Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành thủy sản Việt Nam, đặc biệt là sản xuất cá Tra, đã trở thành một trong những ngành xuất khẩu chủ lực kể từ những năm 1980. Đồng bằng sông Cửu Long là vùng nuôi cá Tra lớn nhất cả nước, với ba tỉnh dẫn đầu là An Giang, Cần Thơ và Đồng Tháp. Riêng Đồng Tháp chiếm trên 34,8% sản lượng cá Tra toàn vùng và khoảng 40% kim ngạch xuất khẩu cá Tra cả nước. Tính đến tháng 11/2023, sản lượng thu hoạch tại Đồng Tháp đạt 505.000 tấn, kim ngạch xuất khẩu ước đạt 847 triệu USD.

Sản phẩm xuất khẩu chủ lực là cá Tra philê đông lạnh, chiếm 80% tỷ trọng. Tháng 1/2024, xuất khẩu cá Tra Việt Nam đạt 165 triệu USD, tăng gần gấp đôi so với cùng kỳ năm trước. Tuy nhiên, quá trình chế biến cá Tra philê tạo ra lượng phế, phụ phẩm rất lớn — bao gồm đầu, xương, vảy, da, thịt vụn — chiếm 60–70% nguyên liệu cá đầu vào. Ước tính từ 1 triệu tấn nguyên liệu cá Tra có thể phát sinh 645.000–685.000 tấn phế phẩm. Việc tận dụng nguồn phế phẩm này không chỉ gia tăng giá trị kinh tế cho con cá mà còn giảm áp lực xử lý chất thải ra môi trường.

Mục tiêu thiết kế của đồ án là xây dựng nhà máy chế biến phụ phẩm cá Tra với hai dây chuyền sản xuất song song:

  1. Dây chuyền sản xuất bột cá, năng suất 70 tấn nguyên liệu/ngày.
  2. Dây chuyền sản xuất dịch đạm cá, năng suất 30 tấn nguyên liệu/ngày.

Nhiệm vụ thiết kế bao gồm: lựa chọn địa điểm xây dựng và thị trường tiêu thụ; chọn và thuyết minh quy trình công nghệ; lập kế hoạch sản xuất và tính cân bằng vật chất; tính toán và lựa chọn thiết bị sử dụng; lập bản vẽ kỹ thuật.

Phạm vi thiết kế tập trung vào phân xưởng sản xuất chính, không bao gồm hệ thống phụ trợ bên ngoài nhà máy. Thời gian thực hiện từ 07/03/2024 đến 10/7/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm nền tảng

Đồ án vận dụng các kiến thức chuyên ngành Công nghệ thực phẩm trên các lĩnh vực:

  • Công nghệ chế biến bột cá: So sánh hai phương pháp sản xuất — phương pháp không ép tách dầu, nước và phương pháp có ép tách dầu, nước — để lựa chọn quy trình phù hợp dựa trên chất lượng sản phẩm và thời hạn bảo quản.
  • Công nghệ thủy phân protein bằng enzyme: Hệ thống lý thuyết về enzyme protease (endoprotease, exoprotease), cơ chế thủy phân protein theo ba giai đoạn, mô hình Michaelis–Menten về nồng độ enzyme và cơ chất, các yếu tố ảnh hưởng (nhiệt độ, pH, thời gian, diện tích tiếp xúc, chất kìm hãm, chất hoạt hóa).
  • Đặc tính nguyên liệu: Phân loại khoa học và thành phần dinh dưỡng của cá Tra (Pangasius hypophthalmus); thành phần hóa học phụ phẩm (đầu xương: đạm thô 10,8%, chất béo 19,4%, độ ẩm 60%; da cá: đạm thô 5,91%, độ ẩm 70,93%; thịt vụn: đạm thô 14,15%, độ ẩm 75,08%).
  • Tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm: Áp dụng 10TCN 984:2006 cho bột cá dùng làm thức ăn chăn nuôi; các chỉ tiêu cảm quan, lý hóa và giới hạn an toàn thực phẩm (kim loại nặng, vi sinh vật) theo quy định hiện hành.

