Đề tài Thiết kế phân xưởng sản xuất sữa bột

1. TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về sản phẩm: Sữa là loại thực phẩm rất phổ biến trên thế giới. Sữa được tiêu thụ mạnh nhất ở các nước Âu Mỹ. Sở dĩ sữa được ưa chuộng rộng rãi như vậy vì ngoài việc cung cấp năng lượng cho con người, sữa còn cung cấp nhiều chất dinh dưỡng thiết yếu như nước, đạm, đường, béo, vitamin, khoáng chất. Protein sữa là loại protein hoàn hảo nên có giá trị dinh dưỡng cao. Từ sữa tươi, bằng nhiều kỹ thuật chế biến như lên men, cô đặc, sấy, lạnh đông… ta có thể sản xuất ra nhiều sản phẩm khác nhau: sữa chua, sữa đặc, sữa bột, kem, bơ, phômai… Với giá trị dinh dưỡng cao, sự đa dạng chủng loại sản phẩm, sữa ngày càng đóng vai trò thiết yếu trong cuộc sống. Ngành công nghiệp chế biến sữa ngày càng phát triển mạnh. Ngày nay, sữa bột đã trở thành một sản phẩm quen thuộc với người tiêu dùng.Trên thị trường Việt Nam hiện nay có hai nhóm sản phẩm chính: sữa bột nguyên (whole milk powder) và sữa bột gầy (skimmilk powder). Hàm lượng chất béo của chúng tương ứng là 26 – 33% và 1%. Với độ ẩm 2,5 – 5%, thời gian bảo quản sữa bột nguyên trung bình là 6 tháng, còn thời gian bảo quản sữa bột gầy có thể lên đến 3 năm. Đây là một ưu điểm lớn của sữa bột so với sữa tươi. Ngoài ra, các nhà sản xuất tiết kiệm được một phần lớn chi phí cho việc vận chuyển sữa bột do sản phẩm có khối lượng giảm đi nhiều lần khi ta so sánh với nguyên liệu sữa tươi ban đầu. Sữa bột không những được sử dụng tại gia đình để pha chế thức uống mà còn là nguyên liệu quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp khác như: Trong sản xuất sữa tái chế (recombined milk) và các sản phẩm chế biến từ sữa như sữa lên men, sữa cô đặc, kem, một số sản phẩm dinh dưỡng cho trẻ em để thay thế sữa mẹ. Trong công nghiệp sản xuất bánh nướng Trong công nghệ sản xuất kẹo chocolate… Trên cơ sở đó, chúng tôi chọn thiết kế phân xưởng chế biến sữa bột với năng suất 1.2 Chọn địa điểm xây dựng phân xưởng Phân xưởng được chọn xây dựng tại khu công nghiệp Long Thành, tỉnh Đồng Nai. Ơû đây có trang trại nuôi bò sữa An Phước. Ngoài ra còn có các vùng nuôi bò sữa khác ở Đồng Nai, Bình Dương và thành phố Hồ Chí Minh. -Vị trí: nằm trên quốc lộ 51, xã An Phước, huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai - Diện tích khu công nghiệp: 510 ha, trong đó: + Đất công nghiệp: 272,3 ha + Khu điều hành: 20,11 ha + Diện tích cây xanh và công viên: 13,5 ha + Dịch vụ công nghiệp (cấp nước, điện, xử lý nước thải): 94,7 ha + Đất giao thông: 79,93 ha + Đất cách ly đường điện: 14,19 ha - Có điều kiện thuận lợi để xây dựng nhà máy sữa như: Gần vùng nguyên liệu Có vị trí thuận lợi: + Cách trung tâm thành phố Hồ Chí Minh 44km, khi đường cao tốc thành phố Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây hoàn thành thì khoảng cách này chỉ còn 23km + Cách trung tâm thành phố Biên Hòa 20km + Cách cảng