Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa thuận lợi cho việc phát triển các vùng chuyên canh cây ăn trái, trong đó Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng sản xuất cây ăn quả trọng điểm. Quả xoài (Mangifera indica) là một trong những nông sản nhiệt đới có giá trị dinh dưỡng cao, giàu đường, carotene, vitamin C, chất xơ và các hợp chất chống oxy hóa. Tuy nhiên, quả xoài sau thu hoạch có đặc tính dễ hư hỏng do tác động của nhiệt độ, độ ẩm và vi sinh vật; thời gian thu hoạch lại tập trung vào các tháng chính vụ dẫn đến tình trạng dư thừa cục bộ, rớt giá và tổn thất sau thu hoạch lớn. Việc bảo quản tươi gặp nhiều hạn chế về công nghệ và chi phí, do đó chế biến sâu thành sản phẩm xoài lát sấy dẻo là giải pháp kỹ thuật cần thiết nhằm đa dạng hóa sản phẩm, kéo dài thời gian bảo quản và nâng cao giá trị kinh tế.

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật một cơ sở sản xuất công nghiệp hoàn chỉnh với các nội dung chính:

  1. Tổng quan tài liệu về nguyên liệu xoài, sản phẩm trên thị trường, công nghệ và thiết bị sấy rau quả.
  2. Lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy và thiết lập sơ đồ quy trình công nghệ chế biến xoài lát sấy.
  3. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng/nhiệt cho toàn bộ dây chuyền sản xuất.
  4. Tính toán, thiết kế buồng sấy chính và lựa chọn các thiết bị phụ trợ (rửa, gọt cắt, chần, ngâm thẩm thấu, đóng gói).
  5. Thiết kế mặt bằng tổng thể phân xưởng sản xuất và bố trí nhân sự vận hành.
  6. Tính toán các chỉ tiêu kinh tế, chi phí đầu tư và giá thành sản phẩm.
  7. Thể hiện các bản vẽ kỹ thuật: bản vẽ dây chuyền sản xuất (khổ A1), bản vẽ thiết bị sấy (khổ A0) và bản vẽ mặt bằng nhà xưởng (khổ A1/A0).
  • Đối tượng nghiên cứu: Quả xoài chín thu hoạch từ ĐBSCL, chủ lực là giống xoài Cát Chu (nguồn gốc từ Đồng Tháp, Tiền Giang) kết hợp tham khảo giống xoài Cát Hòa Lộc.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế kỹ thuật nhà máy sản xuất xoài lát sấy đặt tại Khu công nghiệp Tân Hương, huyện Châu Thành, tỉnh Tiền Giang với kế hoạch vận hành 277 ngày sản xuất/năm (năm 2021 - 2022).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

  • Lý thuyết công nghệ thực phẩm: Động học quá trình sấy đối lưu bằng không khí nóng; cơ chế truyền nhiệt và truyền khối trong vật liệu ẩm; quá trình chuyển pha của nước từ bề mặt và nội quan lát xoài; cơ chế ngâm thẩm thấu dịch đường (osmotic dehydration) nhằm giảm hoạt độ của nước ($a_w$) và tạo áp suất thẩm thấu ức chế vi sinh vật; phản ứng sẫm màu phi enzym (Melanoidin) và giải pháp ức chế enzym phenolase bằng nhiệt độ (chần) và hóa chất ($NaHSO_3$, axit citric, axit ascorbic).
  • Tiêu chuẩn chất lượng và an toàn thực phẩm:
    • Tiêu chuẩn cảm quan và chất lượng Axit Citric theo TCVN 5561-1991.
    • Tiêu chuẩn vi sinh vật đối với thực phẩm chế biến theo Quyết định số 46/2007/QĐ-BYT.
    • Các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN) về nước thải công nghiệp và nước chế biến thực phẩm.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật

  • Phương pháp cân bằng vật chất: Tính toán lượng nguyên liệu vào ($G_{nv}$), lượng bán thành phẩm ra ($G_{nr}$) và tổn thất ($x_n, M_n$) qua từng công đoạn theo chu trình sản xuất liên tục.
  • Phương pháp cân bằng nhiệt - ẩm: Lập phương trình cân bằng entanpi và độ chứa hơi của không khí trước calorifer, sau calorifer và sau khi ra khỏi buồng sấy; tính toán lượng ẩm bốc hơi thực tế ($\Delta G$) và lượng không khí khô tiêu hao riêng.
  • Phương pháp tính toán cơ khí và chọn thiết bị: Xác định thể tích buồng sấy, trở lực khí động, công suất quạt, diện tích truyền nhiệt của calorifer và thông số kỹ thuật của các máy móc đồng bộ trên dây chuyền.
  • Phương pháp quy hoạch mặt bằng công nghiệp: Bố trí dây chuyền một chiều đảm bảo nguyên tắc vệ sinh an toàn thực phẩm, chống nhiễm chéo; tính toán hệ số sử dụng đất ($K_{sd}$).

Nguồn dữ liệu

  • Số liệu thống kê diện tích và sản lượng xoài tại 4 tỉnh trọng điểm ĐBSCL (Đồng Tháp, Tiền Giang, An Giang, Vĩnh Long);
  • Cơ sở dữ liệu thành phần dinh dưỡng quả xoài từ Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA Nutrient Database) và tài liệu WHO/FAO (2003);
  • Thông số khí hậu, thủy văn, địa chất và hạ tầng kỹ thuật tại KCN Tân Hương, tỉnh Tiền Giang.

Thiết kế quy trình công nghệ và hệ thống thiết bị

Sơ đồ quy trình công nghệ

Quy trình sản xuất xoài lát sấy được thiết lập theo chuỗi công đoạn liên tục:

$$\text{Xoài nguyên liệu} \rightarrow \text{Ủ chín} \rightarrow \text{Lựa chọn, phân loại} \rightarrow \text{Rửa sạch} \rightarrow \text{Gọt vỏ, bỏ hạt, cắt lát} \rightarrow \text{Chần}$$ $$\rightarrow \text{Ngâm dịch đường} \rightarrow \text{Rửa lại, làm ráo} \rightarrow \text{Sấy băng tải} \rightarrow \text{Làm nguội, phân loại} \rightarrow \text{Đóng gói chân không} \rightarrow \text{Thành phẩm}$$

Bảng thông số kỹ thuật các công đoạn

Công đoạn Thiết bị / Dụng cụ Thông số kỹ thuật vận hành Tỷ lệ tổn thất (%)
Ủ chín Phòng ủ Kiểm soát nhiệt độ, thúc đẩy chín đều 1,00
Phân loại Băng tải con lăn Chọn quả đạt độ chín kỹ thuật, loại bỏ quả dập/sâu 2,00
Rửa Máy rửa sục khí Ngâm dung dịch $Ca(OCl)_2$ 5 mg/l trong 5 phút; thay nước mỗi 2 giờ 0,11
Gọt vỏ, cắt lát Băng tải, dao inox Chiều dày lát cắt 1,9 cm, kích thước đều, loại bỏ vỏ và hạt 33,00
Chần Thiết bị chần băng tải Nhiệt độ nước chần 90°C, thời gian 2 phút 1,00
Ngâm đường Bồn ngâm Nồng độ dung dịch đường 45%, tỷ lệ nguyên liệu : dịch ngâm = 1 : 2, ngâm 2 giờ (tái sử dụng dịch ngâm tối đa 3 lần) 1,00
Rửa lại & ráo Máy rửa băng tải & dàn ráo Rửa sạch màng đường dư trên bề mặt lát xoài 0,50
Sấy đối lưu Thiết bị sấy băng tải Nhiệt độ sấy 65°C, thời gian sấy ~10 giờ; độ ẩm giảm từ 80% xuống 15% 1,00
Làm nguội Băng tải làm nguội Hạ nhiệt độ tự nhiên về nhiệt độ phòng, loại lát cháy/vỡ 0,50
Đóng gói Máy đóng gói hút chân không Bao bì nhựa PE dày 65 - 70 $\mu$m, hàn kín miệng 0,50

