Đồ án Thiết kế thiết bị cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị - Thiết kế thiết bị cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 1 LỜI MỞ ĐẦU ¾¾W™X Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ, ngành công nghiệp nước ta đang phải đối đầu với những thách thức to lớn. Việc đào tạo nguồn nhân lực trẻ có đức có tài ngày càng trở thành một vấn đề hết sức quan trọng và không thể thiếu. Để trở thành một người kỹ sư, việc giải các bài toán công nghệ hay việc thực hiện công tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây chuyền công nghệ là một việc rất cần thiết và tất yếu. Ý thức được tầm quan trọng và vai trò của mình trong tương lai, em đã vận dụng những kiến thức mà mình đã được học trong suốt 3 học kỳ vừa qua vào việc hoàn thành đồ án thiết kế này. Nhiệm vụ cơ bản của đồ án này là thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh hay phương pháp kết tinh dung môi với năng suất đã cho (5000 tấn/năm). Đồ án này bao gồm các phần chính như sau : ¾ Giới thiệu tổng quan về nguyên liệu và quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm nước cam cô đặc. ¾ Tính toán cân bằng vật chất cho quy trình cô đặc. ¾ Tính toán cân bằng năng lượng cho quy trình cô đặc. ¾ Tính toán thiết kế thiết bị chính. ¾ Tính chọn thiết bị phụ. ¾ Tính giá thành sản phẩm. ¾ Đánh giá hiệu quả hoạt động, ưu - nhược điểm của thiết bị và phương pháp công nghệ từ đó đề xuất những giải pháp nhằm khắc phục và cải tiến phương pháp. Đây cũng là những bước đi đầu tiên để thực hiện một công việc hết sức mới mẻ nên có thể có rất nhiều sai sót. Nhưng sự xem xét và đánh giá khách quan của các thầy cô sẽ là nguồn động viên và khích lệ đối với em để những lần thiết kế sau được thực hiện tốt đẹp hơn, hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô bộ môn Máy & Thiết bị đã trang bị cho em những kiến thức nền tảng làm cơ sở cho em thực hiện đồ án này. Em cũng xin rất cảm ơn thầy Phạm Văn Bôn đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em trong suốt quá trình thiết kế. Phần sau đây là nội dung chi tiết của bản đồ án, kính mong được sự xem xét, chỉ dạy và hướng dẫn của các thầy cô. Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị - Thiết kế thiết bị cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 2 PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ CAM VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NƯỚC CAM CÔ ĐẶC I. TỔNG QUAN VỀ CAM I.1. Nguồn gốc Cây cam đã được biết đến từ rất lâu khoảng 2200 năm trước công nguyên ở Trung Quốc nhưng một số người lại cho rằng cây cam có nguồn gốc từ dãy Himalayas (Ấn Độ). Cam được trồng rất phổ biến ở Ấn Độ, sau đó lan rộng về phía đông, và đến cả vùng Đông Nam Á. Vào khoảng thế kỉ thứ 3 trước công nguyên, cây cam được đưa đến Châu Âu và nó lan ra tới cả vùng Địa Trung Hải. Sau đó, cây cam được Columbus mang đến Châu Mỹ. Những năm sau đó, những người làm vườn ở Châu Mỹ và Châu Âu đã đem cây cam đến Châu Úc và Châu Phi. Ngày nay cây cam được trồng rất phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới. I.2. Phân loại Có nhiều cách phân loại cam khác nhau, tùy thuộc vào từng quốc gia và địa phương. Trong thương mại, cam được chia thành 2 loại: Cam ngọt (sweet orange) và cam chua (sour orange). Trong đó, cam chua thường dùng trong sản xuất mứt cam. Một số loại cam ngọt thường gặp: ¾ Cam tròn Cam tròn phổ biền nhất là loại Valencia, có nguồn gốc từ đảo Azores và Bồ Đào Nha. Giống cam này có khả năng thích ứng trong những vùng nội địa, nơi có sự chênh lệch sâu sắc giữa ngày và đêm và làm hoạt hóa hệ sắc tố của vỏ tạo cho nó màu sắc hấp dẫn. Quả có cỡ nhỏ tới trung bình thích hợp cho sản xuất công nghiệp. Vỏ mỏng, da cam nhẵn, màu cam sáng. Quả có mùi vị đặc sắc ngay khi còn tươi hay sau khi đã được chế biến nước ép. Khi quả chín trên cây, nó chuyển sang màu cam sáng nhưng khi nhiệt độ nóng lên làm cho da hấp thụ lại chlorophyl từ lá nên cam chín có màu xanh nhạt. Loại cam này chủ yếu dùng làm nước quả với chất lượng nước ép tốt nhất do chứa nhiều dịch quả có màu sậm và bền, ít hạt nên không tạo vị đắng. Valencia cũng có thể dùng ăn tươi. ¾ Cam navel Trước năm1835, Cam navel được trồng nhiều ở Florida nhưng bị phá huỷ trong chiến tranh thế giới thứ nhất. Giống cam này cũng được trồng nhiều ở Brazil, Trung Quốc ... Cam navel có quả to hơn giống Valencia và các loại cam ngọt khác. Quả có màu vàng đậm sáng cho tới cam, da hồ đào dày và dễ lột vỏ, không hạt. Quả cho chất lượng tốt khi đạt độ chắc và khối lượng Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị - Thiết kế thiết bị cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 3 nhất định, cho nhiều nước quả. Thời tiết lạnh làm màu quả càng vàng sáng vì thế quả có thể chín và vẫn còn màu xanh nhạt trên da. Giống cam này ít được dùng trong chế biến nước quả vì trong quá trình chế biến dễ phát sinh vị đắng. ¾ Cam Blood ( Cam đỏ ) Đây là loại quả được xem là ngon và hấp dẫn nhất trong các loại quả có múi được tìm thấy đầu tiên ở Địa Trung Hải. Quả cỡ trung bình với vỏ mỏng có ít hoặc không hạt. Có màu đỏ sậm sáng đẹp. Nhược điểm lớn nhất là hàm lượng anthocyanin tạo màu đỏ đậm có khuynh hướng bị nhạt trong quá trình chế biến và bảo quản. Anthocyanin còn là chất chống oxy hóa mạnh tạo nhiều gốc tự do gây ung thư, lão hóa, bệnh nhẹ… Loại cam này thường được dùng để ăn tươi, ăn kèm salad, dùng rôti hoặc nướng thịt. ¾ Cam ngọt (acidless orange) Loại này được trồng chủ yếu ở Địa Trung Hải. Do nước quả có độ ngọt quá cao và hàm lượng acid thấp không đủ khả năng ức chế vi sinh vật nên loại cam này không thích hợp cho sản xuất nước ép. Hình 1 – Các loại cam phổ biến trong thương mại Ở Việt Nam, cam được chia làm 3 loại : cam chanh, cam sành và cam đắng. Một số giống cam phổ biến ở nước ta như cam Xã Đoài ( Nghệ An ), cam Động Đình, cam đường,… ¾ Cam Xã Đoài ( Nghệ An ) : Cây tương đối cao, ít cành lá (cành quả), trồng ở Xã Đoài, xã Nghi Diên, huyện Nghi Lộc, tỉnh Nghệ An. Quả ngon, thơm có vỏ mỏng và bóng, vị ngọt đậm, ít xơ . Dùng chủ yếu trong sản xuất nước cam và mứt cam. ¾ Cam đường : Quả trung bình 100g, vỏ mỏng, màu vàng đỏ hay đỏ sẫm, dễ bóc, múi dễ chia. Có ba loại chính là Cam giấy với các giống Cam Canh (Hà Nội), Cam Đồng dụ (Hải Phòng), Cam Ngọc cục và Cam Hành Thiện (Nam Hà); Cam Bù, Cam Chua ở Hương Sơn (Hà Tĩnh); Cam voi ở Tuyên Hoá (Quảng Bình). ¾ Cam sành : quả có vỏ sần sùi và mịn; vỏ dày, khi chín có màu vàng hay đỏ sẫm, tuy dày nhưng dễ bóc, ruột đỏ, hạt có màu nâu lục, vị ngọt, hơi chua, hương vị ngon như quýt Ôn Chân (Nhật Bản). Thích hợp làm đồ hộp quả nước đường. Giống phổ biến là cam Bố Hạ, trồng ở bãi phù sa Hà Bắc trên đất thoát nước; quả dẹt, nặng trung bình 200-250g, màu vàng đỏ đẹp chín vào tháng 11-12-1 năm sau, dịp Tết Nguyên đán. Cam sành còn có tên là Citrus nobilis Lour. Quýt trước đây cũng được xem là một thứ trong Cam sành. I.3. Cấu