Đồ án Thiết kế phân xưởng kem

Phần 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Giới thiệu về sản phẩm kem: Kem là sản phẩm đã có từ lâu đời tại Trung Quốc. Theo Campell (1980) mãi đến năm 1951, nhà máy sản xuất kem đầu tiên trên thế giới mới được ra đời và kem trở thành sản phẩm thương mại. Ngày nay, kem đã trở thành sản phẩm quen thuộc với mọi người tiêu dùng và được ưa thích bởi các lứa tuổi khác nhau. - Về mặt nguyên liệu, kem được chia thành 4 nhóm: + Kem sản xuất từ sữa + Kem sản xuất từ chất khô không béo của sữa (milk solid non-fat) và dầu thực vật + Kem sản xuất từ nước ép trái cây và đường + Kem được sản xuất từ nước ép trái cây có bổ sung thêm thành phần chất béo và chất khô không béo của sữa. Hai nhóm sản phẩm đầu tiên là phổ biến nhất và chiếm khoảng 80 – 90% tổng sản lượng kem trên toàn thế giới. - Về mặt công nghệ, hiện nay có 3 phương pháp tạo hình kem (tạo ra 3 dạng sản phẩm): + Phương pháp rót kem que (moulded stick novelty): kem được rót vào khuôn để tạo hình dạng thỏi dẹt hoặc dạng ống dài + Phương pháp rót ly, hộp (filled product): kem được rót vào hộp hoặc ly + Phương pháp ép đùn (extruded product): kem được ép đùn thành nhiều dạng phong phú: que, ly, ổ bánh hoặc phủ lên bánh sandwich. Ngoài ra, kem còn có thể được bổ sung thêm nhiều loại nguyên liệu khác như chocolate, đậu phộng, nho khô, mè, cơm dừa, bột khoai môn, bột đậu xanh, nước cốt dừa, mứt trái cây … giúp tạo nhiều hương vị hấp dẫn, đa dạng hoá sản phẩm. Chọn nhóm sản phẩm và dạng sản phẩm cho phân xưởng sản xuất kem: chọn nhóm sản phẩm kem sản xuất từ sữa, dạng sản phẩm: kem que và kem hộp với các hương vị khác nhau như hương vani, dâu, cam, sầu riêng,… Tính cấp thiết của đề tài: Kem sản xuất từ sữa vừa là sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, vừa là sản phẩm tiêu khiển. Đặc biệt, kem rất được ưa thích và tiêu thụ mạnh ở những vùng có khí hậu nóng và ở những nơi có dân số trẻ. Nước ta, đặc biệt là khu vực phía nam, có khí hậu nóng quanh năm và có tỉ lệ dân số trẻ khá cao. Hơn nữa, vì đời sống vật chất và tinh thần của người dân ngày càng cao nên các sản phẩm từ sữa ngày càng được ưa chuộng nhờ những hiểu biết về giá trị dinh dưỡng của nó. Những điều kiện này đã giúp cho việc tiêu thụ sản phẩm kem ngày càng mạnh. Mặt khác, vì khu vực phía nam có rất nhiều khu nuôi bò sữa nên sẽ đáp ứng được nhu cầu về nguồn nguyên liệu cho sản xuất kem. Từ nhu cầu của thị trường đối với sản phẩm kem và những điều kiện thuận lợi về nguồn nguyên liệu cho sản xuất kem, yêu cầu mở thêm phân xưởng sản xuất kem cho nhà máy sữa là cần thiết nhằm đa dạng hoá sản phẩm. Mặc dù hiện nay dù có nhiêù cơ sở sản xuất kem thủ công nhưng sản phẩm kem chưa được kiểm soát về chất lượng, vì vậy việc mở rộng phân xưởng sản xuất kem càng cấp thiết hơn để tạo ra sản phẩm kem đảm bảo chất lượng. Địa điểm đặt phân xưởng: Chọn khu công nghiệp AMATA làm