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Materials Overview (Tổng quan về nguyên liệu và sản phẩm)

Chương này tổng hợp các đặc tính thực vật học của quả xoài Cát Chu: trọng lượng quả trung bình 250 - 350g, tỷ lệ thịt quả dày, hạt nhỏ, ít xơ, màu vàng cam khi chín. Thành phần hóa học trong 100g phần ăn được của xoài tươi gồm: nước 86,1%, protein 0,6%, lipid 0,1%, khoáng 0,3%, xơ 1,1%, carbohydrate 11,8%, carotene 4800 I.U, vitamin C 13,2 - 92,8 mg, năng lượng 50 cal.

Tác giả phân tích các nguyên liệu phụ gồm: nước mềm có độ cứng tạm thời và vĩnh cửu không quá 0,7 mg đương lượng Ca/lít; đường tinh luyện RE; axit citric (TCVN 5561-1991); axit ascorbic; muối $NaHSO_3$ nhằm ức chế enzym phenolase và ngăn phản ứng tạo màu Melanoidin. Sản phẩm xoài lát sấy đạt độ ẩm 14 - 18%, chiều dài lát ~8 cm, màu vàng sáng, vị ngọt thanh tự nhiên.

Chỉ tiêu vi sinh vật (QĐ 46/2007/QĐ-BYT) Giới hạn tối đa
Tổng số vi khuẩn hiếu khí $10^4$ CFU/g
Coliforms 10 CFU/g
Escherichia coli 0 MPN/g
Clostridium perfringens 10 CFU/g
Bacillus cereus $10^2$ CFU/g
Tổng số bào tử nấm men - nấm mốc $10^2$ CFU/g

Chương 2: Factory Design and Production Process Selection (Thiết kế nhà máy và lựa chọn quy trình sản xuất)

Địa điểm xây dựng nhà máy được chọn tại Khu công nghiệp Tân Hương, huyện Châu Thành, tỉnh Tiền Giang (diện tích KCN 225,98 ha, lô đất thuê 1,02 ha). Địa điểm này nằm sát Quốc lộ 1A và cao tốc TP.HCM - Trung Lương, cách TP. Mỹ Tho 12 km, TP.HCM 50 km; tiếp giáp vùng nguyên liệu ĐBSCL với diện tích canh tác 41.800 ha, sản lượng 427.268 tấn/năm (4 tỉnh lớn nhất: Đồng Tháp, Tiền Giang, An Giang, Vĩnh Long chiếm 72,8% diện tích và 72,7% sản lượng toàn vùng).

Hạ tầng kỹ thuật bao gồm nguồn điện lưới quốc gia kết hợp trạm biến áp riêng và máy phát dự phòng; lò hơi đốt dầu DO/FO cấp hơi áp suất 3 - 13 at; nguồn nước sạch từ nhà máy nước Tiền Giang; hệ thống thu gom và xử lý nước thải sản xuất đạt tiêu chuẩn loại C trước khi xả thải.

Chương 3: Calculation Design of Drying System (Tính toán thiết kế hệ thống sấy)

Kế hoạch sản xuất của nhà máy được xây dựng với công suất thành phẩm:

  • Năng suất theo giờ: 125 kg sản phẩm/h;
  • Năng suất theo ca: 1.000 kg sản phẩm/ca (8 giờ/ca, 3 ca/ngày);
  • Năng suất ngày: 3.000 kg sản phẩm/ngày.
  • Thời gian làm việc trong năm: 277 ngày (831 ca = 6.648 giờ sản xuất). Tháng 10 nhà máy ngừng sản xuất để bảo trì máy móc do nguồn xoài vào thời điểm này khan hiếm.

