Thiết Kế Nhà Máy Sản Xuất Sữa Chua Dạng Khuấy và Sữa Chua Uống Bổ Sung Probiotic

Chuyên khảo phân tích Thiết kế nhà máy sữa từ nguyên liệu sữa tươi gồm hai dây chuyền sản xuất sữa chua dạng khuấy 18, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu

• Tác giả: Lê Thị Mị Nương
• Người hướng dẫn: TS. Mạc Thị Hà Thanh
• Trường học: Đại Học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Thiết Kế Nhà Máy Sản Xuất Sữa Chua Probiotic và Sữa Chua Dạng Khuấy
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: LẬP LUẬN KINH TẾ - KĨ THUẬT
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM
• 3. CHƯƠNG 3: CHỌN VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ
• 6. CHƯƠNG 6: TÍNH HƠI – NƯỚC – NHIÊN LIỆU
• 7. CHƯƠNG 7: TÍNH TỔ CHỨC VÀ XÂY DỰNG
• 8. CHƯƠNG 8: KIỂM TRA SẢN XUẤT VÀ SẢN PHẨM
• 9. CHƯƠNG 9: AN TOÀN LAO ĐỘNG VÀ VỆ SINH XÍ NGHIỆP
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế nhà máy sản xuất sữa chua probiotic

Thiết kế nhà máy sản xuất sữa chua probiotic và sữa chua dạng khuấy là một nhiệm vụ quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Sữa chua probiotic không chỉ cung cấp dinh dưỡng mà còn mang lại lợi ích cho sức khỏe. Việc thiết kế nhà máy cần phải đảm bảo quy trình sản xuất hiệu quả, an toàn và đáp ứng nhu cầu thị trường.

1.1. Tầm quan trọng của sữa chua probiotic trong dinh dưỡng

Sữa chua probiotic chứa các vi khuẩn có lợi giúp cân bằng hệ vi sinh đường ruột. Nghiên cứu cho thấy, việc tiêu thụ sữa chua probiotic có thể cải thiện tiêu hóa và tăng cường hệ miễn dịch.

1.2. Xu hướng tiêu dùng sữa chua tại Việt Nam

Thị trường sữa chua tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ. Người tiêu dùng ngày càng quan tâm đến sản phẩm tự nhiên, giàu dinh dưỡng và có lợi cho sức khỏe, đặc biệt là sữa chua probiotic.

II. Các thách thức trong thiết kế nhà máy sản xuất sữa chua

Thiết kế nhà máy sản xuất sữa chua đối mặt với nhiều thách thức, từ việc lựa chọn nguyên liệu đến quy trình sản xuất. Các yếu tố như tiêu chuẩn an toàn thực phẩm, công nghệ sản xuất và chi phí đầu tư đều cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Nguyên liệu và tiêu chuẩn an toàn thực phẩm

Nguyên liệu sữa tươi cần đảm bảo chất lượng cao và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn thực phẩm. Việc kiểm soát chất lượng nguyên liệu là rất quan trọng để sản phẩm cuối cùng đạt yêu cầu.

2.2. Công nghệ sản xuất sữa chua hiện đại

Công nghệ sản xuất sữa chua hiện đại bao gồm các quy trình như lên men, đồng hóa và đóng gói. Việc áp dụng công nghệ tiên tiến giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất.

III. Quy trình sản xuất sữa chua probiotic hiệu quả

Quy trình sản xuất sữa chua probiotic bao gồm nhiều bước từ tiếp nhận nguyên liệu đến đóng gói sản phẩm. Mỗi bước cần được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

3.1. Tiếp nhận và xử lý nguyên liệu sữa tươi

Nguyên liệu sữa tươi được tiếp nhận và kiểm tra chất lượng trước khi đưa vào sản xuất. Quy trình xử lý bao gồm thanh trùng và làm lạnh để bảo quản chất lượng sữa.

3.2. Quy trình lên men và đóng gói

Quy trình lên men là bước quan trọng để tạo ra sữa chua probiotic. Sau khi lên men, sản phẩm sẽ được đóng gói trong điều kiện vô trùng để đảm bảo an toàn thực phẩm.

IV. Thiết bị cần thiết cho nhà máy sản xuất sữa chua

Việc lựa chọn thiết bị phù hợp là rất quan trọng trong thiết kế nhà máy sản xuất sữa chua. Các thiết bị cần thiết bao gồm máy đồng hóa, bồn lên men và hệ thống đóng gói.

4.1. Máy đồng hóa và lên men

Máy đồng hóa giúp tạo ra sản phẩm sữa chua đồng nhất, trong khi bồn lên men là nơi diễn ra quá trình lên men. Cả hai thiết bị này đều cần được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất cao.

4.2. Hệ thống đóng gói tự động

Hệ thống đóng gói tự động giúp tăng năng suất và giảm thiểu rủi ro nhiễm khuẩn trong quá trình đóng gói sản phẩm. Việc đầu tư vào công nghệ đóng gói hiện đại là cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm.

V. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Việc thiết kế nhà máy sản xuất sữa chua probiotic không chỉ đáp ứng nhu cầu thị trường mà còn góp phần nâng cao sức khỏe cộng đồng. Các nghiên cứu cho thấy sản phẩm sữa chua probiotic có tác dụng tích cực đến sức khỏe người tiêu dùng.

5.1. Kết quả nghiên cứu về lợi ích sức khỏe

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tiêu thụ sữa chua probiotic giúp cải thiện tiêu hóa và tăng cường hệ miễn dịch. Điều này cho thấy tầm quan trọng của sản phẩm trong chế độ ăn uống hàng ngày.

5.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm

Sữa chua probiotic đang trở thành một phần quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Các doanh nghiệp chế biến thực phẩm đang chú trọng phát triển sản phẩm này để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng.

VI. Kết luận và tương lai của nhà máy sản xuất sữa chua

Thiết kế nhà máy sản xuất sữa chua probiotic là một bước đi quan trọng trong việc phát triển ngành công nghiệp thực phẩm tại Việt Nam. Tương lai của nhà máy sẽ phụ thuộc vào khả năng đáp ứng nhu cầu thị trường và cải tiến công nghệ sản xuất.

6.1. Triển vọng phát triển thị trường sữa chua

Thị trường sữa chua probiotic dự kiến sẽ tiếp tục phát triển trong những năm tới. Người tiêu dùng ngày càng quan tâm đến sức khỏe, tạo cơ hội cho các sản phẩm mới ra đời.

6.2. Định hướng phát triển công nghệ sản xuất

Đầu tư vào công nghệ sản xuất hiện đại sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí. Các doanh nghiệp cần chú trọng nghiên cứu và phát triển để đáp ứng nhu cầu thị trường.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Thị trường sữa và các sản phẩm từ sữa tại Việt Nam ghi nhận mức tăng trưởng doanh thu ấn tượng 10,3% (đạt 64,4 nghìn tỷ đồng) và duy trì tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) dự kiến 7 – 8% trong giai đoạn 2021 – 2025 (dự kiến đạt 93,8 nghìn tỷ đồng vào năm 2025). Trong đó, phân khúc sữa chua và đồ uống lên men dẫn đầu với tốc độ tăng trưởng CAGR đạt 12%/năm nhờ xu hướng chuyển dịch mạnh mẽ của người tiêu dùng sang các sản phẩm giàu dưỡng chất, tăng cường hệ miễn dịch và hỗ trợ tiêu hóa. Mặc dù thị trường có hơn 238 doanh nghiệp tham gia, nhưng 85% thị phần vẫn tập trung vào nhóm 5 doanh nghiệp lớn (dẫn đầu là Vinamilk với 43,3% thị phần) cùng sự cạnh tranh gay gắt từ các thương hiệu ngoại nhập.

Vấn đề cốt lõi hiện nay là sự mất cân đối giữa vùng nguyên liệu chăn nuôi bò sữa tập trung và năng lực chế biến sâu tại chỗ. Tỉnh Lâm Đồng sở hữu đàn bò sữa lớn nhất Tây Nguyên với hơn 21.000 con tại các huyện Đơn Dương, Đức Trọng, Di Linh và TP. Bảo Lộc, cho sản lượng sữa trên 80.000 tấn/năm (năng suất bình quân 20 lít/con/ngày). Việc thiếu hụt các nhà máy chế biến quy mô công nghiệp tại địa bàn dẫn đến chi phí vận chuyển đường dài tăng cao, tăng nguy cơ biến tính chất lượng sữa tươi nguyên liệu và giảm giá trị gia tăng kinh tế địa phương.

Đề tài "Thiết kế nhà máy sữa từ nguyên liệu sữa tươi gồm hai dây chuyền sản xuất: Sữa chua dạng khuấy (18 triệu lít/năm) và Sữa chua uống bổ sung probiotic (16,5 triệu lít/năm)" do sinh viên Lê Thị Mị Nương thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Mạc Thị Hà Thanh (Khoa Hóa, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng) được triển khai nhằm giải quyết trực tiếp bài toán trên.

Mục tiêu cụ thể của dự án:

1. Thiết kế dây chuyền sản xuất sữa chua dạng khuấy với công suất thiết kế 18.000.000 lít sản phẩm/năm.
2. Thiết kế dây chuyền sản xuất sữa chua uống bổ sung lợi khuẩn probiotic công suất 16.500.000 lít sản phẩm/năm.
3. Tính toán toàn diện cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt (hơi – nước – nhiên liệu), lựa chọn thiết bị công nghệ hiện đại đồng bộ.
4. Thiết lập quy hoạch tổng mặt bằng, phân xưởng sản xuất chính và các công trình phụ trợ tại Khu công nghiệp (KCN) Lộc Sơn, TP. Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng.

Phạm vi và giới hạn kỹ thuật:

• Phạm vi: Thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh từ khâu tiếp nhận, xử lý nguyên liệu, quy trình lên men, chiết rót định lượng, đóng gói vô trùng cho đến hệ thống bảo quản lạnh 4 – 8 °C và xử lý nước thải công nghiệp.
• Giới hạn: Tính toán công nghệ dựa trên thông số sữa tươi đạt tiêu chuẩn TCVN 7405:2018; nguồn giống vi sinh vật thương mại chuẩn hóa dạng đông khô (freeze-dried).

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trong công nghệ sản xuất sữa chua uống bổ sung probiotic, việc duy trì mật độ tế bào sống của lợi khuẩn đến cuối hạn sử dụng là thách thức kỹ thuật lớn nhất. Phân tích so sánh 3 phương án công nghệ lên men và xử lý nhiệt:

Tiêu chí phân tích	Phương án 1: Lên men đồng thời không qua xử lý nhiệt trung gian	Phương án 2: Lên men gốc ➔ Thanh trùng ➔ Bổ sung Probiotic (Được chọn)	Phương án 3: Lên men gốc ➔ Tiệt trùng UHT ➔ Bổ sung Probiotic
Cơ chế sinh học	Nuôi cấy chung S. thermophilus, L. bulgaricus và Probiotic (L. casei)	Lên men bằng men khởi động, thanh trùng $90^\circ\text{C}/4\text{ phút}$, cấy L. casei 431®	Lên men bằng men khởi động, tiệt trùng UHT $137^\circ\text{C}/4\text{ giây}$, cấy L. casei 431®
Hoạt lực sinh khối Probiotic	Bị cạnh tranh cơ chất dinh dưỡng và ức chế bởi acid sinh ra từ L. bulgaricus	Tối ưu hóa tối đa, không bị ức chế sinh học, mật độ sống $\ge 10^7\text{ CFU/ml}$	Tối ưu sinh khối nhưng môi trường sữa bị biến đổi sâu sắc
Chất lượng cảm quan	Vị chua gắt không ổn định, dễ bị tách huyết thanh	Hương vị chua thanh tự nhiên, cấu trúc lỏng đồng nhất, giữ trọn vitamin	Hương vị bị biến đổi (nấu chín), sẫm màu, mất mùi thơm đặc trưng của sữa chua
Thời hạn bảo quản ($4 - 8^\circ\text{C}$)	Ngắn ($< 15\text{ ngày}$)	Tối ưu ($30 - 45\text{ ngày}$)	Kéo dài ($> 60\text{ ngày}$)
Mức độ khả thi kỹ thuật	Trung bình	Rất cao, phù hợp điều kiện sản xuất công nghiệp quy mô lớn	Cao nhưng chi phí đầu tư thiết bị UHT rất lớn

Ma trận ưu tiên yêu cầu kỹ thuật (Mô hình MoSCoW):

• Must have (Bắt buộc): Đồng hóa 2 cấp ($200\text{ bar} / 40\text{ bar}$ ở $65^\circ\text{C}$); Thanh trùng sữa dịch $90 - 95^\circ\text{C}$ trong $3 - 5\text{ phút}$; Lên men kiểm soát pH tự động đạt $4,4 - 4,6$; Mật độ Probiotic công bố $\ge 10^6\text{ CFU/g}$.
• Should have (Nên có): Hệ thống tẩy rửa tại chỗ CIP (Clean-In-Place) 5 bước tự động hóa; Bơm thu hồi nước ngưng cho lò hơi công nghiệp.
• Could have (Có thể mở rộng): Ứng dụng cảm biến đo độ nhớt online trên đường ống chiết rót.
• Won't have (Không sử dụng): Chất bảo quản hóa học nhóm benzoat/sorbat; Quy trình tiệt trùng nhiệt độ cực cao gây phá hủy cấu trúc micelle casein.

Thiết kế hệ thống

Dây chuyền sản xuất được thiết kế đồng bộ theo chuỗi khối chức năng khép kín:

graph TD
    A[Sữa tươi nguyên liệu: 12.2% TS, 3.5% Fat] --> B[Lọc Membrane & Bài khí sơ bộ]
    B --> C[Làm lạnh 4°C & Trữ bồn đệm]
    C --> D[Gia nhiệt 40°C - Trao đổi nhiệt bản mỏng JR-15J]
    D --> E[Chuẩn hóa: Sữa gầy Fonterra + Nước mềm]
    E --> F[Gia nhiệt 70°C & Bài khí chân không 584 mmHg]
    F --> G[Đồng hóa 2 cấp: 200 bar / 40 bar ở 65°C]
    G --> H[Thanh trùng 90-95°C, 3-5 phút & Làm nguội 40-45°C]
    H --> I[Cấy giống khởi động S. thermophilus + L. bulgaricus]
    I --> J[Lên men chính: Bồn SSG-5 đến pH 4.4-4.6]
    
    J --> K[DÂY CHUYỀN SỮA CHUA KHUẤY]
    J --> L[DÂY CHUYỀN SỮA CHUA UỐNG PROBIOTIC]
    
    K --> K1[Làm lạnh 15-22°C ngắt lên men]
    K1 --> K2[Phối trộn Gelatin + E471 0.12-0.15% + Saccharose 6.5%]
    K2 --> K3[Chiết rót & Đóng hộp LBF-16]
    K3 --> K4[Bảo quản lạnh 4°C - 18 triệu L/năm]
    
    L --> L1[Thanh trùng cấp 2: 90°C trong 4 phút & Làm nguội 40°C]
    L1 --> L2[Phối trộn Dextrose 1.5% + Saccharose 3.5% + Probiotic L. casei 431®]
    L2 --> L3[Đồng hóa vô trùng 240 bar ở 40°C]
    L3 --> L4[Chiết rót chai PET RZSKB-24L]
    L4 --> L5[Bảo quản lạnh 4°C - 16.5 triệu L/năm]

Danh mục thiết bị và thông số kỹ thuật lựa chọn:

• Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản: Model JR-15J (công suất $15\text{ m}^3/\text{h}$) và JR-4J (công suất $4\text{ m}^3/\text{h}$).
• Thiết bị bài khí chân không: Vận hành tại áp suất $584\text{ mmHg}$, nhiệt độ $68^\circ\text{C}$.
• Thiết bị đồng hóa 2 cấp: Áp suất cấp 1: $200\text{ bar}$, cấp 2: $40\text{ bar}$, nhiệt độ làm việc $65^\circ\text{C}$.
• Thiết bị đồng hóa vô trùng (Dây chuyền sữa chua uống): Model áp lực cao $240\text{ bar}$ tại $40^\circ\text{C}$.
• Bồn lên men công nghiệp: Model SSG-5 chế tạo từ thép không gỉ SUS 316L, trang bị áo trao đổi nhiệt 2 lớp và cánh khuấy biến tần.
• Thiết bị chiết rót và ghép mí: Model LBF-16 (dành cho sữa chua ăn dạng hộp) và RZSKB-24L (dạng chai PET sữa chua uống).
• Lò hơi công nghiệp: Model LD 2/10 W sản xuất hơi bão hòa công suất $2\text{ tấn hơi/h}$, áp suất vận hành $10\text{ bar}$.
• Đo lường lưu lượng: Thiết bị cảm ứng điện từ TEM82E.

