Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghệ thực phẩm đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu công nghiệp chế biến hiện đại. Cùng với xu hướng tăng trưởng kinh tế và cải thiện mức sống, nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm bánh kẹo không chỉ giới hạn ở giá trị dinh dưỡng cơ bản mà còn mở rộng sang các mục đích thưởng thức, biếu tặng trong các dịp lễ Tết. Tại Việt Nam, nhiều cơ sở sản xuất bánh kẹo truyền thống vẫn hoạt động theo hình thức nửa thủ công hoặc bán cơ giới, dẫn đến việc chất lượng sản phẩm chưa ổn định, năng suất thấp và hạn chế trong việc cạnh tranh với các mặt hàng nhập khẩu.

Nhằm giải quyết bài toán nâng cao năng suất, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm và tối ưu hóa chi phí sản xuất, đề tài "Quy trình sản xuất kẹo cứng hương cam năng suất 750kg/h" (tương đương quy mô thiết kế 5 tấn sản phẩm/ca) được thực hiện tại Viện Công nghệ Sinh học và Thực phẩm – Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về tính chất hóa lý của các nguyên liệu chính (đường saccharose, mật tinh bột) và phụ gia (axit hữu cơ, tinh dầu cam, chất màu, chất chống oxy hóa, chất nhũ hóa).
  2. Phân tích các yếu tố kinh tế - kỹ thuật để đánh giá và lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy tối ưu giữa ba phương án khu công nghiệp.
  3. Thiết lập quy trình công nghệ sản xuất kẹo cứng hương cam liên tục, xác định chế độ vận hành và công thức phối chế tiêu chuẩn.
  4. Tính toán cân bằng vật chất, lựa chọn danh mục thiết bị công nghệ chính và phụ trợ phù hợp với công suất thiết kế.
  5. Bố trí tổng thể mặt bằng phân xưởng sản xuất, tính toán nhu cầu lao động cùng các chỉ tiêu tiêu thụ năng lượng phụ trợ (điện, nước, hơi, nhiên liệu).

Nghiên cứu được triển khai bởi nhóm sinh viên chuyên ngành với sự phân công trách nhiệm rõ ràng: Hoàng Thị Luyến (tính toán điện, nước, hơi), Nguyễn Thị Luyến (thiết kế quy trình sản xuất), Trần Vĩnh Phước (thiết kế bản vẽ mặt bằng phân xưởng, nhà máy và lựa chọn thiết bị), Bùi Trần Lam Giang (tính toán cân bằng vật chất) và Trần Thị Thanh Xuân (nghiên cứu chọn địa điểm).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở khoa học của quy trình sản xuất kẹo cứng dựa trên nguyên lý chuyển pha của đường saccharose ($C_{12}H_{22}O_{11}$, khối lượng phân tử $M = 342$, khối lượng riêng $d = 1$, nhiệt độ nóng chảy $185 - 186^\circ\text{C}$). Quá trình công nghệ chuyển đường từ trạng thái tinh thể sang dung dịch hòa tan hoàn toàn, sau đó loại bỏ phần lớn lượng nước thông qua bốc hơi chân không để đưa hàm lượng chất khô lên trên 98% (độ ẩm cuối chỉ còn khoảng 1 - 3%), hình thành trạng thái vô định hình (thể thủy tinh).

Để kiểm soát hiện tượng hồi đường (tái kết tinh saccharose) và biến tính nhiệt:

  • Ứng dụng mật tinh bột (chứa glucose, maltose, dextrin, fructose) làm chất chống kết tinh và chất độn cấu trúc.
  • Kiểm soát hàm lượng đường khử tạo thành trong khoảng 12 - 18% và duy trì độ pH của khối dung dịch $\ge 6$ nhằm hạn chế tốc độ thủy phân saccharose trong nồi nấu chân không (không vượt quá 2% đường khử gia tăng).
  • Ngăn ngừa phản ứng tạo caramen và các hợp chất phân giải sẫm màu (như furfural, axit formic, axit axetic) ở nhiệt độ cao.