Tính toán cân bằng vật chất xác định dòng nhập liệu cho từng công đoạn. Trong quá trình sấy, lượng ẩm cần bốc hơi từ xoài lát để hạ độ ẩm từ $W_1 = 80%$ xuống $W_2 = 15%$ được tính toán đạt $\Delta G = 542,54\text{ kg/h}$. Chương này cũng xác định các thông số trạng thái của không khí sấy: entanpi, độ chứa hơi trước khi vào calorifer, sau calorifer ($t_1 = 65^\circ C$) và sau khi ra khỏi buồng sấy.

Chương 4: Calculation and Device Selection (Tính toán và lựa chọn thiết bị)

Chương 4 thực hiện tính toán thiết kế chi tiết buồng sấy băng tải: thể tích không khí lưu thông, tốc độ tác nhân sấy, vật liệu cách nhiệt vỏ buồng sấy, tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh, tính toán trở lực đường ống và chọn quạt thổi/hút.

Đồng thời, đồ án lựa chọn danh mục thiết bị phụ trợ đồng bộ trên dây chuyền:

  • Cân tiếp nhận ZEMIC;
  • Băng tải con lăn phân loại;
  • Máy rửa sục khí thổi khí;
  • Băng tải gọt vỏ và cắt lát bằng dao inox;
  • Thiết bị chần băng tải;
  • Bồn ngâm dung dịch đường;
  • Thiết bị rửa lại và làm ráo dạng băng tải lưới inox;
  • Nồi nấu syrup đường và thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm;
  • Máy đóng gói hút chân không.

Chương 5: Calculation and Organization (Tính toán xây dựng và tổ chức nhà máy)

Xây dựng cơ cấu tổ chức nhà máy bao gồm Ban Giám đốc, các phòng ban chuyên môn (Kỹ thuật/R&D, Kế hoạch, Quản lý chất lượng - QC, Nhân sự, Kinh doanh) và công nhân vận hành trực tiếp theo 3 ca. Tính toán diện tích các hạng mục xây dựng: phân xưởng sản xuất chính, kho nguyên liệu, kho thành phẩm, trạm cấp hơi - trạm biến áp, trạm xử lý nước cấp và nước thải, khu nhà hành chính - sinh hoạt, sân bãi và đường giao thông nội bộ; xác định hệ số sử dụng đất ($K_{sd}$).

Chương 6: Economic Calculation of Factory Construction (Tính toán kinh tế xây dựng nhà máy)

Tính toán chi phí tiêu thụ điện, nước sinh hoạt và sản xuất, lượng dầu DO/FO tiêu hao cho lò hơi. Tổng hợp quy mô vốn đầu tư: chi phí thuê đất tại KCN Tân Hương, chi phí xây lắp công trình, chi phí mua sắm thiết bị máy móc. Tính toán chi phí nguyên liệu hàng năm (xoài Cát Chu, đường RE, hóa chất, bao bì PE), chi phí nhân công, từ đó xác định giá thành đơn vị sản phẩm, doanh thu dự kiến và lợi nhuận trước thuế và lãi vay (EBIT).

Chương 7: Product Quality and Production Safety (Chất lượng sản phẩm và an toàn sản xuất)

Thiết lập quy trình kiểm tra chất lượng chặt chẽ qua các khâu:

  • Đánh giá xoài nguyên liệu: độ chín kỹ thuật, khối lượng, tỷ lệ sâu bệnh, dư lượng thuốc bảo vệ thực vật và kim loại nặng;
  • Kiểm tra nồng độ dung dịch đường sau nấu và sau ngâm;
  • Kiểm soát các điểm kiểm soát quá trình (In-Process Control) tại các công đoạn gọt, chần, ngâm, sấy;
  • Kiểm tra chỉ tiêu cảm quan, hóa lý, vi sinh của thành phẩm trước khi xuất xưởng;
  • Đề xuất các biện pháp an toàn lao động, vệ sinh công nghiệp (GMP, SSOP) và hệ thống phòng cháy chữa cháy trong toàn nhà máy.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả tính toán kỹ thuật: Thiết lập hoàn chỉnh dây chuyền sản xuất xoài lát sấy đạt công suất 3.000 kg thành phẩm/ngày (125 kg/h); giải quyết bài toán cân bằng vật chất với lượng ẩm bốc hơi $\Delta G = 542,54\text{ kg/h}$ và bài toán cân bằng nhiệt ở nhiệt độ sấy 65°C; lựa chọn đồng bộ hệ thống thiết bị từ khâu tiếp nhận đến đóng gói chân không.
  • Kết quả đồ họa: Hoàn thành các bản vẽ kỹ thuật phục vụ thi công và lắp đặt gồm: Bản vẽ mặt bằng dây chuyền sản xuất (khổ A1), Bản vẽ kết cấu buồng sấy hoa quả (khổ A0), Bản vẽ tổng mặt bằng nhà xưởng sản xuất (khổ A1/A0).
  • Đóng góp thực tiễn: Cung cấp phương án thiết kế khả thi tại KCN Tân Hương (Tiền Giang) nhằm tiêu thụ nông sản cho vùng chuyên canh xoài ĐBSCL, giảm thiểu hao hụt sau thu hoạch, đồng thời đề xuất giải pháp tận dụng phế phụ phẩm (vỏ, hạt xoài chiếm ~33%) làm nguyên liệu sản xuất phân bón vi sinh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo đánh giá của Cán bộ hướng dẫn (TS. Lê Đức Trung) và Cán bộ phản biện (TS. Hoàng Văn Chuyên), đồ án còn một số điểm cần khắc phục:

  • Hạn chế:
    • Bản vẽ thiết bị sấy còn sai sót về ghi chú kích thước và thể hiện mặt cắt buồng sấy;
    • Bản vẽ tổng mặt bằng thiếu kích thước chiều dài, chiều rộng lô đất, chiều rộng cổng ra vào, mạng lưới đường nội bộ và khoảng cách an toàn giữa các khối nhà; bản vẽ phân xưởng chính thiếu kích thước cột, tường, cửa và các mặt cắt A-A, B-B, C-C;
    • Mục 5.2 (trang 91) lựa chọn kích thước phân xưởng chính chưa chặt chẽ do thiếu bước tính toán diện tích dựa trên sơ đồ bố trí thiết bị cụ thể;
    • Các thông số kinh tế ở Chương 6 cần cập nhật: mức lương bình quân đầu người còn thấp, ước tính giá xoài nguyên liệu còn cao và giá đường còn thấp so với biến động thực tế;
    • Còn một số lỗi chính tả, ngữ pháp tiếng Anh và sót tiếng Việt (trang 105); thiếu trích dẫn nguồn số liệu ở Chương 1 và Chương 2.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Bổ sung phương pháp tính toán diện tích phân xưởng theo diện tích chiếm chỗ và khoảng cách thao tác của máy móc; cập nhật báo giá thị trường cho nguyên vật liệu và nhân công; hoàn thiện các mặt cắt chi tiết trên bản vẽ cơ khí và xây dựng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh trong việc thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị, Đồ án Thiết kế nhà máy thực phẩm. Các nội dung có giá trị tham khảo cao gồm:

  • Chuỗi công thức tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt cho hệ thống sấy đối lưu băng tải rau quả;
  • Chế độ xử lý hóa lý (ngâm thẩm thấu đường 45%, chần 90°C trong 2 phút, xử lý chất ức chế hóa nâu) giúp ổn định màu sắc và cấu trúc của lát xoài sấy dẻo;
  • Khung tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng vi sinh theo Quyết định 46/2007/QĐ-BYT đối với sản phẩm sấy.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất và chế độ làm việc của nhà máy được thiết kế cụ thể như thế nào?
Nhà máy có công suất thành phẩm là 3.000 kg/ngày (tương đương 1.000 kg/ca hoặc 125 kg/h). Nhà máy hoạt động liên tục 3 ca/ngày (8 giờ/ca), làm việc 277 ngày/năm (tổng cộng 831 ca = 6.648 giờ). Tháng 10 ngừng sản xuất để bảo dưỡng máy móc do thiếu hụt nguồn nguyên liệu xoài.