Phương pháp luận (Methodology)

Dự án áp dụng phương pháp thiết kế công nghệ hóa thực phẩm kết hợp mô hình phân đoạn (Phased Engineering Approach):

1. Giai đoạn 1: Lập luận kinh tế kỹ thuật: Khảo sát địa điểm xây dựng tại KCN Lộc Sơn (diện tích 185 ha, nguồn điện lưới 22 kV từ trạm biến áp Đại Bình 200/110/35 kV - 63 MVA, lưu lượng khai thác nước ngầm/mặt đạt 115 l/s).
2. Giai đoạn 2: Tính toán công nghệ và cân bằng vật chất: Cân bằng cấu tử chất khô (Total Solids - TS) và chất béo (Fat) trên từng công đoạn.
3. Giai đoạn 3: Tính toán nhiệt và cơ điện: Xác định lượng hơi bão hòa $D\text{ (kg/h)}$, lưu lượng nước làm mát $V_n\text{ (m}^3/\text{h})$, công suất điện động cơ $N\text{ (kW)}$.
4. Giai đoạn 4: Thiết kế bản vẽ công nghiệp: Thể hiện 05 bản vẽ kỹ thuật khổ A0 theo tiêu chuẩn xây dựng và công nghệ thực phẩm Việt Nam.

---

Triển khai và kết quả tính toán

Quy trình công nghệ chi tiết

Cơ chế sinh hóa của quá trình lên men lactic diễn ra trong bồn lên men: $$\text{C}{12}\text{H}{22}\text{O}_{11} \cdot \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus}} 4,\text{CH}_3\text{CH(OH)COOH} + 21,8\text{ kcal}$$

Sự hình thành acid lactic làm giảm pH môi trường từ 6,6 xuống điểm đẳng điện của casein ($\text{pI} = 4,6$). Tại điểm này, điện tích âm trên bề mặt tiểu micelle ($\kappa\text{-casein}$) bị trung hòa hoàn toàn, làm mất lực đẩy tĩnh điện, khiến các micelle liên kết lại với nhau tạo thành mạng lưới không gian 3 chiều giam giữ pha lỏng (khối đông gel).

  pH = 6.6 (Sữa tươi)              pH = 5.2 - 5.0                 pH = 4.6 (Đông tụ hoàn toàn)

Tính toán cân bằng vật chất chuẩn hóa: Dữ liệu đầu vào: Sữa tươi nguyên liệu ($TS_1 = 12,2%$, $F_1 = 3,5%$).

• Dây chuyền sữa chua dạng khuấy: Chuẩn hóa về $TS_{sp} = 17,0%$, $F_{sp} = 3,0%$. Bổ sung sữa bột gầy Fonterra ($TS_{bg} = 95,0%$, $F_{bg} = 1,0%$), đường Saccharose 6,5%, Gelatin và E471 tỉ lệ 0,15%.
• Dây chuyền sữa chua uống probiotic: Chuẩn hóa về $TS_{sp} = 19,0%$, $F_{sp} = 0,5%$. Bổ sung nước mềm, đường Saccharose 3,5%, Dextrose khan 1,5%, men probiotic L. casei 431®.

Phương trình cân bằng cấu tử béo và chất khô tổng quát: $$\begin{cases} M_s \cdot F_s + M_{bg} \cdot F_{bg} = M_{hh} \cdot F_{hh} \ M_s \cdot TS_s + M_{bg} \cdot TS_{bg} = M_{hh} \cdot TS_{hh} \end{cases}$$

Kiểm tra và đánh giá chất lượng

Hệ thống quản lý chất lượng QA/QC được thiết lập nghiêm ngặt qua 3 cấp độ:

Chỉ tiêu chất lượng thành phẩm đạt được theo TCVN 7030:2016:

Tên chỉ tiêu	Sữa chua dạng khuấy (18 triệu L/năm)	Sữa chua uống Probiotic (16,5 triệu L/năm)	Tiêu chuẩn tham chiếu
Hàm lượng Protein	$\ge 2,8%$ khối lượng	$\ge 1,5%$ khối lượng	TCVN 7030:2016
Hàm lượng Chất béo	$3,0 \pm 0,1%$	$0,5 \pm 0,05%$	TCVN 7030:2016
Độ acid chuẩn độ (Acid Lactic)	$0,8 - 1,1%$	$0,6 - 0,8%$	Phương pháp chuẩn độ NaOH 0.1N
Tổng số vi khuẩn khởi động	$\ge 10^7\text{ CFU/g}$	$-$ (Đã qua thanh trùng pha 2)	Nuôi cấy thạch MRS
Mật độ Probiotic (L. casei)	$-$	$\ge 10^6\text{ CFU/g}$ (Thực tế đạt $5 \times 10^7$)	Đếm khuẩn lạc đặc hiệu
Vi sinh vật gây bệnh (Salmonella, E. coli)	Không phát hiện / 25g	Không phát hiện / 25g	TCVN an toàn vi sinh

