Đồ án: Tính toán thiết kế hệ thống chiên chân không chuối 20kg/mẻ

Phân tích toàn diện Thiết kế, chế tạo hệ thống chiên chân không chuối 20kg ứng dụng cao trong học thuật và nghiên cứu thực tiễn tham khảo chuyên ngành

• Tác giả: Nguyễn Thành Nghĩa
• Người hướng dẫn: PGS. TS 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 Chuối/Mẻ
• Loại tài liệu: Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ Thống Chiên Chân Không Chuối 20kg

Hệ thống chiên chân không chuối 20kg là một giải pháp công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực chế biến thực phẩm. Công nghệ này kết hợp giữa chiên chân không và nguyên liệu chuối để tạo ra sản phẩm chuối chiên giòn chất lượng cao. Hệ thống được thiết kế với năng suất 20kg nguyên liệu/mẻ, phù hợp cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ. Ưu điểm nổi bật của công nghệ này là giảm thiểu quá trình oxy hóa dầu, bảo tồn tối đa giá trị dinh dưỡng và hương vị tự nhiên của chuối. Chiên chân không được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn (khoảng 60-80°C), giúp sản phẩm có màu sắc đẹp, kết cấu giòn và tuổi thọ bảo quản cao hơn. Điều này làm cho hệ thống này trở thành lựa chọn tối ưu cho ngành công nghiệp thực phẩm hiện đại.

1.1. Khái Niệm Công Nghệ Chiên Chân Không

Chiên chân không là quá trình chiên ngâm trong dầu ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển bình thường. Công nghệ này hoạt động bằng cách hạ áp suất trong buồng chiên xuống 0.6-0.8 atm, giúp nước trong thực phẩm bay hơi nhanh hơn mà không cần nhiệt độ cao. Kết quả là sản phẩm chiên có độ giòn tốt, giữ nguyên màu sắc tự nhiên, và hàm lượng dầu hấp thụ thấp hơn 30-50% so với chiên thường.

1.2. Tính Năng và Ưu Điểm Của Hệ Thống

Hệ thống 20kg cung cấp các tính năng vượt trội: kiểm soát nhiệt độ chính xác, hạ áp suất tự động, nồi chiên thép không gỉ chất lượng cao. Sản phẩm cuối cùng có hàm lượng chất béo thấp, giá trị dinh dưỡng cao, và thời gian bảo quản lâu dài nhờ quá trình chiên khôn khoan oxy hóa dầu.

II. Thiết Kế Kỹ Thuật Hệ Thống Chiên Chân Không

Thiết kế hệ thống chiên chân không 20kg đòi hỏi sự kết hợp giữa các nguyên tắc cơ khí, điện tử và hóa học. Hệ thống bao gồm: nồi chiên chính, buồng chứa chân không, hệ thống hút chân không, hệ thống cấp nhiệt, và hệ thống điều khiển tự động. Mỗi thành phần được tính toán cẩn thận để đảm bảo cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng trong quá trình hoạt động. Nồi chiên được thiết kế với dung tích 25-30 lít, chịu được áp suất tối đa 0.8 atm, làm từ thép không gỉ 304. Buồng chiên được cách nhiệt tốt để giảm mất nhiệt, hệ thống chân không sử dụng bơm chân không xoay cánh, và bộ điều khiển dùng PLC để quản lý các thông số máy.

2.1. Cấu Trúc Nồi Chiên

Nồi chiên là bộ phận cốt lõi, được thiết kế hình trụ tròn từ thép không gỉ SUS304. Dung tích hoạt động 20-25 lít, chiều cao 500mm, đường kính 300mm. Thành nồi có độ dày 5mm để chịu áp suất. Đáy nồi được làm cong để tăng độ bền, có hệ thống gia nhiệt gồm điện trở 2000W phân tán đều. Nắp nồi khớp chặt, có cửa nhập liệu và cảm biến nhiệt độ.

2.2. Hệ Thống Chân Không

Hệ thống chân không bao gồm bơm chân không xoay cánh công suất 500W, bộ lọc dầu, và bộ điều chỉnh áp suất. Bơm chân không hoạt động từ 50-100 lần quay/phút, tạo chân không tối đa 0.95 atm. Ống nối dùng ống PVC chịu áp lực, van chứa nước để xử lý độ ẩm hút ra từ buồng.

III. Quy Trình Chế Tạo Hệ Thống

Chế tạo hệ thống chiên chân không 20kg yêu cầu sử dụng nhiều công nghệ gia công khác nhau. Quá trình bắt đầu từ cắt, gọt kim loại để tạo các bộ phận cơ bản như nồi, nắp, giỏ chứa. Tiếp theo là hàn các chi tiết lại với nhau sử dụng hàn TIG (hàn Argon) để đảm bảo chất lượng hàn cao và không rò rỉ. Sau đó là nắn, uốn các ống nối, đánh bóng bề mặt thép không gỉ để tạo độ sáng bóng và vệ sinh. Cuối cùng là lắp ráp các thiết bị điện tử, kiểm tra áp suất, và thử nghiệm hoạt động. Toàn bộ quá trình chế tạo mất khoảng 2-3 tháng từ thiết kế đến hoàn thành.

