BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TS Trần Lệ Thu (GVHD) BÁO CÁO ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM (Hệ: Đại học quy) Đề tài: Tính tốn thiết kế hệ thống đồng hóa dịch cà chua cơng suất 1000 kg/h Tên sinh viên Lớp Mã sinh viên Nguyễn Thị Liên 05DHTP3 2005140272 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2017 LỜI MỞ ĐẦU Trong kế hoạch đào tạo sinh viên năm thứ ba, môn học Đồ án Quá trình Thiết bị hội tốt để hệ thống lại kiến thức trình thiết bị cơng nghệ thực phẩm Bên cạnh đó, mơn học hội để sinh viên tiếp cận thực tế thơng qua việc tính tốn, thiết kế lựa chọn thiết bị hệ thống, chi tiết thiết bị với số liệu cụ thể, thơng dụng “Tính tốn thiết kế hệ thống đồng hóa dịch cà chua cơng suất 1000 kg/h” đồ án thực hướng dẫn TS Trần Lệ Thu, môn Quá trình Thiết bị, khoa Cơng nghệ Thực phẩm trường Đại học Cơng nghiệp Thực Phẩm TP Hồ Chí Minh Đồ án đề cập đến vấn đề liên quan đến kiến thức trình đống hóa, quy trình cơng nghệ, tính tốn chi tiết cho thiết bị dự trù thiết bị phụ cần thiết theo yêu cầu Trong trình thưc đề tài này, em hiểu được: việc thiết kế hệ thống thiết bị phục vụ cho nhiệm vụ kỹ thuật yêu cầu thiếu kỹ sư cơng nghệ thực phẩm Do để trở thành người kỹ sư thực thụ, cần phải nắm vững kiến thức mơn học Q trình thiết bị Cơng nghệ Thực phẩm Ngồi ra, việc giải tốn cơng nghệ, hay thực cơng tác thiết kế máy móc, thiết bị dây chuyền công nghệ cần thiết kỹ sư tương lai Em xin chân thành cảm ơn Trần Lệ Thu tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em q trình thực hồn thành đồ án Đây lần em tự thiết kế hệ thống thiết bị nên nhiều sai sót Nhưng xem xét đánh giá khách quan thầy cô nguồn động viên khích lệ em, để lần thiết kế sau thực tốt Xin chân thành cám ơn! SVTH: Nguyễn Thị Liên MỤC LỤC PHẦN TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở lý thuyết của thiết bị 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình 1.3 Các thiết bị mô tả đặc tính của thiết bị 1.4 Các hãng có thiết bị tương ứng 11 1.5 Ứng dụng chế biến thực phẩm 20 PHẦN TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BI .21 2.1 Các thông số ban đầu 21 2.2 Sơ đồ cơng nghệ giải thích cơng nghệ 21 2.3 Tính tốn cho thiết bị 25 2.4 Sơ đồ thiết bị giải thích thiết bị .33 2.5 Sơ đồ bố trí mặt diễn giải .39 2.6 Tài liệu tham khảo .41 KẾT LUẬN .42 PHỤ LỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO (Dạng các bài báo khoa học) 43 PHỤ LỤC BẢN VẼ THIẾT BI CHÍNH (Bản in A3 - Autocad kèm theo tiêu chuẩn vẽ kỹ thuật) 44 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sự thay đổi kích thước hạt rắn theo chiều tăng áp suất .10 Hình 1.2 Máy đồng hóa L5 MA Silverson .11 Hình 1.3 Máy khuấy trộn đồng hóa EX 60 Silverson 12 Hình 1.4 Tetra Pak® Homogenizers 400 12 Hình 1.5 Tetra Pak® Homogenizers 500 13 Hình 1.6 Hd 100 14 Hình 1.7 Máy đồng hóa áp lực cao Model FBF005 15 Hình 1.8 Van đồng hóa hai trạng thái 16 Hình 1.9 Thiết bị VialTweeter 17 Hình 1.10 Thiết bị VialTweeter 17 Hình 1.11 Bộ xử lý