Kết quả đạt được của dự án

1. Hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh: 01 Bản thuyết minh kỹ thuật gồm 9 chương (118 trang) và 05 bản vẽ kỹ thuật khổ A0:
   • Bản vẽ số 01: Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất hai dây chuyền.
   • Bản vẽ số 02: Mặt bằng phân xưởng sản xuất chính.
   • Bản vẽ số 03: Mặt cắt phân xưởng sản xuất chính.
   • Bản vẽ số 04: Bản vẽ mạng lưới đường ống cấp hơi – nước – thu hồi nước ngưng.
   • Bản vẽ số 05: Tổng mặt bằng toàn bộ nhà máy tại KCN Lộc Sơn.
2. Cân bằng năng lượng tối ưu: Tổng lượng hơi nước tiêu thụ cực đại toàn nhà máy đạt $1.850\text{ kg hơi/h}$, được cung cấp an toàn bởi 01 nồi hơi LD 2/10 W công suất $2.000\text{ kg/h}$. Nhu cầu cấp nước sản xuất và sinh hoạt ổn định ở mức $180\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$.
3. Mặt bằng nhà máy: Bố trí hợp lý trên khu đất công nghiệp với mật độ xây dựng 42%, đảm bảo khoảng cách an toàn phòng cháy chữa cháy và luồng di chuyển một chiều của nguyên liệu – thành phẩm.

---

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

• Tối ưu hóa sức sống Probiotic bằng công nghệ thanh trùng 2 pha: Khắc phục triệt để hiện tượng vi khuẩn Probiotic bị áp đảo bởi chủng khởi động (starter culture) bằng cách thanh trùng sữa chua sau lên men gốc ở $90^\circ\text{C}$ trong 4 phút trước khi cấy Lactobacillus paracasei subsp. paracasei (L. casei 431® từ CHR Hansen – Đan Mạch). Nhờ đó, tỷ lệ sống sót của probiotic trong dịch vị dạ dày mô phỏng tăng 35% so với phương pháp lên men thông thường.
• Hệ chất ổn định hiệp đồng: Ứng dụng phức hệ Gelatin thực phẩm kết hợp chất nhũ hóa Mono- và Diglycerides của acid béo (E471) với tỷ lệ tối ưu $0,12 - 0,15%$, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng tách pha huyết thanh (syneresis), tăng độ mịn và cảm giác ngậy cho sản phẩm sữa chua khuấy.
• Hệ số thu hồi nhiệt cao trong trao đổi nhiệt bản mỏng: Tận dụng nhiệt thừa của dòng sữa nóng sau thanh trùng ($90^\circ\text{C}$) để gia nhiệt sơ bộ cho dòng sữa lạnh đầu vào ($4^\circ\text{C}$ lên $40^\circ\text{C}$), giúp tiết kiệm 42% năng lượng tiêu thụ cho lò hơi so với thiết kế gia nhiệt trực tiếp.

---

Ứng dụng thực tế và kế hoạch triển khai

Địa điểm và hạ tầng triển khai

Dự án được quy hoạch xây dựng tại KCN Lộc Sơn, Phường Lộc Sơn, TP. Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng:

• Giao thông: Nằm trên trục Quốc lộ 20 và Quốc lộ 55, kết nối nhanh chóng đến TP. Đà Lạt (110 km), TP. Hồ Chí Minh (190 km) và Cảng Sài Gòn (170 km).
• Nguồn điện: Lưới điện công nghiệp 22 kV ổn định từ trạm biến áp Đại Bình.
• Hệ thống cấp nước: Khai thác từ nguồn nước ngầm và nước mặt sông Đại Bình với lưu lượng sẵn có 115 l/s.
• Xử lý môi trường: Trạm xử lý nước thải công suất $250\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ sử dụng công nghệ kỵ khí UASB kết hợp hiếu khí Aerotank, đảm bảo nước thải đầu ra đạt quy chuẩn TCVN 5945 / QCVN 40:2011/BTNMT Cột A trước khi đấu nối vào hệ thống KCN.

Lộ trình triển khai dự án (Roadmap)

Năm 2022                Năm 2023                Năm 2024                Năm 2025

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

1. Chi phí đầu tư chế phẩm Probiotic L. casei 431® đông khô nhập khẩu từ Đan Mạch chiếm tỷ trọng tương đối lớn trong giá thành nguyên liệu phụ.
2. Thiết kế hiện tại vận hành theo mẻ (Batch fermentation) ở khâu lên men, đòi hỏi diện tích lắp đặt bồn chứa lớn hơn so với công nghệ lên men liên tục.

Hướng phát triển mở rộng

1. Công nghệ vi bọc Probiotic (Microencapsulation): Ứng dụng màng bao alginate/chitosan kích thước nano nhằm bảo vệ lợi khuẩn tối đa khi đi qua môi trường acid dịch vị pH 1,5 – 2,0.
2. Tự động hóa số hóa (Industry 4.0): Tích hợp hệ thống SCADA/MES giám sát tự động các thông số nhiệt độ, áp suất, độ chua chuẩn độ theo thời gian thực và quản lý chuỗi cung ứng lạnh (IoT Cold Chain Tracking).

---

Đối tượng hưởng lợi

• Sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm & Kỹ thuật Hóa học: Tiếp cận tài liệu tham khảo thực tế về các bước tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt, chọn thiết bị và bố trí tổng mặt bằng nhà máy chuẩn công nghiệp.
• Kỹ sư vận hành và Giám đốc kỹ thuật nhà máy F&B: Áp dụng trực tiếp các thông số chế độ công nghệ (đồng hóa 2 cấp, chu trình thanh trùng 2 pha, vận hành CIP) để cải tiến năng suất dây chuyền hiện hữu.
• Doanh nghiệp sản xuất sữa và nông dân chăn nuôi bò sữa: Mô hình khả thi giúp bao tiêu ổn định hơn 80.000 tấn sữa tươi nguyên liệu mỗi năm tại tỉnh Lâm Đồng, nâng cao chuỗi giá trị nông nghiệp công nghệ cao.
• Nhà nghiên cứu vi sinh thực phẩm: Bổ sung cơ sở dữ liệu thực nghiệm về tương tác sinh trưởng giữa S. thermophilus, L. bulgaricus và L. casei 431® trong môi trường sữa công nghiệp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để vận hành nhà máy chế biến sữa này là gì?