tạo của quả cam Acidless orange Valencia Orange Navel orange Blood orange Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị - Thiết kế thiết bị cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 4 Cấu tạo của quả cam gồm có những phần sau : ¾ Lớp vỏ ngoài (flavedo) : có màu cam hoặc màu xanh tùy theo giống. Lớp vỏ ngoài có chứa rất nhiều các túi tinh dầu. ¾ Lớp cùi trắng (albedo) : có chứa pectin và cellulose. ¾ Múi cam : bên trong có chứa những tép cam, trong có chứa dịch bào. ¾ Hạt cam : chứa mầm cây. ¾ Lõi : là phần nằm ở trung tâm của quả cam, thành phần tương tự lớp cùi trắng. I.4. Thành phần hóa học của cam Thành phần hóa học của cam được trình bày trong bảng 2. Bảng 1 – Thành phần dinh dưỡng của cam tươi (tính trên 100g), ([13],tr245) Thành phần Hàm lượng Đơn vị Múi Vỏ Thành phần chính Nước 88,06 75,95 % Protein 0.9 - % Tinh dầu vết 2,4 % Sacharose Glucose Frutose 3.59 1.25 1.45 1,22 3,49 3,24 % Acid hữu cơ 1,41 0,22 % Cellulose 0,47 3,49 % Pectin 1,41 0,22 % M uối khoáng Ca 34 - mg% P 23 - mg% Fe 0.4 - mg% V itam ine A 0.09 - mg% β-Carotene 0.4 0,09 mg% B1 0.04 0,02 mg% B2 0.06 - mg% PP 0.75 1,27 mg% C 65 170 mg% Bảng 2 – Đặc điểm kỹ thuật của cam, quýt, chanh Việt Nam ([13],244) Chỉ tiêu Cam sành (Bố Hạ) Cam chanh (Xã Đoài) Quýt (Lí Nhân) Chanh (Hoà Bình) Khối lượng quả, g 260 240 40 64 Đường kính quả, mm 88 80 45 5,1 Hàm lượng chất khô, % 11,5 11,5 10 7,0 Độ acid - - 0,75 - Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị - Thiết kế thiết bị cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 5 pH 3,2 3,2 - 3,8 - 2,5 - 2,6 I.5. Thu hoạch và bảo quản Ở nước ta, cam được trồng rộng rãi trên khắp cả nước. Cây ra hoa quanh năm, thường có hoa vào tháng 1-2, có quả vào tháng 11-12. Cam cũng như các loại quả có múi khác thường được thu hái khi mới bắt đầu chín. Có thể dùng kéo cắt cuống sát mặt quả. Sau khi thu hái nên để quả ở điều kiện bình thường trong 12-14 giờ để ổn định hô hấp. Trong thời gian đó, tiến hành lựa chọn theo độ chín, kích thước, loại bỏ những quả bầm giập, sây sát. Trong trường hợp quả nhiễm bẩn nhiều thì phải rửa rồi để khô ráo. Để chống nhiễm trùng có thể bôi vôi vào cuống. Để bảo quản cam trong thời gian dài, người ta thường sử dụng một số phương pháp như: bảo quản trong cát, bằng hóa chất, nhiệt độ thấp,… II. GIỚI THIỆU QUY TRÌNH SẢN XUẤT NƯỚC CAM CÔ ĐẶC II.1. Giới thiệu công nghệ cô đặc nước ép trái cây nói chung Như đã biết, kỹ thuật cô đặc đã ra đờiù từ rất lâu và được ứng dụng rất phổ biến trong công nghệ hoá chất đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất thực phẩm. Nhất là trong thời buổi hiện nay, thời kỳ phát triển của nền công nghiệp hiện đại, cuộc sống con người luôn bận rộn và tất bật, việc đảm bảo nhu cầu về bữa ăn hằng ngày luôn là gặp phải những vấn đề khó khăn do tốn khá nhiều thời gian và công sức. Sự có mặt của ngành công nghiệp thực phẩm đang đóng một vai trò rất lớn trong việc sản xuất các mặt hàng chế biến sẵn vừa đảm bảo rút ngắn thời gian nấu nấu nướng vừa kéo dài thời gian bảo quản mà vẫn đảm bảo các giá trị dinh dưỡng và an toàn thực phẩm. Sự cô đặc các thực phẩm dạng lỏng như trà, cà phê, nước trái cây, rượu … là một trong những phương pháp bảo vệ tốt nhất những đặc tính vốn có của chúng, bảo quả lâu, giảm chi phí bảo quản và vận chuyển. Sau khi phục hồi lượng nước mất đi sau quá trình cô đặc, sản phẩm thực tế gần như ở dạng ban đầu. Việc cô đặc có thể được thực