siêu âm UIP4000 UIP4000 (4.000 watt, 20kHz) 18 Hình 1.12 Bộ xử lí siêu âm UIP 6000 18 Hình 1.13 Máy nghiền keo (colloid milk) – Jimel Việt Nam 19 Hình 1.14 Đậu phộng sau nghiền keo 19 Hình 1.15 Các thơng số máy nghiền keo 19 Hình 2.1 Sơ đồ cơng nghệ 21 Hình 2.2 Quá trình phân loại 22 Hình 2.3 Sơ đồ thiết bị .34 Hình 2.4 Băng chuyền ống .34 Hình 2.5 Máy rửa băng chuyền 35 Hình 2.6 Máy hấp kiểu trục xoắn 35 Hình 27 Thiết bị xé tơi 36 Hình 2.8 Thiết bị chà .36 Hình 2.9 Thiết bị đặc ba nồi 37 Hình 2.10 Thiết bị rót chai .38 Hình 2.11 Thiết bị xoáy nắp chai tự động thiết bị dán nhãn 38 Hình 2.12 Thiết bị hấp trùng loại thẳng đứng .39 Hình 2.13 Sơ đồ bố trí mặt 40 PHẦN TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở lý thuyết của thiết bị 1.1.1 Khái niệm đồng hóa Trong cơng nghiệp thực phẩm, q trình đồng hóa thực hệ nhũ tương (emulsion) huyền phù (suspension) Đây q trình làm giảm kích thước hạt thuộc pha phân tán phân bố đề chúng pha liên tục để hạn chế tượng tách pha tác dụng trọng lực Những hệ nhũ tương đơn giản gồm có hai thành phần: nước dầu Thuật ngữ “nước” chất lỏng phân cực thuật ngữ “dầu” chất lỏng không phân cực Từ ta có hai dạng nhũ tương bản: - Nước dầu (w/o): nước dạng pha phân tán dầu dạng pha liên tục - Dầu nước (o/w): dầu dạng pha phân tán nước dạng pha liên tục - Ngồi có hệ bọt hỗn hợp nhão, đặc quánh Tuy nhiên, nước dầu hệ nhữ tương thực phẩm khơng tồn dạng tinh khiết mà chứa nhiều hợp chất tan khơng tan khác Ngồi ra, đơi gặp hệ nhũ tương phức tạp Ví dụ hệ nước dầu nước (w/ow) bao gồm hạt nước đường kình nhỏ phân tán hạt dầu có kích thước lớn hạt dầu lại phân tán pha liên tục nước Trong công nghiệp thực phẩm, pha liên tục thường gặp huyền phù pha phân tán số chất hòa tan Q trình đồng hóa sử dụng với mục đích ổn định hệ huyền phù nước đục… công nghệ chế biến rau Đối với trình đồng hóa vật liệu nhão – qnh, mục đích nhằm tạo hỗn hợp đồng pha rắn pha lỏng Ngồi ra, q trình đồng hóa dùng để trộn loại bột làm bánh mì, bánh kẹo cách nhào bột để trộn hay khuấy khối bánh kẹo (kem, váng sữa, trứng…)[1] 1.1.2 Mục đích của q trình đồng hóa - Chuẩn bị: số trường hợp, q trình đồng hóa có mục đích xử lý nguyên liệu để hỗ trợ cho trình sản xuất thực tốt Ví dụ: cơng nghệ sản xuất sữa tiệt trùng, q trình đồng hóa thực trước q trình tiệt trùng Khi đồng hóa, hạt cầu béo xé nhỏ phân bố pha liên tục Biến đổi làm tăng hệ số truyền nhiệt sữa Do q trình tiệt trùng sữa qua đồng hóa diễn tốt Cần lưu ý q trình đồng hóa sản xuất sữa tiệt trùng có nhiều mục đích cơng nghệ khác Một mục đích cơng nghệ chuẩn bị cho q trình tiệt trùng - Bảo quản: Đồng hóa làm tăng độ bền thực phẩm dạng nhũ tương huyền phù Nhờ đó, thời gian bảo quản sản phẩm gia tăng Ví dụ: Trong cơng nghệ sản xuất sản phẩm nhũ tương sữa cô đặc, mayonnaise, sản phẩm huyền phù nước trái dạng đục, puree… q trình đồng hóa có mục đích có mục đích bảo quản - Hồn thiện: đồng hóa làm phân bố hạt thuộc pha phân tán pha liên tục nhũ tương huyền phù Do đó, độ đồng sản phẩm gia