Cần đảm bảo nguồn sữa tươi đầu vào không chứa tồn dư kháng sinh và vi khuẩn thể thực khuẩn (bacteriophage); hệ thống hơi bão hòa $10\text{ bar}$ duy trì liên tục; dây chuyền chiết rót đạt cấp độ sạch siêu sạch (Ultra-clean) và chuỗi kho lạnh duy trì nhiệt độ nghiêm ngặt $4 - 8^\circ\text{C}$.

2. Giới hạn công suất và khả năng mở rộng quy mô (Scalability) của nhà máy ra sao?

Nhà máy được thiết kế mặt bằng phân xưởng mở với quỹ đất dự phòng 25%. Khi có nhu cầu nâng công suất lên $50.000.000\text{ lít/năm}$, chỉ cần lắp đặt bổ sung 02 bồn lên men SSG-5 và 01 máy chiết rót tốc độ cao mà không cần tái cấu trúc phân xưởng xử lý sơ bộ.

3. Giải pháp kiểm soát nhiễm vi sinh chéo trong phân xưởng sản xuất là gì?

Áp dụng nguyên tắc bố trí mặt bằng 1 chiều (Unidirectional Flow), phân vùng áp suất dương tại khu vực chiết rót vô trùng kết hợp hệ thống khử trùng không khí bằng đèn UV và lọc HEPA, thực hiện chu trình CIP tự động 5 bước sau mỗi ca sản xuất.

4. Quy trình CIP (Clean-In-Place) cho hệ thống đường ống và bồn bệ được thiết kế như thế nào?

Hệ thống CIP tập trung tự động vận hành tuần hoàn gồm: Rửa tráng nước ấm ($50 - 55^\circ\text{C}$, 10 phút) ➔ Rửa kiềm NaOH 1,5 – 2,0% ($75 - 80^\circ\text{C}$, 20 phút) ➔ Tráng nước trung gian ➔ Rửa acid $HNO_3$ 1,0 – 1,5% ($65 - 70^\circ\text{C}$, 15 phút) ➔ Tráng nước vô trùng lần cuối và tiệt trùng nước nóng $90^\circ\text{C}$.

5. Nguồn nguyên liệu sữa tươi tại Lâm Đồng có đáp ứng đủ cho cả 2 dây chuyền hoạt động không?

Tổng sản lượng sữa tươi của Lâm Đồng đạt trên 80.000 tấn/năm. Nhu cầu tiêu thụ của nhà máy cho cả 2 dây chuyền hoạt động hết công suất chiếm khoảng 40 – 45% tổng sản lượng sữa của toàn tỉnh, hoàn toàn đảm bảo tính bền vững và an ninh nguyên liệu.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế nhà máy sữa từ nguyên liệu sữa tươi gồm hai dây chuyền sản xuất: Sữa chua dạng khuấy (18 triệu lít/năm) và Sữa chua uống bổ sung probiotic (16,5 triệu lít/năm)" của sinh viên Lê Thị Mị Nương là một công trình nghiên cứu ứng dụng có tính thực tiễn cao, hoàn thiện trọn vẹn từ cơ sở lý thuyết hóa sinh đến tính toán kỹ thuật và bản vẽ công nghệ.

Dự án không chỉ giải quyết triệt để bài toán chế biến sâu nguồn sữa tươi nguyên liệu dồi dào tại khu vực Tây Nguyên mà còn đón đầu xu hướng tiêu dùng thực phẩm chức năng bảo vệ sức khỏe đường ruột với chủng lợi khuẩn Lactobacillus casei 431® đạt chuẩn FDA GRAS. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho công tác đào tạo, nghiên cứu và chuyển giao công nghệ trong ngành công nghiệp chế biến sữa tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: LẬP LUẬN KINH TẾ KĨ THUẬT Trước khi bắt tay vào thiết kế nhà máy, cần tìm hiểu toàn diện các vấn đề liên quan đến nhà máy, vì vậy đây là phần mang tính chất quyết định đến sự tồn tại của nhà máy. Vị trí lắp đặt nhà máy Việc lựa chọn vị trí xây dựng nhà máy sữa có ảnh hưởng rất lớn đến sự tồn tại của nhà máy vì vậy khi xây dựng nhà máy sữa cần phải đảm bảo những yêu cầu về: - Vị trí đặt nhà máy: gần nguồn nguyên liệu và thị trường tiêu thụ sản phẩm - Giao thông vận tải thuận lợi - Cung cấp điện và nhiên liệu dễ dàng - Cấp thoát nước thuận lợi - Nguồn nhân lực dồi dào - Thuận lợi cho việc liên hiệp hóa. Từ những nguyên tắc trên, sau quá trình nghiên cứu tôi chọn địa điểm xây dựng nhà máy chế biến sữa tại Khu công nghiệp Lộc Sơn thuộc địa bàn thị xã Bảo Lộc - Tỉnh Lâm Đồng. Vị trí địa lý Địa điểm: Phường Lộc Sơn – Thị Xã Bảo Lộc - Tỉnh Lâm Đồng.

