Đồ án: Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiên chân không khoai tây 20kg/mẻ

Toàn văn đồ án thiết kế, chế tạo hệ thống chiên chân không 20kg/mẻ cho khoai tây. Bao gồm tính toán, thông số kỹ thuật và quy trình vận hành.

• Tác giả: Phạm Thị Quỳnh Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tấn Dũng
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm
• Đề tài: Nghiên cứu tính toán thiết kế và chế tạo hệ thống chiên chân không năng suất 20kg nguyên liệu khoai tây/mẻ
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Chiên Chân Không 20kg mẻ

Hệ thống chiên chân không là một công nghệ tiên tiến trong ngành công nghệ thực phẩm, đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất khoai tây chiên. Công nghệ này hoạt động dựa trên nguyên lý chiên ở áp suất thấp, giúp giảm nhiệt độ chiên so với phương pháp chiên thường, từ đó bảo tồn tốt hơn các chất dinh dưỡng và hương vị của sản phẩm. Hệ thống với năng suất 20kg nguyên liệu khoai tây/mẻ được thiết kế để đáp ứng nhu cầu của các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ, với hiệu suất cao và chi phí đầu tư hợp lý. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này dựa trên các phương trình cân bằng vật chất và năng lượng, đảm bảo tính khoa học và hiệu quả trong quá trình sản xuất.

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Chiên Chân Không

Chiên chân không hoạt động ở áp suất thấp, thường duy trì từ 20-100 mmHg. Ở áp suất này, điểm sôi của dầu ăn giảm đáng kể, cho phép chiên ở nhiệt độ 80-100°C thay vì 160-180°C như chiên thường. Quá trình này giúp giảm thiểu các phản ứng hóa học không mong muốn, bảo tồn vitamin, màu sắc và hương vị tự nhiên của khoai tây. Ngoài ra, tốc độ chiên nhanh hơn do diện tích tiếp xúc tối ưu và hiệu suất truyền nhiệt cao.

1.2. Lợi Thế Của Hệ Thống 20kg mẻ

Hệ thống chiên chân không 20kg/mẻ cung cấp nhiều lợi thế so với các phương pháp truyền thống. Sản phẩm cuối cùng có độ giòn cao hơn, chứa ít dầu hơn (từ 8-12% thay vì 15-20%), giảm calo nhưng vẫn giữ nguyên hương vị. Ngoài ra, chi phí sản xuất thấp hơn nhờ tiêu thụ dầu ít và tuổi thọ dầu kéo dài hơn. Hệ thống cũng thân thiện với môi trường do phát thải khí thải ít và dễ kiểm soát chất lượng.

II. Thông Số Kỹ Thuật Và Thiết Kế Buồng Chiên

Buồng chiên là thành phần trung tâm của hệ thống chiên chân không, nơi quá trình chiên chính diễn ra. Theo thiết kế, buồng chiên có đường kính trong 560mm, chiều cao 1150mm với độ dày vách 6mm, được chế tạo từ thép không gỉ. Phía ngoài buồng chiên được lót thêm lớp cách nhiệt dày 4mm để duy trì nhiệt độ ổn định và giảm mất nhiệt ra môi trường. Khung nhập liệu có cấu trúc tương tự với đường kính 560mm, chiều cao 700mm, tiếp nối với cửa nhập liệu hình vuông có cạnh 350mm, cho phép nhập liệu dễ dàng. Giỏ nhập liệu có kích thước 540 x 240mm giúp phân tán khoai tây đều trong buồng, tối ưu hóa quá trình chiên.

2.1. Cấu Trúc Và Vật Liệu Buồng Chiên

Buồng chiên được chế tạo từ thép không gỉ chịu được áp suất cao và chịu ăn mòn từ dầu. Các thông số đường kính 560mm, cao 1150mm, độ dày 6mm được tính toán dựa trên phương trình cân bằng áp lực và sức bền vật liệu. Lớp cách nhiệt dày 4mm giúp giữ ổn định nhiệt độ, giảm tổn thất nhiệt đến 40-50%. Thiết kế này đảm bảo chiên 20kg nguyên liệu/mẻ với thời gian tối ưu.