hiện với nhiều phương pháp khác nhau như : phương pháp nhiệt (bốc hơi dung môi) có hay không thu hồi dung môi bay hơi hoặc phương pháp lạnh (kết tinh dung môi dạng rắn) và thẩm thấu nghịch. Mỗi phương pháp đều có những đặc trưng riêng trong việc giải quyết các bài toán công nghệ. Tuy vậy có thể nói, phương pháp cô đặc lạnh là một giải pháp rất thích hợp cho việc cô đặc những dung dịch mà thành phần của chúng dễ bị biến đổi bởi tác dụng của nhiệt độ. Đó là những dung dịch nước ép trái cây giàu sinh tố, trà, rượu … Bảng 3 - So sánh hàm lượng còn lại của một số chất thơm trong sản phẩm cô đặc bằng hai phương pháp theo Grenco ([7],bảng 11-1,trang 222) Chất thơm Nước ép ban đầu (130Bx) Tỉ lệ hàm lượng còn lại sau khi cô đặc (%) Bằng kết tinh (đến 45-500Bx) Bằng bốc hơi có gia nhiệt (đến 600Bx) Tổng hàm lượng 100 91.4 0.05 Axetaldehyt 100 37.5 0.05 Axetat etyl 100 30 0.05 Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị - Thiết kế thiết bị cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 6 Ethanol 100 64 0.05 Butylat etyl 100 94 0.05 limonen 100 100 0.05 Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị - Thiết kế thiết bị cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 7 II.2. Sơ đồ quy trình công nghệ Hình 2 – Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất nước cam cô đặc II.2. Thuyết minh ™ Chọn lựa phân loại Nguyên liệu cam được lựa chọn nhằm loại trừ những quả không đạt tiêu chuẩn như sâu bệnh, men mốc, thối hỏng… cho chế biến nước cam cô đặc. Sau khi chọn lựa chọn, ta tiến hành phân loại nhằm phân chia thành nguyên liệu đồng đều về kích thước, hình dáng, màu sắc và độ chín… ™ Rửa Rửa có thể tiến hành trước hoặc sau khi phân loại nhằm loại trừ tạp chất cơ học như đất, cát bụi và làm giảm lượng vi sinh vật ở ngoài vỏ nguyên liệu. Yêu cầu cơ bản của quá trình rửa là Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị - Thiết kế thiết bị cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 8 sau khi rửa sạch không bị dập nát, các chất dinh dưỡng không bị tổn thất, thời gian rửa ngắn và ít tốn nước. Nước rửa cũng như nước dùng trong công nghệ chế biến (chần, nấu, pha chế…) phải là nước ăn, đảm bảo chỉ tiêu Vệ sinh dịch tễ (Bộ Y tế) quy định. Nước rửa được sử dụng ở đây có thể tận dụng từ lượng nước sau khi rửa tinh thể nước đá cuối quá trình cô đặc. ™ Ép Nguyên lý : ép là phương pháp chủ yếu để tách dịch bào ra khỏi nguyên liệu. Trong quá trình ép thì hiệu suất ép là chỉ tiêu quan trọng nhất. Hiệu suất ép phụ thuộc vào nhiều yếu tố : phẩm chất nguyên liệu, phương pháp sơ chế, cấu tạo, chiều dày, độ chắc của lớp nguyên liệu ép và áp suất ép. Dịch bào chứa trong không bào bị bao bọc bới chất nguyên sinh. Chất nguyên sinh của quả có tính bán thấm, ngăn cản sự tiết dịch bào. Vì vậy, muốn năng cao hiệu suất ép phải làm giảm tính bán thấm của chất nguyên sinh bằng cách làm biến tính chất nguyên sinh hay làm chết tế bào. Thông thường người ta sử dụng các phương pháp như sau : đun nóng, sử dụng nấm men chứa hỗn hợp pectinase, protease hoặc dùng dòng điện… Thiết bị ép : sử dụng thiết bị ép liên tục của hãng FMC Food Technology Hình 3 – Máy ép cam của hãng FMC Food Tech Cấu tạo của máy Máy có từ 3 đến 8 cặp chén ép (tùy năng suất của máy). Vd: máy có 5 cặp chén ép có thể ép 350 – 500 trái/ phút). Chén dưới cố định, chén trên có thể chuyển động lên xuống. Ở giữa chén trên và dưới có lỗ tròn, cạnh sắc để tạo nên lỗ cắt đường kính 1 inch ở phần giữa trái cam. Dịch quả ở bên trong sẽ thoát ra ngoài qua lỗ này trong quá trình ép. ƒ Ống lọc thô (Prefinisher tube): tách các phần thịt quả có kích thước lớn ra khỏi dịch quả. ƒ Ống góp (Juice manifold): thu nhận dịch quả. ƒ Piston (Orifice tube): tạo áp suất bên trong ống lọc để đẩy dịch quả ra ngoài, đầu ống có thể đóng mở được có tác dụng thu nhận và thải bỏ các phần tử lớn còn ở bên trong ống lọc. Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị - Thiết kế thiết bị cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 9 Nguyên lý hoạt động ƒ Giai đoạn cắt : chén phía trên di chuyển xuống, tạo một lực nén cắt hai đầu của quả cam. ƒ Giai đoạn ép : phần trục của chén trên tiếp tục di chuyển xuống phía dưới, áp lực tăng, đẩy phần dịch quả ở bên trong quả ra, đi vào ống lọc thô. Phần vỏ thoát ra khỏi chén thông qua khe hở giữa dao cắt và khung của chén trên. ƒ Giai đoạn kết thúc : orifice tube chuyển động lên phía trên tạo một áp lực bên trong ống lọc thô, dịch quả và phần thịt quả sẽ được ép ra ngoài. ™ LoÏc thô Sau khi ép, phần dịch quả và thịt quả có kích thước nhỏ hơn các lỗ lọc trên ống lọc thô sẽ được đẩy ra và chảy vào ống góp ở phía dưới. Nước quả sẽ được dẫn qua thiết bị kế tiếp. Phần bã còn nằm ở bên trong ống lọc sẽ được hút ra ngoài thông qua một lỗ (đóng mở được) ở orifice tube. Phần lõi và vỏ quả có chứa nhiều tinh dầu cam. Trong quá trình ép và thoát ra ngoài chén ép, phần vỏ quả bị tổn thương, các tinh dầu sẽ tập trung trên bề mặt vỏ. Ở gần cuối máy có một bộ phận phun nước có tác dụng rửa trôi các tinh dầu, tạo thành hệ nhũ tương và chảy ra ngoài. Phần nhũ tương này sẽ đi qua thiết bị lọc để tách cặn, sau đó sẽ được li tâm để tách dầu ra khỏi nước. Phần dầu sẽ tiếp tục được tinh chế còn phần nước sẽ được tiếp tục sử dụng làm nước rửa tinh dầu. ™ Gia nhiệt Tiến hành gia nhiệt dịch ép bằng thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm hay ống lồng ống. Mục đích của quá trình gia nhiệt là làm kết tủa các thành phần không tan trong dịch quả làm ảnh hưởng đến tính chất cảm quan của sản phẩm. Các thành phần này bao gồm protid, chất đắng… Nhiệt độ có thể làm protid bị biến tính và tạo tủa. Kết tủa sẽ được lắng xuống đáy bồn và kéo theo các hợp chất gây vị đắng. Quá trình này góp phần làm cho dung dịch có độ đồng nhất cao và trong hơn. Có thể bổ sung chất trợ lắng để tăng hiệu quả của quá trình. Lưu ý cần gia nhiệt thật nhanh ớ nhiệt độ 70-75oC từ 5-10 phút để tránh tổn thất chất khô. ™ Ly tâm Quá trình ly tâm nhằm mục đích tách bã và các chất chất keo đã kết tủa sau quá trình gia nhiệt làm cho dịch quả đem cô đặc có độ đồng nhất cao và loại bỏ những ảnh hưởng xấu của sản phẩm cô đặc sau này. ™ Cô đặc Nguyên tắc : khi giảm nhiệt độ của dung dịch nước cam chưa bão hoà xuống dưới nhiệt độ đóng băng của nó thì dung môi (nước) sẽ đóng băng trước, còn chất hoà tan (đường, acid, cấu tử hương…) vẫn còn ở dạng dung dịch. Tách pha rắn khỏi pha lỏng bằng cách ly tâm kết hợp với dao cạo nước đá, dịch quả thu được chính là nước cam cô đặc. Nhiệt độ cô đặc được đưa xuống khoảng -10oC ÷ -15oC. Để đảm bảo hiệu suất cô đặc cao ta có thể tiến hành cô đặc nhiều cấp. So với phương pháp bốc hơi thì phương pháp lạnh đông tuy có tổn thất chất hoà tan nhiều hơn nhưng sản phẩm có chất lượng cao, giữ được nhiều chất dinh dưỡng hơn và đặc biệt là những tính chất cảm quan đặc trưng của nước quả mà phương pháp bốc hơi không có được