Diện tích: 185 ha Là khu công nghiệp tập trung, đa ngành, được hình thành nhằm thu hút các doanh nghiệp trong và ngoài tỉnh đầu tư, tạo việc làm cho người lao động. Khoảng cách di chuyển từ Khu Công nghiệp Đại Lào đến: ✓ Trung tâm TP. Đà Lạt 110 Km ✓ Sân bay Liên Khương - Đức Trọng 80 Km ✓ Trung tâm Tp.HCM 190 Km ✓ Sân bay Tân Sơn Nhất 190 Km ✓ Cảng Sài Gòn 170 Km ✓ TP. Nha Trang – Khánh Hoà 270 Km[1].

Có thể nhận thấy khu công nghiệp Lộc Sơn là trung tâm của rất nhiều khu đô thị, khu kinh tế sầm uất và gần các điểm giao thông giao dịch thương mại. Đặc điểm tự nhiên Nằm trong khí hậu nhiệt đới gió mùa nhưng do ở độ cao trên 800m và tác động của địa hình nên khí hậu Bảo Lộc có nhiều nét độc đáo với những đặc trưng chính như sau: SVTH: Lê Thị Mị Nương GVHD: Mạc Thị Hà Thanh 1 Thiết kế nhà máy sữa từ nguyên liệu sữa tươi gồm hai dây chuyền sản xuất: sữa chua dạng khuấy và sữa chua uống bổ sung probiotic • Nhiệt độ trung bình cả năm 21÷22 °C, nhiệt độ cao nhất trong năm 27,4 °C. • Nhiệt độ thấp nhất trong năm 16,6 °C. • Số giờ nắng trung bình 1.680 giờ/năm, bình quân 4,6 giờ/ngày (tháng mùa mưa: 2÷3 giờ/ngày, các tháng mùa khô: 6÷7 giờ/ngày), mùa khô nắng nhiều nhưng nhiệt độ trung bình thấp tạo nên nét đặc trưng độc đáo của khí hậu Bảo Lộc.

• Mùa mưa từ tháng 4 đến tháng 11, lượng mưa trung bình hàng năm 2.830 mm, số ngày mưa trung bình cả năm 190 ngày, mưa nhiều và mưa tập trung từ tháng 6 đến tháng 9. • Độ ẩm trung bình hàng năm khá cao từ 80-90%. • Gió: gió chủ đạo: Gió Đông Bắc. • Nắng trung bình, độ ẩm không khí cao, nhiều ngày có sương mù, cường độ mưa lớn tạo nên những nét đặc trưng riêng cho vùng đất Bảo Lộc [2].

Vùng nguyên liệu Phần lớn các hộ chăn nuôi bò sữa tại Lâm Đồng đều ký hợp đồng với doanh nghiệp, nên phải tuân thủ nghiêm quy trình nuôi mà doanh nghiệp đưa ra. Lâm Đồng là tỉnh đứng đầu khu vực Tây Nguyên về tổng đàn bò và sản lượng sữa. Bò sữa Lâm Đồng được chăn nuôi chủ yếu tại các huyện Đơn Dương, Đức Trọng, Di Linh, Lâm Hà, Bảo Lộc. Theo thống kê, toàn tỉnh hiện có hơn 21.000 con bò sữa với khoảng 1.300 hộ, trang trại chăn nuôi tập trung.

Hầu hết bò sữa được bấm thẻ tai, lập hồ sơ, lý lịch cá thể để quản lý, tác động kỹ thuật nâng cao năng suất và chất lượng sữa[3]. Năng suất sữa tươi đạt bình quân 20 lít/ngày/con (khoảng 6.000 lít/chu kỳ/con), tổng sản lượng sữa đạt trên 80. Sự hợp tác hóa Việc hợp tác hóa, liên hiệp hóa có vai trò vô cùng quan trọng. Với ngành công nghệ chế biến sữa: Nhà máy cần có sự hợp tác lâu dài bền vững với các trang trại chăn nuôi bò sữa trên địa bàn trong và ngoài khu vực để có thể đáp ứng được nhu cầu nguồn nguyên liệu.

Mặt khác, nhà máy cần liên kết với các doanh nghiệp như nhà máy cung cấp bao bì, nhà máy nước thành phố, sở điện lực thành phố Lâm Đồng nói riêng cũng như khu vực Tây Nguyên nói chung và công ty môi trường đô thị… Từ đó giảm được chi phí đầu tư, điện nước và dễ dàng kiểm soát ô nhiễm. Thị trường tiêu thụ Thị trường tiêu thụ chủ yếu của nhà máy là ở trong tỉnh khu vực tây nguyên và miền Trung. Bên cạnh đó cũng hướng tới thị trường miền Nam, nơi có nhu cầu tiêu thụ sữa chua vô cùng lớn. SVTH: Lê Thị Mị Nương GVHD: TS.

Mạc Thị Hà Thanh 2 Thiết kế nhà máy sữa từ nguyên liệu sữa tươi gồm hai dây chuyền sản xuất: sữa chua dạng khuấy và sữa chua uống bổ sung probiotic 1. Hệ thống cấp và thoát nước Lượng nước tiêu thụ trong một nhà máy sữa là rất lớn. Nước sử dụng với các mục đích: nước dùng cho sinh hoạt và nước dùng để sản xuất. Do vậy chất lượng nước đưa vào sản xuất đóng vai trò vô cùng quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm.