2.2. Hệ Thống Nhập Liệu Và Giỏ Chiên

Khung nhập liệu cao 700mm tạo không gian chuyển tiếp giữa môi trường ngoài và buồng chân không. Cửa nhập liệu vuông 350mm x 350mm được thiết kế gập xuống, giúp nhập liệu an toàn. Giỏ chiên có đường kính 540mm, cao 240mm, độ dày 1mm, được thiết kế với lỗ nhỏ giúp dầu lưu thông đều, đảm bảo chiên đều 20kg khoai tây/mẻ trong thời gian 15-20 phút.

III. Hệ Thống Cơ Khí Và Tự Động Điều Khiển

Hệ thống cơ khí của chiên chân không bao gồm bơm chân không, máy nén khí, dàn nóng và hệ thống ngưng tụ ẩm. Bơm chân không công suất 2Hp, 3 pha, 220V, 50Hz được lắp đặt để duy trì áp suất chân không trong buồng chiên từ 20-100 mmHg. Máy nén khí công suất 1HP cung cấp không khí nén để hỗ trợ quá trình ngưng tụ hơi nước. Dàn nóng công suất 1HP cấp nhiệt cho dầu chiên, duy trì nhiệt độ 80-100°C. Hệ thống ngưng tụ ẩm với đường kính 270mm, chiều dài 380mm chứa 209 ống, giúp loại bỏ hơi nước sinh ra trong quá trình chiên, bảo vệ hệ thống khỏi hỏng hóc.

3.1. Bơm Chân Không Và Hệ Thống Duy Trì Áp Suất

Bơm chân không là trung tâm của hệ thống, cung cấp áp suất chân không ổn định. Với công suất 2Hp, 3 pha 220V, bơm có khả năng hút được lưu lượng không khí lớn, duy trì áp suất 20-100 mmHg. Hệ thống được trang bị cảm biến áp suất để tự động điều chỉnh, đảm bảo áp suất tối ưu trong suốt quá trình chiên, tối ưu hóa thời gian chiên 20kg khoai tây/mẻ.

3.2. Hệ Thống Ngưng Tụ Và Tách Lỏng

Hệ thống ngưng tụ ẩm với 209 ống loại bỏ hơi nước hiệu quả, bảo vệ bơm chân không khỏi hư hỏng. Bình tách lỏng với đường kính 170mm, cao 300mm tách dầu và nước, phễu 99mm góc 45° giúp thoát nước tự động. Thiết kế này đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, kéo dài tuổi thọ dầu và duy trì chất lượng sản phẩm.

IV. Quy Trình Vận Hành Và Tính Kinh Tế

Quy trình chiên chân không cho khoai tây được xây dựng dựa trên khảo nghiệm hệ thống và tính toán nhiệt động học. Quá trình bao gồm: (1) nhập liệu 20kg khoai tây vào buồng chiên, (2) đóng cửa và bắt đầu hút chân không, (3) tăng nhiệt độ dầu đến 85-95°C, (4) duy trì áp suất 40-60 mmHg trong 15-20 phút, (5) xả chân không và lấy sản phẩm. Chi phí sản xuất được tính toán bao gồm: tiêu thụ điện (3-4 kWh/mẻ), dầu ăn (1.5-2 lít/mẻ), lao động (0.5 công), và khấu hao thiết bị. Lợi nhuận sản phẩm cao hơn 30-40% so với chiên thường nhờ giảm thiểu tổn thất, tăng chất lượng và kéo dài tuổi thọ dầu.

4.1. Các Bước Vận Hành Hệ Thống Chiên Chân Không

Vận hành hệ thống cần tuân thủ quy trình nghiêm ngặt. Trước tiên, kiểm tra độ kín của buồng chiên và các ống dẫn. Nhập 20kg khoai tây vào giỏ chiên, đóng cửa an toàn. Bật bơm chân không, duy trì áp suất 40-60 mmHg. Bật dàn nóng để gia nhiệt dầu đến 85-95°C. Giữ nhiệt độ và áp suất ổn định trong 15-20 phút, theo dõi bằng đồng hồ áp suất và nhiệt độ. Sau chiên xong, xả chân không slowly, lấy giỏ chiên và thoát dầu.

4.2. Phân Tích Kinh Tế Hệ Thống

Chi phí sản xuất mỗi mẻ (20kg khoai tây) khoảng 150,000-200,000 đồng, bao gồm điện (40,000 đ), dầu (80,000 đ), lao động (30,000 đ). Giá bán sản phẩm khoai tây chiên từ 350,000-450,000 đồng/kg, tức 7-9 triệu/mẻ. Lợi nhuận/mẻ là 1.2-1.5 triệu đồng. Thời gian hoàn vốn ước tính 6-8 tháng, ROI 150-200%/năm. Hệ thống chiên chân không là giải pháp kinh tế hiệu quả cho các doanh nghiệp thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Công nghệ chiên chân không 1. Tổng quan về chiên 1. Cơ sở khoa học về chiên Chiên là một quá trình xử lý thực phẩm trong dầu béo ở nhiệt độ cao.