tăng, đồng thời cải thiện số tiêu cảm quan trạng thái, vị… Ví dụ: Trong cơng nghệ sản xuất sữa đậu nành, đồng hóa làm cho sản phẩm trở đồng Mục đích cơng nghệ q trình hoàn thiện sản phẩm 1.1.3 Các biến đổi q trình đồng hóa Trong q trình đồng hóa chủ yếu diễn biến đổi vật lý hóa sinh, biến đổi hóa học, hóa sinh sinh học xảy không đáng kể Vật lý: đồng hóa làm giảm kích thước hạt phân tán hệ nhũ tương huyền phù Đây biến đổi quan trọng nhằm hạn chế tượng tách pha q trình bảo quản sản phẩm Kích thước hạt phân tán nhỏ khả bị tách pha huyền phù nhũ tương khó xảy Số lượng hạt vật liệu rắn huyền phù tăng lên, hình dạng độ lớn hạt vật liệu thay đổi làm ảnh hưởng đến tính chất dẻo độ nhớt huyền phù Đối với hệ nhũ tương, sau đồng hóa chất lỏng hệ độ nhớt hệ lớn độ nhớt hệ ban đầu Kết đồng hóa chất lỏng làm cho tiếp xúc lẫn cấu tử tăng lên cấu tử xảy phản ứng hóa học với Việc sử dụng áp lực cao để thực q trình đồng hóa làm tăng nhiệt độ nguyên liệu Kết thực nghiệm cho thấy áp lực sử dụng tăng 40 bar nhiệt độ ngun liệu tăng 1oC Trong cơng nghiệp thực phẩm, giá trị áp lực sử dụng thường dao động khoảng 200 – 300 bar tương đương với khoảng tăng nhiệt độ nguyên liệu trình đồng hóa (5,0 – 7,5) oC Như vậy, mức độ làm tăng nhiệt cho nguyên liệu không lớn Hóa lý:đồng hóa làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc hai pha phân tán liên tục hệ nhũ tương huyền phù Khi giá trị lượng bề mặt sức căng bề mặt hệ phân tán thay đổi Khi có sử dụng chất nhũ hóa, chúng phân bố vị trí bề mặt tiếp xúc pha hệ phân tán, nhờ mà độ bền pha phân tán sản phẩm gia tăng.[1] 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến q trình đồng hóa: - Kích thước hạt phân tán tỉ lệ phần trăm hàm lượng pha phân tán pha liên tục: hạt thuộc pha phân tán có kích thước nhỏ độ ổn định hệ nhũ tương huyền phù cao Nếu pha phân tán chiếm lượng nhỏ so với pha liên tục trình đồng hóa diễn dễ dàng sản phẩm thu có dộ ổn dịnh cao Ngược lại, pha phân tán chiếm tỉ lệ lớn khả tách pha hệ dễ xảy - Thành phần hóa học hệ phân tán: hệ phân tán công nghiệp thực phẩm thường chứa nhiều cấu tử khác Có cấu tử ảnh hưởng đến độ nhớt pha liên tục hay lượng bề mặt sức căng bề mặt hệ đó, chúng ảnh hưởng đến hiệu q trình đồng hóa - Nhiệt độ: tăng nhiệt độ, phân tử chuyển động nhanh hơn, giá trị độ nhớt, sức căng bề mặt lượng bề mặt giảm, việc phá vỡ kích thước hạt pha phân tán diễn dễ dang Đối với hệ nhũ tương, đồng hóa nhiệt độ thấp chất béo trạng thái rắn Khi đó, chất béo trạng thái hạt phân tán việc làm giảm kích thước hạt chúng hiệu Còn chất béo pha liên tục việc phân bố hạt pha dầu trở nên khó khăn Mặt khác, nhiệt độ cao làm xảy số phản ứng không mong muốn thực phẩm phản ứng oxi hóa chất béo, phản ứng thủy phân, caramel hóa, Vì vậy, sản xuất công nghiệp, người ta cần thực trình đồng hóa nhiệt độ thích hợp - Áp suất: sử dụng phương pháp đồng hóa áp lực cao, tăng giá trị áp suất giới hạn định dễ xuất hiện tượng chảy rối tượng xâm thực khí Do kích thước hạt giảm xuống đáng kể hệ phân