2. Công đoạn xử lý nhiệt và ngâm đường có các thông số kỹ thuật nào?
Xoài sau khi gọt vỏ, bỏ hạt và cắt lát dày 1,9 cm được chần trên thiết bị băng tải ở nhiệt độ 90°C trong thời gian 2 phút. Sau đó, xoài được ngâm trong dung dịch đường nồng độ 45% với tỷ lệ nguyên liệu : dung dịch là 1 : 2 trong 2 giờ. Dịch đường được phép tái sử dụng đến lần thứ 3 để tiết kiệm chi phí.

3. Chế độ sấy của thiết bị sấy băng tải được xác định ra sao?
Quá trình sấy sử dụng tác nhân không khí nóng đối lưu ở nhiệt độ 65°C, thời gian sấy khoảng 10 giờ. Độ ẩm ban đầu của lát xoài sau khi làm ráo là $W_1 = 80%$, độ ẩm sau sấy đạt $W_2 = 15%$ (thành phẩm đóng gói có độ ẩm dưới 18%). Lượng ẩm bốc hơi qua buồng sấy được tính toán là 542,54 kg/h.

4. Vì sao địa điểm xây dựng nhà máy được chọn tại KCN Tân Hương, tỉnh Tiền Giang?
KCN Tân Hương nằm tại huyện Châu Thành, tỉnh Tiền Giang, tiếp giáp trực tiếp với vùng nguyên liệu xoài lớn nhất cả nước tại 4 tỉnh ĐBSCL (chiếm 72,8% diện tích và 72,7% sản lượng xoài toàn vùng). Vị trí này kết nối thuận tiện với Quốc lộ 1A, cao tốc TP.HCM - Trung Lương, cảng Mỹ Tho và cảng Hiệp Phước, đồng thời có sẵn hệ thống hạ tầng cấp điện, cấp hơi và xử lý nước đồng bộ.

5. Những thiếu sót kỹ thuật chính được Hội đồng chấm đồ án chỉ ra là gì?
Hội đồng và giảng viên phản biện chỉ ra các lỗi: bản vẽ buồng sấy thiếu mặt cắt và kích thước chi tiết; bản vẽ tổng mặt bằng thiếu kích thước phân lô, khoảng cách công trình và đường nội bộ; phần tính diện tích phân xưởng chính trang 91 chưa dựa trên tính toán bố trí máy móc; đơn giá chi phí nhân công, nguyên liệu xoài và đường tại Chương 6 chưa sát với thị trường.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Huỳnh Võ Kiên và Phạm Lê Quang Trí đã hoàn thành đầy đủ khối lượng tính toán công nghệ và thiết kế nhà máy sấy xoài lát công suất 3.000 kg sản phẩm/ngày tại KCN Tân Hương, tỉnh Tiền Giang. Công trình giải quyết tốt bài toán cân bằng vật chất - năng lượng cho hệ thống sấy băng tải 65°C, đồng thời lựa chọn đồng bộ dây chuyền thiết bị và quy trình ngâm thẩm thấu đường kết hợp xử lý chống biến màu. Mặc dù còn một số hạn chế về mặt cắt bản vẽ kỹ thuật và số liệu đơn giá kinh tế, đồ án có độ tin cậy chuyên môn cao và được Hội đồng đánh giá tốt (điểm số 75 - 85/100).