Khi đó, chất béo vừa là tác nhân gia nhiệt vừa là thành phần của thực phẩm sau khi chiên (Lê Văn Việt Mẫn, Công nghệ chế biến thực phẩm, 2011). Quá trình chiên bao gồm đồng thời cả quá trình truyền nhiệt và truyền khối, trong đó dầu chiên là môi trường truyền nhiệt vào thức ăn, qua đó hơi ẩm di chuyển ra ngoài và dầu được hấp thụ vào thực phẩm (Budžaki, 2005) (Krokida, M. Quá trình chiên được chia thành bốn giai đoạn: Giai đoạn 1 (giai đoạn làm nóng sơ bộ): là giai đoạn mà bề mặt sản phẩm được làm nóng từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ sôi của nước. Giai đoạn này thường ngắn và lượng nước mất đi không đáng kể (Farinu, 2006).

Giai đoạn 2: lượng nước tự do ở bề mặt sản phẩm giảm mạnh, độ truyền nhiệt tăng và hình thành lớp vỏ giòn cho sản phẩm. Giai đoạn 3: là giai đoạn biểu trưng cho suốt khoảng thời gian mà lượng nước mất đi. Đây là giai đoạn dài nhất và nhiệt độ ở tâm đạt đến nhiệt độ sôi của nước. Giai đoạn 4: là giai đoạn kết thúc quá trình chiên, nó được miêu tả khi lượng nước trong sản phẩm đạt độ ẩm mong muốn (Nguyễn Tấn Dũng, 2015).

Nhiệt độ cao thúc đẩy các phản ứng giữa các thành phần thực phẩm như protein và carbohydrate, sự mất nước trên bề mặt vỏ và sự hấp thu dầu (Gertz, 2014). Trái ngược với phương pháp luộc, sự gia nhiệt đến nhiệt độ cao này mang lại vẻ ngoài (màu sắc), kết cấu (độ giòn) và mùi vị mong muốn (Perkins, 2007). Chiên là một quy trình hiệu quả hơn so với các phương pháp chế biến khác, và đã trở nên rất phổ biến trong các nhà hàng và ngành công nghiệp thực phẩm vì tốc độ và sự đơn giản trong quá trình vận hành. Phân loại phương pháp chiên Chiên là một trong những phương pháp nấu ăn lâu đời trong đó chất béo hoặc dầu được sử dụng làm môi trường truyền nhiệt, tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm (Varela, 1988).

Theo (Berk, 2013) chia quá trình chiên ra thành 3 phương pháp chính: 5 1. Chiên bề mặt (Pan frying) Được sử dụng cho các đơn vị thực phẩm có hình chữ nhật, phẳng, rộng và tương đối mỏng, chẳng hạn như chả, fillet và trứng ốp la. Thức ăn được nấu bằng cách tiếp xúc với một lượng nhỏ chất béo nóng, thường ở một mặt và không bị khuấy trộn. Bề mặt chiên được gia nhiệt bằng điện trở, gas hoặc hơi nóng từ phía dưới.

Nhiệt được truyền tới bề mặt dưới cùng của nguyên liệu thực phẩm chủ yếu bằng cách dẫn nhiệt từ bề mặt nóng của chảo qua lớp dầu mỏng, có độ cao thấp hơn độ cao của mẫu thực phẩm, do đó thực phẩm không bị ngập hoàn toàn trong lớp dầu (Lê Văn Việt Mẫn, Công nghệ chế biến thực phẩm, 2011). Độ dày của lớp dầu thay đổi do sự bất thường của bề mặt thực phẩm. Điều này, cùng với sự thoát hơi nước từ bề mặt nóng của thực phẩm, gây ra sự thay đổi nhiệt độ và tạo ra màu nâu bất thường đặc trưng của thực phẩm chiên áp chảo. Chiên áp chảo có hệ số truyền nhiệt bề mặt cao, dao động trong khoảng 200 – 450 W/m2.K, nhưng không ổn định trên toàn bộ bề mặt thực phẩm (Fellow, 2000) Sản phẩm được sản xuất theo phương pháp này sẽ nhanh chóng có mùi ôi.