tán thu có độ ổn định cao Tuy nhiên việc tăng áp lực trình làm tăng chi phí lượng giá thành thiết bị sử dụng - Sử dụng chất ổn định hệ phân tán: nhà sản xuất thực phẩm sủ dụng chất ổn định để hạn chế tượng tách pha kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm nhũ tương huyền phù Tùy theo trường hợp cụ thể mà chất hóa học liều lượng chúng sé thay đổi Trong công nghệ thực phẩm, người ta thường dùng phương pháp khuấy trộn để xử lý sơ hệ phân tán trước chuyển sang đồng hóa phương pháp khác [1] 1.3 Các thiết bị mô tả đặc tính của thiết bị 1.3.1 Phương pháp khuấy trộn Sử dụng cánh khuấy để phân bố hạt phân tán pha liên tục hệ nhũ tương huyền phù phương pháp đồng hóa đơn giản Trong trình khuấy trộn, số hạt phân tán đập vào cánh khuấy bị giảm kích thước, đồng thời vị trí chúng xếp lại pha liên tục nhiên, độ ổn định hệ nhũ tương hệ nhũ tương hay huyền phù sau đồng hóa phương pháp không cao Để khắc phục nhược điểm này, người ta sử dụng biện pháp sau: - Đối với hệ nhũ tương: bổ sung thêm chất nhũ hóa trước khuấy trộn chất nhũ hóa có khả làm giảm sức căng bề mặt hai pha trọng hệ nhũ tương, đồng thời tạo nên màng bảo vệ bọc xung quanh hạt thuộc pha phân tán, làm cho chúng kết hợp với để tạo nên hạt phân tán lớn Những chất nhũ hóa phổ biến cơng nghiệp thực phẩm chất hoạt động bề mặt polymer sinh học lưỡng cực + Chất hoạt động bề mặt: phân tử chúng thường có hai đầu, đầu phân cực ưa nước đầu không phân cực ưa béo Khi phân bố bề mặt tiếp xúc hai pha hệ nhữ tương, đầu phân cực nằm pha nước hướng pha nước, đầu không phân cực nằm pha dầu hướng pha dầu chất hoạt động bề mặt có số cân ưa nước – ưa béo HLBV (Hydrophile – Lipophile) Các chất có số HLBV thấp (3-6) thường dùng để ổn định hệ nhũ tương nước dầu Ngược lại, chất có số HLBV cao (10-18) dùng để làm bền hệ nhũ tương dầu nước chất thướng gặp monoglyceride, ester polyol acid béo, + Polymer sinh học lưỡng cực: chúng thường có hình cầu, hình que hoặc hình cuộn tròn Các chất có hoặt tính bề mặt nên có chức ổn định hệ nhũ tương Các polymer sinh học lưỡng cực thường gặp casein, whey protein tinh bột biến tính - Đối với hệ huyền phù, người ta thường bổ sung chất làm tăng độ nhớt cho pha liên tục trước khuấy trộn Tốc độ lắng hạt phân tán tỉ lệ nghịch với độ nhớt pha liên tục Các chất làm tăng độ nhớt nghiệp thực phẩm Xanthan, số loại Gum, agar, carboxymethylcellulose [1] 1.3.2 Bơm áp lực cao Sử dụng áp lực cao số phương pháp thông dụng cơng nghiệp thực phẩm dùng để đồng hóa hệ nhũ tương lần huyền phù Đối với hệ nhũ tương, kích thước hạt phân tán sau trình xử lý áp suất cao thường 0.1-0.2, số trường hợp, kích thước hạt phân tán nhỏ, xấp xỉ 0.02 Theo nguyên lý hoạt động phương pháp này, hệ phân tán bơm cao áp đưa vào khe hệp dao động từ 15-30, tốc độ chuyển động hạt lên tới 50-200m/s Lúc này, hạt phân tán bị giảm kích thước nguyên lý sau: - Nguyên lý chảy rối (turbulence theory): hệ phân tán bơm qua khe hẹp, dòng chảy rối làm xuất vi lốc xoáy pha lỏng áp lực bơm lớn số lượng vi lốc