Gò Dầu 23km + Cách cảng Sài Gòn 48km + Cách cảng Phú Mỹ 25km + Cách cảng Vũng Tàu 63km + Cách sân bay Tân Sơn Nhất 32km + Cách sân bay Long Thành 11km - Thổ nhưỡng: + Độ cao trung bình so với mặt biển: 28m + Cường độ chịu tải của đất: 1,5 – 2,5 kg/cm2 - Khí hậu: + Nhiệt độ trung bình năm: 25 – 260C + Độ ẩm trung bình năm: 78 – 84% + Lượng mưa trung bình năm: 1800 – 1900mm - Nguồn điện: lưới điện quốc gia từ nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ, thuỷ điện Đa Mi – Hàm Thuận và trạm biến áp Long Bình 220/110 kV đảm bảo cung cấp điện ổn định cho các nhà máy trong khu công nghiệp Long Thành. Thông qua 2 trạm biến thế 63MVA, điện hạ thế 22kV được kéo đến tường rào từng nhà máy - Nguồn nước: lấy từ nhà máy nước Thiện Tân, năng suất 30000m3/ngày - Xử lý nước thải: khu công nghiệp có nhà máy xử lý nước thải năng suất 12000 m3/ngày Hệ thống đường ống thu gom nước thải được thiết kế riêng rẽ với hệ thống thoát nước mưa và được kéo đến sát tường rào các nhà máy, đảm bảo thu gom toàn bộ nước thải trong khu công nghiệp để dẫn về nhà máy xử lý nước thải - Đường giao thông nội khu: trải bêtông nhựa tải trọng H30, đường chính rộng 19m và 15m, có vỉa hè rộng rãi cho người đi bộ, có đèn chiếu sáng, cây xanh, thảm cỏ - Đường ống thoát nước mưa đường kính 800 – 1000mm, xây dựng 2 bên trục đường giao thông nội khu - Phương tiện thông tin liên lạc: đáp ứng đầy đủ nhu cầu liên lạc trong nước và quốc tế: tổng đài điện tử tự động, đường truyền internet tốc độ cao, các dịch vụ bưu điện khác - Các dịch vụ hỗ trợ cho doanh nghiệp: tài chính, ngân hàng, thương mại; thủ tục hành chính thuận tiện, nhanh chóng, dịch vụ “một cửa” - Các tiện ích khác: xây dựng khu nhà ở cho 40000 công nhân, có chỗ ở cho chuyên gia, có chợ, siêu thị, công viên cây xanh, công viên nước - Lực lượng lao động: dồi dào 2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Sơ đồ khái quát quy trình công nghệ sản xuất sữa bột nguyên cream. Bao bì Chuẩn hóa Sữa nguyên liệu Thanh trùng Cô đặc Đồng hóa Sấy Xử lý Bao gói Sữa bột nguyên cream kali poly phosphate,lecithin 2.1 Chuẩn hóa: Quá trình tiêu chuẩn hoá là một quá trình chuẩn bị nhằm mục đích điều chỉnh hàm lượng chất khô đồng thời ổn định thành phần chất béo có trong sữa ban đầu theo yêu cầu. Quá trình tiêu chuẩn hoá không có biến đổi nào quan trọng, chủ yếu là các biến đổi về vật lý như độ nhớt thay đổi, tỉ trọng… 2.2 Thanh trùng: Thanh trùng nhằm mục đích tiêu diệt hoặc ức chế đến mức tối đa hoạt động của hệ vi sinh vật thông thường, hệ vi sinh vật gây bệnh có trong sữa bằng cách sử dụng hợp lý nhiệt với điều kiện chỉ tác động ít nhất đến cấu trúc vật lý của sữa, đến sự cân bằng hóa học cũng như thành phần các enzym và vitamin trong sữa. Thanh trùng ở giai đoạn này còn nhằm mục đích chuẩn bị cho quá trình cô đặc sau đó nhờ quá trình bốc hơi nước được bắt đầu nhanh hơn. Một số biến đổi của sữa trong quá