Phương pháp thiết kế kỹ thuật

Đồ án sử dụng phương pháp thiết kế hệ thống sản xuất theo các bước tuần tự:

  • Phân tích – so sánh các phương án công nghệ và thiết bị dựa trên bảng so sánh ưu/nhược điểm.
  • Tính toán cân bằng vật chất theo công thức hao hụt tuần tự qua từng công đoạn: $S = \frac{T \cdot (100-x_1)(100-x_2)\ldots(100-x_n)}{100^n}$.
  • Tính toán số lượng thiết bị theo công thức cho thiết bị liên tục ($n = N/M$) và thiết bị theo mẻ ($n = N\tau / (60V)$).
  • Lập kế hoạch sản xuất theo lịch ca, ngày, tháng trong năm 2024.
  • Lập bản vẽ kỹ thuật trên phần mềm AutoCAD, trình bày thuyết minh trên Microsoft Word.

Nguồn dữ liệu

Số liệu đầu vào được thu thập từ báo cáo xuất khẩu của VASEP, số liệu thị trường từ Tổ chức Bột cá và Dầu cá Quốc tế (IFFO), thông số kỹ thuật từ catalog thiết bị của các nhà sản xuất, và các nghiên cứu khoa học về điều kiện thủy phân enzyme (trích dẫn Nilsang, 2005 về enzyme flavourzyme).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Lập luận kinh tế và kỹ thuật

Chương này xây dựng luận cứ kinh tế–kỹ thuật cho việc đầu tư nhà máy. Tác giả phân tích tình hình sản xuất cá Tra tại Đồng bằng sông Cửu Long, dẫn số liệu cụ thể: tháng 1/2024 xuất khẩu cá Tra đạt 165 triệu USD (tăng gần gấp đôi so với cùng kỳ năm 2023); cá Tra philê đông lạnh đạt hơn 131 triệu USD (tăng 87%); thị trường Trung Quốc đạt 52 triệu USD (tăng gần 4 lần so với tháng 1/2023).

Địa điểm xây dựng nhà máy được lựa chọn tại Khu công nghiệp Sa Đéc, tỉnh Đồng Tháp, với các lý do:

Tiêu chí Thông tin cụ thể
Vị trí địa lý Trung tâm ĐBSCL, cách TP. HCM 140 km, cách cửa khẩu Mộc Bài 160 km
Diện tích KCN ~120 ha, trong đó hơn 70 ha đất xây dựng nhà máy
Vùng nguyên liệu Trung tâm vùng nuôi cá Tra lớn nhất cả nước
Giao thông thủy Giáp sông Tiền và cảng Sa Đéc, bến cảng nội bộ 200 tấn
Giao thông bộ Trục lộ 848, cách QL80: 4 km, cách QL1A: 20 km
Cấp điện Trạm 110 kV Sa Đéc, dùng riêng cho KCN
Cấp nước Nhà máy nước công suất 4.500 m³/ngày đêm
Xử lý nước thải Công suất tổng cộng 8.500 m³/ngày đêm

Chương 2: Tổng quan về nguyên liệu và sản phẩm

Chương này tổng hợp thông tin về ba nhóm nội dung chính:

Sản phẩm bột cá: Bột cá là sản phẩm giàu đạm, dễ hòa tan, chứa đủ các axit amin không thay thế, dùng làm thức ăn chăn nuôi hiệu quả. Theo VASEP, Việt Nam sản xuất khoảng 530.000 tấn bột cá/năm, xuất khẩu 200.000 tấn, kim ngạch xấp xỉ 200 triệu USD; đồng thời nhập khẩu 130–140 nghìn tấn/năm bột cá protein cao. Tác giả nêu chỉ tiêu kỹ thuật của hai sản phẩm bột cá thương mại làm tham chiếu: bột cá Việt Trường Seafood (protein ≥67%, fat ≤10%) và bột cá Quốc Hà (protein ≤65%, fat ≤12%).

Sản phẩm dịch đạm cá: Là sản phẩm thủy phân protein bằng enzyme, chứa peptit mạch ngắn và axit amin thiết yếu. Dịch đạm có hoạt tính sinh học: chống oxy hóa (nhờ linoleic acid omega-3), kháng khuẩn (peptit <50 amino axit), kích thích tính ngon miệng và tăng khả năng hấp thu. Tác giả đề cập sản phẩm MarPro 97 (đạm thô ≥30%, tỷ lệ tiêu hóa ≥90%) làm ví dụ thị trường.