xốy lớn kích thước chúng nhỏ Các vi lốc xoáy va đập vào hạt pha phân tán làm chúng vỡ Trên sở này, áp lực bơm lớn kích thước hạt phân tán sản phẩm nhỏ độ bền hệ phân tán cao - Nguyên lý xâm thực khí (cavitation theory): hệ phân tán bơm vào khe hẹp kèm theo bong bóng Chúng va đập vào hạt phân tán làm vỡ hạt theo nguyên lý này, đồng hóa xảy hệ ohaan tán rời khỏi khe hẹp, đối áp giữ vai trò quan trọng ảnh hưởng lớn đến kết đồng hóa - Tác động học: rời khỏi khe hẹp, hạt phân tán tiếp tục va đập vào bề mặt cứng Hiện tượng góp phần làm qua trình đồng hóa trở nên hiệu hơn, kích thước hạt nhỏ Sau qua khe hẹp, hạt phân tán bị giảm kích thước phân bố pha liên tục.[1] 1.3.3 Phương pháp dùng sóng siêu âm Phương pháp dùng để đồng hóa hệ nhũ tương lẫn huyền phù Người ta sử dụng sóng siêu âm tần số khoảng 18-30KHz Dưới tác dụng sóng siêu âm, hạt phân tán bị tác động nén kéo xen kẽ liên tục Ngồi ra, tượng xâm thực khí xuất Trong gia đoạn nén, bọt trở nên căng phồng, giai đoạn nén thể tích bọt bị giảm tối thiểu bị vỡ Kích thước pha phân tán sau q trình đồng hóa vào khoảng 1-2.[1] Siêu âm đồng phương pháp hiệu để giảm hạt mềm cứng Khi tiếp xúc với chất lỏng, sóng âm siêu âm cực mạnh lan truyền qua chất lỏng gây chu trình áp suất cao áp suất thấp xen kẽ (khoảng 20000 chu kỳ / giây) Trong chu kỳ áp suất thấp, bong bóng chân khơng có cường độ cao tạo chất lỏng, áp suất lỏng đạt Khi bong bóng đạt đến kích cỡ định, chúng “nổ” cách dội chu kỳ áp suất cao Trong trình “nổ” áp suất cao tạo phản lực chất lỏng Kết hỗn loạn dẫn đến va chạm dội hạt phá vỡ hạt rắn Hình 1.1 Sự thay đổi kích thước hạt rắn theo chiều tăng áp suất Một lợi lớn đồng sóng siêu âm làm giảm thời gian mài mòn làm có hai phận ướt Một ưu điểm việc kiểm sốt xác thơng số hoạt động ảnh hưởng đến q trình đồng hóa 1.3.4 Thiết bị nghiền keo Phương pháp nghiền keo sử dụng để đồng hóa hệ nhũ tương có độ nhớt cao hệ nhũ tương có chứa chất khơng hòa tan Trong phương pháp này, người ta đưa nguyên liệu qua khe hẹp tạo hai bề mặt: bề mặt đứng yên bề mặt chuyển động xoay Các hạt phân tán bị phá vỡ chủ yếu lực cắt kết hợp với chảy rối Kích thước nhỏ mà hạt phân tán đạt sau đồng hóa phương pháp 1-2.[1] 10 = 15399,67 N/m2 Độ võng tâm nắp: f = 0,218.R2 = (0,218.0,42.(111565+390))/( 2,1.1011.0,0062) = 0,00051m  Ống thăm: Đường kính ống thăm: dt = d = 0,08m 2.3.11.Đáy thiết bị Chọn đáy hình elip Đáy có dạng h = 0,25.0,8 = 0,2m Dựa vào cơng thức tính tốn trang 385 [8]ta có: - Bề dày tối thiểu: Smin= D +C Trong đó: k hệ số khơng thứ nguyên xác định K=1Chọn đường kính lỗ 4.2mm => K= 1- = 0,925 hb chiều cao phần lồi đáy = H ứng suất kéo vật liệu = 515.106 N/m2 P áp suất thiết bị N/m2 hệ số bền mối hàn, theo bảng XIII.8 trang 362 Sổ tay trình thiết bị tập mối hàn hai phía có hệ số bền 0,95 C đại lượng bổ sung, theo cơng thức XIII,17 trang 363 [8] ta có C = C1 + C2 + C3 = 0,4mm 31 (với thép không gỉ ta lấy C1 = 1mm, C2 bỏ qua, C3 tra bảng XIII.9 [8] = 0,5mm)  Smin= 0,8 + 0,0015 = 0,0021m = 2,1mm Vì S - C