Điều này xảy ra là do sản phẩm hấp thụ dầu ít hơn so với các phương pháp khác. Dẫn đến thời gian giữa các lần thay dầu dài hơn, gây ra thiệt hại nhiều hơn cho dầu và hình thành lượng lớn gốc tự do trong dầu. Các gốc tự do này sẽ đi theo sản phẩm và xúc tác sự oxy hóa dầu trong sản phẩm trong quá trình bảo quản (Gupta, 2004). Phương pháp này thường được sử dụng trong hộ gia đình hoặc các nhà hàng ở quy mô nhỏ, ít được sử dụng để chế biến thực phẩm theo quy mô công nghiệp.

Chiên xào (Stir frying) Các đơn vị thức ăn có kích thước nhỏ đến trung bình được nấu chín nhanh chóng trong một lượng nhỏ chất béo rất nóng, khuấy trộn liên tục. Phương pháp này ít được sử dụng trong chế biến công nghiệp thực phẩm. Chiên bề sâu (Deep frying) Là một trong các phương pháp nấu ăn lâu đời nhất, có lẽ bắt nguồn từ vùng Địa Trung Hải (Varela, 1988) Các đơn vị thực phẩm được ngâm trong mỡ hoặc dầu nóng, và sự truyền nhiệt xảy ra đồng đều trên toàn bộ bề mặt của thực phẩm, qua đó lượng ẩm trong thực phẩm sẽ thoát ra ngoài và thay vào đó là một lượng dầu được hấp thụ vào (Budžaki, 2005). Thông thường, thực phẩm khi chiên được ngâm trong dầu nóng ở nhiệt độ từ 120 đến 180°C, tùy thuộc vào bản chất nguyên liệu thô và sản phẩm cuối cùng mong muốn (Costa, R.

Hệ số truyền nhiệt có thể lên đến 800 – 1000 W/m2. Theo (Lê Văn Việt Mẫn, Công nghệ chế biến thực phẩm, 2011) trong quá trình sản xuất theo quy mô công nghiệp, phương pháp chiên bề sâu được ứng dụng phổ biến bởi các ưu điểm về thời gian chế biến; sự hiệu quả về năng lượng và kinh tế; độ đồng đều của sảm phẩm chế biến; tăng thêm màu, mùi vị và cấu trúc vỏ; duy trì hàm lượng dinh dưỡng vi mô (Mehta, U. Truyền nhiệt và truyền khối trong chiên bề mặt và chiên bề sâu 1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiên - Nguyên liệu chiên: Quá trình chiên bị ảnh hưởng bởi các tính chất vật lí của nguyên liệu (có thể là bản chất nguyên liệu (màu sắc, hình dạng), kích thước, bề dày của nguyên liệu) và thành phần hóa học (hàm lượng nước và các thành phần khác) có trong nguyên liệu ban đâu (Nguyễn Tấn Dũng, 2015).

Hình dạng, kích thước nguyên liệu chiên ảnh hưởng đến diện tích tiếp xúc với dầu, liên quan đến hiệu suất truyền nhiệt trong quá trình chiên, thời gian chiên, lượng dầu thấm vào bên trong sản phẩm. Nguyên liệu có độ ẩm cao ảnh hưởng đến phản ứng thuỷ phân dầu. Sự hình thành màu sắc cho sản phẩm chiên phụ thuộc vào phản ứng đường khử và acid amin, phản ứng caramen hoá. Vì các quá trình cơ học như cắt gọt nguyên liệu, làm vỡ thành tế bào có dịch đường, acid amin điều đó làm ảnh hưởng đến màu sản phẩm.

Ngoài ra hệ enzyme trong nguyên liệu cũng là yếu tố ảnh hưởng đến màu sắc khi chiên (Rossell, 2001). - Chất béo: Trong quá trình chế biến các sản phẩm thực phẩm chiên, chất béo vừa là tác nhân gia nhiệt vừa là một thành phần của sản phẩm, do đó chất lượng chất béo sẽ ảnh hưởng trực tiếp 7 đến quá trình thực hiện và thành phẩm cuối cùng. Theo thời gian chiên, chỉ số acid và chỉ số peroxide của chất béo sẽ tăng dần làm cho chất lượng dầu chiên sẽ giảm. Vì thế, các nhà sản xuất cần đảm bảo giám sát, kiểm soát 2 chỉ số trên một cách chặt chẽ.