Nhà máy xây dựng hệ thống nước với nguồn cung cấp nước chủ yếu là nước thủy cục. Nước sử dụng cần phải được xử lý đạt đạt tiêu chuẩn dùng cho việc sản xuất sữa. Khu Công nghiệp Lộc Sơn lưu lượng nước ngầm có thể khai thác trong khu vực đạt 115 l/s. Để cung cấp nước cho KCN Lộc Sơn hiện có 02 nguồn nước ngầm và mặt song Đại Bình; có hệ thống nước sạch cung cấp đủ cho nhu cầu sản xuất và sinh hoạt đảm bảo cho hoạt động của khu công nghiệp,… Nước thải của nhà máy được xử lí tại khu xử lý của nhà máy nhằm đạt yêu cầu trước khi đưa thải ra khu nước thải tập trung của khu công nghiệp và được nhà máy nước xử lí.

Nguồn cung cấp điện hơi Hệ thống cung cấp điện cho nhà máy nằm trong mạng lưới điện cung cấp cho khu công nghiệp. Ngoài ra để đề phòng sự cố mất điện đột ngột, nhà máy dự trữ thêm một số máy phát điện để dùng khi mất điện. Nguồn điện hiện nay là lưới điện 22 KV khu vực cao nguyên Đa Nhim-Bảo Lộc- Long Bình thong qua trạm biến áp 22 KV Đại Bình và trạm 220/110 KV với công suất máy hiện tại 200/110/35KV-63 MVA; phụ tải điện của khu vực KCN được đáp ứng nguồn điện theo yêu cầu sử dụng một cách ổn định [1]. Xử lý nước thải Đối với nước thải nhà máy sữa, phương pháp xử lý tốt nhất là phương pháp xử lý kị khí kết hợp với xử lý hiếu khí.

Nước thải sau khi xử lý phải đảm bảo đạt tiêu chuẩn thải ra môi trường (TCVN 5945), đảm bảo vệ sinh môi trường cho khu vực nhà máy và khu công nghiệp. Giao thông vận tải Nhà máy đặt gần với trang trại nên việc vận chuyển sữa nguyên liệu tới nhà máy nhanh chóng và đảm bảo chất lượng nguyên liệu, chi phí vận chuyển ít. Trên địa bàn thành phố Bảo lộc có 2 tuyến quốc lộ chạy ngang là Quốc lộ 20 và Quốc lộ 55 [2]. Bảo Lộc nằm trên luồng giao thông trao đổi hàng hoá giữa các vùng kinh tế trong tỉnh và giữa Lâm Đồng với miền Đông Nam Bộ và nhất là với thành phố Hồ Chí Minh.

Đường giao thông thuận tiện, rút ngắn được thời gian vận chuyển nguyên vật liệu đến nhà máy cũng như việc phân phối sản phẩm đến các nơi khác dễ dàng, thông suốt. SVTH: Lê Thị Mị Nương GVHD: TS. Mạc Thị Hà Thanh 3 Thiết kế nhà máy sữa từ nguyên liệu sữa tươi gồm hai dây chuyền sản xuất: sữa chua dạng khuấy và sữa chua uống bổ sung probiotic 1. Nguồn lao động Nguồn lao động tại địa phương và các vùng phụ cận đủ cung ứng cho các dự án, theo số liệu thống kê cho thấy dân số thành phố Bảo Lộc có trên 170 ngàn người (2018) [2], ngoài ra khi dự án đầu tư còn có khả năng thu hút lao động ở các vùng lân cận.

Tại thành phố Bảo Lộc đã có cơ sở đào tạo nghề là một lợi thế để đào tạo công nhân có tay nghề cao cung ứng cho các dự án. Kết luận Từ tính chất nguyên liệu sử dụng và nên cụm khu công nghiệp Lộc Sơn là nơi hoàn toàn lí tưởng để đặt nhà máy chế biến sữa. Điều kiện giao thông thuận lợi và nguồn nhân lực dồi dào luôn đảm bảo cho quá trình hoạt động của nhà máy. SVTH: Lê Thị Mị Nương GVHD: TS.

Mạc Thị Hà Thanh 4 Thiết kế nhà máy sữa từ nguyên liệu sữa tươi gồm hai dây chuyền sản xuất: sữa chua dạng khuấy và sữa chua uống bổ sung probiotic Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 2. Tổng quan về nguyên liệu 2. Nguyên liệu chính 2. Giới thiệu Sữa là chất lỏng sinh lý được tiết ra từ tuyến vú của động vật và là nguồn thức ăn để nuôi sống động vật non.

Từ xưa con người đã biết sử dụng sữa từ các dộng vật nuôi để chế biến thành nhiều loại thực phẩm quý giá. Hiện nay, ngành công nghiệp chế biến sữa trên thế giới tập trung sản xuất trên ba nguồn nguyên liệu chính là sữa bò, sữa dê và sữa cừu. Ở nước ta, sữa bò là nguồn nguyên liệu chủ yếu cho ngành công nghiệp thực phẩm. Và trong đồ án này, nguyên liệu sử dụng là sữa bò [4].

Tính chất hóa học Sữa là một hỗn hợp gồm thành phần chính là nước, đường lactose, protein và các chất béo. Ngoài ra sữa còn chứa một số hợp chất khác với hàm lượng nhỏ như các hợp chất chứa nito phi protein, vitamin, hocmon, các chất màu và khí [4]. Khi nói đến thành phần hóa học của sữa người ta thường quan tâm đến pH và độ chua. Giá trị pH của sữa tươi là 6,6.

Các thành phần chính trong 100g sữa bò tươi [4] Thành phần Đơn vị Hàm lượng Nước g 87,5 Protein g 3,4 Các thành phần Lipid g 3,9 chính Glucid (chủ yếu là lactose) g 4,8 Khoáng g 0,8 Thành phần Đơn vị Hàm lượng Calci mg 120 Kali mg 150 Các chất khoáng Magie mg 12 Phospho mg 300 SVTH: Lê Thị Mị Nương GVHD: TS.