Nguyên liệu cá Tra và enzyme: Tỷ lệ khối lượng các bộ phận cá Tra được tổng hợp theo ba mức trọng lượng (0,95–1,05 kg/con; 1,1–1,25 kg/con; 1,6–1,7 kg/con). Trung bình: philê 38,6%, đầu xương 36,5%, nội tạng 10,3%, mỡ bụng 6,1%, da 5,0%, thịt bỏ da 3,2%. Các enzyme protease thương mại được so sánh: flavourzyme, alcalase, neutrase, protamex — mỗi loại có điều kiện pH và nhiệt độ tối ưu khác nhau.

Chương 3: Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ

Dây chuyền sản xuất bột cá gồm các công đoạn: Nguyên liệu → Hấp → Ép → Ly tâm tách dầu → Sấy → Làm nguội → Sàng → Nghiền mịn/Tách kim loại → Phối trộn → Đóng bao.

Các lựa chọn công nghệ then chốt:

  • Phương pháp sản xuất: Chọn quy trình có ép tách dầu, nước vì sản phẩm có chất lượng cao hơn, bảo quản lâu hơn 3–4 lần so với không ép.
  • Phương pháp hấp: Chọn hấp bằng thành thiết bị (khoang đôi, hơi nước bão hòa 138°C ở áp suất 2,37 atm, nhiệt độ khối nguyên liệu 90–95°C, thời gian 15–20 phút) thay vì hấp bằng hơi nước trực tiếp để tránh bổ sung thêm nước vào nguyên liệu.
  • Thiết bị sấy: Chọn sấy thùng quay (65–70°C, 1,8–2 giờ, độ ẩm sau sấy 10–12%) vì phù hợp với bã cá có độ ẩm ban đầu 65–70%.
  • Thiết bị nghiền: Chọn nghiền búa, lưới sàng 3 mm; gắn nam châm ở cửa tháo liệu để tách kim loại.

Dây chuyền sản xuất dịch đạm cá gồm các công đoạn: Nguyên liệu → Xay → Thủy phân enzyme → Lọc → Ủ tàng trữ → Cô đặc → Đóng thùng.

Các lựa chọn công nghệ then chốt:

  • Enzyme: Chọn Flavourzyme (độ đắng dịch đạm thấp hơn Alcalase), với điều kiện tối ưu: pH 5,0–7,0; nhiệt độ 50°C; thời gian 7 giờ; lượng enzyme/NL: 0,5%; lượng nước bổ sung/NL: 30%.
  • Thiết bị lọc: Thiết bị lọc dạng trống tròn, lỗ lưới 7 mm, tránh bít lỗ do cặn.
  • Chất bảo quản: Axit formic 0,3% so với nguyên liệu, ủ 30 ngày ở nhiệt độ thường để ức chế vi khuẩn (Salmonella, E. coli) và nấm mốc.
  • Cô đặc: Thiết bị cô đặc chân không 1 nồi có cánh khuấy; nồng độ chất khô sau cô đặc đạt 15–20%.

Tiêu chuẩn sản phẩm áp dụng: 10TCN 984:2006 cho bột cá (protein ≥60% hạng 1, ≥50% hạng 2, ≥40% hạng 3; độ ẩm ≤10%; chất béo ≤8/10/12% theo hạng); chỉ tiêu vi sinh: E. coli không có trong 1,0 g, Salmonella không có trong 25,0 g.

Chương 4: Kế hoạch sản xuất và cân bằng vật chất

Nhà máy hoạt động 6 ngày/tuần (thứ 2 đến thứ 7), mỗi ngày 1 ca 8 tiếng (7:30–17:30). Kế hoạch sản xuất năm 2024 ghi nhận tổng 301 ngày sản xuất, với tháng ít nhất là tháng 2 (18 ngày) và tháng nhiều nhất là tháng 7, 8, 10 (27 ngày/tháng).

