn lưu trữ từ 6 đến 12 tháng.

Chương III: Lập kế hoạch sản xuất và tính cân bằng sản phẩm

Nhà máy hoạt động 2 ca/ngày (thời gian làm việc thực tế 8 giờ/ca, tổng thời gian 16 giờ/ngày). Kế hoạch sản xuất năm 2024 đạt 305 ngày làm việc, 610 ca (nghỉ 10 ngày duy tu bảo dưỡng thiết bị vào tháng 8).

Năng suất nguyên liệu đưa vào chế biến: $$\text{Năng suất theo giờ } M = \frac{25 \text{ tấn/ngày}}{16 \text{ giờ/ngày}} = 1{,}56 \text{ tấn/giờ}$$

Cân bằng vật chất được tính toán dựa trên định mức tiêu hao qua từng công đoạn:

STT Công đoạn sản xuất Tỷ lệ hao hụt (%) Lượng vào (tấn/giờ) Lượng vào (tấn/ca) Lượng vào (tấn/ngày)
1 Tiếp nhận nguyên liệu 1,0 1,56 12,50 25,00
2 Phân loại và xử lý sơ bộ 37,0 1,54 12,32 24,64
3 Nghiền ép tách thịt 2,0 0,97 7,76 15,52
4 Rửa lần 1 (dung dịch NaCl) 3,0 0,95 7,60 15,20
5 Rửa lần 2 (nước sạch) 1,0 0,92 7,36 14,72
6 Ly tâm tách nước 4,0 0,91 7,28 14,56
7 Phối trộn phụ gia 1,0 0,95* 7,60 15,20
8 Ép định hình 2,0 0,94 7,52 15,04
9 Bao gói PE 1,0 0,92 7,36 14,72
10 Cấp đông tiếp xúc 1,0 0,91 7,28 14,56
11 Tách khuôn 1,5 0,90 7,20 14,40
12 Đóng thùng carton 1,0 0,88 7,04 14,08
13 Bảo quản kho lạnh 1,0 0,87 6,96 13,92

*Ghi chú: Tại công đoạn phối trộn, lượng vào tăng từ 0,87 tấn/giờ lên 0,95 tấn/giờ do được bổ sung thêm 80,28 kg phụ gia/giờ.

Cân bằng phụ liệu và nước rửa:

  • Nguyên liệu phụ (tính cả 1% hao hụt): Sorbitol cần 51,22 kg/h (0,82 tấn/ngày); Tinh bột mì cần 25,60 kg/h (0,41 tấn/ngày); Polyphosphate cần 2,55 kg/h (0,041 tấn/ngày); Gelatin cần 1,70 kg/h (0,027 tấn/ngày).
  • Nước và muối rửa: Nước rửa lần 1 cần 2,85 tấn/h (muối NaCl tiêu tốn 0,01 tấn/h); nước rửa lần 2 cần 2,76 tấn/h. Tổng lượng nước rửa cần cấp là 5,61 m³/h (tương đương 89,76 m³/ngày).
  • Nhu cầu bao bì (tính cả 2% hao hụt): Bao PE 10 kg cần 94 bao/h (1.472 bao/ngày); thùng carton cần 48 thùng/h (768 thùng/ngày).

Chương IV: Tính và chọn thiết bị

Tác giả tính toán công suất và lựa chọn 10 nhóm thiết bị chuyên dụng phục vụ dây chuyền sản xuất:

STT Tên thiết bị Model / Thông số kỹ thuật chính Số lượng chọn Nhân công vận hành
1 Thiết bị phân loại cá Modori 309DC; Công suất 2,0 tấn/h; Kích thước 4000 x 1500 x 1500 mm 1 máy 3 người
2 Băng tải sơ chế Chiều dài L = 11 m, rộng 1,5 m, cao 0,8 m; Năng suất mỗi băng tải 0,84 tấn/h 2 hệ thống 36 người (18 người/băng)
3 Máy nghiền thô tách thịt SY-400; Công suất 1,0 tấn/h; Lỗ lưới 5 mm; Động cơ 7,5 kW 1 máy 2 người
4 Thùng chứa rửa lần 1 Thể tích thực tế $V_{tt} = 4{,}75\text{ m}^3$; Kích thước 1400 x 1200 x 1500 mm 2 thùng 4 người
5 Thùng chứa rửa lần 2 Thể tích thực tế $V_{tt} = 4{,}60\text{ m}^3$; Kích thước 1700 x 1200 x 1200 mm 2 thùng 4 người
6 Thiết bị ly tâm tách nước RS-4720; Công suất 1,0 tấn/h; Động cơ 5,5 kW; Trọng lượng 1.200 kg 2 máy 2 người
7 Thiết bị phối trộn FVMX; Công suất 1,5 tấn/h; Thể tích thùng 3.000 L; Động cơ 55 kW 1 máy 1 người
8 Thiết bị ép định hình SS2000; Công suất 1,0 tấn/h; Động cơ 5,5 kW; Trọng lượng 600 kg 1 máy 2 người
9 Máy đóng gói hút chân không M-1000; Năng suất đóng gói 1,0 tấn/h; Kích thước 3600 x 670 x 1470 mm 1 máy 2 người
10 Tủ cấp đông tiếp xúc S-CF1000 / S-CF2000; Công suất 1 tấn/mẻ; 15 khoang cấp đông 1 hệ thống 2 người

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả tính toán kỹ thuật: Đồ án đã xây dựng hoàn chỉnh hồ sơ thiết kế công nghệ cho nhà máy surimi 25 tấn nguyên liệu/ngày. Hệ thống tính toán cân bằng vật chất xác định rõ lưu lượng nguyên liệu chính qua 13 mốc kiểm soát, với lượng bán thành phẩm surimi xuất xưởng đạt xấp xỉ 0,86 tấn/h (khoảng 13,76 tấn/ngày). Xác lập chính xác định mức tiêu thụ của 4 loại phụ gia, lưu lượng nước rửa (5,61 m³/h) và nhu cầu bao bì (94 bao PE/h, 48 thùng carton/h).
  • Giải pháp lựa chọn công nghệ: Đã lựa chọn quy trình rửa gián đoạn 2 giai đoạn (kết hợp dung dịch NaCl 0,5% và nước lạnh) cùng công đoạn ly tâm kiểm soát ẩm ở 85%, giúp giảm thiểu tổn thất chất khô và bảo toàn tối đa hàm lượng actomyosin tạo gel.
  • Đóng góp thực tiễn: Thiết lập phương án khả thi về mặt kỹ thuật trong việc khai thác nguồn cá Đổng cờ dồi dào tại ngư trường miền Trung, tận dụng hạ tầng dịch vụ nghề cá sẵn có tại Khu công nghiệp Thọ Quang - Đà Nẵng để phát triển mặt hàng bán thành phẩm giá trị gia tăng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Quy trình công nghệ và các bảng tính cân bằng vật chất được thiết lập chuyên biệt cho một đối tượng nguyên liệu duy nhất là cá Đổng cờ (Nemipterus virgatus), vốn có tính mùa vụ cao (tập trung vào các tháng 4, 5, 6). Đồ án chưa tính toán chi tiết phương án xử lý tải lượng ô nhiễm trong nước thải chế biến (chứa hàm lượng protein hòa tan, khoáng và nồng độ muối cao từ công đoạn rửa).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu quy trình công nghệ phối trộn đa dạng các loài cá biển khác (cá mối, cá phèn, cá tạp nhiệt đới) để duy trì hoạt động liên tục quanh năm cho nhà máy; nghiên cứu tích hợp dây chuyền chế biến sâu sản xuất các sản phẩm mô phỏng dạng sợi (thanh cua, tôm mô phỏng, chả cá định hình) từ nguồn surimi nền.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ thực phẩm, Kỹ thuật chế biến thủy sản và Quản lý công nghiệp thực phẩm.