địa điểm đặt phân xưởng. Địa chỉ: phường Long Bình, thành phố Biên Hoà, tỉnh Đồng Nai. Diện tích: 410 ha, trong đó diện tích dùng cho thuê 100 ha, đã được phát triển toàn bộ với các tiện ích hạ tầng chất lượng. Những thuận lợi: Nguồn nguyên liệu: gần nguồn nguyên liệu vì ở Đồng Nai có rất nhiều trang trại nuôi bò sữa, đáp ứng nhu cầu nguyên liệu cho chế biến kem sữa. Vị trí địa lí thuận lợi: khoảng cách theo đường bộ từ khu công nghiệp Amata đến các thành phố lớn, nhà ga, bến cảng và sân bay quốc tế như sau: Cách trung tâm thành phố HCM 32 km. Cách ga Sài Gòn 32 km. Cách cảng Đồng Nai 4 km, Tân cảng 26 km, Cảng Sài Gòn 32 km, cảng Phú Mỹ 40 km. Cách sân bay quốc tế Tân Sơn Nhất 32 km. Nguồn điện: được cung cấp từ nhà máy điện Amata công suất 20 MVA và mạng lưới điện quốc gia qua trạm biến áp 40 MVA. Nguồn nước: nước được cung cấp 2000 m3/ngày. Công suất nhà máy xử lí nước thải: 1000 m3/ngày (công suất thiết kế 4000 m3/ngày). Dịch vụ khu công nghiệp: Đường truyền tốc độ cao, tài chính, ngân hàng, thương mại, đào tạo, khu vui chơi giải trí, nhà ở cho chuyên gia, nhà xưởng cho thuê. Các loại chi phí: Giá thuê đất: thoả thuận, khoảng 40 USD/m2/50năm. Giá điện: 0.073 USD/Kwh Giá nước: 4 600 VND/m3 Giá xử lí nước thải: 0.28 USD/m3 Phí quản lí: 0.08 USD/m2/tháng Thủ tục thanh toán: thoả thuận Khí hậu: Nhiệt độ trung bình năm: 25 – 260C Độ ẩm trung bình năm: 78 – 84% Lượng mưa trung bình năm: 1800 – 1900mm Thổ nhưỡng: Độ cao trung bình so với mặt biển: 28m Cường độ chịu tải của đất: 1.5 – 2.5 kg/cm2 Vị trí phân xưởng trong khu công nghiệp: Phía tây và nam giáp Quốc lộ 1A, phía đông tây giáp khu kinh doanh thương mại, nằm trong lô đất cho thuê giai đoạn 5 của khu công nghiệp. Diện tích cho thuê của lô đất này là 50 ha. Phần 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1. Nguyên liệu: Sữa bò tươi Một số tính chất vật lý của sữa: Sữa là chất lỏng màu trắng đục. Độ đục của sữa là do các chất béo, protein và một số chất khoáng trong sữa tạo nên. Màu sắc của sữa phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng b-carotene có trong chất béo của sữa, thường có màu trắng đến vàng nhạt. Sữa bò có mùi vị rất đặc trưng và vị ngọt nhẹ. + Tỷ trọng : 1,028 – 1,036 g/cm3 + Điểm đông đặc : -0,54 ¸ -0,590C + Sức căng bề mặt ở 200C : 50 dyne/cm + Độ dẫn điện : 0,004 – 0,005 1/ohn.cm + Nhiệt dung riêng : 0,933 – 0,954 cal/g.0C + pH : 6,5 – 6,7 + Độ chua : 15 – 18 0D Thành phần hoá học của sữa bò tươi: Sữa là một hỗn hợp với các thành phần chính bao gồm nước, 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 nitơ phi protein, vitamine, hormone, các chất màu và khí. Thành phần các chất có thể dao động như sau: (% khối lượng) + Nước : 85,5 – 89,5% + Tổng hàm lượng chất khô: 10,5 – 14,5%. Trong đó: Lactose : 3,6 – 5,5% Protein : 2,9 – 5% Chất béo : 2,5 – 6% Chất khoáng : 0,6 – 0,9% Bột sữa gầy: Là sản phẩm được chế biến từ sữa