Một số cơ sở sản xuất thực phẩm ở Việt Nam kiểm soát điều này bằng cách pha thêm shortening mới vào shortening cũ, tuy nhiên cách này không được các nhà khoa học khuyến khích. Vì vậy, việc bổ sung một số phụ gia chống oxy (các hợp chất lưu huỳnh, acid ascobic và các hợp chất phenolic) để giảm thiểu sự hư hỏng của dầu chiên cũng được thực hiện (Lê Văn Việt Mẫn, Công nghệ chế biến thực phẩm, 2011), (Rossell, 2001). Các tác giả Przybylski and Eskin, 1988 đã đề xuất phương pháp để giảm sự oxy hóa dầu trong suốt quá trình gia nhiệt như sau: + Xả khí CO2 vào bồn chứa dầu + Dầu chiên nên được rửa với nitơ trong 15 phút hoặc với CO2 trong 5 phút để loại bỏ O2 hòa tan. + Lưu lượng khí trong các thùng là 50 cm/phút + Tỷ lệ giữa chiều cao dầu chứa trong bồn so với đường kính của bồn tối thiểu là 3.

+ Bồn không nên được chứa đầy dầu quá 70% chiều cao của nó. Thông số công nghệ: Phương pháp chiên: Hiện nay, có rất nhiều phương pháp chiên tùy theo quy mô nhà sản xuất và yêu cầu về chất lượng của sản phẩm. Nhiệt độ và thời gian chiên: Đây là hai thông số quan trọng mà các nhà sản xuất cần quan tâm để tạo ra sản phẩm đạt chất lượng. Hai thông số này là khác nhau ở từng đối tượng nguyên liệu, từng phương pháp chế biến, từng điều kiện áp suất, nhiệt độ,.

Ảnh hưởng của áp suất chân không đến sự thoát độ ẩm của khoai tây chiên trong quá trình chiên 1. Một số thiết bị chiên trên thị trường hiện nay Thiết bị chiên có thể là được thiết kế để vận hành theo mẻ hoặc liên tục (Morton, I. Thiết bị chiên theo mẻ được sử dụng ở các phân xưởng nhỏ lẻ và cho các dịch vụ ăn uống, tạo ra sản phẩm thực phẩm nhỏ hơn. Trong công nghiệp hầu hết sử dụng thiết bị chiên theo kiểu liên tục để tăng sản lượng sản phẩm, dùng để sản xuất sản phẩm có kích thước lớn.

Thiết bị chiên thông thường được sử dụng ở điều kiện áp suất khí quyển, tuy nhiên hiện nay nhờ áp dụng công nghệ kĩ thuật mà người ta có thể tiến hành dưới điều kiện áp suất cao hơn hoặc thấp hơn kể cả ở điều kiện chân không tùy vào mục đích công nghệ (Mallikarjunan, 2010). Thiết bị chiên theo mẻ Một thiết bị chiên theo mẻ bao gồm một hoặc nhiều nồi có dung tích dầu dao động từ 5 đến 25 lít. Dầu có thể được đun nóng trực tiếp bằng điện trở được lắp đặt ngay trên đáy nồi chiên vài inch. Điều này cho phép tạo ra một khu vực làm mát (cool zone) ở đáy nồi, tạo điều kiện cho các mảnh vụn có thể rơi xuống, duy trì ở đáy nồi, giảm thiểu thiệt hại dầu.

Nồi chiên cũng có thể được làm nóng bằng khí đốt trực tiếp bên dưới đáy nồi; tuy nhiên, sự sắp xếp này gây khó khăn cho việc tạo ra khu vực làm mát cho nồi chiên (Rosen, 2002) Thực phẩm cần chiên được cho vào bên trong các giỏ lưới. Hệ thống nâng sẽ đặt các giỏ lưới vào bên trong nồi chiên, chú ý là các mẫu thực phẩm phải được ngâm hoàn toàn trong (Lê Văn Việt Mẫn, Công 9 nghệ chế biến thực phẩm, 2011). Thiết bị chiên hiệu suất cao bao gồm đầu đốt hồng ngoại tuabin phản lực (high-efficiency fryers include turbo-jet infrared burners) sử dụng ít hơn 30 đến 40% năng lượng so với thiết bị chiên dùng khí đốt tiêu chuẩn có cùng công suất (Moreira R.