Nội dung có giá trị sử dụng trực tiếp bao gồm:

  • Bảng tính chi tiết định mức cân bằng vật chất từng công đoạn từ cá nguyên con đến surimi thành phẩm.
  • Phương pháp tính toán kích thước hình học, thể tích thùng rửa và số lượng thiết bị công nghệ (máy phân loại, máy nghiền tách xương, ly tâm, máy trộn chân không, tủ đông tiếp xúc).
  • Tài liệu tra cứu các thông số kỹ thuật, tỷ lệ phối trộn phụ gia chống biến tính protein theo các tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành (TCVN 8682:2011).

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất chế biến theo giờ và kế hoạch làm việc của nhà máy được tính toán như thế nào?
Nhà máy xử lý 25 tấn cá nguyên liệu/ngày, làm việc 2 ca/ngày, mỗi ca làm việc thực tế 8 giờ (tổng cộng 16 giờ làm việc/ngày). Do đó, năng suất xử lý nguyên liệu chính theo giờ là 1,56 tấn/giờ. Trong năm 2024, nhà máy hoạt động 305 ngày (tương đương 610 ca sản xuất), nghỉ 10 ngày vào tháng 8 để thực hiện bảo dưỡng và đại tu thiết bị.

2. Công đoạn phân loại và xử lý sơ bộ làm hao hụt bao nhiêu phần trăm khối lượng nguyên liệu?
Công đoạn phân loại và xử lý sơ bộ (cắt đầu, móc ruột, phi lê, tách da và xương lớn) có tỷ lệ hao hụt lớn nhất trong toàn bộ quy trình, chiếm 37,0% khối lượng nguyên liệu vào. Khối lượng nguyên liệu giảm từ 1,54 tấn/h xuống còn 0,97 tấn/h (lượng phế phụ phẩm thải ra là 0,57 tấn/h).

3. Tỷ lệ các loại phụ gia được bổ sung vào phối trộn surimi là bao nhiêu?
Tỷ lệ phụ gia tính theo phần trăm khối lượng thịt cá sau ly tâm gồm có: Sorbitol 6,0% (51,22 kg/h); Tinh bột mì 3,0% (25,60 kg/h); Polyphosphate natri 0,3% (2,55 kg/h); Gelatin 0,2% (1,70 kg/h). Quá trình phối trộn bắt buộc phải kiểm soát nhiệt độ dưới 10 °C.

4. Chế độ rửa thịt cá xay được thiết lập với những thông số kỹ thuật nào?
Quá trình rửa được thực hiện qua 2 giai đoạn với tỷ lệ nước/thịt cá là 3:1:

  • Rửa lần 1: Sử dụng dung dịch NaCl 0,5%, thời gian 10 phút, nhiệt độ 0 - 5 °C.
  • Rửa lần 2: Sử dụng nước sạch, thời gian 10 phút, nhiệt độ 0 - 5 °C (nước cấp ban đầu 15 °C). Tổng lưu lượng nước rửa cần cấp cho cả 2 giai đoạn là 5,61 m³/h.

5. Quy cách bao gói và chế độ cấp đông - bảo quản thành phẩm được thiết kế ra sao?
Surimi được đóng gói chân không trong bao bì PE 10 kg (kích thước 343 x 250 x 90 mm), sau đó đóng 2 bao vào 1 thùng carton. Sản phẩm được cấp đông trong tủ đông tiếp xúc S-CF2000 ở nhiệt độ buồng lạnh -25 đến -34 °C trong 2 - 3 giờ đến khi tâm sản phẩm đạt -18 ± 2 °C, sau đó bảo quản trong kho lạnh chuyên dụng ở nhiệt độ -18 ± 2 °C.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Tuấn Anh đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán và lựa chọn quy trình công nghệ cho nhà máy sản xuất surimi từ cá Đổng cờ với năng suất 25 tấn nguyên liệu/ngày tại Khu công nghiệp Thọ Quang, TP. Đà Nẵng. Hệ thống cân bằng vật chất, cân bằng phụ liệu và danh mục 10 thiết bị công nghiệp được xây dựng khoa học, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn chất lượng TCVN 8682:2011. Đề tài cung cấp giải pháp công nghệ có tính ứng dụng thực tiễn cao, góp phần nâng cao giá trị khai thác thủy sản và cung cấp nguồn dữ liệu thiết kế tham khảo tin cậy cho ngành Công nghệ thực phẩm.