Cân bằng vật chất dây chuyền bột cá (nguyên liệu đầu vào 70 tấn/ngày):

Công đoạn Đầu vào (tấn/ngày) Đầu ra (tấn/ngày)
Nhập nguyên liệu 70,00 69,30
Hấp 69,30 68,26
Ép 68,26 58,02 (bã) + 9,56 (dịch)
Ly tâm 9,56 8,11 (nước ép) + 1,434 (dầu)
Sấy 66,13 21,71
Làm nguội 21,71 21,67
Sàng 21,67 21,45
Nghiền mịn 21,45 21,34
Tách kim loại 21,34 21,30
Phối trộn 21,30 21,26
Sản phẩm bột cá — 21,26 tấn/ngày

Số bao bì sử dụng: 426 bao jumbo–PE/ngày (50 kg/bao).

Cân bằng vật chất dây chuyền dịch đạm cá (nguyên liệu đầu vào 30 tấn/ngày):

Công đoạn Đầu vào (tấn/ngày) Đầu ra (tấn/ngày)
Nhập nguyên liệu 30,00 29,85
Xay nguyên liệu 29,85 29,70
Thủy phân (+ enzyme 0,149 tấn + nước 8,91 tấn) 38,76 38,37
Lọc 38,37 23,79 (dịch) + 14,2 (cặn)
Ủ tàng trữ (+ axit formic 0,024 tấn) 23,81 23,69
Cô đặc 23,69 5,87
Sản phẩm dịch đạm cá — 5,87 tấn/ngày

Số thùng bao bì: 118 thùng chai PP–PE/ngày (50 kg/thùng).

Chương 5: Tính toán và lựa chọn thiết bị

Chương này thực hiện tính toán số lượng thiết bị cho từng công đoạn dựa trên năng suất giờ và thông số kỹ thuật của thiết bị. Tổng hợp các thiết bị chính:

Dây chuyền bột cá:

Thiết bị Mã/Model Năng suất/Thông số Số lượng
Thiết bị hấp SZ-50T Khoang 4000×1000 mm, 3 kW 1
Thiết bị ép trục vít SY-50T 9.000 kg/h, 15 kW 1
Thiết bị ly tâm đĩa DHZ430 1.300 kg/h, 7.069 vòng/phút, 11 kW 1
Thiết bị sấy thùng quay SG-Ø2250×11000 Khoang 4500×2100 mm, 15 kW 1
Thiết bị làm nguội SLJØ1300×8700 3.000 kg/h, 15 kW 1
Thiết bị sàng rung CKM-SRN 3.000 kg/h, lỗ 20×20 mm, 0,75 kW 1
Thiết bị nghiền búa — Lưới 3 mm, có nam châm tách kim loại —
Thiết bị phối trộn — — —

Dây chuyền dịch đạm cá: Thiết bị xay trục xoắn (lỗ lưới 2 cm), nồi thủy phân có cánh khuấy (điện trở gia nhiệt, lớp cách nhiệt), thiết bị lọc trống tròn (lỗ lưới 7 mm), tank ủ, thiết bị cô đặc chân không 1 nồi có cánh khuấy.

Thiết bị dùng chung: Thiết bị đóng gói tự động (dùng cho cả hai dây chuyền).

Toàn bộ thiết bị đều bằng vật liệu thép không rỉ (inox 304 hoặc thép không rỉ). Kết quả tính toán cho thấy mỗi công đoạn chỉ cần 1 đơn vị thiết bị (hệ số sử dụng từ 0,9 đến 0,95).