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

  • Phương pháp ma trận đánh giá đa tiêu chí (Multi-Criteria Evaluation Method): Sử dụng hệ số giá trị (%) cho 6 nhóm nhân tố (Địa hình khu đất, Cơ sở hạ tầng kỹ thuật, Lực lượng lao động, Thị trường, Quan hệ xã hội, Các nhân tố chính sách/thuế) để chấm điểm và lựa chọn vị trí đặt nhà máy.
  • Phương pháp cân bằng vật chất: Tính toán dòng nguyên liệu vào - ra dựa trên công suất thiết kế 750 kg/h, tỷ lệ hao hụt qua từng công đoạn công nghệ và tỷ lệ thu hồi kẹo đầu đuôi.
  • Phương pháp tính toán và chọn thiết bị: Lựa chọn quy cách, công suất máy móc dựa trên năng suất dây chuyền, thông số vận hành kỹ thuật và tiêu chuẩn an toàn thực phẩm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về sản phẩm và nguyên liệu

Chương này trình bày chi tiết về giá trị dinh dưỡng, nhu cầu thị trường của kẹo cứng và hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật của các nguyên phụ liệu sử dụng trong dây chuyền:

Nguyên liệu / Phụ gia Vai trò công nghệ Tiêu chuẩn chất lượng quy định
Đường Saccharose (RE) Cung cấp độ ngọt, tạo cấu trúc khung kẹo Hàm lượng Saccharose $\ge 99.15%$; $\text{pH} = 7$; Chất không tan $\le 60\text{ mg/kg}$; Màu trắng tinh.
Mật tinh bột Chống kết tinh saccharose, tăng độ sánh, làm chất độn Độ khô $80 - 85%$; Đường khử $35 - 40%$; Độ tro $\le 0.6%$; Kim loại nặng $\le 0.001%$; $\text{pH} = 4.8 - 5.5$; $\text{NaCl} \le 0.5%$; Nhiệt độ cháy sém $140 - 148^\circ\text{C}$.
Axit Citric Điều vị chua, hỗ trợ chuyển hóa Hàm lượng axit $\ge 99%$; Tro $\le 0.1%$; Kim loại nặng $\le 50\text{ ppm}$.
Axit Tartric Chất điều vị, chất chuyển hóa Tro $\le 0.5%$; Kim loại nặng $\le 0.0014%$.
Tinh dầu cam Tạo mùi hương đặc trưng Dạng lỏng màu vàng, nhiệt độ sôi $175 - 180^\circ\text{C}$, kim loại nặng $< 10\text{ ppm}$.
Chất màu thực phẩm Tạo màu sắc cam cho sản phẩm Lượng dùng $\le 0.01%$ khối lượng kẹo; Bay hơi ở $35^\circ\text{C} \le 10%$; Không tan $\le 0.05%$; $\text{As}_2\text{O}_3 \le 1.4\text{ ppm}$; $\text{Pb} \le 10\text{ ppm}$.
Chất phụ gia khác Bảo quản, chống oxy hóa, nhũ hóa Natri benzoformat $\le 0.1%$; Vitamin E $\approx 0.03%$ (kết hợp $0.05%$ axit citric); Photphatit $\le 0.5%$; Glyxerit mono/diaxit $\le 0.5%$.

Chương II: Đánh giá và lựa chọn địa điểm nhà máy

Tác giả phân tích tầm quan trọng của quyết định địa điểm đối với chi phí vận chuyển nguyên liệu, hạ tầng kỹ thuật và thị trường tiêu thụ. Ba khu công nghiệp (KCN) được đưa vào so sánh:

  1. KCN Tân Thuận (Quận 7, TP. Hồ Chí Minh).
  2. KCN Nhơn Trạch III (Huyện Nhơn Trạch, Tỉnh Đồng Nai).
  3. KCN Phước Đông (Huyện Gò Dầu và Trảng Bàng, Tỉnh Tây Ninh).