3.1. Gia Công Cắt Gọt Kim Loại

Gia công cắt gọt sử dụng máy tiện CNC, máy cắt plasma, máy mài để tạo độ chính xác ±0.5mm. Nồi chiên được gia công từ tấm thép không gỉ 5mm, nắp nồi dày 10mm. Các lỗ lắp đặt cảm biến và ống nối được khoan bằng máy khoan CNC đảm bảo độ chính xác cao.

3.2. Hàn và Hoàn Thiện

Hàn TIG (Tungsten Inert Gas) được áp dụng để hàn các chi tiết không gỉ lại với nhau trong môi trường khí Argon. Hàn được kiểm tra bằng phương pháp chứng chỉ khoá không phá hủy, loại bỏ các khuyết tật. Đánh bóng bề mặt bằng máy mài và chất tẩy rửa chuyên dụng để tạo độ sạch sẽ hoàn hảo.

IV. Ứng Dụng và Triển Vọng Phát Triển

Hệ thống chiên chân không chuối 20kg có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm Việt Nam. Sản phẩm chuối chiên chân không là mặt hàng xuất khẩu có giá trị cao, được yêu chuộng ở các thị trường Nhật Bản, Hàn Quốc, Châu Âu. Hệ thống này phù hợp với các công ty thực phẩm vừa và nhỏ muốn nâng cao chất lượng sản phẩm. Hiện tại, công nghệ chiên chân không vẫn còn độ phủ sử dụng hạn chế ở Việt Nam, tạo ra cơ hội kinh doanh lớn. Các doanh nghiệp có thể ứng dụng hệ thống này để tăng giá trị sản phẩm, giảm chi phí dầu ăn, và cải thiện chất lượng so với chiên truyền thống. Triển vọng phát triển hướng đến tự động hóa cao hơn, tích hợp IoT, AI để tối ưu hóa quá trình sản xuất.

4.1. Ứng Dụng Thực Tiễn Trong Sản Xuất

Hệ thống 20kg/mẻ phù hợp cho cơ sở sản xuất quy mô vừa với sản lượng 100-200kg chuối chiên/ngày. Hệ thống giúp tăng chất lượng sản phẩm, giảm hàm lượng dầu từ 15% xuống 8-10%, tăng giá bán từ 80.000-100.000 đồng/kg. Năng lượng tiêu thụ khoảng 15-20 kWh/100kg, rẻ hơn chiên thường.

4.2. Triển Vọng và Hướng Phát Triển

Tương lai công nghệ chiên chân không hướng tới tự động hóa toàn bộ, tích hợp cảm biến thông minh giám sát độ ẩm, nhiệt độ, áp suất tự động điều chỉnh. Phát triển mô hình mô phỏng với phần mềm máy tính dự đoán chất lượng sản phẩm, tối ưu điều kiện chiên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, mục lục, danh mục hình, danh mục bảng, tài liệu tham khảo,…Tất cả được trình bày trong 189 trang. Tổng quan về công nghệ chiên 1. Cơ sở khoa học về quá trình 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 và cộng sự, 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 và Šeruga, 2005; Krokida và cộng sự, 2000). 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. Các biến đổi trong quá trình chiên a. Biến đổi trong nguyên liệu Thực phẩm được chiên chủ yếu để nấu ăn và làm cho chúng trở nên hấp dẫn, ngon miệng và dễ tiêu hóa hơn.

Thông thường, thực phẩm chiên được ngâm trong dầu nóng ở nhiệt độ từ 120 đến 180°C, tùy thuộc vào nguyên liệu thô và sản phẩm cuối cùng mong muốn (Costa và cộng sự, 1999). Nhiều thay đổi hóa lý diễn ra trong quá trình chiên như sự hồ hóa tinh bột đặc trưng bởi sự trương nở hạt tinh bột; biến tính protein; hóa nâu; sự hình thành lớp vỏ, là kết quả của việc làm khô bề mặt sản phẩm chiên; hình thành thành phần hương vị 4 đặc trưng của thực phẩm chiên; sự giảm khối lượng và sự trương nở. Những thay đổi vật lý và hóa học này dẫn đến sự biến đổi cấu trúc ở cả cấp độ vĩ mô và vi mô. Các biến đổi vật lý và hóa học diễn ra trong quá trình chiên được thể hiện trong Hình 1.

Các quá trình vật lý và hóa học diễn ra trong quá trình chiên (Hijmans và cộng sự, 2001). Biến đổi trong chất béo Hình 1. Sự thủy phân chất béo (Grvàa và Moreira, 2005). Chất béo được sử dụng trong quá trình chiên có thể là dầu thực vật, mỡ động vật, bơ, magarine và shortening.

Trong sản xuất công nghiệp, người ta chỉ sử dụng shortening để chiên thực phẩm. Ưu điểm vượt trội của shortening so với các chất béo khác là mức độ oxy 5 hóa thấp hơn trong quá trình bảo quản và chiên vì shortening chỉ chứa các thành phần acid béo no (Lê Văn Việt Mẫn và cộng sự, 2011). Những thay đổi vật lý trong dầu xảy ra trong quá trình gia nhiệt và chiên bao gồm sự tăng độ nhớt, màu đậm dần, tạo ra nhiều bọt và giảm điểm khói. Có nhiều phương pháp có sẵn để đo lường những thay đổi vật lý này một cách định lượng.