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Dây chuyền bột cá (70 tấn nguyên liệu/ngày) cho ra 21,26 tấn bột cá thành phẩm/ngày, tương đương 6.399,26 tấn/năm (301 ngày sản xuất), đóng gói trong 426 bao 50 kg/ngày.
  • Dây chuyền dịch đạm cá (30 tấn nguyên liệu/ngày) cho ra 5,87 tấn dịch đạm cô đặc/ngày, tương đương 1.766,87 tấn/năm, đóng gói trong 118 thùng 50 kg/ngày.
  • Thu hồi 1,434 tấn dầu cá/ngày từ công đoạn ly tâm — đây là sản phẩm phụ có giá trị kinh tế.
  • Tổng năng suất thiết kế: 100 tấn nguyên liệu phế phụ phẩm/ngày.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Lựa chọn phương pháp hấp bằng thành thiết bị kép thay vì hấp hơi trực tiếp, tối ưu hóa lượng ẩm đưa vào sấy.
  • Ứng dụng enzyme Flavourzyme thay vì Alcalase để giảm độ đắng của dịch đạm, nâng cao chất lượng sản phẩm thức ăn chăn nuôi.
  • Sử dụng axit formic làm chất bảo quản sinh học, khai thác đặc tính kháng khuẩn tự nhiên để ức chế Salmonella và E. coli trong quá trình ủ tàng trữ 30 ngày.
  • Thiết kế hai bản vẽ kỹ thuật: sơ đồ dây chuyền công nghệ (A0, tỷ lệ 1:25) và mặt bằng/mặt cắt phân xưởng sản xuất (A0, tỷ lệ 1:80).

Đóng góp so với thực tiễn

Đồ án cung cấp một thiết kế tổng thể khép kín cho nhà máy tận dụng phế phụ phẩm cá Tra — loại nguyên liệu đang dồi dào tại ĐBSCL nhưng chưa được tận dụng triệt để — thành hai sản phẩm có giá trị thương mại cao: bột cá và dịch đạm phục vụ ngành thức ăn chăn nuôi. Thiết kế được đặt tại KCN Sa Đéc — vị trí chiến lược gần vùng nguyên liệu tập trung nhất cả nước — với đầy đủ hạ tầng điện, nước, giao thông và xử lý nước thải.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Đồ án tập trung vào thiết kế kỹ thuật cho phân xưởng sản xuất chính, chưa đề cập đến:

  • Tính toán kinh tế chi tiết (vốn đầu tư, chi phí vận hành, doanh thu dự kiến, thời gian hoàn vốn).
  • Thiết kế hệ thống phụ trợ: kho lạnh bảo quản nguyên liệu, hệ thống xử lý nước thải nội bộ nhà máy, hệ thống phòng cháy chữa cháy.
  • Phân tích chất lượng sản phẩm thực nghiệm sau vận hành thực tế.
  • Đánh giá tác động môi trường và các biện pháp giảm thiểu mùi hôi từ quá trình chế biến phụ phẩm thủy sản.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo có thể bao gồm tối ưu hóa thông số thủy phân enzyme để tăng hàm lượng protein trong dịch đạm, nghiên cứu sấy phun dịch đạm thành bột để mở rộng thị trường, và đánh giá khả năng thu hồi collagen từ da cá Tra như một dây chuyền bổ sung.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp làm tài liệu tham khảo cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Thực phẩm và Công nghệ thực phẩm đang thực hiện đồ án thiết kế nhà máy, đặc biệt là các đề tài liên quan đến chế biến thủy sản và tận dụng phụ phẩm.
  • Sinh viên ngành Chăn nuôi, Thủy sản cần tìm hiểu về nguồn cung và quy trình sản xuất thức ăn chăn nuôi từ bột cá và dịch đạm cá.
  • Kỹ sư và nhà quản lý sản xuất trong ngành chế biến thủy sản muốn tham khảo mô hình tận dụng phụ phẩm cá Tra quy mô công nghiệp.

Các phần đáng tham khảo nhất: Chương 3 (so sánh hệ thống các phương pháp và thiết bị với bảng phân tích ưu/nhược điểm cụ thể), Chương 4 (phương pháp tính cân bằng vật chất có hao hụt từng công đoạn với công thức rõ ràng), và Chương 5 (phương pháp tính chọn số lượng thiết bị theo năng suất giờ thực tế).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn địa điểm xây dựng nhà máy tại KCN Sa Đéc, Đồng Tháp? Đồng Tháp là tỉnh sản xuất cá Tra lớn nhất ĐBSCL, chiếm trên 34,8% sản lượng toàn vùng và gần 40% kim ngạch xuất khẩu cá Tra cả nước. KCN Sa Đéc có hạ tầng đầy đủ (điện từ trạm 110 kV riêng, nước 4.500 m³/ngày, xử lý nước thải 8.500 m³/ngày), giáp sông Tiền và cảng Sa Đéc, gần vùng nguyên liệu và nhiều nhà máy chế biến cá Tra philê — đảm bảo nguồn nguyên liệu phụ phẩm ổn định.