Kết quả đánh giá định lượng bằng phương pháp chấm điểm trọng số:

Nhóm nhân tố ảnh hưởng Trọng số (%) Điểm KCN Phước Đông Điểm KCN Tân Thuận Điểm KCN Nhơn Trạch III
1. Địa hình và đặc điểm khu đất 18.2 67.24 58.12 60.10
2. Cơ sở hạ tầng kỹ thuật 16.5 58.74 54.40 54.14
3. Lực lượng lao động 19.4 64.60 54.38 54.38
4. Thị trường (nguyên liệu, tiêu thụ) 27.3 64.08 57.42 58.48
5. Quan hệ xã hội 15.0 51.22 45.52 48.50
6. Các nhân tố khác (chính sách, thuế) 9.7 31.96 32.98 32.06
Tổng số điểm (Quy đổi 400) 100 343.54 297.78 300.20
Tỷ lệ phần trăm tổng hợp 85.885% 74.445% 75.050%
Xếp hạng lựa chọn Hạng 1 (Được chọn) Hạng 3 Hạng 2

KCN Phước Đông (Tây Ninh) được chọn do sở hữu các ưu thế nổi bật:

  • Nằm gần vùng nguyên liệu đường lớn (Nhà máy đường Bourbon Tây Ninh, Nhà máy đường Nước Trong) và các cơ sở sản xuất tinh bột sắn/mạch nha lân cận.
  • Cách trung tâm TP. Hồ Chí Minh 55 km theo tuyến Quốc lộ 22 (thị trường tiêu thụ trọng điểm).
  • Nằm gần cửa khẩu Mộc Bài và tuyến đường Xuyên Á, tạo điều kiện thuận lợi mở rộng thị trường sang Campuchia và các nước ASEAN.
  • Chi phí thuê đất ($25\text{ USD/m}^2$) và giá thuê nhà xưởng ($2.4\text{ USD/m}^2/\text{tháng}$) thấp hơn đáng kể so với KCN Tân Thuận ($108\text{ USD/m}^2$) và KCN Nhơn Trạch III ($55\text{ USD/m}^2$).

Chương III: Quy trình công nghệ và tính chọn thiết bị sản xuất

Quy trình công nghệ sản xuất kẹo cứng hương cam được thiết lập theo trình tự liên tục:

  1. Phối liệu và Hòa tan: Trộn đường kính và mật tinh bột với tỷ lệ nước bằng 30 - 33% tổng lượng chất khô, gia nhiệt hòa tan ở $80^\circ\text{C}$ trong thời gian 10 - 14 phút, nồng độ dung dịch đạt khoảng 75%.
  2. Lọc: Loại bỏ tạp chất cơ học còn sót lại.
  3. Gia nhiệt sơ bộ: Nâng nhiệt độ dịch đường lên $115 - 118^\circ\text{C}$ để nồng độ chất khô đạt $85 - 88%$, giúp rút ngắn thời gian nấu chân không từ 36 phút xuống còn 20 - 25.5 phút.
  4. Bốc hơi chân không: Thực hiện trong nồi cô đặc chân không nhằm hạ nhiệt độ sôi, hạn chế biến màu; sản phẩm đạt nồng độ chất khô $98 - 99%$, độ ẩm $1 - 2%$, nhiệt độ xả kẹo khoảng $110^\circ\text{C}$.
  5. Làm nguội 1 và Phối trộn phụ gia: Khối kẹo được trải lên bàn làm nguội có nước tuần hoàn ($25 - 30^\circ\text{C}$). Khi nhiệt độ hạ xuống $105 - 110^\circ\text{C}$, bổ sung axit citric, tinh dầu cam, dung dịch phẩm màu và phối trộn 5% kẹo đầu đuôi tái chế; thời gian làm nguội 10 - 12 phút.
  6. Tạo hình: Khối kẹo chuyển sang máy lăn côn bảo ôn để tạo hình nón, kéo thành thỏi đều đặn qua các con lăn định cỡ và dập viên tự động.
  7. Làm nguội 2 và Phân loại: Làm nguội viên kẹo bằng luồng không khí mát đối lưu trên băng tải; loại bỏ các viên nứt, vỡ, biến dạng.
  8. Đóng gói và Đóng thùng: Quấn kẹo bằng máy quấn kiểu xoắn hai đầu hoặc ghép mí, sau đó đóng túi kín và đóng thùng carton thành phẩm.