tươi đã ly tâm tách béo và qua các quá trình cô đặc, sấy phun. Sữa bột gầy thường được các nhà sản xuất sử dụng vì có thời gian bảo quản rất lâu có thể lên đến 3 năm (so với sữa bột nguyên kem có thời gian bảo quản trung bình chỉ 6 tháng). Thành phần hoá học của sữa bột gầy: (% khối lượng) + Nước : 4,3% + Protein : 35,0% + Chất béo : 1,0% + Lactose : 51,9% + Chất khoáng : 7,8% Cream : Cream là sản phẩm thu được khi ly tâm sữa tươi. Lượng béo trong cream tối thiểu không thấp hơn 12% và thường dao động từ 35 – 40%. Đây là loại nguyên liệu có hàm lượng béo cao, cần hạn chế đến mức tối thiểu sự thuỷ phân và sự oxi hoá chất béo trong quá trình bảo quản. Vì vậy, trong sản xuất, cream thường được bảo quản thiết bị kín bằng thép không rỉ, dưới lớp khí trơ (N2), tránh sự tiếp xúc giữa cream với ánh sáng mặt trời, đồng… Đường saccharose Được dùng để hiệu chỉnh hàm lượng chất khô và vị ngọt cho sản phẩm. Trong công nghiệp thực phẩm thường dùng loại đường RE có hàm lượng saccharose tối thiểu 99,8%; hàm lượng tro tối đa 0,03%; độ ẩm 0,05%. - Tính chất vật lý: + Có dạng tinh thể đơn, trong suốt, không màu, nhiệt độ nóng chảy khoảng 186 – 1880C + Là chất dễ tan trong nước, độ hoà tan tăng theo nhiệt độ - Tính chất hoá học: + Bị thuỷ phân do tác dụng của acid hoặc xúc tác của enzyme invertase, tạo sản phẩm thuỷ phân là đường glucose và fructose + Khi đun nóng ở nhiệt độ cao 160 – 1800C thì xảy ra phản ứng caramel hoá tạo hợp chất màu vàng nâu. Ngày nay, trong sản xuất kem, nhóm nguyên liệu đường trở nên đa dạng hơn với đường nghịch đảo, glucose và siro glucose-fructose. Hiện nay ở Mỹ và một số nước châu Âu, người ta còn sử dụng các chất tạo ngọt nghèo năng lượng trong sản xuất kem để phục vụ cho nhóm người tiêu dùng bị bệnh tiểu đường và bệnh béo phì. Một số chất tạo ngọt được sử dụng phổ biến trong sản xuất kem là sorbitol, aspartame, polydextrose… Nước công nghệ: Chỉ tiêu chất lượng nước cho chế biến kem: + Không màu, không mùi, không vị + Hàm lượng chất khô : <500 mg/l + Hàm lượng Ca và Mg : <100 mg/l + Sắt : <0,1 mg/l + Mangan : <0,05 mg/l + Đồng : 0 + Nhôm :<0,1 mg/l + Kẽm : 0 + Bicarbonate :<80 mg/l + pH : 7 – 8,5 Các chất ổn định và nhũ hoá Chất ổn định: trong sản xuất kem, chất ổn định là những hợp chất ưa nước. Nhờ vậy, trong quá trình lạnh đông hỗn hợp nguyên liệu sản xuất kem, các tinh thể đá xuất hiện với kích thước nhỏ, kem trở nên đồng nhất hơn. Chất ổn định thường được sử dụng trong sản trong sản xuất kem là carageenan, guar gum và gelatin. Chất nhũ hoá: có tác dụng ổn định hệ nhũ tương của hỗn hợp kem nguyên liệu. Các chất nhũ hoá rẻ tiền được sử dụng trong sản xuất kem là mono hoặc diglyceride, các ester của sorbitol hoặc của các phân tử đường. Màu Được sử dụng nhằm tăng giá trị cảm quan cho sản phẩm. Tỷ lệ sử dụng 0,1g/kg kem thành phẩm. Hương liệu Được sử dụng nhằm tăng giá trị cảm quan cho sản phẩm, đa dạng hoá sản phẩm. Tỷ lệ sử dụng 3ml/kg kem thành phẩm (3g/kg). 