trình: Biến đổi vật lý: chất béo trong sữa sẽ chảy lỏng hoàn toàn làm thay đổi thể tích và độ nhớt của sữa, nhiệt độ sữa tăng lên. Biến đổi hóa học: xảy ra các phản ứng hóa học không có lợi: phản ứng phân hủy các acid amin, phản ứng tạo màu không có lợi cho sản phẩm(phản ứng Maillard). Biến đổi hóa lý và hóa sinh: một số protein hòa tan bị biến tính và hình thành các hợp chất phức tạp với casein. Nhiệt độ cao sẽ làm vô hoạt các Enzym trong sữa. Biến đổi sinh học: phá hủy được các cấu trúc của các vi khuẩn gây bệnh, làm cho sữa sau thanh trùng đáp ứng các tiêu chuẩn cho phép về vi sinh. 2.3 Cô đặc: Cô đặc là quá trình nâng cao nồng độ chất khô hoà tan trong dung dịch bằng phương pháp bay hơi nước để tách một phần dung môi ở dạng hơi . Cô đặc là một quá trình hoá lý . Cô đặc sữa tươi là giai đoạn chuẩn bị cho quá trình sấy tiếp theo nhằm mục đích giảm chi phí năng lượng vì sữa tươi có hàm lượng chất khô 10 – 15% nhưng sau quá trình cô đặc hàm lượng chất khô đạt được 40 – 50% . Đồng thời nó làm giảm độ hoạt động của nước và hạn chế quá trình biến đổi các chất trong sữa tạo điều kiện duy trì được chất lượng của sản phẩm trong một thời gian cũng như tăng độ bền vi sinh. Các biến đổi của nguyên liệu trong quá trình cô đặc : Trong quá trình cô đặc, những tính chất cơ bản của nguyên liệu sẽ không ngừng biến đổi : Sự biến đổi về tính chất vật lý và hóa lý : Khi nồng độ chất tan tăng dần, tính chất của dung dịch thay đổi tuỳ thuộc vào thời gian cô đặc như tăng độ nhớt, tăng khối lượng riêng và tăng nhiệt độ sôi của dung dịch đồng thời giảm nhiệt dung của nguyên liệu. Ngoài ra còn có thể xảy ra quá trình keo tụ protein làm thay đổi sâu sắc về cấu trúc của sữa hoặc phá hủy đường lactoza tạo ra một số sản phẩm làm sẫm màu sữa. Sự biến đổi về hoá học : Khi cô đặc ở nhiệt độ cao , các vitamin có thể bị phân huỷ hoặc xảy ra các phản ứng Melanoidin làm biến đổi màu sắc của sản phẩm c) Sự biến đổi về sinh học : Quá trình cô đặc làm giảm lượng nước trong nguyên liệu nên có thể hạn chế khả năng hoạt động của vi sinh vật hoặc tiêu diệt cả vi sinh vật nếu cô đặc ở nhiệt độ cao . 2.4 Đồng hóa: Mục đích của quá trình đồng hóa là phân tán các hạt béo trong sữa để tạo nên một hỗn hợp đồng nhất. Do hàm lượng chất béo trong sữa sau quá trình cô đặc khá cao, nên ta thực hiện quá trình đồng hóa để làm giảm kích thước hạt béo và phân bố đều chúng trong sữa. Sử dụng thiết bị đồng hóa hai cấp. 2.5 Sấy: Sấy là quá trình nhằm làm mất nước của sữa. Độ ẩm yêu cầu của sữa bột sau khi sấy là 2.5 – 5%. Trong điều kiện độ ẩm này thì không thể có sự phát triển của các loài vi sinh vật. Do đó, trong công nghệ sản xuất sữa bột, sấy vừa đóng vai trò chế biến vừa đóng vai trò bảo quản. Những biến đổi có thể xảy ra trong quá trình sấy: Ngoài việc làm giảm khối lượng và thể tích của sữa trong quá trình sấy còn có thể xảy ra các biến đổi khác : + Sữa bị tổn thất các