Mối quan hệ giữa sự thay đổi vật lý và hóa học trong dầu thường có thể dự đoán được do các sản phẩm phân hủy hóa học của dầu gây ra những thay đổi vật lý trong dầu chiên, như tăng độ nhớt, màu sắc và tạo bọt (Gupta và cộng sự, 2004). Các phản ứng hóa học của dầu xảy ra trong quá trình chiên bao gồm: - Sự thủy phân dầu: Khi thức ăn được chiên trong dầu nóng, ẩm tạo thành hơi nước, bốc hơi, sủi bọt và giảm dần trong suốt quá trình thức ăn được chiên. Nước, hơi nước và oxy bắt đầu các phản ứng hóa học trong dầu chiên và thức ăn. Nước tấn công liên kết ester của triacylglycerol và tạo ra di- và monoacylglycerol, glycerol và acid béo tự do.

Hàm lượng axit béo tự do trong dầu chiên tăng theo chỉ số chiên (number of fryings) (Chung và cộng sự, 2004). Chỉ số acid béo tự do được sử dụng để theo dõi chất lượng của dầu chiên. Sự thủy phân xảy ra thường xuyên hơn trong dầu có các acid béo ngắn không bão hòa và hòa tan trong nước hơn là các acid béo bão hòa và dài. Sự oxy hóa dầu chiên (Grvàa và Moreira, 2005).

- Sự oxy hóa dầu: Oxy trong quá trình chiên phản ứng với dầu tạo thành các gốc tự do hydroperoxide, sau đó các sản phẩm này tiếp tục phân hủy thành các sản phẩm thủy phân bậc 2 như các ketone, alcohol và aldehyde tạo nên mùi vị đặc trưng của sản phẩm chiên (Cuesta và cộng sự, 1993; Peers và Swoboda, 1982; Sanchez-Muniz và cộng sự, 1993a, 1993b). Cơ chế hóa học của quá trình oxy hóa nhiệt chủ yếu giống như cơ chế tự oxy hóa 6 được thể hiện trong Hình 1. Tốc độ oxy hóa nhiệt nhanh hơn quá trình tự oxy hóa, tuy nhiên quá trình này vẫn chưa được nghiên cứu rõ ràng. Sự polymer hóa dầu chiên (Grvàa và Moreira, 2005).

- Sự polymer hóa dầu: Các sản phẩm của quá trình thủy phân và oxy hóa có thể polymer hóa tạo thành các phân tử khối lượng lớn và có độ phân cực cao. Polymer có thể hình thành từ các gốc tự do hoặc triacylglycerol theo phản ứng Diels-Alder thể hiện trong hình. Acid béo mạch vòng có thể hình thành với một axit béo; acid béo dimeric có thể hình thành từ hai axit béo; và các polyme có trọng lượng phân tử cao thu được khi các phân tử này tiếp tục liên kết chéo. Khi các sản phẩm polymer hóa tăng dần trong dầu chiên, độ nhớt của dầu cũng tăng (Gupta và cộng sự, 2004).

Chất béo nhìn chung rất dễ bị biến đổi bởi các tác nhân vật lý và hóa học khác nhau trong quá trình chiên và cả lúc bảo quản. Vì thế để hạn chế sự hư hỏng chất béo, có thể sử dụng nhiều biện pháp khác nhau, phổ biến nhất là thêm các chất phụ gia chống oxy hóa như butylated hydroxyanisole (BHA), butylated hydroxytoluene (BHT), tertiary butylhydroquinone (TBHQ)… Để đánh giá chất béo, người ta đề ra một số chỉ số như sau: - Chỉ số acid: là số mg KOH cần thiết để trung hòa các acid béo tự do có trong 1g chất béo. Chỉ số acid càng cao thì chất béo càng dễ bị oxy hóa do các acid béo tự do rất dễ bị biến đổi trong môi trường giàu oxy. - Chỉ số iodine: là số gam iodine có thể phản ứng với các triglyceride không no có trong 100g chất béo.

Chỉ số iodine đặc trưng cho mức độ không no của chất béo. Chỉ số iodine càng cao thì chất béo càng khó bảo quản do các liên kết không no dễ kết hợp với oxy để tạo thành các hợp chất độc hại khác. 7 - Chỉ số peroxide: là hàm lượng hydroperoxide có trong 1kg chất béo và được biểu diễn bằng số đơn vị milliequivalent. Chỉ số peroxide đặc trưng cho mức độ ôi hóa của chất béo.

Chỉ số peroxide càng cao thì chất béo càng hư hỏng nặng. Các 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 và cộng sự, 1988). Zeki Berg (2013) chia quá trình chiên ra thành 3 phương pháp chính: a. 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 và cộng sự, 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 (Fellows, 1990; Oke và cộng sự, 2018). 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 và cộng sự, 1988).