Công thức phối chế tiêu chuẩn cho một mẻ nấu chân không:

Thành phần Định lượng phối chế Nồng độ chất khô (%)
Đường kính 35 kg 99.9%
Mật tinh bột 17.5 kg 80.0%
Axit citric 300 – 500 g 97.0%
Tinh dầu cam 5 – 10 ml -
Chất màu 2 – 4 g -
Nước hòa tan 25% (so với lượng đường) -
Vitamin E 0.02 g -
Photphatit 0.20 g -
Natri benzoformat 0.05 g -

Chương IV: Cân bằng vật chất và kế hoạch sản xuất

Chương này xây dựng kế hoạch sản xuất theo ca/ngày/năm của nhà máy để đạt công suất 750 kg/h (5 tấn/ca), tính toán chi tiết định mức tiêu hao nguyên liệu, tỷ lệ hao hụt qua từng công đoạn xử lý nhiệt, tạo hình và lượng phế phẩm tái chế (5% kẹo đầu đuôi).

Chương V: Tính toán tổ chức, xây dựng và công trình phụ trợ

Nội dung chương bao gồm:

  • Thiết kế bản vẽ mặt bằng tổng thể phân xưởng sản xuất theo tỷ lệ 1:150, đảm bảo nguyên tắc dòng chảy công nghệ một chiều từ tiếp nhận nguyên liệu đến kho thành phẩm.
  • Tính toán cơ cấu nhân sự, định biên công nhân vận hành các tổ phối liệu, nấu kẹo, tạo hình, đóng gói và kho vận.
  • Xác định nhu cầu phụ trợ cho toàn bộ nhà máy: tính toán mạng lưới cấp điện, nguồn cấp nước sinh hoạt và sản xuất, hệ thống lò hơi cấp nhiệt và xử lý nước thải.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Hệ thống thiết bị trên dây chuyền sản xuất kẹo cứng được lựa chọn đồng bộ theo các thông số kỹ thuật chi tiết:

STT Tên máy và thiết bị Ký hiệu / Model Kích thước $(L \times W \times H)\text{ mm}$ Thông số công nghệ chính
1 Nồi nấu và phối trộn SH-208 $1300 \times 1300 \times 1910$ Công suất: $170\text{ kg}/50\text{ phút}$; Nồi sâu $1100\text{ mm}$, đường kính $1016\text{ mm}$; Vỏ 2 lớp inox; Áp suất hơi $7\text{ kg/cm}^2$; Khí nén $4\text{ kg/cm}^3$.
2 Bơm trung gian SH-201A Đường kính 1 inch Công suất bơm: $800\text{ kg/h}$; Trọng lượng $50\text{ kg}$.
3 Nồi cô đặc chân không SH-201 $2000 \times 850 \times 3200$ Công suất: $3000\text{ kg}/8\text{ giờ}$; Áp suất hơi $7\text{ kg/cm}^2$; Nước làm mát $400\text{ lít/phút}$; Động cơ 1 HP và 7.5 HP; Vỏ hợp kim đồng.
4 Bàn làm nguội SH-210 $1820 \times 900 \times 720$ Bàn rỗng dẫn nước lạnh tuần hoàn; Trọng lượng $3500\text{ kg}$.
5 Thiết bị nhào trộn SH-207 $1940 \times 1500 \times 1800$ Công suất: $3000\text{ kg}/8\text{ giờ}$; Trọng lượng máy $1300\text{ kg}$.
6 Con lăn hàng loạt SH-202 $2500 \times 800 \times 1560$ Công suất mẻ: $70\text{ kg}$; 4 trục lăn rỗng xoay cùng chiều; Động cơ 5 HP; Điện áp 220V/380V.
7 Máy kéo và định hình dây kẹo SH-203 $1720 \times 800 \times 930$ Năng suất: $1200 - 1800\text{ viên/phút}$; Điều khiển tốc độ tự động; Trọng lượng $900\text{ kg}$.
8 Khuôn tạo hình kẹo tự động SH-204 / SH-204A $1500 \times 750 \times 1400$ Năng suất: $1200\text{ viên/phút}$; Tạo hình viên kẹo bầu dục; Điện áp 380V - 50Hz; Trọng lượng $800\text{ kg}$.
9 Băng tải làm mát H-205 $6000 \times 1000 \times 1200$ Hệ thống thổi gió lạnh đối lưu; Trọng lượng $1200\text{ kg}$.
10 Máy quấn kẹo cứng SH-217 $850 \times 1080 \times 1450$ Tốc độ gói: $200 - 250\text{ viên/phút}$; Gói xoắn kép 2 đầu; Kích thước kẹo đóng gói $(16-32) \times (16-32) \times (5-12)\text{ mm}$.
11 Bàn đóng túi & vô thùng - $3000 \times 1500 \times 800$ Bàn gia công thao tác hoàn thiện bao bì thứ cấp.