2.2. Sơ đồ khối QTCN: Nguyên liệu chính:Sữa bột, sữa tươi, cream, đường Chuẩn bị Chuẩn bị Phối trộn Nguyên liệu phụ:Chất nhũ hoá, chất ổn định. Thanh trùng Đồng hoá Ủ chín Lạnh đông sơ bộï Rót hộp Xếp vào thùng Lạnh đông kết thúc Hộp Thùng Kem hộp Đổ khuôn Đặt que vào khuôn kem Lạnh đông (giai đoạn trung gian) Lạnh đông kết thúc Que Tháo khuôn Xếp vào thùng Bao gói Bao bì Thùng Kem que 2.3. Giải thích QTCN: Chuẩn bị nguyên liệu: Các nguyên liệu sẽ được định lượng theo đúng công thức phối trộn cho mỗi loại kem sản xuất. Nguyên liệu khô như bột sữa nguyên, bột sữa gầy, chất ổn định… sẽ được đem cân. Ngược lại, nguyên liệu dạng lỏng như sữa tươi, một số chất màu, chất tạo nhũ… có thể đem cân hoặc đo thể tích để xác định hàm lựơng sử dụng. Riêng các chất béo như cream, bơ phải được gia nhiệt lên 35-500C để dễ phối trộn và dễ bơm chúng trong các thiết bị đường ống dẫn nguyên liệu của phân xưởng sản xuất. Phối trộn: Mục đích: trộn các nguyên liệu thành hỗn hợp đồng nhất Thiết bị: bồn trộn, bồn chứa, thiết bị truyền nhiệt bản mỏng Tiến hành: sữa tươi được bơm qua thiết bị gia nhiệt vào bồn trộn. Khi nhiệt độ đạt 450C thì cho chất ổn định và nhũ hoá vào, khi đã tan thì cho tiếp sữa bột vào trộn. Khi nhiệt độ tăng đến 600C thì cho đường RE, cream vào. Sữa được bơm tuần hoàn trong khi trộn. Sau khi trộn hết nguyên liệu, tiếp tục bơm tuần hoàn 20 phút rồi bơm hết sữa về bồn chứa. Đồng hoá: Mục đích: Làm giảm kích thước các hạt cầu béo và phân đều chúng trong hỗn hợp, chuẩn bị cho quá trình thanh trùng. Thiết bị: Thiết bị đồng hoá 2 cấp. Thực hiện: hỗn hợp nguyên liệu từ thiết bị trộn vào thiết bị gia nhiệt bản mỏng để gia nhiệt sơ bộ, nhiệt độ vào là 600C, nhiệt độ ra là 700C. Sau đó, hỗn hợp được đưa vào thiết bị đồng hoá với áp lực đồng hoá giai đoạn đầu là 200bar, áp lực giai đoạn sau là 40bar. Thanh trùng: Mục đích: nhằm tiêu diệt hoặc ức chế hệ VSV và enzyme trong nguyên liệu. Thiết bị: Thiết bị thanh trùng bản mỏng. Thực hiện: hỗn hợp nguyên liệu từ thiết bị đồng hoá được quay trở về thiết bị trao đổi nhiệt để thanh trùng và làm nguội. Nhiệt độ thanh trùng là 850C, thời gian lưu nhiệt là 40 giây. Ủ chín: Mục đích : chuẩn bị cho quá trình lạnh đông tiếp theo, để kem thu được sau quá trình lạnh đông có cấu trúc mịn và đồng nhất nhờ các biến đổi quan trọng: Các chất ổn định protein sẽ được hydrate hoá hoàn toàn. Một phần chất béo sẽ kết tinh. Một số phân tử protein sẽ hấp phụ lên bề mặt tiếp xúc giữa các hạt béo và pha liên tục trong hỗn hợp. Thiết bị: Thiết bị ủ chín có hình trụ đứng, được chế tạo bằng thép không rỉ, bên ngoài là lớp vỏ áo để làm lạnh và một lớp cách nhiệt để hạn chế sự tổn thất năng luợng trong quá trình sử dụng. Bên trong thiết bị có cánh khuấy và hoạt động liên tục với tốc độ chậm trong suốt giai đoạn ủ chín. Thực hiện: Hỗn hợp nguyên liệu được làm lạnh