2. Tại sao chọn enzyme Flavourzyme thay vì Alcalase cho dây chuyền dịch đạm? Dù Alcalase cho hàm lượng protein trong dịch đạm cao hơn (82,66% so với 73,51% của Flavourzyme khi dùng cùng lượng enzyme), Flavourzyme được chọn vì tạo ra dịch đạm có độ đắng thấp hơn (điểm đắng 4,5 so với mức cao hơn của Alcalase theo trích dẫn Nilsang, 2005). Điều này nâng cao chất lượng cảm quan và khả năng chấp nhận của vật nuôi đối với thức ăn chăn nuôi.

3. Hiệu suất thu hồi bột cá từ 70 tấn nguyên liệu phụ phẩm là bao nhiêu? Dây chuyền sản xuất bột cá thu được 21,26 tấn bột cá thành phẩm/ngày từ 70 tấn nguyên liệu đầu vào, tương đương hiệu suất khoảng 30,4%. Lượng ẩm bay hơi trong công đoạn sấy là phần tổn hao lớn nhất (khoảng 44,09 tấn nước/ngày), do phụ phẩm cá Tra có độ ẩm ban đầu rất cao (65–70%).

4. Vai trò của axit formic trong dây chuyền sản xuất dịch đạm cá là gì và được sử dụng ở công đoạn nào? Axit formic (0,3% so với nguyên liệu dịch cá sau lọc) được bổ sung tại công đoạn ủ tàng trữ 30 ngày. Mục đích kép: (1) hạ pH môi trường, ức chế sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh (Salmonella, E. coli) và nấm mốc để ngăn ôi thiu; (2) tiếp tục tạo điều kiện cho enzyme nội sinh trong nguyên liệu phân cắt thêm các liên kết peptid, bổ sung cho quá trình thủy phân bằng Flavourzyme trước đó.

5. Bột cá sản xuất ra đạt tiêu chuẩn hạng mấy theo 10TCN 984:2006 và dựa trên chỉ tiêu nào? Đồ án thiết kế để sản phẩm bột cá sau phối trộn đạt hàm lượng protein 40–60%. Căn cứ theo 10TCN 984:2006: protein ≥60% là hạng 1, ≥50% là hạng 2, ≥40% là hạng 3. Công đoạn phối trộn được thực hiện chính xác để cân bằng hàm lượng protein giữa các lô, đảm bảo sản phẩm đồng đều và đáp ứng tối thiểu hạng 3. Các chỉ tiêu khác (độ ẩm ≤10%, chất béo ≤12%, không có mảnh vật rắn sắc nhọn) đều được kiểm soát trong quy trình công nghệ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Thị Thanh Nhàn (Đại học Bách Khoa Hà Nội, khóa 65) trình bày đầy đủ thiết kế kỹ thuật cho nhà máy chế biến phụ phẩm cá Tra quy mô 100 tấn nguyên liệu/ngày, bao gồm hai dây chuyền sản xuất bột cá (70 tấn/ngày, cho ra 21,26 tấn sản phẩm) và dịch đạm cá (30 tấn/ngày, cho ra 5,87 tấn sản phẩm). Địa điểm được lựa chọn có cơ sở kinh tế–kỹ thuật rõ ràng tại KCN Sa Đéc, Đồng Tháp — trung tâm vùng nguyên liệu cá Tra lớn nhất Việt Nam. Các quyết định công nghệ đều được hỗ trợ bằng bảng so sánh định tính và dữ liệu kỹ thuật cụ thể, đặc biệt là lựa chọn enzyme Flavourzyme và phương pháp hấp gián tiếp. Đồ án đáp ứng yêu cầu thiết kế chuyên ngành ở mức độ phân xưởng sản xuất chính, phù hợp làm cơ sở tham khảo cho các nghiên cứu và dự án đầu tư trong lĩnh vực tận dụng phụ phẩm thủy sản tại Việt Nam.