chất dinh dưỡng và các cấu tử hương + Ở nhiệt độ cao có thể xảy ra phản ứng caramel hóa đường lactose, phản ứng Maillard … tạo mùi và màu bất lợi cho sản phẩm. 2.6 Rây: sữa bột sau khi sấy sẽ được đưa vào thiết bị rây để xử lý trước khi bao gói. 2.7 Bao gói: Sữa bột sau rây sẽ được thiết bị đóng gói.Ta sử dụng bao bì kim loại để đựng sản phẩm. Yêu cầu chung về bao bì là phải hạn chế được sự tiếp xúc với ánh sáng, không khí và độ ẩm từ môi trường xung quanh đến sữa bột. 3. Cân bằng vật chất 3.1 Chọn thành phần nguyên liệu và sản phẩm 3.1.1 Chọn thành phần nguyên liệu: A. Sữa tươi: - Hàm lượng chất khô TS = 11,5%. - Hàm lượng chất béo F = 3,5%. B. Muối kali polyphosphate - Độ ẩm W = 3% - Tỷ lệ sử dụng 0,1% khối lượng sữa bột thành phẩm C. Lecithine - Độ ẩm W = 3% - Tỷ lệ sử dụng 0,1% khối lượng sữa bột thành phẩm 3.1.2 Chọn thành phần sản phẩm: Sữa bột nguyên cream Hàm lượng chất khô TS = 96% ( độ ẩm W = 4%). Hàm lượng chất béo F = 30%. 3.2 Ước lượng tổn thất qua từng công đoạn (tính theo % khối lượng) - Tổn thất trong quá trình ly tâm: flt = 0,1%. - Tổn thất trên đường ống từ thiết bị tâm đến thiết bị trộn: flt-tr = 0,04%. - Tổn thất trong quá trình trộn: ftr = 0,15%. - Tổn thất trên đường ống từ thiết bị trộn đến thiết bị thanh trùng: ftr-tt = 0,04%. - Tổn thất trong quá trình thanh trùng: ftt = 0,1%. - Tổn thất trong đường ống từ thiết bị thanh trùng đến thiết bị cô đặc: ftt-cđ = 0,05%. - Tổn thất trong quá trình cô đặc: fcđ = 0,1%. - Tổn thất trên đường ống từ thiết bị cô đặc đến thiết bị đồng hóa: fcđ-đh = 0,05%. - Tổn thất trong quá trình đồng hóa: fđh = 0,05%. - Tổn thất từ thiết bị đồng hóa đến thiết bị sấy phun: fđh-s = 0,04%. - Tổn thất trong quá trình sấy phun: fs = 4%. - Tổn thất trong quá trình rây: fr = 0,5%. - Tổn thất trong đường ống từ thiết bị rây đến thiết bị đóng gói: fr-đg = 0,04%. - Tổn thất trong quá trình đóng gói: fđg = 0,04%. 3.3 Tính cân bằng vật chất: Tính cân bằng vật chất cho 1000kg sữa thành phẩm Gtp = 1000kg Lượng chất khô Gk = 1000 x 96% =960(kg) Lượng chất khô trong sữa trước khi đóng gói: G12 = (kg) Lượng chất khô trong sữa sau khi rây: G11 = (kg) Lượng chất khô trong sữa sau khi sấy: G10 = (kg) Lượng chất khô trong sữa trước khi sấy: G9 = (kg) Lượng chất khô trong sữa sau khi đồng hóa: G8 = (kg) Lượng chất khô trong sữa trước khi đồng hóa: G7 = (kg) Lượng chất khô trong sữa sau khi cô đặc: G6 = (kg) Lượng chất khô trong sữa trước khi cô đặc: G5 = (kg) Lượng chất khô trong sữa sau khi thanh trùng: G4 = (kg) Lượng chất khô trong sữa trước khi thanh trùng: G3 = (kg) Lượng chất khô trong sữa sau khi trộn: G2 = (kg) Lượng chất khô trong sữa trước khi trộn: G1 = (kg) Trong đó, lượng chất béo M = 1011,683 x 30% = 303,5 (kg) Muối phosphate m = 1011,683 x 0,1% = 1,011 (kg) Lượng chất khô trong sữa nguyên liệu là G0 = (kg) Lượng sữa nguyên liệu cần dùng là: Gnl = (kg) Lượng chất béo dư là: Mbéodư = (8809,573(1 - 0,1%)(1 - 0,04%) x 3,5%) - 303,5 = 4,4035(kg) Lượng cream dư là(cream chứa 40% béo). Mcreamdư = 4,4035:40% = 11(kg) Lượng nguyên liệu vào phối trộn: 8809,573(1 – 0,1%)(1 – 0,04%) – 11 + 1,011 = 8787,254(kg) Lượng bán thành phẩm vào thiết bị thanh trùng: 8787,254(1 – 0,04%)(1 – 0,15%) = 8770,56(kg) Lượng bán thành phẩm vào thiết bị cô đặc: 8770,556(1 – 0,1%)(1 – 0,05%) = 8757,41(kg) Hàm lượng chất khô trước khi cô đặc: Hàm lượng chất khô sau khi cô đặc : 50% Lượng bán thành phẩm sau cô đặc : G6 : 50% =1007,238 : 50% = 2014,476(kg) Lượng bán thành phẩm vào đồng hóa : 2014,476(1 – 0,05%) = 2013,468(kg) Lượng bán thành phẩm vào sấy 2013,468(1 – 0,05%)(1 – 0,04%) = 2011,657(kg) Lượng nước cần bốc hơi trong quá trình sấy 2011,657 – 1005,829 = 1005,828(kg) Bảng 3.1: Tổng lượng nguyên liệu tiêu hao cho 1 ngày Sữa bột nguyên kem 20000kg Sữa tươi 176191,5kg Kali phosphate 20,22kg Lecithine 20,22kg Bảng 3.2: Khối lượng nguyên liệu và bán thành phẩm đi vào các thiết bị trong quy trình sản xuất sữa bột nguyên kem. Thiết bị Lượng nguyên liệu, bán thành phẩm Kg lit Gia nhiệt 176191,5 171059 Li tâm 176190 171058 Phối trộn 175745 170626 Thanh trùng 175411 170302 Cô đặc 175148 170046 Bồn trung gian 40289,5 33574,5 Đồng hóa 40269 33557,5 Sấy 40233 ( Coi khối lượng riêng của sữa sau cô đặc là 1,2 kg/L; khối lượng riêng của sữa trước cô đặc là 1,03 kg/L) 4. Tính chọn thiết bị Lịch làm việc của phân xưởng: -Năng suất 20000kg/ngày, mỗi ngày sản xuất 2 ca, mỗi ca 4 mẻ, mỗi mẻ 2500kg -Mỗi tháng làm việc trung bình 25 ngày -Mỗi năm làm việc trung bình 300 ngày 4.1 Thiết bị gia nhiệt: Thể tích sữa cần gia nhiệt là: 171059 : 8 = 21382,75 (l) Tổng thời gian bơm sữa qua thiết bị gia nhiệt là 30 phút Þ Năng suất thiết bị gia nhiệt = = 42764,75 (l/h) - Chọn thiết bị truyền nhiệt bản mỏng Tetra Plex C10 của TetraPak - Các thông số kỹ thuật: + Năng suất tối đa: 65000 l/h + Vật liệu chế tạo: thép không rỉ AISI316 + Kích thước thiết bị: dài 1500mm, rộng 830mm, cao 2160mm + Đường kính ống: 76mm + Kích thước tấm truyền nhiệt: dài 1500mm, rộng 500mm + Bề mặt truyền nhiệt mỗi tấm: 0,62 m2 + Bề dày mỗi tấm: 0,5 – 0,7 mm + Công suất bơm: 2 kW 4.2 Thiết bị chuẩn hóa: Tổng thời gian chuẩn hóa là 30 phút ÞNăng suất thiết bị chuẩn hóa là = 42764, 5 (l/h) - Chọn thiết bị Tetra Alfast Plus của TetraPak - Các thông số kỹ thuật: + Năng suất :5000 - 75000 l/h + Kích thước thiết bị: dài 1425mm, rộng 1000mm, cao 2600mm + Công suất:0,5 kW + Khối lượng thiết bị 200 kg + Khối lượng có bao bì vận chuyển: 430 kg + Thể tích : 3,3 m3 4.3 Thiết bị phối trộn: Thời gian trộn 1 mẻ là 30 phút. ÞNăng suất trộn là : = 42656,5 (l/h) Chọn thiết bị phối trộn là bồn hình tru đứngï có cánh khuấy. Bồn trộn thể tích 1000 l (thể tích làm việc là 600 – 800 l) vận hành ở chế độ chân không để tránh tạo bọt, hấp thụ khí vào sữa. 4.4 Thiết bị thanh trùng: Thể tích sữa cần thanh