về 2-40C, đưa vào thiết bị ủ chín và ủ ở nhiệt độ 2-40C, thời gian ủ là 5 giờ. Lạnh đông sơ bộ: Mục đích: Thổi 1 lượng không khí vào hỗn hợp nguyên liệu để làm tăng thể tích của chúng. Lạnh đông một phần nước trong hỗn hợp tạo các tinh thể đá với kích thước thật nhỏ và đồng nhất, đồng thời phân bố đều các tinh thể đá này trong hỗn hợp. Thiết bị: Phần chính của thiết bị lạnh đông là 2 ống hình trụ nằm ngang, một lớn, một nhỏ, đồng trục và được đặt lồng vào nhau. Mặt ngoài thân ống trụ lớn là một lớp vỏ áo chứa tác nhân lạnh và lớp cách nhiệt. Tại vị trí trục hình trụ là trục khuấy với các thanh khuấy có gắn dao cạo. Chúng có chức năng cạo sạch phần hỗn hợp nguyên liệu bị đóng dính trên bề mặt trong của ống hình trụ lớn. Thân ống hình trụ nhỏ được đục lỗ có chức năng giúp cho hỗn hợp nguyên liệu bị đạt được trạng thái xốp và đồng nhất Thực hiện: hỗn hợp nguyên liệu sau quá trình ủ chín có nhiệt độ 0-40C được bơm vào thiết bị lạnh đông. Tại cửa vào, hỗn hợp sẽ được phối trộn với không khí vô trùng sao cho thể tích hỗn hợp nguyên liệu tăng 100%(overrun = 100%, không khí này được xử lí qua hệ thống lọc nhằm loại bỏ các tạp chất như bụi, VSV…). Quá trình lạnh đông sơ bộ diễn ra rất nhanh. Hỗn hợp nguyên liệu sau khi được phối trộn với không khí sẽ đi vào khoảng không gian trống giữa 2 thân trụ. Nhiệt độ hỗn hợp được hiệu chỉnh về (-20C) – (-70C) nhờ tác nhân lạnh trong vỏ áo thiết bị. Cánh khuấy sẽ chuyển động liên tục nhờ một motor đặt ở ngoài. Các dao gắn trên thanh khuấy sẽ cạo liên tục phần nguyên liệu đóng dính trong thiết bị. Tiếp theo là quá trình tạo hình tuỳ theo dạng sản phẩm kem que hay kem hộp. Sản xuất kem que: Kem bán thành phẩm với nhiệt độ từ (-20C) – (-40C) được đem đi đổ khuôn. Các khuôn chứa kem được đặt trên một băng tải. Tiếp theo, băng tải sẽ đưa các khuôn kem vào bồn chứa tác nhân lạnh có nhiệt độ -400C để thực hiện tiếp quá trình lạnh đông làm tăng độ cứng cho sản phẩm. Trong giai đoạn này, các que kem được cho vào khuôn. Thời gian lưu của kem trong bồn lạnh đông từ 3-8 phút. Sau đó băng tải đưa các khuôn chứa kem đến bồn chứa nước ấm (300C) để làm chảy lớp kem ngoài cùng trong khuôn để tách kem ra khỏi khuôn dễ dàng. Sau đó bao gói sản phẩm và xếp vào thùng. Sản xuất kem hộp: Kem bán thành phẩm được định lượng theo phương pháp thể tích cho vào hộp chứa. Tiếp theo các hộp kem được đóng nắp rồi được băng tải với tốc độ 3-8m/s đưa vào thiết bị lạnh đông kết thúc. Không khí trong thiết bị có nhiệt độ -400C. Thời gian lạnh đông cho sản phẩm từ 45phút đến 5 giờ. Sau đó các hộp kem qua thiết bị đóng thùng carton và chuẩn bị cho bảo quản. 2.3.8 Bảo quản lạnh: toàn bộ kem que và kem hộp đã đóng thùng được cho vào phòng bảo quản lạnh có nhiệt độ -300C. Phần 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT Chọn năng suất thiết kế theo sản phẩm : 60 000 lít kem/ngày. Chọn thành phần nguyên liệu và sản