Mức tiêu hao năng lượng và phụ trợ của dây chuyền:

  • Tổng công suất điện lắp đặt: $30\text{ HP}$.
  • Nhu cầu tiêu thụ hơi nước bão hòa: $400\text{ lít/giờ}$.
  • Nhu cầu nhiên liệu: $20\text{ lít/giờ}$.
  • Nhu cầu nước làm mát: $560\text{ lít/giờ}$.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các mục tiêu thiết kế công nghệ và kỹ thuật:

  • Thiết lập chu trình sản xuất liên tục: Chuỗi thiết bị từ khâu hòa tan SH-208, cô đặc chân không SH-201 đến tạo hình SH-204 và quấn màng SH-217 vận hành đồng bộ, kiểm soát độ ẩm cuối ở mức $1 - 2%$ và ngăn ngừa hiện tượng tái kết tinh đường hiệu quả.
  • Xác lập luận chứng chọn địa điểm rõ ràng: Chứng minh tính khả thi vượt trội của KCN Phước Đông – Tây Ninh thông qua phân tích ma trận đa chỉ tiêu, đạt 343.54/400 điểm ($85.885%$), tận dụng lợi thế cự ly vận chuyển nguyên liệu mía đường và kết nối thị trường tiêu thụ TP. Hồ Chí Minh (55 km).
  • Quy chuẩn hóa công thức phối chế: Đưa ra tỷ lệ định lượng chính xác giữa đường saccharose, mật tinh bột, axit citric ($300 - 500\text{ g}$), tinh dầu cam ($5 - 10\text{ ml}$) và phụ gia ổn định cấu trúc cho mẻ nấu chân không.
  • Hoàn thiện giải pháp mặt bằng và phụ trợ: Cung cấp thông số kích thước chi tiết cho 11 cụm thiết bị chính, bản vẽ phân xưởng tỷ lệ 1:150 cùng bảng cân đối năng lượng tiêu thụ điện, hơi, nước và nhiên liệu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Đồ án được xây dựng dưới dạng thiết kế kỹ thuật lý thuyết, các thông số về thời gian nấu, mức độ hao hụt nhiệt và biến thiên độ ẩm trong quá trình quấn gói cần được hiệu chỉnh dựa trên điều kiện nhiệt ẩm thực tế của phân xưởng khi đi vào vận hành.
  • Chưa khảo sát sâu sự biến đổi chất lượng cảm quan và thời hạn bảo quản của kẹo trong các điều kiện vật liệu bao bì cải tiến (như màng phức hợp đa lớp thay thế giấy quấn truyền thống).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học và Thiết kế Nhà máy Thực phẩm trong việc:

  • Nắm bắt phương pháp luận đánh giá và lựa chọn địa điểm công nghiệp thực phẩm dựa trên hệ số giá trị đa tiêu chí.
  • Tham khảo quy trình công nghệ, thông số chế độ nhiệt bốc hơi chân không và công thức phối chế kẹo cứng hương cam.
  • Sử dụng quy cách, kích thước và công suất chuỗi thiết bị SH-series phục vụ tính toán thiết kế phân xưởng sản xuất bánh kẹo quy mô vừa và nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất thiết kế của nhà máy kẹo cứng trong đồ án là bao nhiêu?
Nhà máy được thiết kế với năng suất $750\text{ kg/h}$, tương đương công suất vận hành $5\text{ tấn sản phẩm/ca}$ làm việc.

2. Vì sao KCN Phước Đông (Tây Ninh) được chọn thay vì KCN Tân Thuận hay KCN Nhơn Trạch III?
KCN Phước Đông đạt điểm đánh giá cao nhất ($343.54\text{ điểm} - 85.885%$) do nằm sát các vùng cung cấp nguyên liệu đường lớn (Bourbon Tây Ninh, Nước Trong) và cơ sở sản xuất tinh bột sắn; cự ly vận chuyển về TP. Hồ Chí Minh ngắn ($55\text{ km}$); chi phí thuê đất ($25\text{ USD/m}^2$) và nhà xưởng ($2.4\text{ USD/m}^2/\text{tháng}$) thấp hơn đáng kể; đồng thời kết nối thuận tiện với thị trường Campuchia qua trục đường Xuyên Á và cửa khẩu Mộc Bài.

3. Tại sao cần thực hiện công đoạn gia nhiệt sơ bộ trước khi đưa dịch đường vào nồi cô đặc chân không?
Dịch đường sau hòa tan có hàm lượng chất khô $\le 80%$. Nếu đưa vào nấu ngay ở $77%$ chất khô, thời gian nấu kéo dài tới 36 phút. Gia nhiệt sơ bộ lên $115 - 118^\circ\text{C}$ nâng hàm lượng chất khô lên $85 - 88%$, giúp rút ngắn thời gian nấu chân không xuống còn $20 - 25.5\text{ phút}$, từ đó tăng hiệu suất thiết bị và hạn chế biến tính sẫm màu của đường.

4. Khối kẹo sau khi ra khỏi nồi cô đặc chân không cần đạt các chỉ tiêu kỹ thuật nào?
Khối kẹo đạt hàm lượng chất khô $98 - 99%$ (độ ẩm $W = 1 - 2%$), nhiệt độ khi xả ra khoảng $110^\circ\text{C}$, thời gian nấu chân không đạt $25 - 26\text{ phút}$.

5. Tổng mức tiêu hao năng lượng phụ trợ của dây chuyền thiết bị là bao nhiêu?
Dây chuyền tiêu thụ công suất điện $30\text{ HP}$, nhu cầu hơi nước bão hòa $400\text{ lít/giờ}$, tiêu hao nhiên liệu $20\text{ lít/giờ}$ và lượng nước làm mát $560\text{ lít/giờ}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật phân xưởng sản xuất kẹo cứng hương cam quy mô 750 kg/h một cách hệ thống. Từ cơ sở chuyển pha hóa lý của saccharose và kỹ thuật chống hồi đường, nhóm tác giả đã tối ưu hóa vị trí nhà máy tại KCN Phước Đông (Tây Ninh), xây dựng dây chuyền thiết bị liên tục từ khâu hòa tan đến đóng gói và cân đối đầy đủ các nguồn phụ trợ. Công trình mang lại bộ dữ liệu kỹ thuật hoàn chỉnh, có giá trị ứng dụng thực tiễn trong công tác đào tạo và thiết kế công nghệ chế biến bánh kẹo.