trùng là: 170302 : 8 = 21287,75 (l) Thời gian bơm sữa qua thiết bị thanh trùng là 30 phút Þ Năng suất thiết bị gia nhiệt = = 42575,5 (l/h) - Chọn thiết bị thanh trùng Tetra Therm Lacta 10 của TetraPak - Các thông số kỹ thuật: + Năng suất thiết bị: 5000 – 45000 l/h + Nhiệt độ gia nhiệt sơ bộ:700C + Lượng hơi nước cần dùng (3 bar): 110 kg/h + Công suất điện: 25 kW + Điện áp: 380 hoặc 400 VAC, tần số 50 Hz + Các đường ống dẫn sữa được làm bằng thép không rỉ AISI316 4.5 Thiết bị cô đặc: - Lượng sữa vào thiết bị cô đặc trong 1 mẻ = 170046 / 8 = 21255,75 lit - Lượng sữa rời thiết bị cô đặc trong 1 mẻ = 33574,5 / 8 = 4196,81 lit Thời gian cô đặc 1 mẻ là 1h30 Þ Năng suất sữa vào thiết bị cô đặc = = 14170 l/h -Đặt hàng thiết bị cô đặc Flash Cooler của APV - Các thông số : + Năng suất thiết bị: 15000 l/h + Nồng độ sữa vào tháp cô đặc: 11,5% + Nồng độ sữa rời tháp cô đặc: 50% 4.6 Thiết bị đồng hóa: Thời gian đồng hóa là 30 phút ÞNăng suất đồng hóa là = 8389,375 (l/h) Đối với sản xuất sữa bột, chọn áp lực đồng hoá cấp 1 là 200 bar, cấp 2 là 50bar - Chọn thiết bị đồng hoá Tetra Alex 25 của TetraPak vận hành ở áp lực 200 bar với năng suất tối đa10000 l/h - Các thông số kỹ thuật: + Công suất động cơ N = năng suất*áp lực đồng hoá/30600 = = 65,36 kW ( theo công thức của TetraPak) + Nước làm mát (áp lực 3 bar, nhiệt độ 250|C): 585 l/h + Lượng hơi nước tiệt trùng thiết bị (áp lực 3 bar): 25 kg/h + Kích thước thiết bị : dài 2240mm, rộng 1400mm, cao 1080mm + Kích thước không gian đặt thiết bị: dài 3900mm, rộng 3000mm, cao 1500mm - Thông số khi vận chuyển thiết bị: + Khối lượng thiết bị 1695 kg, khối lượng động cơ 2285 kg + Khối lượng bao bì vận chuyển: 500kg + Thể tích : 9,2 m3 4.7 Thiết bị sấy phun: Thời gian sấy phun là 1,5h ÞNăng suất sấy phun là: (kg/h) Đặt hàng thiết bị sấy phun FILTERMAT. Thông số : +Độâ ẩm nguyên liệu vào 50% +Độ ẩm thành phẩm 4% +Năng suất: 30000 kg/h 4.8 Bồn trung gian - Chọn bồn chứa Tetra Alsafe SV của TetraPak - Các thông số kỹ thuật: + Dung tích bồn: 7000 lit + Lượng hơi nước 1250C (2,7 bar) để tiệt trùng bồn trong 30 phút: 200 kg + Lượng nước làm nguội bồn sau tiệt trùng qua lớp vỏ áo: 2000 lit + Vật liệu chế tạo: thép không rỉ AISI316 + Kích thước thiết bị: chiều cao 5000mm, đường kính 2200mm 4.9 Bồn chứa sữa tươi - Lượng sữa tươi cần dùng trong một ngày: 176191,5 kg (171059,71 lit) - Thời gian bảo quản sữa tươi tối đa là 1 ngày - Chọn 3 bồn chứa, thể tích mỗi bồn 60000 lit. + Kích thước mỗi bồn: đường kính 3020mm, cao 6300mm. + Mỗi bồn có motor khuấy, công suất 7,5 kW + Bồn làm bằng thép không rỉ +Có lớp vỏ áo cho nước lạnh để giữ nhiệt độ sữa tươi khi bảo quản 4 – 50C 4.10 Thiết bị rây: - Chọn thời gian rây là 30 phút - Năng suất thiết bị rây = 2500 / 0,5 = 5000 kg/h - Đặt hàng thiết bị rây với năng suất 6000 kg/h 4.11 Thiết bị đóng hộp - Khối lượng mỗi mẻ sản xuất là 2500 kg Chọn thời gian rót mỗi mẻ là 1h Þ