phẩm Chọn thành phần nguyên liệu Sữa tươi: Hàm lượng chất khô không béo MSNF = 8.7% Hàm lượng chất béo F = 3,5% Sữa bột gầy: Hàm lượng chất khô không béo MSNF = 97% Hàm lượng chất béo F = 1%. Hàm lượng ẩm = 2% Cream : Hàm lượng chất béo F = 30%. Hàm lượng chất khô không béo MSNF = 6,3% Đường RE: Hàm lượng saccharose = 99,8% Chất nhũ hóa E471: Độ ẩm 3% Tỷ lệ sử dụng 0,3% khối lượng kem thành phẩm Chất ổn định E407, E410, E412: Độ ẩm 3% Tỷ lệ sử dụng 0,4% khối lượng kem thành phẩm Bột màu : Tỷ lệ sử dụng 0,1g/kg kem thành phẩm Hương liệu: Tỷ lệ sử dụng 3ml/kg kem (3g/kg) Chọn thành phần sản phẩm Chọn thành phần của sản phẩm(cũng là thành phần của hỗn hợp nguyên liệu)gồm : 12% béo, 11% MSNF, 15% đường, 0.4% chất ổn định, 0.4% chất nhũ hoá. Ước lượng tổn thất qua từng công đoạn: Bảng 3.1:Tổn thất trong sản xuất kem Quá trình Tổn thất(% so với lượng nguyên liệu trước mỗi quá trình) Quá trình phối trộn (gồm tổn thất trong thiết bị và đường ống) 1.5 Quá trình đồng hoá (gồm tổn thất trong thiết bị và đường ống) 0.5 Quá trình thanh trùng (gồm tổn thất trong thiết bị và đường ống) 0.5 Quá trình ủ chín (gồm tổn thất trong thiết bị và đường ống) 0.5 Quá trình lạnh đông sơ bộ 1.0 Quá trình rót hộp/đổ khuôn 1.5 Bảng 3.2: Tiêu hao các nguyên liệu khác : Quá trình Nguyên liệu phụ Đơn vị đo Liều lượng Gắn que Que kem % số que 102 Gắn bao bì cho kem que Bao bì plastic % số bao bì plastic 104 3.3. Tính cho 100 kg hỗn hợp nguyên liệu: Hỗn hợp nguyên liệu gồm : 12% béo, 11% MSNF, 15% đường, 0.4% chất ổn định, 0.4% chất nhũ hoá. Tỉ trọng của hỗn hợp nguyên liệu d = 1.0953 (kg/l hỗn hợp) Tính lượng nguyên liệu cần dùng: Lượng đường: 15% * 100 = 15 (kg). Chất ổn định: 0.4% * 100 = 0.4 (kg). Chất nhũ hoá: 0.4% * 100 = 0.4 (kg). Lượng cream: x (kg). Lượng sữa tươi: y (kg). Lượng bột sữa gầy: z (kg). Phương trình khối lượng của hỗn hợp: x + y + z = 100 – (15 + 0.4 + 0.4) (1). Cân bằng lượng MSNF (từ 3 nguồn : sữa tươi, bột sữa gầy, cream). 6.3%x + 8.7%y + 97%z =11% * 100 (2). Cân bằng lượng béo (từ 3 nguồn : sữa tươi, cream, bột sữa gầy) : 30%x + 3.5%y + 1%z = 12% * 100 (3). Từ 3pt trên ta có : x = 34.6 kg, y = 44.6 kg, z = 5 kg. Tính lượng khí cần cho phối trộn 100kg hỗn hợp nguyên liệu : Giả sử thể tích hỗn hợp nguyên liệu sau khi phối trộn với không khí tăng thêm 100% so với hỗn hợp trước khi nạp khí : Vkk = 100% Vhh đầu Tính lượng kem tạo ra từ 100kg hỗn hợp nguyên liệu : Lượng hỗn hợp sau quá trình phối trộn : 100*(100 – 1.5)/100 = 98.5(kg). Lượng hỗn hợp sau quá trình đồng hoá : 98.5*(100 – 0.5)/100 = 97.5 (kg). Lượng hỗn hợp sau quá trình thanh trùng : 97.5 *(100– 0.5)/100 = 97 (kg). Lượng hỗn hợp sau quá trình ủ chín : 97*(100 – 0.5)/100 = 96.5 (kg). Thể tích hỗn hợp sau khi phối trộn với không khí(dhh = 1.0953kg/l, Vkk = 100%Vhh đầu ) : 200% * 96.5/1.0953 = 176.2 (l). Thể tích hỗn hợp sau quá trình lạnh đông sơ bộ : 176.2 * (1 – 0.01) =